北京工業(yè)大學(xué)操作系統(tǒng)課OS1

對(duì)應(yīng)教材第一章第二章操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的地位研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)操作系統(tǒng)概念流行的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的地位操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)的定義很多……操作系統(tǒng)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行的程序，并充當(dāng)應(yīng)用程序和硬件間的接口。操作系統(tǒng)（OperatingSystem）是最基本的系統(tǒng)軟件。它控制計(jì)算機(jī)的所有資源；并提供應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)系統(tǒng)觀點(diǎn)：作為資源管理器的操作系統(tǒng)用戶觀點(diǎn)：作為擴(kuò)展機(jī)的操作系統(tǒng)作為資源管理器的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要任務(wù)滿足資源使用請(qǐng)求記錄資源使用情況協(xié)調(diào)各個(gè)程序和用戶對(duì)資源使用請(qǐng)求的沖突。硬件資源處理器管理存儲(chǔ)器管理I/O設(shè)備管理信息資源文件管理資源作為擴(kuò)展機(jī)的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的作用是為用戶提供一臺(tái)等價(jià)的擴(kuò)展機(jī)（ExtendedMachine），或稱為虛擬機(jī)，它比底層編程更容易編程。操作系統(tǒng)的目標(biāo)方便用戶讓計(jì)算機(jī)高效執(zhí)行？無(wú)操作系統(tǒng)時(shí)代單道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)其他操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)發(fā)展歷史無(wú)操作系統(tǒng)單道批處理多道批處理分時(shí)系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的發(fā)展是隨計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展而發(fā)展的無(wú)操作系統(tǒng)時(shí)代第一代計(jì)算機(jī)（1945-1955）第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC使用真空管和插件板無(wú)任何軟件和操作系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)第二代計(jì)算機(jī)（1955-1965）目標(biāo)：減少機(jī)時(shí)的浪費(fèi)作業(yè)（Job）：指程序或程序集作業(yè)控制語(yǔ)言用來(lái)控制作業(yè)的執(zhí)行。主要用于科學(xué)與工程計(jì)算FMSFORTRANMonitorSystemFORTRAN監(jiān)控系統(tǒng)IBSYSIBM為7094配備的操作系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)的問(wèn)題？CPU利用率低內(nèi)存利用率低安全？多道批處理系統(tǒng)第三代計(jì)算機(jī)（1965-1980）基地址寄存器和界限寄存器多道程序設(shè)計(jì)Multiprogramming多道批處理系統(tǒng)的問(wèn)題？π的第一百萬(wàn)位是多少？寫(xiě)個(gè)Hello

