操作系統(tǒng)全冊配套完整課件3

操作系統(tǒng)原理全冊配套完整課件3AppliedOperatingSystemConcepts操作系統(tǒng)原理OperatingSystemPrincipleAppliedOperatingSystemConcepts參考教材

1.AppliedOperatingSystemConcept

AbrahanSilberschatz,etc

2.計算機操作系統(tǒng)湯子瀛等西安電子科技大學出版社

3.操作系統(tǒng)教程陸麗娜齊勇等西安交通大學大學出版社

4.ModernOperatingSystem

AndrewS.Tanenbaum

5.現(xiàn)代操作系統(tǒng)陳向群等譯機械工業(yè)出版社

6.計算機操作系統(tǒng)教程張堯?qū)W史美林清華大學出版社AppliedOperatingSystemConceptsAppliedOperatingSystemConcepts(AOSC)介紹

作者：AbrrahamSilberschatzPeterGalvinGregGagne2000年第一版AppliedOperatingSystemConceptsOneofthefollowingthreebookswouldbesufficienttopreparefortheOperatingSystemscomponentoftheexam."AppliedOperatingSystemConcepts"A.Silberschatz,P.Galvin,andG.Gagne.JohnWiley&Sons,Inc.,2000."Modernoperatingsystems"Tanenbaum1WhatisanOperatingSystem?2Processes3-3.6MemoryManagement4FilesSystems5-5.2Input/Output6Deadlock7CaseStudy:UNIX(Thisisanalternative.)"OperatingSystems,DesignandImplementation"Tanenbaum(Thisisanalternative.)耶魯大學的OS考試參考書AppliedOperatingSystemConcepts為什么要有操作系統(tǒng)

計算機硬件（裸機）難于使用。WhatisanOperatingSystem?AppliedOperatingSystemConcepts預測計算機的計算速度和存儲密度的“摩爾定律”在2016年前仍然有效。普適計算是21世紀的計算模式。微電子與計算技術的創(chuàng)新與成長繼續(xù)按指數(shù)率發(fā)展AppliedOperatingSystemConcepts微電子與計算技術的創(chuàng)新與成長繼續(xù)按指數(shù)率發(fā)展AppliedOperatingSystemConcepts計算在哪里起作用？年進行復雜計算數(shù)據(jù)存儲

交互式生產(chǎn)AppliedOperatingSystemConcepts大型主機時代很多人共享一臺計算機Internet–廣泛的分布計算時代過渡

普適計算時代每人擁有很多計算機PC時代一人一臺計算機Internet和

Web不僅僅是到下一代計算的過渡，更是計算和服務使用方式的徹底轉(zhuǎn)變。計算模式的發(fā)展趨勢AppliedOperatingSystemConcepts普適計算：任何時間、任何地點、

任何設備、任何數(shù)據(jù)在普適計算時代，任何一個在信息高速公路上行進的人都可以通過無線連接裝置在計算機（多媒體設備）上定位，讓計算機準確給予你幫助信息。同時可讓人們在任何時間、任何地點、以任意方式利用身邊所有可獲取的信息。

普適計算虛擬網(wǎng)絡時代：每個人排隊等候同一臺計算機的處理普適計算時代：計算機程序已嵌入各個設備，主動為每個人服務普適計算AppliedOperatingSystemConcepts新的計算模式的新應用AppliedOperatingSystemConcepts操作系統(tǒng)原理、實現(xiàn)技術虛擬計算機：用戶使用計算機的工作平臺?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)WhatisanOperatingSystem?AppliedOperatingSystemConcepts1:Introduction引論Whatisanoperatingsystem?什么是操作系統(tǒng)？SimpleBatchSystems簡單批處理系統(tǒng)MultiprogrammingBatchedSystems多道程序批處理系統(tǒng)Time-SharingSystems分時系統(tǒng)Personal-ComputerSystems個人計算機系統(tǒng)Real-TimeSystems實時系統(tǒng)EmbeddedSystemS嵌入式系統(tǒng)ParallelSystems并行系統(tǒng)DistributedSystems分布式系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConcepts操作系統(tǒng)的作用

(1)

計算機硬件、軟件資源的管理者(2)

用戶使用計算機硬件、軟件的接口(3)

擴展機(extendedmachine)/虛擬機(virtualmachine)WhatisanOperatingSystem?什么是操作系統(tǒng)？AppliedOperatingSystemConceptsWhatisanOperatingSystem?

什么是操作系統(tǒng)？Aprogramthatactsasanintermediarybetweenauserofacomputerandthecomputerhardware.

在計算機用戶和計算機硬件之間起媒介作用的一種程序。Operatingsystemgoals:操作系統(tǒng)目標Executeuserprogramsandmakesolvinguserproblemseasier.

執(zhí)行用戶程序并使用戶問題更易解決。Makethecomputersystemconvenienttouse.使計算機系統(tǒng)更易使用。Usethecomputerhardwareinanefficientmanner.

以一種效率的方式使用硬件。AppliedOperatingSystemConceptsComputerSystemComponents

計算機系統(tǒng)部件1. Hardware硬件–

providesbasiccomputingresources(CPU,memory,I/Odevices).提供基本的運算資源2. Operatingsystem操作系統(tǒng)–

controlsandcoordinatestheuseofthehardwareamongthevariousapplicationprogramsforthevarioususers.在各種應用程序和用戶之間控制與協(xié)調(diào)對硬件的使用3. Applicationsprograms應用程序–

definethewaysinwhichthesystemresourcesareusedtosolvethecomputingproblemsoftheusers(compilers,databasesystems,videogames,businessprograms).定義解決用戶問題的資源使用方式（編譯、數(shù)據(jù)庫、視頻游戲、事務程序等）4. Users(people,machines,othercomputers)用戶（人、機、其他計算機）.AppliedOperatingSystemConceptsAbstractViewofSystemComponents

