操作系統(tǒng) 概論

第一章

操作系統(tǒng)概論主要內(nèi)容1.1操作系統(tǒng)概觀1.2操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3操作系統(tǒng)的基本服務(wù)和用戶接口1.4操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模型1.5流行操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介2/6/2023215:23:201.1操作系統(tǒng)概觀1.1.1操作系統(tǒng)的定義和目標(biāo)1.1.2操作系統(tǒng)的資源管理技術(shù)1.1.3操作系統(tǒng)的作用與功能1.1.4操作系統(tǒng)的主要特性2/6/2023315:23:201.1.1操作系統(tǒng)的定義和目標(biāo)操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是管理系統(tǒng)資源、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，提供各種服務(wù)，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶有效使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境的最基本的一種系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)方便用戶使用擴(kuò)大機(jī)器功能管理系統(tǒng)資源提高系統(tǒng)效率構(gòu)筑開放環(huán)境2/6/2023415:23:20計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)財(cái)務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學(xué)計(jì)算(應(yīng)用軟件)編譯程序匯編程序數(shù)據(jù)庫(kù)(支撐軟件)操作系統(tǒng)(系統(tǒng)軟件)計(jì)算機(jī)硬件………用戶n用戶4用戶3用戶2用戶1實(shí)用程序2/6/2023515:23:201.1.2操作系統(tǒng)的資源管理技術(shù)資源復(fù)用-解決物理資源數(shù)量不足空分復(fù)用共享該資源可進(jìn)一步分割成更多和更小的單位供進(jìn)程使用時(shí)分復(fù)用共享并不把資源進(jìn)一步分割成更小的單位，進(jìn)程可在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)獨(dú)占使用整個(gè)物理資源資源虛化-解決物理資源數(shù)量不足，提高服務(wù)的能力和水平對(duì)資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化、模擬或整合，把物理上的一個(gè)資源變成邏輯上的多個(gè)對(duì)應(yīng)物的一類技術(shù)虛化的例子虛擬設(shè)備虛擬存儲(chǔ)器虛擬屏幕(終端)虛擬信道資源抽象-處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，解決資源的易用性資源抽象用于處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，重點(diǎn)解決資源的易用性資源抽象指通過(guò)創(chuàng)建軟件來(lái)屏蔽硬件資源物理特性和接口細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化對(duì)硬件資源的操作、控制和使用的一類技術(shù)2/6/2023615:23:20抽象和虛化技術(shù)組合使用操作系統(tǒng)常同時(shí)實(shí)施抽象和虛化技術(shù)例1為打印機(jī)既配置“打印函數(shù)”(設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)，又實(shí)施虛擬設(shè)備，通過(guò)打印函數(shù)抽象隱蔽打印機(jī)動(dòng)作細(xì)節(jié)，實(shí)施SPOOLing虛化“擴(kuò)充”物理打印機(jī)數(shù)量例2窗口軟件是對(duì)物理終端的虛化和抽象，能為用戶提供虛擬終端和方便的I/O服務(wù)2/6/2023715:23:20操作系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的抽象進(jìn)程抽象對(duì)已進(jìn)入主存正在運(yùn)行的程序在處理器上操作的狀態(tài)集的抽象虛存抽象對(duì)物理主存的抽象，進(jìn)程可獲得一個(gè)碩大的連續(xù)地址空間來(lái)存放可執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)，可使用虛擬地址來(lái)引用物理主存單元文件抽象對(duì)磁盤之類存儲(chǔ)設(shè)備的抽象文件抽象虛存抽象進(jìn)程抽象處理器主存設(shè)備2/6/2023815:23:20虛擬計(jì)算機(jī)虛擬計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)的組成虛處理器虛擬主存虛擬輔存虛擬設(shè)備2/6/2023915:23:20物理計(jì)算機(jī)與虛擬計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)資源管理(復(fù)用、虛化、抽象)進(jìn)程Pn時(shí)分復(fù)用共享空分復(fù)用共享…虛處理器虛主存虛輔存虛設(shè)備虛擬機(jī)1虛處理器虛主存虛輔存虛設(shè)備虛擬機(jī)n處理器I/O設(shè)備I/O設(shè)備主存物理計(jì)算機(jī)輔助存儲(chǔ)器進(jìn)程P12/6/20231015:23:20

