操作系統(tǒng)及系統(tǒng)編程第01講

1、操作系統(tǒng)與系統(tǒng)編程諶 衛(wèi) 軍清華大學(xué)軟件學(xué)院Operating Systems and System Programming2003年春季為何要學(xué)操作系統(tǒng)？BOOL g_bEndFlag = TRUE;/* 優(yōu)先級(jí)低，70 */void testTaskA( ) while(g_bEndFlag) 等待信號(hào)量； g_bEndFlag = FALSE; return;/*優(yōu)先級(jí)高，50*/void testTaskB( ) int nRecvLen; while(g_bEndFlag) nRecvLen = recv(sockId.); if(nRecvLen Windows； 方便的編程接口，

2、 中斷調(diào)用 - API - MFC。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史Phase 1：194650年代硬件非常昂貴，沒(méi)有操作系統(tǒng)編程語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言；輸入輸出：紙帶或卡片；用戶在控制臺(tái)前調(diào)試程序，獨(dú)占全機(jī)。用戶既是程序員，又是操作員，手工操作；一次完成一個(gè)功能（計(jì)算，I/O，用戶思考/反應(yīng)），之間沒(méi)有重疊。問(wèn)題：手工操作的低效率造成CPU資源的浪費(fèi)。程序員把作業(yè)（卡片或磁帶）提交給負(fù)責(zé)調(diào)度的操作員（系統(tǒng)管理員）；操作員把作業(yè)“成批”地輸入到計(jì)算機(jī)；批處理管理程序自動(dòng)地識(shí)別、裝入一個(gè)作業(yè)，并運(yùn)行之，然后再取下一個(gè)作業(yè)。串行地執(zhí)行作業(yè)，因而稱為是“單道批處理”。硬件昂貴，人力便宜Phase 250年代末60

3、年代中：批處理管理程序?yàn)榱颂岣哂?jì)算機(jī)的使用效率，減少手工操作！程序的調(diào)試比較困難；由于慢速的輸入輸出處理仍然直接由主機(jī)來(lái)完成，使得CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均：對(duì)計(jì)算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑；對(duì)I/O為主的作業(yè)，CPU空閑。單道批處理的問(wèn)題：通道和中斷技術(shù)通道：用于控制I/O設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸，有專用的I/O處理器，啟動(dòng)后可獨(dú)立于CPU運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CPU與I/O的并行工作。中斷是指CPU在收到外部中斷信號(hào)后，停止原來(lái)工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，在完成后回到原來(lái)斷點(diǎn)繼續(xù)工作。60年代初，發(fā)展了通道技術(shù)和中斷技術(shù)，這些技術(shù)的出現(xiàn)使得I/O訪問(wèn)與CPU計(jì)算可以重疊進(jìn)行。60年代中70年代中：多道批處理

4、系統(tǒng)(現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)的出現(xiàn)）特征：多道：內(nèi)存中同時(shí)存放多個(gè)作業(yè)，由CPU以切換方式為之服務(wù)。在當(dāng)前運(yùn)行的作業(yè)需作I/O處理時(shí)，CPU轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個(gè)作業(yè)；宏觀上并行運(yùn)行：都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完；微觀上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用CPU和I/O設(shè)備CPUI/O單道批處理：多道批處理：CPUI/O作業(yè)甲（紅黃）作業(yè)乙（白綠）需要解決的問(wèn)題：內(nèi)存管理，系統(tǒng)必須給多個(gè)作業(yè)分配內(nèi)存；內(nèi)存保護(hù)，避免一個(gè)程序中的bug造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰，或者是破壞了其他程序的執(zhí)行；CPU調(diào)度，系統(tǒng)必須在多個(gè)作業(yè)中不斷地進(jìn)行切換，選擇其中的一個(gè)去使用CPU；系統(tǒng)必須去管理各個(gè)并行運(yùn)行的作業(yè)之間的交互關(guān)系；如何構(gòu)造一個(gè)多道