系統(tǒng)部件的抽象觀點AppliedOperatingSystemConceptsOperatingSystemDefinitions

操作系統(tǒng)定義Resourceallocator資源分配者–

managesandallocatesresources.管理和分配資源Controlprogram控制程序–

controlstheexecutionofuserprogramsandoperationsofI/Odevices.控制用戶程序的運行和I/O設備的操作Kernel內(nèi)核–

theoneprogramrunningatalltimes(allelsebeingapplicationprograms).在全時運行的一個程序（其他的是應用）AppliedOperatingSystemConcepts發(fā)展動力：“需求推動發(fā)展”(1)

設備角度：資源利用率和系統(tǒng)性能(2)

用戶角度：方便用戶(3)

技術角度：物理器件發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展過程需求推動發(fā)展提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：從集中到分布、從專用到泛在等方便用戶：用戶上機、調(diào)試程序，分散計算時的事務處理和非專業(yè)用戶（商業(yè)和辦公、家庭）器件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存、光器件等計算機體系結構的不斷發(fā)展：單處理機、多處理機、多核、計算機網(wǎng)絡OS的發(fā)展和計算機硬件技術、體系結構相關第一代(1946年-1955年)：真空管時代，無操作系統(tǒng)第二代(1955年-1965年)：晶體管時代，批處理系統(tǒng)第三代(1965年-1980年)：集成電路時代，多道程序設計第四代(1980年-至今)：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代，分時系統(tǒng)?，F(xiàn)代計算機正向著巨型、微型、并行、分布、網(wǎng)絡化和智能化幾個方面發(fā)展。AppliedOperatingSystemConcepts手工操作1946~50年代（電子管）集中計算（計算中心）計算機資源昂貴用戶獨占全機操作系統(tǒng)的發(fā)展過程AppliedOperatingSystemConcepts沒有程序設計語言（甚至沒有匯編），更談不上操作系統(tǒng)。程序員提前預約一段時間，然后到機房將他的插件板插到計算機里。期盼著在接下來的時間中幾萬個真空管不會燒斷，從而可以計算自己的題目。ENIAC計算機運算速度：1000次/每秒,數(shù)萬個真空管,占地100平方米。工作方式：人工操作方式，用戶是計算機專業(yè)人員；編程語言：機器語言；I/O：紙帶或卡片；缺點：用戶獨占全機CPU等待用戶：手工裝入/卸取紙帶或卡片主要矛盾人機矛盾：人工操作方式與機器利用率的矛盾CPU與I/O之速度不匹配的矛盾提高效率的途徑批處理脫機I/OAppliedOperatingSystemConcepts2.單道批處理系統(tǒng)(simplebatchprocessing)

50年代末~60年代中（晶體管）把一批作業(yè)以脫機輸入方式輸入到磁帶/磁鼓利用磁帶或磁盤把任務分類編成作業(yè)順序執(zhí)行每個批作業(yè)由專門監(jiān)督程序（Monitor）自動依次處理操作系統(tǒng)的發(fā)展過程AppliedOperatingSystemConcepts50年代早期出現(xiàn)了穿孔卡片程序?qū)懺诳ㄆ先缓笞x入計算機但計算過程則依然如舊早期計算機系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConcepts卡片早期批處理系統(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機卡片閱讀機輸出磁帶打印機AppliedOperatingSystemConcepts$END$RUNDataforprogram$LOADFortranprogram$FORTRAN

$JOB,10,429754

CherryChen

典型的FMSJOB結構運行特征：順序性：磁帶上的各道作業(yè)是順序地進入內(nèi)存，各作業(yè)的完成順序與他們進入內(nèi)存的順序相同單道性:內(nèi)存中僅有一道程序運行自動性優(yōu)點：減少了CPU的空閑時間，提高了主機CPU和I/O設備的使用效率，提高了吞吐量。缺點：CPU和I/O設備使用忙閑不均．AppliedOperatingSystemConceptsSpoolingOverlapI/Oofonejobwithcomputationofanotherjob.Whileexecutingonejob,theOS.

一個作業(yè)的I/O同另一個作業(yè)的運算彼此重疊。在執(zhí)行一個作業(yè)時，OS。Readsnextjobfromcardreaderintoastorageareaonthedisk(jobqueue).從卡片上把下一個作業(yè)讀入磁盤存儲區(qū)（作業(yè)隊列）Outputsprintoutofpreviousjobfromdisktoprinter.從磁盤到打印機輸出先前的作業(yè)Jobpool

作業(yè)池–

datastructurethatallowstheOStoselectwhichjobtorunnextinordertoincreaseCPUutilization.一種允許操作系統(tǒng)選擇運行作業(yè)的數(shù)據(jù)結構，用以提高CPU利用率AppliedOperatingSystemConcepts3.多道批處理系統(tǒng)(multiprogrammingsystem)60年代中~70年代中（集成電路）

多道：內(nèi)存中同時存放幾個作業(yè)多個作業(yè)共享CPU、內(nèi)存、外設等資源利用多道批處理提高資源的利用率MultiprogrammedBatchSystems

多道程序批處理系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConcepts60年代通道和中斷技術的出現(xiàn)解決了輸入輸出等待計算的問題通道:是一種專用部件，負責外部設備與內(nèi)存之間信息的傳輸。中斷：指主機接到外界的信號（來自CPU外部或內(nèi)部）時，立即中止原來的工作，轉(zhuǎn)去處理這一外來事件，處理完后，主機又回到原來工作點繼續(xù)工作。

MultiprogrammedBatchSystems

多道程序批處理系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConceptsMultiprogrammedBatchSystems

多道程序批處理系統(tǒng)Severaljobsarekeptinmainmemoryatthesametime,andtheCPUismultiplexedamongthem.在主存中同時有若干個作業(yè)，CPU在其中多重切換。多道程序批處理系統(tǒng)運行特征：多道性：內(nèi)存中同時駐留多道程序并發(fā)執(zhí)行，從而有效地提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量無序性：作業(yè)的完成順序與它進入內(nèi)存的順序之間無嚴格的對應關系調(diào)度性：作業(yè)調(diào)度、進程調(diào)度AppliedOperatingSystemConceptsOSFeaturesNeededforMultiprogramming

多道程序?qū)S特點的要求I/Oroutinesuppliedbythesystem.系統(tǒng)提供I/O程序Memorymanagement存儲管理–

thesystemmustallocatethememorytoseveraljobs.系統(tǒng)必須為若干作業(yè)分派空間

CPUschedulingCPU調(diào)度–

thesystemmustchooseamongseveraljobsreadytorun.系統(tǒng)必須在就緒作業(yè)中挑選Allocationofdevices.設備分配多道程序批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)所用技術：作業(yè)調(diào)度：作業(yè)的現(xiàn)場保存和恢復－－上下文切換資源共享：資源的競爭和同步－－互斥(exclusion)和同步(synchronization)機制；內(nèi)存使用：提高內(nèi)存使用效率（為當前由CPU執(zhí)行的程序提供足夠的內(nèi)存）－－覆蓋(overlap)，交換(swap)和虛擬存儲(virtualmemory)；內(nèi)存保護:系統(tǒng)存儲區(qū)和各應用程序存儲區(qū)不可沖突；文件非順序存放、隨機存取。多道程序批處理系統(tǒng)優(yōu)點資源利用率高:CPU,內(nèi)存,I/O設備系統(tǒng)吞吐量大缺點無交互能力，用戶響應時間長作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長AppliedOperatingSystemConcepts操作系統(tǒng)的重大進步1、多任務處理（多用戶）2、交互服務操作系統(tǒng)的發(fā)展過程AppliedOperatingSystemConcepts4.分時系統(tǒng)(time-sharingsystem)70年代中期至今

分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機(1)

多個用戶分時(2)

前臺和后臺程序(foreground&background)分時分時系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConceptsTime-SharingSystems–InteractiveComputing

分時系統(tǒng)-交互式計算分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機。多個程序分時共享硬件和軟件資源（注意區(qū)分：硬件各部分的分時，如CPU和DMA使用總線和內(nèi)存）。實現(xiàn)方式:(1)

多個用戶分時：單個用戶使用計算機的效率低，因而允許多個應用程序同時在內(nèi)存中，分別服務于不同的用戶。有用戶輸入時由CPU執(zhí)行，處理完一次用戶輸入后程序暫停，等待下一次用戶輸入－－時走時停(2)

前臺和后臺程序(foreground&background)分時：后臺程序不占用終端輸入輸出，不與用戶交互－－現(xiàn)在的圖形用戶界面(GUI)，除當前交互的程序(輸入焦點)之外，其他程序均作為后臺通常按時間片(timeslice)分配：各個程序在CPU上執(zhí)行的輪換時間AppliedOperatingSystemConcepts主機終端分時技術：把CPU的響應時間分成若干個大小相等（或不等）的時間單位，稱為時間片（如100毫秒），每個終端用戶獲得CPU（獲得一個時間片）后開始運行，當時間片到，該用戶程序暫停運行，等待下一次運行。AppliedOperatingSystemConcepts分時系統(tǒng)的特點(1)

人機交互性好(2)

共享主機：多個用戶同時使用分時系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConceptsTime-SharingSystems–InteractiveComputing

分時系統(tǒng)-交互式計算TheCPUismultiplexedamongseveraljobsthatarekeptinmemoryandondisk(theCPUisallocatedtoajobonlyifthejobisinmemory).對保存在內(nèi)存和磁盤上的若干作業(yè)之間多路（

CPU被分配給某個作業(yè)僅當該作業(yè)在內(nèi)存）Ajobisswappedinandoutofmemorytothedisk.作業(yè)在內(nèi)存和磁盤之間被對換On-linecommunicationbetweentheuserandthesystemisprovided;whentheoperatingsystemfinishestheexecutionofonecommand,itseeksthenext“controlstatement”notfromacardreader,butratherfromtheuser’skeyboard.提供用戶和系統(tǒng)之間的在線通信；操作系統(tǒng)完成了一條命令的執(zhí)行后，它不從卡片閱讀機上而是從用戶鍵盤上尋找下一條控制語句On-linesystemmustbeavailableforuserstoaccessdataandcode.

在線系統(tǒng)必須使用戶能夠訪問數(shù)據(jù)和代碼AppliedOperatingSystemConcepts在分時系統(tǒng)的基礎上，操作系統(tǒng)的發(fā)展開始分化，如實時系統(tǒng)、通用（桌面）系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、個人系統(tǒng)等。

操作系統(tǒng)的發(fā)展過程AppliedOperatingSystemConceptsReal-TimeSystems

實時系統(tǒng)Oftenusedasacontroldeviceinadedicatedapplicationsuchascontrollingscientificexperiments,medicalimagingsystems,industrialcontrolsystems,andsomedisplaysystems.通常作為控制設備在諸如控制科學實驗、醫(yī)學影象系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及一些顯示系統(tǒng)中應用Well-definedfixed-timeconstraints.嚴格確定的時間限制Hardreal-timesystem.硬實時系統(tǒng)Secondarystoragelimitedorabsent,datastoredinshort-termmemory,orread-onlymemory(ROM)有限的或沒有次級存儲器，數(shù)據(jù)存在短期存儲器或只讀存儲器中Conflictswithtime-sharingsystems,notsupportedbygeneral-purposeoperatingsystems.同分時系統(tǒng)沖突，通用操作系統(tǒng)Softreal-timesystem軟實時系統(tǒng)Limitedutilityinindustrialcontrolorrobotics在工業(yè)控制或機器人中有部分應用Usefulinapplications(multimedia,virtualreality)requiringadvancedoperating-systemfeatures.在需要高級操作系統(tǒng)功能的應用（多媒體、虛擬現(xiàn)實）中應用AppliedOperatingSystemConceptsReal-TimeSystems