1.1.3操作系統(tǒng)的作用與功能操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)是“管理員”，對(duì)外是“服務(wù)員”O(jiān)S作為用戶接口和公共服務(wù)提供者OS作為程序執(zhí)行的控制者和協(xié)調(diào)者OS作為作為擴(kuò)展機(jī)或虛擬機(jī)OS作為資源管理者和控制者2/6/20231115:23:20OS-用戶接口和服務(wù)提供者操作系統(tǒng)提供友善的人機(jī)接口，使得用戶能夠方便、可靠、安全、高效地使用硬件和運(yùn)行應(yīng)用程序操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行改造和擴(kuò)充，為用戶提供強(qiáng)有力的各種服務(wù)2/6/20231215:23:20OS-程序執(zhí)行的控制者和協(xié)調(diào)者系統(tǒng)以進(jìn)程方式組織用戶使用計(jì)算機(jī)可執(zhí)行程序多數(shù)作為文件存儲(chǔ)在磁盤上系統(tǒng)為程序分配資源調(diào)度程序競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)作處理同步、通信、死鎖2/6/20231315:23:20OS-擴(kuò)展機(jī)或虛擬機(jī)在計(jì)算機(jī)裸機(jī)上加上操作系統(tǒng)來(lái)組成整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作系統(tǒng)把硬件的復(fù)雜性與用戶隔離開來(lái)操作系統(tǒng)與硬件組成一臺(tái)功能顯著增強(qiáng)，使用更加方便，安全可靠性更好的擴(kuò)展機(jī)器或虛擬機(jī)2/6/20231415:23:20OS-資源管理者和控制者硬件和軟件設(shè)施總稱為資源硬件資源：處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等信息資源：程序和數(shù)據(jù)等OS是能使諸用戶有效、方便地共享一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的一種系統(tǒng)軟件對(duì)資源進(jìn)行抽象研究，管理、跟蹤、監(jiān)視資源的狀態(tài)，協(xié)調(diào)資源的使用沖突；研究使用資源的統(tǒng)一方法，讓用戶簡(jiǎn)單、有效地使用資源，最大限度地實(shí)現(xiàn)各類資源的共享，提高資源利用率2/6/20231515:23:20OS和設(shè)備2/6/20231615:23:20操作系統(tǒng)的功能處理機(jī)管理存儲(chǔ)管理設(shè)備管理文件管理網(wǎng)絡(luò)與通信管理用戶接口2/6/20231715:23:20處理機(jī)管理進(jìn)程控制和管理進(jìn)程同步和互斥進(jìn)程通信進(jìn)程死鎖線程控制和管理處理器調(diào)度，又分高級(jí)調(diào)度，中級(jí)調(diào)度和低級(jí)調(diào)度2/6/20231815:23:20存儲(chǔ)管理主存分配地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)主存共享存儲(chǔ)擴(kuò)充2/6/20231915:23:20設(shè)備管理提供設(shè)備中斷處理提供緩沖區(qū)管理提供設(shè)備獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備之間的映射設(shè)備的分配和回收實(shí)現(xiàn)共享型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備2/6/20232015:23:20文件管理提供文件的邏輯組織方法提供文件的物理組織方法提供文件的存取和使用方法實(shí)現(xiàn)文件的目錄管理實(shí)現(xiàn)文件的共享和安全性控制實(shí)現(xiàn)文件的存儲(chǔ)空間管理2/6/20232115:23:20網(wǎng)絡(luò)與通信管理網(wǎng)絡(luò)資源管理數(shù)據(jù)通信管理網(wǎng)絡(luò)管理2/6/20232215:23:201.1.4操作系統(tǒng)的主要特性并發(fā)性共享性異步性2/6/20232315:23:20操作系統(tǒng)中的并發(fā)性并發(fā)性---指兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件或活動(dòng)在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生消除等待，改善資源利用率，改進(jìn)系統(tǒng)的吞吐率，提高系統(tǒng)效率并發(fā)性使系統(tǒng)變得復(fù)雜化如何從一個(gè)活動(dòng)切換到另一個(gè)活動(dòng)？怎樣將各個(gè)活動(dòng)隔離開來(lái)，使之互不干擾，免遭對(duì)方破壞？怎樣讓多個(gè)活動(dòng)協(xié)作完成任務(wù)？怎樣協(xié)調(diào)多個(gè)活動(dòng)對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)？如何保證每個(gè)活動(dòng)的資源不被其它進(jìn)程侵犯?多個(gè)活動(dòng)共享文件數(shù)據(jù)時(shí)，如何保證數(shù)據(jù)的一致性？采用并發(fā)技術(shù)的系統(tǒng)稱多任務(wù)系統(tǒng)并發(fā)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)物理CPU(也可以多個(gè)物理CPU)在若干道程序之間多路復(fù)用，并發(fā)性是對(duì)有限物理資源強(qiáng)制行使多用戶共享以提高效率技術(shù)關(guān)鍵是如何對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)活動(dòng)(進(jìn)程)進(jìn)行切換的技術(shù)并行性---指兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件或活動(dòng)在同一時(shí)刻發(fā)生并行一定是并發(fā)的，但并發(fā)的未必是并行的并行性是并發(fā)性的特例，并發(fā)性是并行性的擴(kuò)展2/6/20232415:23:20操作系統(tǒng)中的共享性共享指操作系統(tǒng)中的資源可被多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程所使用透明資源共享資源隔離與授權(quán)訪問(wèn)

