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文檔簡介
操作系統(tǒng)
OperatingSystem
主講:高軍
黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院
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教師信息
?姓名:高軍
?辦公室:信息館316
?辦公室電話:6819325
?手機(jī)/p>
?QQ:382311244
?EmaiI:gaojun_891@163.com
2
課程地位
os是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心和靈魂,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必
不可少的組成部分;它也是計(jì)算機(jī)教學(xué)的核心內(nèi)
容之一,是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心課程之一。
OS是硬件的首次擴(kuò)充,又是最核心的系統(tǒng)軟件,
OS課程具有承上啟下的重要作用,既能對先行課
程:程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)
行總結(jié)和提高;同時也為后繼專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打
下良好基礎(chǔ)。
OS課程的學(xué)習(xí)對學(xué)生的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)能力、創(chuàng)新
能力、科學(xué)作風(fēng)與綜合素質(zhì)的培養(yǎng)有至關(guān)重要的
作用。
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學(xué)習(xí)方法:
?(1)多結(jié)合平時使用的操作系統(tǒng)去思考
?(2)問題?+怎么辦?+如何提高效率?
?(3)學(xué)習(xí)時,要建立多用戶共享硬件資源的基礎(chǔ)
上考慮問題。
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第1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)的形成和發(fā)展
-1.3操作系統(tǒng)提供的服務(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)簡介
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1.1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
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1.1.1操作系統(tǒng)的定義和目標(biāo)
?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。
?系統(tǒng)角度:管理系統(tǒng)資源、控制程序執(zhí)行、合理
組織計(jì)算機(jī)工作流程。
?用戶角度:改善人機(jī)界面,提供各種服務(wù)、為用
戶有效使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境
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操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)
?方便用戶使用
?擴(kuò)充機(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
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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)⑴
用戶1用戶2用戶3用戶4用戶n
???
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)庫二一實(shí)用程序
(支撐軟件)
一操作系統(tǒng)------
------------(系統(tǒng)軟件)------------
―I計(jì)算機(jī)硬件—
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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(2)
?硬件層
-提供基本的可計(jì)算性資源,如處理器、寄存器、存儲器
及各種I/O設(shè)備。
?操作系統(tǒng)層
-負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)硬件并對其做首次擴(kuò)充和改造。
?系統(tǒng)程序?qū)?支撐軟件層)
-利用系統(tǒng)所提供的擴(kuò)展指令集,實(shí)現(xiàn)編譯、匯編等實(shí)用
程序,支持應(yīng)用軟件的開發(fā)和運(yùn)行。
?應(yīng)用層
-解決用戶特定的或不同應(yīng)用所需要的信息處理問題。
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操作系統(tǒng)與支撐軟件及應(yīng)用軟件的區(qū)別
?程序意圖不同,操作系統(tǒng)有權(quán)分配資源,而其它
程序只能使用資源;
?操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的核心,是各種軟件的基礎(chǔ)
運(yùn)行平臺;
?通用操作系統(tǒng)提供共性功能支持,與硬件相關(guān)但
和應(yīng)用領(lǐng)域無關(guān);
?支撐軟件及應(yīng)用軟件不能直接而只能通過操作系
統(tǒng)來使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理資源。
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1.1.2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)
資源虛化
1.資源管理技術(shù)VG嬴而理資源數(shù)量不足,
提高服務(wù)的能力和水平)
資源抽象
(處理系統(tǒng)的復(fù)雜性,
解決資源的易用性)
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1)資源復(fù)用
⑴空分復(fù)用共享一該資源可進(jìn)一步分割成更多和
更小的單位供進(jìn)程使用。如內(nèi)存、磁盤。
⑵時分復(fù)用共享一并不把資源進(jìn)一步分割成更小的
單位,進(jìn)程可在一個時間片內(nèi)獨(dú)占使用整個物理
資源。如處理器。
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2)資源虛化
?是對資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化、模擬或整合,把物理上的一
個資源變成邏輯上的多個對應(yīng)物的一類技術(shù)。
?虛化的例子一虛擬設(shè)備、虛擬存儲器、虛擬屏幕(
終端)、虛擬信道、虛擬文件。
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3)資源抽象
?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。
?資源抽象指通過創(chuàng)建軟件來屏蔽硬件資源物理特
性和接口細(xì)節(jié),簡化對硬件資源的操作、控制和
使用的一類技術(shù)。
?單級資源抽象與多級資源抽象。
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4)組合使用抽象和虛化技術(shù)
?對于一類資源,操作系統(tǒng)往往同時實(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)動程
序),又實(shí)施虛擬設(shè)備,通過打印函數(shù)抽象隱蔽
打印機(jī)動作細(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/0服務(wù)。
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2.操作系統(tǒng)中的基礎(chǔ)抽象
?進(jìn)程抽象
-是對已進(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
-是對物理主存的抽象,進(jìn)程可獲得一個碩大的連續(xù)地址
空間來存放可執(zhí)行程序和數(shù)據(jù),可使用虛擬地址來引用
物理主存單元。
?文件抽象
-是對磁盤之類存儲設(shè)備的抽象。
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文件抽象是操作系統(tǒng)對磁盤設(shè)備的多層次抽象
?第一層抽象,從磁盤到分區(qū)。
?第二層抽象,從分區(qū)到扇區(qū)。
?第三層抽象,從扇區(qū)到簇。
?第四層抽象,從簇到文件系統(tǒng)分區(qū)。
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操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)抽象小結(jié)
進(jìn)程抽象
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3.虛擬計(jì)算機(jī)
?什么是虛擬計(jì)算機(jī)?