5、批處理系統(tǒng)？系統(tǒng)非常復(fù)雜；完全用匯編語(yǔ)言編寫；IBM的OS/360，第一個(gè)為一系列計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，從最小的機(jī)器到最大的機(jī)器。1963年提出，1968年開始工作。發(fā)布時(shí)，帶著已知的 1000 個(gè)bugs；引發(fā)了研究興趣，OS最終成為一門重要的學(xué)科難不難？ 難！缺點(diǎn)：只是解決了CPU與I/O設(shè)備之間的并行運(yùn)行 問(wèn)題，沒(méi)有解決用戶的響應(yīng)時(shí)間要求。計(jì)算機(jī)比較貴，只有一臺(tái)；終端比較便宜，人手一臺(tái)；所有用戶可與系統(tǒng)立即交互，調(diào)試比較方便；硬件較以前便宜，人力昂貴Phase 370年代中至今：分時(shí)系統(tǒng)多個(gè)用戶分享地使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)交互式分時(shí)：一些分時(shí)操作系統(tǒng)CTSS： 由MIT開發(fā)； 最早的分時(shí)系統(tǒng)之

6、一； 在調(diào)度方面進(jìn)行了一些開拓性的工作；MULTICS： 1963年，由MIT、貝爾實(shí)驗(yàn)室和GE聯(lián)合開發(fā)； 設(shè)計(jì)目標(biāo)是“公用計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)”，大量終端 通過(guò)電話線接入計(jì)算機(jī)主機(jī)； 研制難度超出了所有人預(yù)料，1969投入使用； 引入了許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)領(lǐng)域概念雛形，對(duì) 隨后操作系統(tǒng)的發(fā)展有著巨大的影響。一些分時(shí)操作系統(tǒng)（續(xù)）UNIX： 1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ken Thompson和Dennis Ritchie在一臺(tái)無(wú)人使用的PDP-7計(jì)算機(jī)上，開發(fā) 出了一個(gè)叫做“空間旅行”的游戲； 為了使這個(gè)游戲能夠在PDP-7上順利地運(yùn)行， 他們陸續(xù)開發(fā)了浮點(diǎn)運(yùn)算軟件包、顯示驅(qū)動(dòng)軟 件，并設(shè)計(jì)了文件系統(tǒng)、實(shí)用

7、程序、shell和匯 編程序； 到1970年，在一切完成后，他們給新系統(tǒng)起了 一個(gè)名字UNIX； 最初是用匯編語(yǔ)言編寫，后來(lái)Ritchie發(fā)明了C 語(yǔ)言，因此兩人把整個(gè)系統(tǒng)用C語(yǔ)言重寫了。 Unix是用高級(jí)語(yǔ)言編寫的，能夠在不同的硬件 平臺(tái)之間移植，是一種能夠在筆記本電腦、PC 機(jī)、工作站甚至是巨型機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)。 Unix是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表，Unix運(yùn)行時(shí)的安全 性、可靠性以及強(qiáng)大的計(jì)算能力贏得了廣大用戶 的信賴，已經(jīng)成為一種不斷發(fā)展的、商業(yè)化的操 作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)非常便宜，可以人手一臺(tái)，Apple II、IBM PC等；1974年，Intel 推出8080芯片，請(qǐng)Gary Kildal

8、l設(shè)計(jì)了CP/M操作系統(tǒng)第一個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)；1980年，IBM需要為他們的PC機(jī)安裝操作系統(tǒng)，但Gary居然未予重視，機(jī)遇落在了微軟身上，微軟收購(gòu)了西雅圖計(jì)算機(jī)產(chǎn)品公司 DOS操作系統(tǒng)，創(chuàng)建了MS-DOS；商業(yè)應(yīng)用推動(dòng)了軟件工業(yè)：字處理器、制表軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)。市場(chǎng)劃分為三層：硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。硬件很便宜，人力依然昂貴Phase 4規(guī)模龐大：數(shù)以千萬(wàn)行的代碼，Windows NT是2千萬(wàn)行，Windows 2000約4千萬(wàn)行；極為復(fù)雜：功能繁雜、相互關(guān)聯(lián)；用戶行為難以預(yù)測(cè)；性能非常重要；必須運(yùn)行在各種硬件平臺(tái)上，必須兼容以前的軟件；互聯(lián)時(shí)代：網(wǎng)絡(luò)連接你我他，信息共享，基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用（