顯式資源共享臨界資源與獨(dú)占訪問(wèn)與共享性有關(guān)的問(wèn)題:資源分配、信息保護(hù)、存取控制等，必須要妥善解決好2/6/20232515:23:20操作系統(tǒng)中的異步性操作系統(tǒng)中的異步性處處可見進(jìn)程執(zhí)行、暫停、怎樣的速度向前推進(jìn)都是異步(隨機(jī))的作業(yè)到達(dá)系統(tǒng)的類型和時(shí)間是隨機(jī)的操作員發(fā)出命令或按按鈕的時(shí)刻是隨機(jī)的程序運(yùn)行發(fā)生錯(cuò)誤或異常的時(shí)刻是隨機(jī)的各種各樣硬件和軟件中斷事件發(fā)生的時(shí)刻是隨機(jī)的異步性給系統(tǒng)帶來(lái)潛在危險(xiǎn),有可能導(dǎo)致與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤操作系統(tǒng)的一個(gè)重要任務(wù)是必須確保捕捉任何一種隨機(jī)事件，正確處理可能發(fā)生的隨機(jī)事件，正確處理任何一種產(chǎn)生的事件序列，否則將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果2/6/20232615:23:201.2操作系統(tǒng)的發(fā)展和形成1.2.1人工操作階段1.2.2

管理程序階段1.2.3多道程序設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)的形成1.2.4操作系統(tǒng)的分類2/6/20232715:23:201.2.1人工操作階段算題過(guò)程人工把源程序用穿孔機(jī)穿制在卡片或紙帶上將準(zhǔn)備好的匯編解釋程序或編譯系統(tǒng)裝入計(jì)算機(jī)匯編程序或編譯系統(tǒng)讀入人工裝在輸入機(jī)上的穿孔卡或穿孔帶執(zhí)行匯編過(guò)程或編譯過(guò)程，產(chǎn)生目標(biāo)程序，并輸出目標(biāo)卡片迭或紙帶通過(guò)引導(dǎo)程序把裝在輸入機(jī)上的目標(biāo)程序讀入計(jì)算機(jī)啟動(dòng)目標(biāo)程序執(zhí)行，從輸入機(jī)上讀入人工裝好的數(shù)據(jù)卡或數(shù)據(jù)帶產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果，執(zhí)行結(jié)果從打印機(jī)上或卡片機(jī)上輸出2/6/20232815:23:20人工操作階段的缺點(diǎn)用戶上機(jī)獨(dú)占全機(jī)資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下手工操作多，浪費(fèi)處理機(jī)時(shí)間，也極易發(fā)生差錯(cuò)數(shù)據(jù)的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機(jī)進(jìn)行，從上機(jī)到下機(jī)的時(shí)間拉得非常長(zhǎng)2/6/20232915:23:201.2.2管理程序階段管理程序的主要功能自動(dòng)控制和處理作業(yè)流提供一套操作命令提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)和I/O控制功能提供庫(kù)程序和程序裝配功能提供簡(jiǎn)單的文件管理功能工作流程操作員集中一批用戶提交的作業(yè)，由管理程序?qū)⒆鳂I(yè)從紙帶或卡片機(jī)輸入到磁帶上，每當(dāng)一批作業(yè)輸入完成后，管理程序自動(dòng)把磁帶上的第一個(gè)作業(yè)裝入主存，并把控制權(quán)交給作業(yè)。當(dāng)該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把控制權(quán)繳回管理程序，管理程序再調(diào)入磁帶上的第二個(gè)作業(yè)到主存執(zhí)行2/6/20233015:23:20 管理程序的主存組織中斷處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)作業(yè)定序命令和JCL語(yǔ)言解釋器用戶程序區(qū)2/6/20233115:23:201.2.3多道程序設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)形成多道程序設(shè)計(jì)是指允許多個(gè)程序同時(shí)進(jìn)入一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存儲(chǔ)器并啟動(dòng)進(jìn)行計(jì)算的方法從宏觀上看并行從微觀上看串行引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的目的技術(shù)中斷通道2/6/20233215:23:20多道程序設(shè)計(jì)例-單道算題運(yùn)行時(shí)處理器的使用效率78輸入機(jī)處理器磁帶機(jī)130150228280300378430450時(shí)間52/（78十52十20）≈35%2/6/20233315:23:20多道程序設(shè)計(jì)例-兩道算題運(yùn)行時(shí)處理器的使用效率78輸入機(jī)處理器磁帶機(jī)1130150228280300378430450時(shí)間磁帶機(jī)2打印機(jī)P1P2P1P2P2（52+42）/150≈63％2/6/20233415:23:20多道程序設(shè)計(jì)的效果采用多道程序設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)效率，增加了單位時(shí)間的算題量，但對(duì)每道程序來(lái)說(shuō)，卻延長(zhǎng)了計(jì)算時(shí)間。