實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)的特征(1)

實時時鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時間、定時和延時等時鐘管理功能；(2)

過載保護：緩沖區(qū)排隊，丟棄某些任務，動態(tài)調(diào)整任務周期；過載是指進入系統(tǒng)的任務數(shù)目超出系統(tǒng)的處理能力；(3)

高度可靠性和安全性－－容錯能力（如故障自動復位）和冗余備份（雙機，關鍵部件）。AppliedOperatingSystemConceptsReal-TimeSystems

實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)的區(qū)別1)

專用系統(tǒng)：許多實時系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而批處理與分時系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。2)

實時控制：實時系統(tǒng)用于控制實時過程，要求對外部事件的迅速響應，具有較強的中斷處理機構。3)

高可靠性：實時系統(tǒng)用于控制重要過程，要求高度可靠，具有較高冗余。如雙機系統(tǒng)。4)

事件驅(qū)動和隊列驅(qū)動：實時系統(tǒng)的工作方式：接受外部消息，分析消息，調(diào)用相應處理程序進行處理。5)

可與通用系統(tǒng)結合成通用實時系統(tǒng)：實時處理前臺作業(yè)，批處理為后臺作業(yè)。AppliedOperatingSystemConceptsParallelSystems

并行系統(tǒng)MultiprocessorsystemswithmorethanoneCPUinclosecommunication.有緊密通信的、多于一個CPU的多處理器系統(tǒng)Tightlycoupledsystem

–processorssharememoryandaclock;communicationusuallytakesplacethroughthesharedmemory.

緊偶合系統(tǒng)-處理器共享內(nèi)存和時鐘；一般通過共享內(nèi)存進行通信Advantagesofparallelsystem:并行系統(tǒng)的優(yōu)點Increasedthroughput增大吞吐量Economical

經(jīng)濟Increasedreliability提高可靠性gracefuldegradation（有故障時）優(yōu)雅的降低性能fail-softsystems（又稱）軟失效系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConceptsParallelSystems

并行系統(tǒng)(Cont.)Symmetricmultiprocessing(SMP)對稱多處理器Eachprocessorrunsanidenticalcopyoftheoperatingsystem.

每個處理器運行操作系統(tǒng)的相同副本Manyprocessescanrunatoncewithoutperformancedeterioration.許多進程可以立即運行不會降低性能MostmodernoperatingsystemssupportSMP多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持SMPAsymmetricmultiprocessing非對稱多處理器Eachprocessorisassignedaspecifictask;masterprocessorschedulesandallocatesworktoslaveprocessor每個處理器賦予一個特定任務；主處理器為從處理器調(diào)度和分配作業(yè)Morecommoninextremelylargesystems常用在非常大的系統(tǒng)中AppliedOperatingSystemConceptsSymmetricMultiprocessingArchitecture

對稱多處理器體系結構AppliedOperatingSystemConceptsDistributedSystems

分布式系統(tǒng)Distributethecomputationamongseveralphysicalprocessors.計算分布在若干物理處理器上Looselycoupledsystem

–eachprocessorhasitsownlocalmemory;processorscommunicatewithoneanotherthroughvariouscommunicationslines,suchashigh-speedbusesortelephonelines.（從處理器管理角度看）松散偶合系統(tǒng)-每個處理器有自身的本地存儲器；通過各種通信設施，如高速總線、電話線等進行處理器之間的通信Advantagesofdistributedsystems.分布式系統(tǒng)的優(yōu)點ResourcesSharing資源共享Computationspeedup–loadsharing加快計算-共享裝載Reliability可靠Communications通信AppliedOperatingSystemConcepts分布式系統(tǒng)：處理和控制的分散（相對于集中式系統(tǒng)）分布式系統(tǒng)是以計算機網(wǎng)絡為基礎的，它的基本特征是處理上的分布，即功能和任務的分布。分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務可在系統(tǒng)中任何處理機上運行，自動實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務分配并自動調(diào)度各處理機的工作負載。

DistributedSystems

分布式系統(tǒng)(Cont.)AppliedOperatingSystemConceptsDistributedSystems

分布式系統(tǒng)(Cont.)DistributedOperatingSystem分布式操作系統(tǒng)lessautonomybetweencomputers在計算機之間少了自治性givestheimpressionthereisasingleoperatingsystemcontrollingthenetwork.給出一種印象，有一個操作系統(tǒng)控制網(wǎng)絡NetworkOperatingSystem網(wǎng)絡操作系統(tǒng)providesfilesharing提供文件共享providescommunicationscheme提供通信機制runsindependentlyfromothercomputersonthenetwork運行獨立于網(wǎng)絡上的其他計算機AppliedOperatingSystemConcepts網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

(NOS,NetworkOperatingSystem)

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎上提供網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡服務功能的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計算機進行方便而有效的網(wǎng)絡資源共享，提供網(wǎng)絡用戶所需各種服務的軟件和相關規(guī)程的集合。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的功能1)

通常操作系統(tǒng)的功能：處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理等；2)

網(wǎng)絡通信功能：通過網(wǎng)絡協(xié)議進行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；3)

資源管理：協(xié)調(diào)各用戶使用；4)

網(wǎng)絡服務：文件和設備共享，信息發(fā)布；5)

網(wǎng)絡管理：安全管理、故障管理、性能管理等；6)

互操作：直接控制對方比交換數(shù)據(jù)更為困難；AppliedOperatingSystemConcepts(1)