-虛擬計(jì)算機(jī)是一臺抽象計(jì)算機(jī),它在硬件的基礎(chǔ)上由
軟件來實(shí)現(xiàn),并且與物理計(jì)算機(jī)一樣,具有指令集及
可用的存儲空間。
?什么是操作系統(tǒng)虛擬機(jī)?
-如果某臺機(jī)器上配有操作系統(tǒng),對于用戶來說,就是
一臺以操作系統(tǒng)語言(系統(tǒng)調(diào)用)為機(jī)器語言的操作
系統(tǒng)虛擬機(jī)。
?操作系統(tǒng)虛擬機(jī)的組成:
-D虛處理器
-2)虛擬主存
-3)虛擬輔存
-4)虛擬設(shè)備
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虛擬計(jì)算機(jī)
進(jìn)程Pn)
虛虛
虛
虛
設(shè)
主
輔
處
備
存
存
理操作系統(tǒng)
率資源管理
虛擬機(jī)1(復(fù)用、虛
化、主抽象)
時分復(fù)用共享
空分復(fù)用共享
物理計(jì)算機(jī)21
LL3操作系統(tǒng)的作用與功能
?操作系統(tǒng)的作用:對內(nèi)是“管理員”,對外是“
服務(wù)員”:
?os作為用戶接口和服務(wù)提供者
?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
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OS作為用戶接口和服務(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);
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OS作為擴(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)來組成整個計(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;
?操作系統(tǒng)與硬件組成一臺功能顯著增強(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)。
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操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者(1)
?操作系統(tǒng)中,能分配給用戶使用的硬件和軟件設(shè)施
總稱為資源,包括兩類:硬件資源和信息資源。
?硬件資源又分:處理器、存儲器、I/O設(shè)備等;
?信息資源又分:程序和數(shù)據(jù)等。
?也可把操作系統(tǒng)定義為: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。
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操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者(2)
?操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一
?對資源進(jìn)行抽象研究,找出各種資源共性和個性,有序
地管理計(jì)算機(jī)中的硬件、軟件資源,跟蹤資源使用情況
,監(jiān)視資源的狀態(tài),滿足用戶對資源的需求,協(xié)調(diào)各程
序?qū)Y源的使用沖突;
?研究使用資源的統(tǒng)一方法,讓用戶簡單、有效的使用資
源,最大限度地實(shí)現(xiàn)各類資源的共享,提高資源利用率
,從而,使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率有很大提高。
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操作系統(tǒng)的功能
?處理機(jī)管理
?存儲管理
?設(shè)備管理
?文件管理
?網(wǎng)絡(luò)與通信管理
?用戶接口
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處理機(jī)管理
⑴進(jìn)程控制和管理;
⑵進(jìn)程同步和互斥;
⑶進(jìn)程通信;
(4)進(jìn)程死鎖;
⑸線程控制和管理;
⑹處理器調(diào)度,又分高級調(diào)度,中級調(diào)度和低
級調(diào)度。
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存儲管理
⑴主存分配;
⑵地址轉(zhuǎn)換與存儲保護(hù);
⑶主存共享;
(4)存儲擴(kuò)充。
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設(shè)備管理
⑴提供設(shè)備中斷處理;
⑵提供緩沖區(qū)管理;
⑶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;
⑷設(shè)備的分配和回收;
⑸實(shí)現(xiàn)共享型設(shè)備的驅(qū)動調(diào)度;
(6)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備。
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文件管理
⑴提供文件的邏輯組織方法;
⑵提供文件的物理組織方法;
⑶提供文件的存取和使用方法;
⑷實(shí)現(xiàn)文件的目錄管理;
⑸實(shí)現(xiàn)文件的共享和安全性控制;
(6)實(shí)現(xiàn)文件的存儲空間管理。
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網(wǎng)絡(luò)與通信管理
(1)網(wǎng)絡(luò)資源管理;
⑵數(shù)據(jù)通信管理;
⑶網(wǎng)絡(luò)管理。
用戶接口
⑴程序接口;
⑵操作接口。
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1.1.4操作系統(tǒng)的主要特性
第一個特性一并發(fā)性
第二個特性一共享性
這是操作系統(tǒng)最重要的兩個特征
第三個特性一異步性
第四個特性一不確定性
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操作系統(tǒng)中的并發(fā)性⑴
?并發(fā)性--指兩個或兩個以上的事件或活動在同
一時間間隔內(nèi)發(fā)生。
?發(fā)揮并發(fā)性能夠消除系統(tǒng)中部件和部件之間的
相互等待,有效地改善系統(tǒng)資源的利用率,改
進(jìn)系統(tǒng)的吞吐率,提高系統(tǒng)效率。
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操作系統(tǒng)中的并發(fā)性(2)
并發(fā)性使系統(tǒng)變得復(fù)雜化:
?如何從一個活動切換到另一個活動?