多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐率是以犧牲用戶的響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)的2/6/20233515:23:20多道程序設(shè)計(jì)的道數(shù)問(wèn)題程序等待I/O操作的時(shí)間占其運(yùn)行時(shí)間的比例為p，當(dāng)主存中有n道程序時(shí)，所有程序都等待I/O的概率是pn，那么CPU利用率=1-pnn稱作多道程序的道數(shù)或度數(shù)，可見CPU的利用率是n的函數(shù)2/6/20233615:23:20多道程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)提高了CPU的利用率提高了主存和I/O設(shè)備的利用率改進(jìn)了系統(tǒng)的吞吐率充分發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性缺點(diǎn)單道作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間被延長(zhǎng)2/6/20233715:23:20多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)與多重處理系統(tǒng)多重處理系統(tǒng)是指配置了多個(gè)物理CPU，能真正同時(shí)執(zhí)行多道程序的系統(tǒng)。要有效地使用多重處理系統(tǒng)，必須采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)；反過(guò)來(lái)，多道程序設(shè)計(jì)不一定要求有多重處理系統(tǒng)支持2/6/20233815:23:20多道程序設(shè)計(jì)必須解決的問(wèn)題存儲(chǔ)保護(hù)與程序浮動(dòng)處理器的管理和調(diào)度系統(tǒng)資源的管理和調(diào)度2/6/20233915:23:20OS資源管理和自動(dòng)化提高實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)操作過(guò)程自動(dòng)化資源管理水平有了提高提供虛存管理功能支持分時(shí)操作文件管理功能有改進(jìn)多道程序設(shè)計(jì)趨于完善2/6/20234015:23:201.2.4操作系統(tǒng)的發(fā)展與分類三種基本的操作系統(tǒng)類型批處理操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)2/6/20234115:23:20批處理操作系統(tǒng)何謂“批”作業(yè)流與批處理批處理操作系統(tǒng)（BatchOS）批處理系統(tǒng)的主要特征用戶脫機(jī)工作成批處理作業(yè)多道程序運(yùn)行作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)2/6/20234215:23:20分時(shí)操作系統(tǒng)為什么要有分時(shí)操作系統(tǒng)?分時(shí)操作系統(tǒng)概念分時(shí)系統(tǒng)的特征同時(shí)性獨(dú)立性及時(shí)性交互性2/6/20234315:23:20分時(shí)與批處理操作系統(tǒng)的區(qū)別目標(biāo)不同適應(yīng)作業(yè)的性質(zhì)不同資源利用率不同作業(yè)控制方式不同2/6/20234415:23:20實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指當(dāng)外部事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí),能夠?qū)ζ溆枰越邮詹⒁宰銐蚩斓乃俣冗M(jìn)行處理,所得結(jié)果能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)控制生產(chǎn)過(guò)程或?qū)刂茖?duì)象做出快速響應(yīng),并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)運(yùn)行的操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及時(shí)響應(yīng)高可靠性。三種典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng):過(guò)程控制系統(tǒng)(生產(chǎn)過(guò)程控制)信息查詢系統(tǒng)(情報(bào)檢索)事務(wù)處理系統(tǒng)(銀行業(yè)務(wù))2/6/20234515:23:20操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿ζ骷焖俑聯(lián)Q代計(jì)算體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源利用率的需要讓用戶使用計(jì)算機(jī)越來(lái)越方便的需要滿足用戶新要求，提供給用戶新服務(wù)2/6/20234615:23:20微機(jī)操作系統(tǒng)新一代微機(jī)操作系統(tǒng)具有以下功能GUI多用戶和多任務(wù)虛擬存儲(chǔ)管理網(wǎng)絡(luò)通信支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)支持多媒體支持應(yīng)用編程支持API新一代微機(jī)操作系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)開放性通用性高性能采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)2/6/20234715:23:20并行操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用每前進(jìn)一步都要求增加計(jì)算機(jī)的處理能力。