9、WWW、Email、新聞組）。今天的操作系統(tǒng)Phase 51.3 操作系統(tǒng)的類型批處理操作系統(tǒng)（多道批處理）分時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指使計(jì)算機(jī)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的嚴(yán)格時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)設(shè)備和實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地工作的操作系統(tǒng)。主要特征： 實(shí)時(shí)性：對(duì)外部請(qǐng)求在嚴(yán)格時(shí)間范圍內(nèi)作出反應(yīng); 可靠性：要求高度可靠。分兩類：實(shí)時(shí)過(guò)程控制，用于工業(yè)控制、軍事控制；實(shí)時(shí)通信處理，用于電信、銀行、飛機(jī)定票等領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)就是運(yùn)行在嵌入式智能芯片環(huán)境中,對(duì)整個(gè)智能芯片以及它所操

10、作、控制的各種部件裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。它們是一個(gè)設(shè)備、裝置或系統(tǒng)中的一部分，這個(gè)設(shè)備、裝置或系統(tǒng)可以不是“計(jì)算機(jī)”。小到手機(jī)的通信控制，大到國(guó)家范圍內(nèi)的電力監(jiān)控網(wǎng)。典型例子：Wind River（風(fēng)河）的VxWorksMicrosoft的Windows CE個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)針對(duì)單用戶使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的操作系統(tǒng)，是一種單用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)。主要特征： 供個(gè)人使用，功能強(qiáng); 用戶界面友好，使用方便； 有豐富的應(yīng)用軟件：事務(wù)處理、學(xué)習(xí)、娛樂(lè)等； 要求支持多種硬件和外部設(shè)備（多媒體設(shè)備、網(wǎng) 絡(luò)、遠(yuǎn)程通信）。DOS系列，Windows系列，Linux系列等等網(wǎng)

11、絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的、在通常操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的軟件，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、安全、資源共享和各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)計(jì)算機(jī)有機(jī)地連接起來(lái)，其目標(biāo)是相互通信及資源共享。分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)： 把大量的計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，以獲得極高的運(yùn)算能力和廣泛的數(shù)據(jù)共享，這種系統(tǒng)稱為分布式系統(tǒng)。它的基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的分布。分布式操作系統(tǒng)： 為分布式系統(tǒng)進(jìn)行配置的操作系統(tǒng)。它是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的更高級(jí)的形式，保持了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的全部功能。主要特征：是一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，分布式OS直接管理各機(jī)的CPU、存儲(chǔ)器和外設(shè)等資

12、源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理;資源進(jìn)一步共享，一個(gè)進(jìn)程可以分布到各機(jī)上并行執(zhí)行；透明性: 資源共享，網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度對(duì)用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置分布；自治性: 處于分布式系統(tǒng)的多個(gè)主機(jī)處于平等地位，無(wú)主從關(guān)系。處理能力增強(qiáng)、速度更快、可靠性增強(qiáng)。1.4 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境任何系統(tǒng)軟件都是對(duì)硬件功能的延伸，都是建立在硬件基礎(chǔ)上的，離不開硬件設(shè)施的支持。而操作系統(tǒng)更是直接依賴于硬件，與硬件的關(guān)系尤為密切。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（本圖摘自Silberschatz, Galvin and Gagne： “Operating System Concepts”）I/O 設(shè)備與CPU可并行運(yùn)行；每個(gè)設(shè)備控