耦合程度（從分布式任務管理和調(diào)度）：

A.分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)：分布式OS是在各機上統(tǒng)一建立的“OS同質(zhì)”，直接管理CPU、存儲器和外設；統(tǒng)一進行全系統(tǒng)的管理；

B.網(wǎng)絡通常容許異種OS互連，各機上各種服務程序需按不同網(wǎng)絡協(xié)議“協(xié)議同質(zhì)”。(2)

并行性：

A.分布式OS可以將一個進程分散在各機上并行執(zhí)行“進程遷移”；

B.網(wǎng)絡則各機上的進程獨立。(3)

透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個機器上（如CPU、內(nèi)存或外設）。

A.分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡資源調(diào)度對用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置；

B.網(wǎng)絡操作系統(tǒng)中對網(wǎng)絡資源的使用要由用戶明確指定；(4)

健壯性：分布式系統(tǒng)要求更強的容錯能力（工作時系統(tǒng)重構）

分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的比較AppliedOperatingSystemConceptsEmbeddedSystem

嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng)？在各種設備、裝置或系統(tǒng)中，完成特定功能的軟硬件系統(tǒng)它們是一個大設備、裝置或系統(tǒng)中的一部分，這個大設備、裝置或系統(tǒng)可以不是“計算機”通常工作在反應式或?qū)μ幚頃r間有較嚴格要求環(huán)境中由于它們被嵌入在各種設備、裝置或系統(tǒng)中，因此稱為嵌入式系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConceptsAppliedOperatingSystemConcepts嵌入式操作系統(tǒng)，是運行在嵌入式智能芯片環(huán)境中，對整個智能芯片以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。在嵌入式系統(tǒng)中的OS，稱為嵌入式操作系統(tǒng)。EmbeddedOperating-System嵌入式操作系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConcepts典型嵌入式操作系統(tǒng)的特性完成某一項或有限項功能；不是通用型的；在性能和實時性方面有嚴格的限制；能源、成本和可靠性通常是影響設計的重要因素；占有資源少、易于連接；系統(tǒng)功能可針對需求進行裁剪、調(diào)整和生成以便滿足最終產(chǎn)品的設計要求。AppliedOperatingSystemConcepts嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境通常配有源碼級可配置的系統(tǒng)模塊設計豐富的同步原語可選擇的調(diào)度算法可選擇內(nèi)存分配策略定時器與計數(shù)器多方式中斷處理支持多種異常處理選擇多種通信方式支持標準Ｃ語言庫數(shù)學運算庫和開放式應用程序接口AppliedOperatingSystemConcepts嵌入式操作系統(tǒng)的應用嵌入計算的各種應用特點掌上電腦： 運算速度：100KIPS

在大小上優(yōu)化、支持手寫、低能耗工業(yè)設備： 運算速度：1MIPS

安全優(yōu)先，控制流程為主軍事裝備 運算速度：1GFLOPS

可靠性最重要AppliedOperatingSystemConcepts智能卡移動通信計算機外設機頂盒零售設備印刷機復印機互聯(lián)網(wǎng)服務器電話交換設備嵌入式操作系統(tǒng)的應用AppliedOperatingSystemConceptsPersonal-ComputerSystems

個人計算機系統(tǒng)Personalcomputers

–computersystemdedicatedtoasingleuser.

個人計算機-供個人使用的計算機系統(tǒng)I/Odevices–keyboards,mice,displayscreens,smallprinters.I/O設備-鍵盤、鼠標、顯示、小型打印機Userconvenienceandresponsiveness.便利用戶和響應Canadopttechnologydevelopedforlargeroperatingsystem’oftenindividualshavesoleuseofcomputeranddonotneedadvancedCPUutilizationofprotectionfeatures.

可采用大型操作系統(tǒng)研發(fā)的技術，個人獨占計算機不需要高級CPU使用的保護技術AppliedOperatingSystemConceptsMigrationofOperating-SystemConceptsandFeatures

操作系統(tǒng)概念和特性的變遷AppliedOperatingSystemConcepts小型計算機，電子游戲和UNIX的成功1969年，在貝爾退出MULTICS研制項目后，KenThompson和DennisM.Ritchie想申請經(jīng)費買計算機從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請得不到批準。項目無著落，他們在一臺無人用的PDP-7上，重新擺弄原先在MULTICS項目上設計的“空間旅行”游戲。為了使游戲能夠在PDP-7上順利運行，他們陸續(xù)開發(fā)了浮點運算軟件包、顯示驅(qū)動軟件，設計了文件系統(tǒng)、實用程序、shell和匯編程序。到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)起了個同MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX。隨后，UNIX用C語言全部重寫，自此，UNIX誕生了。AppliedOperatingSystemConceptsUNIX操作系統(tǒng)UNIX是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表。Unix運行時的安全性、可靠性以及強大的計算能力贏得廣大用戶的信賴。促使UNIX系統(tǒng)成功的因素：