為達(dá)到極高性能，除提高元器件速度外，必須改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這主要采用增加同一時(shí)間間隔內(nèi)的操作數(shù)量，通過(guò)并行處理技術(shù)，研究并行計(jì)算機(jī)2/6/20234815:23:20網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)能夠控制計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中傳送信息和共享資源，并為網(wǎng)絡(luò)用戶提供所需的各種服務(wù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能網(wǎng)絡(luò)通信資源管理網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)2/6/20234915:23:20分布式操作系統(tǒng)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由多臺(tái)分散的計(jì)算機(jī)經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連接而成,具備四項(xiàng)基本功能進(jìn)程通信資源共享并行計(jì)算網(wǎng)絡(luò)管理分布式操作系統(tǒng)與單機(jī)集中式操作系統(tǒng)的主要區(qū)別在于資源管理進(jìn)程通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2/6/20235015:23:20嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境帶來(lái)了對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟件的要求，而嵌入式操作系統(tǒng)是軟件的基本支撐嵌入式OS指運(yùn)行在嵌入式環(huán)境中，對(duì)系統(tǒng)及操作的各種部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的系統(tǒng)軟件嵌入式OS具有通常操作系統(tǒng)的功能，包括與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)核心功能功能強(qiáng)大的還提供圖形界面、通信協(xié)議、小型瀏覽器等設(shè)施嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)微型化可定制實(shí)時(shí)性可靠性易移植性2/6/20235115:23:201.3操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和用戶接口1.3.1基本服務(wù)和用戶接口1.3.2程序接口與系統(tǒng)調(diào)用1.3.3作業(yè)接口與操作命令2/6/20235215:23:201.3.1操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)創(chuàng)建程序執(zhí)行程序數(shù)據(jù)I/O信息存取通信服務(wù)錯(cuò)誤檢測(cè)和處理還有另外一些功能資源分配統(tǒng)計(jì)保護(hù)2/6/20235315:23:201.3.2程序接口與系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用(程序接口)操作命令操作系統(tǒng)裸機(jī)應(yīng)用程序命令管理(作業(yè)接口)2/6/20235415:23:20操作系統(tǒng)提供的程序接口系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序獲得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑內(nèi)核的主體是系統(tǒng)調(diào)用的集合，內(nèi)核可看成是特殊的公共子程序操作系統(tǒng)的功能通過(guò)一組稱為系統(tǒng)調(diào)用的接口呈現(xiàn)給用戶，內(nèi)核提供一系列實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的內(nèi)核函數(shù)，系統(tǒng)調(diào)用把應(yīng)用程序的請(qǐng)求傳達(dá)給內(nèi)核，內(nèi)核調(diào)用對(duì)應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)完成請(qǐng)求所需處理后，再將處理結(jié)果返回給應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用是一種中介角色，把用戶與硬件隔離開來(lái)，應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用才能請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)和使用系統(tǒng)資源。其作用有內(nèi)核可基于權(quán)限和規(guī)則對(duì)資源訪問(wèn)進(jìn)行裁決，保證系統(tǒng)的安全性系統(tǒng)調(diào)用封裝資源抽象，提供一致性接口，避免用戶使用資源時(shí)可能發(fā)生的錯(cuò)誤，且使編程方便效率高2/6/20235515:23:20操作系統(tǒng)提供的程序接口POSIX標(biāo)準(zhǔn)PortableOperatingSystemInterfaceforComputerEnvironment)API和庫(kù)函數(shù)庫(kù)函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用2/6/20235615:23:20應(yīng)用程序、庫(kù)函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用fprintf()應(yīng)用程序C函數(shù)庫(kù)內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用處理程序C庫(kù)中的fprintf()封裝程序C庫(kù)中的write()封裝程序用戶態(tài)核心態(tài)sys_write()內(nèi)核函數(shù)2/6/20235715:23:20UNIX/Linux系統(tǒng)程序、庫(kù)函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用分層關(guān)系