?怎樣將各個活動隔離開來,使之互不干擾,免遭
對方破壞?怎樣讓多個活動協(xié)作完成任務(wù)?
?怎樣協(xié)調(diào)多個活動對資源的競爭?
?如何保證每個活動的資源不被其它進(jìn)程侵犯?
?多個活動共享文件數(shù)據(jù)時,如何保證數(shù)據(jù)的一致
性?
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操作系統(tǒng)中的并發(fā)性⑶
?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)是一個物理CPU(也可以多個物理
CPU)在若干道程序之間多路復(fù)用,并發(fā)性是
對有限物理資源強(qiáng)制行使多用戶共享以提高效
率。
?結(jié)論:實(shí)現(xiàn)并發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵之一是如何對系統(tǒng)
內(nèi)的多個活動(進(jìn)程)進(jìn)行切換的技術(shù)。
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操作系統(tǒng)中的并發(fā)性(4)
?并行性---兩個或兩個以上的事件或活動在同一
時刻發(fā)生
?并行的事件或活動一定是并發(fā)的,但反之并發(fā)的
事件或活動未必是并行的。
?并行性是并發(fā)性的特例,而并發(fā)性是并行性的擴(kuò)
展。
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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
?顯式資源共享:臨界資源與獨(dú)占訪問
?與共享性有關(guān)的問題:資源分配、信息保護(hù)、
存取控制等,必須要妥善解決好。
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操作系統(tǒng)中的異步性(1)
操作系統(tǒng)中的異步性處處可見:
⑴進(jìn)程何時執(zhí)行?何時暫停?怎樣的速度向前推
進(jìn)?都是異步(隨機(jī))的。
⑵作業(yè)到達(dá)系統(tǒng)的類型和時間是隨機(jī)的;
⑶操作員發(fā)出命令或按按鈕的時刻是隨機(jī)的;
⑷程序運(yùn)行發(fā)生錯誤或異常的時刻是隨機(jī)的;
⑸各種各樣硬件和軟件中斷事件發(fā)生的時刻是隨
機(jī)的。
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操作系統(tǒng)中的異步性⑵
?異步性給系統(tǒng)帶來潛在危險,有可能導(dǎo)致與時間
有關(guān)的錯誤。
?操作系統(tǒng)的一個重要任務(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,否則將會導(dǎo)致
嚴(yán)重后果。
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1.2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
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1.2.1人工操作階段
?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M編過程或編譯過程,產(chǎn)生目標(biāo)程序,并輸
出目標(biāo)卡片迭或紙帶
?通過引導(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
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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)時間,也極易發(fā)生
差錯
?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)的時間拉得非常長
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1.2.2管理程序階段⑴
工作流程如下:
操作員集中一批用戶提交的作業(yè),由管理程序?qū)?/p>
作業(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,管理程序自動把磁帶上的第一個
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)入磁帶上的第二個作業(yè)到主存執(zhí)行
44
管理程序階段⑵
中斷處理
設(shè)備驅(qū)動
作業(yè)定序
命令和JCL語言解釋器
用
戶
程
序
區(qū)
管理程序的主存組織
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管理程序階段(3)
管理程序的主要功能:
?自動控制和處理作業(yè)流
?提供一套操作命令
?提供設(shè)備驅(qū)動和I/O控制功能
?提供庫函數(shù)和程序裝配功能
?提供簡單的文件管理功能
46
1.2.3多道程序設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)形成
1.多道程序設(shè)計(jì)(Multiprogramming)的概念
?前提:中斷與通道的出現(xiàn),使得計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)由原來
的以CPU為中心轉(zhuǎn)變成以主存為中心,同時I/O設(shè)備具備
了中斷主機(jī)工作的能力,使得系統(tǒng)具有CPU和設(shè)備并行工
作的能力。
?多道程序設(shè)計(jì)是指允許多個程序同時進(jìn)入一個計(jì)算機(jī)系
統(tǒng)的主存儲器并啟動進(jìn)行計(jì)算的方法
-從宏觀上看是并行的
-從微觀上看是串行的
?引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的目的:可以提高CPU的利用率,
充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件的并行性。
?多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)是操作系統(tǒng)發(fā)展的里程碑。
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多道程序設(shè)計(jì)舉例
?例:為求解某個數(shù)據(jù)問題,要求從輸入機(jī)(運(yùn)轉(zhuǎn)
速度為6400個字符/s)輸入500個字符,經(jīng)處理(
費(fèi)時52ms)后,將結(jié)果(假定為2000個字符)存
儲到磁帶上(磁帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為105字符/s),
然后再讀取500個字符進(jìn)行處理,直到所有數(shù)據(jù)
處理完畢為止。
48
多道程序設(shè)計(jì)舉例一一單道處理
78130150228280300378430450
時間.,,,
輸入機(jī)i];■:|!