首先，由于UNIX是用C語言編寫，因此它是可移植的，UNIX是世界上唯一能在筆記本計算機、PC機、工作站直至巨型機上運行的操作系統(tǒng)。第二，系統(tǒng)源代碼非常有效，系統(tǒng)容易適應特殊的需求。最后，也是最重要的一點，它是一個良好的、通用的、多用戶、多任務、分時操作系統(tǒng)。AppliedOperatingSystemConcepts隨著大規(guī)模集成電路發(fā)展，個人計算機時代到來了各種類型的個人計算機和軟件層出不窮。1973年GaryKildall看到對個人計算機操作系統(tǒng)的需求,設計了CP/M操作系統(tǒng)(ControlProgram/MicroprocessororMicrocomputer)。CP/M操作系統(tǒng)有較好的層次結構。它的BIOS把操作系統(tǒng)的其他模塊與硬件配置分隔開，所以它的可移植性好,具有較好的可適應性和易學易用性。到了1981年，CP/M操作系統(tǒng)成為世界上流行最廣的8位操作系統(tǒng)之一。CP/M操作系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConcepts微軟MSDOS個人計算機的成功，逼得IBM采取緊急戰(zhàn)略行動,決定要在1980年盡快生產(chǎn)出微型計算機，以應付挑戰(zhàn)。但沒有操作系統(tǒng)不行。要想快就是找現(xiàn)成系統(tǒng)配套，IBM公司洽談CP/M操作系統(tǒng)不順利，機遇落到了微軟公司。在關鍵時刻，開發(fā)新操作系統(tǒng)時間和人手上已經(jīng)不可能，微軟找到西雅圖計算機產(chǎn)品公司，達成由微軟經(jīng)銷西雅圖計算機產(chǎn)品公司的QDOS操作系統(tǒng)的協(xié)議。當時西雅圖公司并不知道QDOS將被轉(zhuǎn)賣給IBM，否則歷史將會怎樣演變，誰也無法知曉。AppliedOperatingSystemConceptsIBM在1981年推出個人計算機，宣布了DOS操作系統(tǒng)；隨著IBMPC和MSDOS普及，CP/M逐漸走向下坡路；MSDOS有優(yōu)良的文件系統(tǒng)；但受到Intelx86體系結構的限制；缺乏以硬件為基礎的存儲保護機制；它屬于單用戶單任務操作系統(tǒng)；從1981的1.0版到1998年在Windows95/98之下的7.0版，MSDOS歷經(jīng)了16個年頭；迄今仍有MSDOS愛好者繼續(xù)開發(fā)各種DOS軟件產(chǎn)品。微軟MSDOSAppliedOperatingSystemConcepts拯救蘋果公司的Macintosh(MACOS)在推出IBMPC機后，市場卷起一股龍卷風；IBM自己也沒有料到產(chǎn)品會有如此巨大的成功；IBM的成功說明必有其他公司失敗。甚至連蘋果公司也遇到了問題，銷售數(shù)量落到了蘭色巨人的后面；蘋果公司推出Lisa機遭到失敗，AppleIII型也遭到失??；分析家們認為，在微機市場上的戰(zhàn)斗似乎蘭色巨人要嬴了。AppliedOperatingSystemConcepts施樂PaloAlto研究中心

-70年代的計算機研究思想庫世界上第一臺個人計算機Alto，1972年在這里出現(xiàn)。圖形界面，手持鼠標，面向?qū)ο蟪绦蛟O計微機網(wǎng)絡，桌面出版和激光打印等等具有先進概念和技術的原型都首次出現(xiàn)在這里。AppliedOperatingSystemConceptsMACOS、鼠標的新型個人計算機1984年，人們看到一則廣告：“Whatwasthat?”和對Macintosh的介紹,這是配有圖形界面操作系統(tǒng)MACOS和鼠標的新型個人計算機。MAC機一上市立即在市場上獲得極大的成功。當年比爾.蓋茨都說，這是一臺他的媽媽也能使用的計算機。Macintosh把蘋果公司從連續(xù)的失敗中拯救出來，蘋果公司又開始向前發(fā)展。正是Mac先進圖形界面操作系統(tǒng)技術，超前PC機若干年，造就了一批蘋果的忠實追隨者。AppliedOperatingSystemConcepts

Internet時代與Linux1990年秋天，Linus在芬蘭首都赫爾辛基大學學習操作系統(tǒng)課程，因為上機需要排隊等待，Linus買了臺PC機，開發(fā)了第一個程序，程序包括兩個進程，向屏幕上寫字母，然后用定時器來切換進程。Linus需要終端仿真程序來存取Usenet新聞組的內(nèi)容，于是他寫了從調(diào)制解調(diào)器上接發(fā)信息的程序以及顯示器、鍵盤和調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動程序。然后寫了磁盤驅(qū)動程序，文件系統(tǒng)，一旦有了進程切換、文件系統(tǒng)和設備驅(qū)動程序，當然就擁有了一個操作系統(tǒng)原型，或者至少是它的一個內(nèi)核。Linux就以這樣極其古怪但也極其自然式問世。AppliedOperatingSystemConceptsLinux是類Unix的操作系統(tǒng)；Linux是由開放源代碼團體進行開發(fā)和測試；有極高的運行可靠性和安全性；在服務器市場有很高的市場占有率。

Internet時代與LinuxAppliedOperatingSystemConceptsMSDOSIBMPC,CPU8088/8086,BIOS單用戶單任務，簡單分層結構，16位MSWindows3.x,Windows95/98,WinNT/2000/XPCPU80386單用戶多任務（分時系統(tǒng)），16位/16和32位混合/32位UNIX/Linux多用戶多任務，16/32/64位BSD,SVR4（模塊式結構）,OSF/1（微內(nèi)核結構）Personal-ComputerSystems

個人計算機系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConceptsInternet環(huán)境下的

操作系統(tǒng)發(fā)展開放性多變性動態(tài)性無統(tǒng)一控制的“真”分布性節(jié)點的高度自治性和不可預測性節(jié)點鏈接的開放性和靈活性網(wǎng)絡連接方式的多樣性使用方式的個性化和多樣性人、設備和軟件的多重異構性AppliedOperatingSystemConcepts個人計算：

計算機很便宜，將來它會更便宜

人人都會擁有一臺計算機，甚至多臺分布式，機群系統(tǒng)：

通信網(wǎng)絡和Internet

允許不同的機器，方便地共享資源注重移動計算、注重嵌入式計算

AnywhereAnytimeAnyperson注重高可靠，高安全Internet環(huán)境下的操作系統(tǒng)發(fā)展AppliedOperatingSystemConcepts現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征