用戶

操作系統(tǒng)(進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理等)

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)(打開、關(guān)閉、讀、寫、創(chuàng)建、撤銷等)

標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)程序(實(shí)用程序)(匯編、編譯、編輯、Shell等)用戶接口庫(kù)函數(shù)接口系統(tǒng)調(diào)用接口

硬件(處理器、存儲(chǔ)器、磁盤、打印機(jī)、終端等)用戶態(tài)核心態(tài)2/6/20235815:23:20系統(tǒng)調(diào)用的分類進(jìn)程和作業(yè)管理文件操作設(shè)備管理主存管理信息維護(hù)通信2/6/20235915:23:20系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)編寫系統(tǒng)調(diào)用處理程序設(shè)計(jì)一張系統(tǒng)調(diào)用入口地址表，每個(gè)入口地址都指向一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的處理程序，有的系統(tǒng)還包含系統(tǒng)調(diào)用自帶參數(shù)的個(gè)數(shù)陷入處理機(jī)制需開辟現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)，以保存發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時(shí)的處理器現(xiàn)場(chǎng)2/6/20236015:23:20系統(tǒng)調(diào)用的處理過(guò)程SystemCall用戶程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn……系統(tǒng)調(diào)用處理子程序取系統(tǒng)功能號(hào)找入口地址表相應(yīng)入口地址結(jié)束處理恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)A0A1…Ai…An保護(hù)CPU現(xiàn)場(chǎng)陷入指令系統(tǒng)調(diào)用陷入機(jī)構(gòu)入口地址表2/6/20236115:23:20系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)傳遞由訪管指令或陷入指令自帶參數(shù)直接參數(shù)間接參數(shù)通過(guò)CPU的通用寄存器傳遞參數(shù)，或在主存的一個(gè)塊或表中存放參數(shù)，其首地址送入寄存器，實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞在主存中開辟專用堆棧區(qū)域傳遞參數(shù)2/6/20236215:23:20系統(tǒng)調(diào)用與函數(shù)調(diào)用的區(qū)別調(diào)用形式和實(shí)現(xiàn)方式不同被調(diào)用代碼的位置不同提供方式不同2/6/20236315:23:201.3.3作業(yè)接口與操作命令操作接口又稱作業(yè)級(jí)接口是操作系統(tǒng)為用戶操作控制計(jì)算機(jī)工作和提供服務(wù)的手段集合，通?？山柚僮骺刂泼?、圖形操作界面、以及作業(yè)控制語(yǔ)言等實(shí)現(xiàn)作業(yè)控制方式聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式與操作控制命令命令行方式批命令方式圖形化方式脫機(jī)作業(yè)控制方式與作業(yè)控制語(yǔ)言批處理接口：作業(yè)控制語(yǔ)言JCL（JobControlLanguage）用戶使用JCL語(yǔ)句，把運(yùn)行意圖(需要對(duì)作業(yè)進(jìn)行的控制和干予)寫在作業(yè)說(shuō)明書上，將作業(yè)連同作業(yè)說(shuō)明書一起提交給系統(tǒng)批處理作業(yè)的調(diào)度執(zhí)行過(guò)程，系統(tǒng)調(diào)用JCL語(yǔ)句處理程序或命令解釋程序2/6/20236415:23:20支撐程序支撐程序又稱標(biāo)準(zhǔn)程序或?qū)嵱贸绦颍║tilities），雖非操作系統(tǒng)的核心，但卻必不可少，為用戶程序的開發(fā)、調(diào)試、執(zhí)行、和維護(hù)解決帶有共性的問(wèn)題或執(zhí)行公共操作操作系統(tǒng)以外部操作命令形式向用戶提供系統(tǒng)程序。它的功能和性能很大程度上反映了操作系統(tǒng)的功能和性能支撐程序的分類文件管理狀態(tài)信息程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言支持程序的裝入和執(zhí)行支持通信其它軟件工具2/6/20236515:23:201.4操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模型1.4.1操作系統(tǒng)的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)1.4.2操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型1.4.3Windows2003客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)2/6/20236615:23:201.4.1操作系統(tǒng)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出以下特征復(fù)雜程度高生成周期長(zhǎng)正確性難保證操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有三層含義是研究操作系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如功能如何分塊，相互如何交互，及考慮構(gòu)造它的過(guò)程和方法是研究操作系統(tǒng)程序局部結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的組織，如系統(tǒng)是否組織成進(jìn)程或線程?