13、制器負(fù)責(zé)一種特定的設(shè)備類型；每個(gè)設(shè)備控制器有一個(gè)局部緩存；CPU 在主存與局部緩存之間移動(dòng)數(shù)據(jù)；I/O是從設(shè)備到設(shè)備控制器的局部緩存；設(shè)備控制器通過(guò)引發(fā)中斷來(lái)通知CPU 操作已完成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作 受保護(hù)的指令； 系統(tǒng)調(diào)用； 內(nèi)存保護(hù)； 中斷機(jī)制； I/O系統(tǒng)； 時(shí)鐘操作。OS需要的硬件特性有些指令只有操作系統(tǒng)才有權(quán)使用，例如： 訪問(wèn)某些硬件資源的指令，這些硬件資源 禁止用戶程序直接訪問(wèn)； 對(duì)I/O設(shè)備的直接訪問(wèn)指令，如磁盤、打印 機(jī)等； 必須受控的那些能夠操作內(nèi)存管理狀態(tài)的 指令（頁(yè)面表指針、TLB裝入等）； 某些特殊的狀態(tài)位的設(shè)置指令； 停機(jī)指令。一、受保護(hù)的指令（特權(quán)指令）如何從硬件上

14、實(shí)現(xiàn)OS的這個(gè)要求？處理器的狀態(tài) 根據(jù)運(yùn)行程序?qū)Y源和機(jī)器指令的使用權(quán)限，把處理器設(shè)置為不同狀態(tài)。多數(shù)系統(tǒng)將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài)。管態(tài)：操作系統(tǒng)的管理程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，較高的 特權(quán)級(jí)別，又稱為特權(quán)態(tài)（特態(tài)）、系統(tǒng)態(tài)處理器處于管態(tài)時(shí)：可以執(zhí)行所有的指令（包括特權(quán)指令）、使用所有的資源，并具有改變處理器狀態(tài)的能力。目態(tài)：用戶程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，較低的特權(quán)級(jí)別， 又稱為普通態(tài)（普態(tài)）、用戶態(tài)。在此狀態(tài)下禁止使用特權(quán)指令，不能直接使用系統(tǒng)資源與改變CPU狀態(tài)，并且只能訪問(wèn)用戶程序所在的存儲(chǔ)空間。有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分核心狀態(tài)，管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài)（目標(biāo)狀態(tài)）三種。實(shí)例：x86系列處理器(1

15、)386、486、Pentium系列都支持4個(gè)處理器特權(quán)級(jí)別（特權(quán)環(huán)：R0、R1、R2和R3）從R0到R3特權(quán)能力依次降低R0相當(dāng)于雙狀態(tài)系統(tǒng)的管態(tài)R3相當(dāng)于目態(tài)R1和R2則介于兩者之間，它們能夠運(yùn)行的指令集合具有包含關(guān)系：各個(gè)級(jí)別有保護(hù)性檢查（地址校驗(yàn)、I/O限制）特權(quán)級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換方式不盡相同四個(gè)級(jí)別運(yùn)行不同類別的程序：R0-運(yùn)行操作系統(tǒng)核心代碼R1-運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和I/O處理例程R2-運(yùn)行其它受保護(hù)共享代碼，如語(yǔ)言系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境R3-運(yùn)行各種用戶程序現(xiàn)有基于x86處理器的操作系統(tǒng)，多數(shù)UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3兩個(gè)特權(quán)級(jí)別實(shí)例：x86系列處理器(2

16、)問(wèn)題一：CPU怎么來(lái)判斷當(dāng)前運(yùn)行的程序是系統(tǒng)程序還是用戶程序呢？程序狀態(tài)字PSW一個(gè)專門的寄存器，用來(lái)指示處理器的狀態(tài)， PSW (Program Status Word )，通常包括： CPU的工作狀態(tài)碼指明管態(tài)還是目態(tài)，用來(lái) 說(shuō)明當(dāng)前在CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用 戶，從而決定其是否可以使用特權(quán)指令或擁有其 它的特殊權(quán)力； 條件碼反映指令執(zhí)行后的結(jié)果特征； 中斷屏蔽碼指出是否允許中斷問(wèn)題二：狀態(tài)之間如何轉(zhuǎn)換？管態(tài) 目態(tài) 通過(guò)設(shè)置PSW(修改程序狀態(tài)字)來(lái)實(shí)現(xiàn)；目態(tài) 管態(tài) 用戶程序無(wú)法直接修改程序狀態(tài)字；那么用戶程序如何才能去做一些帶有“特權(quán)”的事情（如I/O）呢？解決之道是 二、系