并發(fā)(concurrency)多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)系統(tǒng)，各進程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過程的管理。并行(parallel)是指在同一時刻發(fā)生。在多道程序處理時，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下）。程序的靜態(tài)實體是可執(zhí)行文件，而動態(tài)實體是進程（或稱作任務），并發(fā)指的是進程。AppliedOperatingSystemConcepts共享(sharing)多個進程共享有限的計算機系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進行合理分配和使用。資源在一個時間段內(nèi)交替被多個進程所用?；コ夤蚕恚ㄈ缫纛l設備）：資源分配后到釋放前，不能被其他進程所用。同時訪問（如可重入代碼，磁盤文件）資源分配難以達到最優(yōu)化現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征

AppliedOperatingSystemConcepts虛擬(virtual)一個物理實體映射為若干個對應的邏輯實體－－分時或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。CPU－－每個用戶（進程）的“虛處理機”存儲器－－每個進程都占有的地址空間（指令＋數(shù)據(jù)＋堆棧）顯示設備－－多窗口或虛擬終端(virtualterminal)現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征

AppliedOperatingSystemConcepts異步性(asynchronism)也稱不確定性，指進程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定性；進程的運行速度不可預知：分時系統(tǒng)中，多個進程并發(fā)執(zhí)行，“時走時?！?，不可預知每個進程的運行推進快慢判據(jù)：無論快慢，應該結果相同－－通過進程互斥和同步手段來保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運行中的錯誤）性能保證：實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)相似，但通過資源預留以保證性能現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征

操作系統(tǒng)的功能處理機管理存儲管理設備管理文件管理用戶接口處理機管理目標：完成處理機資源分配和調(diào)度等功能功能進程控制：創(chuàng)建、撤銷、掛起、改變運行優(yōu)先級等－－主動改變進程的狀態(tài)進程調(diào)度:作業(yè)和進程的運行切換，以充分利用處理機資源和提高系統(tǒng)性能進程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進程之間的推進步驟，以協(xié)調(diào)資源共享進程通信:進程之間的信息交換存儲器管理目標：提高內(nèi)存利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲空間功能存儲分配與回收存儲保護地址重定位內(nèi)存擴充設備管理目標：完成用戶的I/O請求,為用戶分配I/O設備、提高I/O速度，提高CPU與I/O設備利用率、方便設備使用功能緩沖管理設備分配與回收設備處理:利用設備驅(qū)動程序（通常在內(nèi)核中）完成對設備的操作。虛擬設備設備獨立性:提供統(tǒng)一的I/O設備接口，使應用程序獨立于物理設備文件管理目標：實現(xiàn)外存上的信息資源“按名存取”

功能文件存儲空間管理:如何存放信息，以提高空間利用率目錄管理:文件檢索文件存取控制:文件保護軟件管理:軟件的版本、相互依賴關系、安裝和拆除等用戶接口目標：為用戶使用計算機系統(tǒng)提供一個友好的訪問OS的接口操作系統(tǒng)提供2類接口：作業(yè)級接口：行命令、菜單、或圖形化的操作界面（GUI）、語音以及作業(yè)控制語言等；“聯(lián)機”或“脫機”。程序級接口：供用戶程序和系統(tǒng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)功能，也稱系統(tǒng)調(diào)用；AppliedOperatingSystemConcepts操作系統(tǒng)的名稱監(jiān)控（督）程序（系統(tǒng)）（Monitor)

執(zhí)行系統(tǒng)（程序）(ExecutiveSystem(program))

控制系統(tǒng)（程序）(ControlSystemprogram))

管理程序(Supervisor,SupervisorySystem)

核心程序(Kernel)

操作系統(tǒng)(OperatingSystem)Module2:Computer-SystemStructures

計算機系統(tǒng)結構ComputerSystemOperation計算機系統(tǒng)操作StorageStructure存儲構造StorageHierarchy存儲層次HardwareProtection硬件保護Computer-SystemArchitecture

計算機系統(tǒng)體系結構Computer-SystemOperation

計算機系統(tǒng)操作I/OdevicesandtheCPUcanexecuteconcurrently.I/O設備與CPU可并行運行Eachdevicecontrollerisinchargeofaparticulardevicetype.

每一設備控制器負責一個設備類型Eachdevicecontrollerhasalocalbuffer.

每一設備控制器有一局部緩存CPUmovesdatafrom/tomainmemoryto/fromlocalbuffersCPU通過局部緩存與主存交換數(shù)據(jù)I/Oisfromthedevicetolocalbufferofcontroller.I/O從設備到設備控制器的局部緩存DevicecontrollerinformsCPUthatithasfinisheditsoperationbycausinganinterrupt.設備控制器通過引起中斷通知CPU操作已完成中斷機制hardwareinterrupt硬件中斷devicecontrollerinformsCPUthatithasfinisheditsoperationbycausinganinterruptdisk,timer,etc.softwareinterrupt(trap)軟件中斷（陷阱）atrap(oranexception異常)divisionbyzero,invalidmemoryaccessasystemcall

系統(tǒng)調(diào)用(alsocalledamonitorcall)read(),write()Whytheinterrupt?makethesystemmoreefficientandmeanwhilemoreresponsivecommonfunctionsofinterruptsamodernoperatingsystemisinterruptdriven

現(xiàn)代操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動的interrupttransferscontroltotheinterruptserviceroutine(interrupthandler)generally