在系統(tǒng)空間還是在用戶空間運(yùn)行?2/6/20236715:23:20操作系統(tǒng)的構(gòu)件內(nèi)核進(jìn)程線程類程管程2/6/20236815:23:20操作系統(tǒng)的內(nèi)核內(nèi)核(kernel)是作為可信軟件來(lái)提供支持進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基本功能和基本操作的一組程序模塊內(nèi)核通常駐留在內(nèi)核空間，運(yùn)行于核心態(tài)，具有訪問(wèn)硬設(shè)備和所有主存空間的權(quán)限，是僅有的能執(zhí)行特權(quán)指令的那部分程序在內(nèi)核的支撐下，機(jī)器功能得到擴(kuò)展、進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境得到改善，安全性得到保證，系統(tǒng)效率得到提高內(nèi)核分類：微內(nèi)核和單內(nèi)核Linux是單內(nèi)核操作系統(tǒng)Mach是微內(nèi)核操作系統(tǒng)Windows2003是C/S結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)2/6/20236915:23:20Linux單內(nèi)核結(jié)構(gòu)用戶態(tài)系統(tǒng)庫(kù)(函數(shù)庫(kù))應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用接口模塊內(nèi)核(進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理)設(shè)備驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)硬件核心態(tài)單內(nèi)核2/6/20237015:23:20單內(nèi)核操作系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方法整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想和步驟缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)早期(IBM)操作系統(tǒng)使用層次式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)THE多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中第一次提出操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2/6/20237115:23:20微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程客戶進(jìn)程1客戶進(jìn)程2文件服務(wù)器進(jìn)程服務(wù)器主存服務(wù)器……微內(nèi)核(消息傳遞)計(jì)算機(jī)硬件

用戶進(jìn)程用戶態(tài)核心態(tài)客戶通過(guò)微內(nèi)核發(fā)送消息給文件服務(wù)器2/6/20237215:23:20內(nèi)核的基本功能資源抽象資源分配資源共享2/6/20237315:23:20內(nèi)核的基本屬性內(nèi)核是由中斷驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核是不可搶占的內(nèi)核部分程序在屏蔽中斷狀態(tài)下執(zhí)行內(nèi)核可以使用特權(quán)指令2/6/20237415:23:20內(nèi)核和裸機(jī)組成的虛擬機(jī)具有的特性虛擬機(jī)沒(méi)有中斷虛擬機(jī)為每個(gè)進(jìn)程提供了一臺(tái)虛擬處理器虛擬機(jī)為進(jìn)程或模塊提供了功能較強(qiáng)的指令系統(tǒng)2/6/20237515:23:20機(jī)制與策略分離在策略與機(jī)制分離的操作系統(tǒng)中，解決應(yīng)用問(wèn)題均可分成兩部分：“提供及實(shí)現(xiàn)確定的功能(機(jī)制)，常常將機(jī)制作為系統(tǒng)的可信軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)”和“如何使用這些功能(策略)，可在不可信的環(huán)境中定義策略”例子：調(diào)度機(jī)制與調(diào)度策略的分離機(jī)制與策略分離的原則機(jī)制由OS實(shí)現(xiàn)，策略留給用戶完成機(jī)制放在底層，策略放在高層機(jī)制集中在少數(shù)模塊，策略擬散布在多處2/6/20237615:23:20操作系統(tǒng)其它構(gòu)件進(jìn)程是對(duì)當(dāng)前運(yùn)行程序的活動(dòng)規(guī)律的抽象使得操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得清晰線程是組成進(jìn)程構(gòu)件的更小的構(gòu)件單位管程是管理共享資源的一種同步機(jī)制類程用于管理私有資源2/6/20237715:23:201.4.2操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型操作系統(tǒng)本身是一組程序，也在處理器上運(yùn)行，那么操作系統(tǒng)程序是否組織成進(jìn)程？它是如何控制的、怎樣執(zhí)行的呢？它在什么模式下運(yùn)行呢？