17、統(tǒng)調(diào)用用戶程序通過(guò)訪管指令或陷阱指令（Trap 指令），來(lái)請(qǐng)求操作系統(tǒng)為其提供某種功能的服務(wù)。系統(tǒng)調(diào)用指令的實(shí)現(xiàn)過(guò)程一般是： 當(dāng)CPU執(zhí)行訪管指令或陷阱指令時(shí)，即引起訪管 中斷或陷阱中斷； 處理器保存中斷點(diǎn)的程序執(zhí)行上下文環(huán)境（PSW, PC和其他的一些寄存器），CPU切換到管態(tài)。 中斷處理程序開始工作，調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)服務(wù)； 中斷處理結(jié)束后，恢復(fù)被中斷程序的上下文環(huán)境， CPU恢復(fù)為目態(tài)，回到中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。管態(tài)（系統(tǒng)態(tài)）目態(tài)（用戶態(tài)）系統(tǒng)調(diào)用中斷處理程序系統(tǒng)服務(wù)程序用戶程序OS內(nèi)核陷入到管態(tài)恢復(fù)到目態(tài) 受保護(hù)的指令； 系統(tǒng)調(diào)用； 內(nèi)存保護(hù)； 中斷機(jī)制； I/O系統(tǒng)； 時(shí)鐘操作。OS需要的硬件

18、特性Why 內(nèi)存保護(hù)？ 防止一個(gè)用戶程序去訪問(wèn)其他用戶 程序的數(shù)據(jù)； 保護(hù)操作系統(tǒng)免受用戶程序的破壞。三、內(nèi)存保護(hù)在硬件上如何支持？最簡(jiǎn)單的做法：基址寄存器和邊界寄存器程序C程序A程序B內(nèi)存基址寄存器邊界寄存器在開始運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)給基址寄存器和邊界寄存器設(shè)置相應(yīng)的值虛擬存儲(chǔ)技術(shù)：把內(nèi)存和外存結(jié)合起來(lái)使用，硬件 提供虛、實(shí)地址映射的機(jī)制。中斷對(duì)于操作系統(tǒng)的重要性 就像機(jī)器中的驅(qū)動(dòng)齒輪一樣有人把操作系統(tǒng)稱為是由 “中斷驅(qū)動(dòng)”或者 “（中斷）事件驅(qū)動(dòng)”四、中斷機(jī)制什么是中斷?指CPU對(duì)系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的異步事件的響應(yīng)異步事件是指無(wú)一定時(shí)序關(guān)系的隨機(jī)發(fā)生事件，如外部設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)設(shè)備出現(xiàn)異常情況等。中斷處理的過(guò)程：當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，CPU暫停正在執(zhí)行的程序，保留現(xiàn)場(chǎng)后自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)事件的處理程序，待處理完成后返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行被打斷的程序。中斷的類型I/O 中斷：它是當(dāng)外部設(shè)備或通道操作正常結(jié)束或發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)所發(fā)生的中斷。例如：打印機(jī)打印完成、缺紙，讀磁盤時(shí)驅(qū)動(dòng)器中沒(méi)有磁盤等；程序中斷：在某些條件下由指令執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生，如算術(shù)溢出、被零除、用戶態(tài)下使用了特權(quán)指令、以及訪問(wèn)不被允許訪問(wèn)的存儲(chǔ)位置等等；時(shí)鐘中斷：由處理器內(nèi)部的計(jì)時(shí)器產(chǎn)生；硬件故障中斷：由掉電、存儲(chǔ)器校驗(yàn)錯(cuò)等硬件故障引起；訪管中斷：當(dāng)CPU執(zhí)行訪管指令時(shí)產(chǎn)生。完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中信息的