中斷將控制權轉(zhuǎn)移到中斷服務程序agenericroutinetoexaminetheinterruptinformation,andinturncallthespecifichandlerthroughtheinterruptvector,whichcontainstheaddressesofalltheserviceroutinese.g.MS-DOS,UNIXseparatesegmentsofcodedeterminewhatactionshouldbetakenforeachtypeofinterruptI/OStructureperipheraldevice(s)attachedtodevicecontroller設備與設備控制器相連adevicecontroller(hardware)localbufferstorage本地緩沖器asetofregisters一組寄存器devicedriver,usuallyasoftwareprogramembeddedintoanOS設備驅(qū)動程序I/OInterruptstwowaysofanI/Ooperation兩種I/O操作Synchronous同步Asynchronous異步synchronousI/Omode:afterI/Ostarts,controlreturnstouserprogramonlyuponI/OcompletionasynchronousI/Omode:afterI/Ostarts,controlreturnstouserprogramwithoutwaitingforI/OcompletiontheuserprogramwillbenotifiedabouttheI/OcompletiononalatertimeWindowsmessage,orcallbackfunction

synchrounous asynchrounoussynchronousI/Obusywaitmethod忙等方式waitinstructionidlestheCPUuntilthenextinterruptwaitloop(contentionformemoryaccess)Loop:jmpLoopdrawbacks:atmostoneI/Orequestisoutstandingatatime,nosimultaneousI/Oprocessinginterruptbasedmethod:multipleI/O中斷方式device-statustablecontainsentryforeachI/Odeviceindicatingitstype,address,andstateawaitqueue(alistofwaitingrequests)foreachI/Odevicedevice-statustable&waitqueueDMAstructurelowspeeddevicelikeatypicalterminalinputdeviceleavesmostCPUtimeforotheroperationsusuallyassignedalowinterruptpriority,allowingothermoreimportantinterruptstobeprocessedfirsthigh-speedI/OdevicesabletotransmitinformationatclosetomemoryspeedsiftheCPUneedstorespondtoeachinterruptforeverybyte,itdoesnothavemuchtimeforprocessexecutionDirectMemoryAccessDMA-devicecontrollertransfersblocksofdatafrombufferstoragedirectlytomainmemorywithoutCPUintervention設備控制器在本地緩沖和內(nèi)存之間直接傳輸一整塊數(shù)據(jù)而無需CPU干預settingupbuffers,pointers,andcountersonlyoneinterruptisgeneratedperblock,ratherthantheoneinterruptperbyteDMAcontrollerstealsmemorycyclesfromCPUDMA控制器從CPU中竊取內(nèi)存周期Storage-DeviceHierarchy

存儲設備層次寄存器緩存主存儲器電子盤磁盤光盤磁帶speedcostcapacityStoragesystemsorganizedinhierarchy.存儲系統(tǒng)分層組織Speed速度cost成本volatility易失性MainMemoryrandomaccessmemory(RAM,DRAM)mainmemoryaretheonlylargestoragethattheCPUcanaccessdirectlyCPU可以直接訪問的唯一大型存儲介質(zhì)storedataandinstructionsproblemswithRAMnotbigenough,toosmall

tostoreallprogramsanddataneededpermanently不夠大volatile,contentslostwhenpoweristurnedoff易失性SecondaryStorageextensionofmainmemory主存的擴展bigenoughnon-volatile,permanent提供了非易失的存儲容量magneticdisk磁盤-覆蓋了磁記錄材料的硬金屬或玻璃盤片randomaccessmagnetictapesequentialaccessfloppydisks,CD-ROMs,etc.dataexchange(smallandlight,easytocarry)Moving-HeadDiskMechanism

磁頭移動機制cacheuseofhigh-speedmemorytoholdrecently-accesseddata使用高速存儲保存近期訪問的數(shù)據(jù)cache(builtintoCPU)datacacheinstructioncache,codecachecachemanagementlocalityabove80%hitratiocachingintroducesanotherlevelinstoragehierarchy,anditrequiresdatathatissimultaneouslystoredinmorethanoneleveltobeconsistentcoherencyandconsistencythecopyofadatumappearsinmanylevelsofstoragehierarchysingleprocess,easymultiprogrammingenvironmentmultiprocessorenvironmentcachecoherency,handledbyhardwaredistributedenvironmentStorageHierarchy

存儲層次Caching

–copyinginformationintofasterstoragesystem;mainmemorycanbeviewedasalastcacheforsecondarystorage.

緩存-把信息復制進較快的存儲系統(tǒng)；主存可看作為二級存儲器的最后一個緩存HardwareProtection

硬件保護single-userprogrammer-operatedsystem,completecontrolofthecomputersystem,noprotection單用戶系統(tǒng)，程序員可完全控制系統(tǒng)earlyOS,calledresidentmonitor,stillnoprotection早期OS稱為常駐監(jiān)督程序，沒有保護batchsystem,needsomeprotectione.g.anindefiniteloopreadingcards不斷讀取卡片multiprogramming,aprogrammayaccidentallyordeliberately/maliciouslymodifythecodeordataofanotherprogramHardwareProtection

硬件保護hardwaretraptotheOS,when硬件陷入到OS當illegalinstructions,oraccessmemorynotintheaddressspace,etc.非法指令，或訪問不屬于自己的地址空間的內(nèi)存processterminated/aborted,coredumped進程終止multi-userenvironment,needprotectionforfiles,dataondisk/tape多用戶環(huán)境，需要保護磁盤上的文件、數(shù)據(jù)Dual-ModeOperation兩狀態(tài)運行I/OProtectionI/O保護MemoryProtection內(nèi)存保護CPUProtectionCPU保護Dual-ModeOperation

兩狀態(tài)運行Sharingsystemresourcesrequiresoperatingsystemtoensurethatanincorrectprogramcannotcauseotherprogramstoexecuteincorrectly.

共享系統(tǒng)資源要求操作系統(tǒng)確保有誤程序不會引起其他程序的運行錯誤Providehardwaresupporttodifferentiatebetweenatleasttwomodesofoperations.

至少在兩個運行狀態(tài)之間提供硬件支持1. Usermode

–executiondoneonbehalfofau