World程序試一試……響應(yīng)時(shí)間不確定不同調(diào)度算法不同結(jié)果交互式應(yīng)用和批處理應(yīng)用對(duì)響應(yīng)時(shí)間有不同的需求分時(shí)系統(tǒng)每個(gè)用戶擁有一個(gè)終端n個(gè)用戶同時(shí)申請(qǐng)任務(wù)，給每個(gè)用戶1/n有效的處理器速度PhysicalMachineTerminal…CommandCommandCommandResultResultResultTimeSharingMultitasking實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)處理器操作或者數(shù)據(jù)流動(dòng)有嚴(yán)格的要求時(shí)使用。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)保證關(guān)鍵任務(wù)按時(shí)完成軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，并在完成之前保證它的最高優(yōu)先級(jí)其他操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)多處理器系統(tǒng)桌面系統(tǒng)群集系統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能用戶與操作系統(tǒng)的接口操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能處理器管理的功能存儲(chǔ)管理的功能設(shè)備管理的功能文件管理的功能用戶接口硬件資源處理器管理存儲(chǔ)器管理I/O設(shè)備管理信息資源文件管理資源用戶與操作系統(tǒng)的接口命令接口由一組鍵盤(pán)操作命令和命令解釋程序組成DOS程序接口為了用戶程序訪問(wèn)系統(tǒng)資源而設(shè)用戶程序獲取操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑系統(tǒng)調(diào)用WindowsAPI圖形用戶接口(GUI)操作系統(tǒng)的基本特征并發(fā)(concurrence)并行：兩個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)刻發(fā)生并發(fā)：兩個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)間間隔發(fā)生共享(sharing)互斥的共享方式同時(shí)訪問(wèn)方式虛擬(virtual)異步性(asynchronism)內(nèi)存中程序何時(shí)執(zhí)行、何時(shí)暫停、需要多少時(shí)間完成都是不可知的整體式系統(tǒng)層次式結(jié)構(gòu)C/S結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)早期的操作系統(tǒng)使用整體式系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是一系列過(guò)程的集合，只要需要就可以相互調(diào)用。整體式結(jié)構(gòu)例子1MS-DOS最初由幾個(gè)人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)利用最小空間提供最多的功能沒(méi)有被仔細(xì)地劃分模塊整體式結(jié)構(gòu)例子2傳統(tǒng)UNIX受到硬件的限制分成內(nèi)核和系統(tǒng)程序內(nèi)核又分為接口和設(shè)備驅(qū)動(dòng)新版的UNIX可以更好地使用高級(jí)硬件層次式結(jié)構(gòu)層次式系統(tǒng)的各種功能可以劃分為幾個(gè)層次，每個(gè)層次建立在下面的層次之上。優(yōu)點(diǎn)：模塊化缺點(diǎn)：對(duì)層的定義并且相對(duì)效率差層次式結(jié)構(gòu)例子OS/2使用數(shù)量更少而功能更多的分層設(shè)計(jì)提供了絕大多數(shù)模塊化代碼的優(yōu)點(diǎn)避免了分層定義和交互的困難問(wèn)題C/S結(jié)構(gòu)把原本屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能放到內(nèi)核的外部，使內(nèi)核成為一個(gè)微內(nèi)核。操作系統(tǒng)的微內(nèi)核之外的進(jìn)程是服務(wù)器進(jìn)程；而用戶進(jìn)程是客戶進(jìn)程。微內(nèi)核實(shí)現(xiàn)消息的傳遞優(yōu)點(diǎn)易于維護(hù)易于擴(kuò)充適用于分布式系統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)例子WindowsNT虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)監(jiān)控器運(yùn)行在硬件系統(tǒng)上，提供多道程序的功能，并為上一層提供虛擬機(jī)。虛擬機(jī)是硬件的完全拷貝，包括真實(shí)機(jī)器中的內(nèi)核模式、用戶模式、I/O、中斷等。優(yōu)點(diǎn)提供了安全層允許進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而不必中斷正常的系統(tǒng)操作虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)例子一套硬件上同時(shí)運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)Windows和UNIXJava虛擬機(jī)JVM（Java虛擬機(jī)）可以在各種硬件之上解釋執(zhí)行Java編譯程序程序狀態(tài)字中斷系統(tǒng)CPU狀態(tài)/模式系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字處于CPU，用于包含狀態(tài)信息用于比較指令的條件碼CPU優(yōu)先級(jí)模式（用戶模式/核心模式）其它控制位CPU狀態(tài)/模式系統(tǒng)模式：執(zhí)行操作系統(tǒng)任務(wù),也稱為管態(tài)Kernel

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System/Privileged/Supervisormode用戶模式：執(zhí)行用戶任務(wù)，也稱為目態(tài)Usermode區(qū)分兩種模式的原因提供了保護(hù)操作系統(tǒng)和用戶程序不受錯(cuò)誤用戶程序影響的手段特權(quán)指令(PrivilegedInstruction)：可以引起損害的指令如果在用戶模式下執(zhí)行特權(quán)指令則認(rèn)為是非法指令在PSW中用一位來(lái)表示模式中斷現(xiàn)代操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)的定義：由外部事件引起的暫停過(guò)程，外部事件處理完成后會(huì)被恢復(fù)執(zhí)行。中斷類別中斷（interrupt）：由硬件引起的中斷，例如時(shí)鐘中斷陷阱（trap）：是因?yàn)殄e(cuò)誤/用戶程序的特定請(qǐng)求而引起的軟件生成中斷，又稱軟中斷例如系統(tǒng)調(diào)用中斷向量：各種中斷服務(wù)程序的地址。中斷使用堆棧保存被中斷指令的地址利用中斷控制字實(shí)現(xiàn)屏蔽中斷多重中斷順序處理優(yōu)先級(jí)（可嵌套）系統(tǒng)調(diào)用用戶對(duì)操作系統(tǒng)提出的服務(wù)是由系統(tǒng)調(diào)用（SystemCall）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它提供了進(jìn)程與操作系統(tǒng)之間的接口。有的用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)有的用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，直接被高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用Win32API

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JavaAPI/POSIXAPI分別調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用例子從一個(gè)文件中讀數(shù)據(jù)并寫(xiě)到另一個(gè)文件中Read/write結(jié)論：簡(jiǎn)單的程序也會(huì)使用大量的系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)過(guò)程系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行時(shí)被視為陷阱（軟中斷）通過(guò)中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序（系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序），模式位變成系統(tǒng)模式傳遞參數(shù)通過(guò)寄存器傳遞參數(shù)將參數(shù)存放在內(nèi)存的塊或者表中，把塊或表的地址放在寄存器中通過(guò)堆棧的壓入和彈出判斷參數(shù)是否合法執(zhí)行返回系統(tǒng)調(diào)用的分類進(jìn)程控制文件管理設(shè)備管理信息維護(hù)通信第一次作業(yè)基礎(chǔ)作業(yè)1.操作系統(tǒng)的兩個(gè)主要目標(biāo)是什么2.多道程序設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？3.監(jiān)督程序模式和用戶模式之間的區(qū)別？4.陷入與中斷之間的區(qū)別？5