從操作系統(tǒng)的運(yùn)行方式來(lái)看，可分成非進(jìn)程內(nèi)核模型OS功能(函數(shù))在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型OS功能(函數(shù))作為進(jìn)程執(zhí)行的模型2/6/20237815:23:20非進(jìn)程內(nèi)核模型應(yīng)用進(jìn)程應(yīng)用進(jìn)程內(nèi)核應(yīng)用進(jìn)程…核心態(tài)用戶態(tài)2/6/20237915:23:20OS功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型核心態(tài)用戶態(tài)內(nèi)核函數(shù)內(nèi)核函數(shù)內(nèi)核函數(shù)應(yīng)用進(jìn)程應(yīng)用進(jìn)程…應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)程切換函數(shù)2/6/20238015:23:20OS功能作為獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行的模型微內(nèi)核（進(jìn)程切換函數(shù)）應(yīng)用進(jìn)程…OS函數(shù)…用戶態(tài)核心態(tài)應(yīng)用進(jìn)程OS函數(shù)應(yīng)用進(jìn)程OS函數(shù)2/6/20238115:23:20Windows2000/XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)框系統(tǒng)進(jìn)程服務(wù)進(jìn)程應(yīng)用程序環(huán)境子系統(tǒng)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)用戶態(tài)核心態(tài)執(zhí)行體核心設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序硬件抽象層圖形引擎2/6/20238215:23:20Windows2000/XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)線程N(yùn)TDLL.DLLService.exeRPCSpooler事件日志服務(wù)進(jìn)程任務(wù)管理器IE瀏覽器用戶程序子系統(tǒng)DLL應(yīng)用程序POSIXOS2WIN32環(huán)境子系統(tǒng)服務(wù)管理器安全驗(yàn)證Win登錄會(huì)話管理器系統(tǒng)進(jìn)程核心態(tài)用戶態(tài)Win32UserGDI圖形驅(qū)動(dòng)器硬件抽象層(HAL)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)核對(duì)象管理器核心態(tài)可調(diào)用接口(執(zhí)行程序API)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度進(jìn)程I/O管理器文件緩存管理進(jìn)程線程管理安全訪問(wèn)監(jiān)視虛存管理局部過(guò)程調(diào)用注冊(cè)表配置管理器電源管理器即插即用管理硬件接口（總線、I/O、時(shí)鐘、計(jì)時(shí)器、中斷、DMA、CACHE控制器）2/6/20238315:23:201.5流行操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.5.1Windows操作系統(tǒng)1.5.2UNIX操作系統(tǒng)家族1.5.3自由軟件和Linux操作系統(tǒng)1.5.4IBM系列操作系統(tǒng)1.5.5其他流行操作系統(tǒng)2/6/20238415:23:201.5.1Windows操作系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)概況WindowsNT的技術(shù)特點(diǎn)Windows2000/XPWindowsServer2003WindowsXP64-BitEditionWindowsCE2/6/20238515:23:201.5.2UNIX操作系統(tǒng)發(fā)展雛形階段成型階段商業(yè)化階段標(biāo)準(zhǔn)化階段基本成分核(Kernel)、Shell、文件系統(tǒng)、公用程序UNIX的主要特點(diǎn)多用戶、多任務(wù)、C編寫、易讀、易改、可移植核心+應(yīng)用子系統(tǒng)，便于做成開放系統(tǒng)文件保護(hù)、I/O緩沖、高效率搶占式動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)CPU調(diào)度，強(qiáng)有力支持分時(shí)強(qiáng)大的Shell命令語(yǔ)言強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)與通信功能請(qǐng)求分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理，主存利用率高UNIX的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)發(fā)展史上沒(méi)有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言像C那樣得到廣泛的流行沒(méi)有哪個(gè)操作系統(tǒng)像UNIX那樣獲得普遍的青睞和應(yīng)用對(duì)整個(gè)軟件技術(shù)和軟件產(chǎn)業(yè)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響1983年Ritcchie和Thompson共同獲得了ACM圖靈獎(jiǎng)和軟件系統(tǒng)獎(jiǎng)2/6/20238615:23:20V1(71年)V3(73年)V6(75年)V7、V8V9V10(89年)Plan91BSD(78年)2BSD(78年)3BSD(79年)4BSD(80年)4.2BSD4.3BSD4.4BSD(93年)2.9BSD2.10BSD2.11BSDV7(78年)PWBPWB2systemⅢsystemⅤⅤ.2(84年)Ⅴ.3(87年)Ⅴ.3.2SVR4(89)XenixXenix2SCOIBMAIXSUNOSSolarisOSF1MachDecOSFDigitalUNIXTur64UNIXHPUXLinuxUNIX家族2/6/20238715:23:201.5.3自由軟件和Linux操作系統(tǒng)商業(yè)軟件、共享軟件、