處理器;1|[;i
磁帶機(jī)::::::
單道算題運(yùn)行時處理器的使用效率
52/(78十52十20)735%
49
多道程序設(shè)計(jì)舉例一一多道處理
?假設(shè)在計(jì)算機(jī)接收上述任務(wù)后還接收另一道計(jì)算
題:從另一臺磁帶機(jī)上2000個字符,經(jīng)42ms的處
理后,從行式打印機(jī)(運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1350行/min)
上輸出兩行。此時CPU的利用率為多少呢?
50
多道程序設(shè)計(jì)舉例一一多道處理
78130150228280300378430450
時間_
輸入機(jī)
:P1::P2P1::P2
處理器
磁帶機(jī)1
磁帶機(jī)2-
打印機(jī)
兩道算題運(yùn)行時處理器的使用效率
(52+42)"52=63%
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,即增長了
單位時間的算題量,但對每道程序來說,卻延
長了計(jì)算時間。
?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)時間為代價的。
52
多道程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(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
?其主要缺點(diǎn)是:作業(yè)周轉(zhuǎn)時間延長
53
3.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)是指配置了多個物理CPU,能真正同
時執(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);反過來,多道程
序設(shè)計(jì)不一定要求有多重處理系統(tǒng)支持。
實(shí)現(xiàn)多道程序設(shè)計(jì)必須解決三個問題:
?存儲保護(hù)與程序浮動;
?處理器的管理和調(diào)度;
?系統(tǒng)資源的管理和調(diào)度。
54
L2.4操作系統(tǒng)的發(fā)展與分類
三種基本的操作系統(tǒng)類型:
⑴批處理操作系統(tǒng)
⑵分時操作系統(tǒng)
⑶實(shí)時操作系統(tǒng)
55
批處理操作系統(tǒng)(BatchOS)
?何謂“批”?作業(yè)流與批處理
-作業(yè)是把程序、數(shù)據(jù)連同作業(yè)說明書組織起來的任務(wù)
單位;
-批處理是把批中的作業(yè)預(yù)先輸入作業(yè)隊(duì)列,由操作系
統(tǒng)按照作業(yè)說明書的要求來調(diào)度和控制作業(yè)的執(zhí)行。
?批處理操作系統(tǒng)
-采用批處理方式工作的操作系統(tǒng)
?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)
56
分時操作系統(tǒng)(TimeSharingOS)
?為什么要有分時操作系統(tǒng)?批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)
-無交互性:批處理用戶不能干預(yù)自己程序的運(yùn)行,
無法得知程序的運(yùn)行情況,不利于程序調(diào)試和排錯
-作業(yè)周轉(zhuǎn)時間長
?分時技術(shù)
所謂分時技術(shù),就是把處理機(jī)的運(yùn)行時間分成很短的
時間片,按時間片輪流把處理機(jī)分配給各作業(yè)使用,
若某個作業(yè)在給定的時間片內(nèi)不能完成其計(jì)算,則該
作業(yè)暫時中斷,把處理機(jī)讓給另一作業(yè)使用,等待下
一輪時再繼續(xù)運(yùn)行。
57
分時操作系統(tǒng)的特征
?分時操作系統(tǒng)
-允許多個聯(lián)機(jī)用戶同時使用一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交
互式計(jì)算的操作系統(tǒng)。
?分時系統(tǒng)的特征
-同時性(多路性):若干個用戶可同時使用計(jì)算機(jī)
-獨(dú)立性:用戶彼此獨(dú)立,互不干擾
-及時性:因時間片短,因此用戶的請求能在較短的
時間內(nèi)得到響應(yīng)
-交互性:用戶能進(jìn)行人一機(jī)對話,以交互方式工作
58
分時與批處理操作系統(tǒng)的區(qū)別
?目標(biāo)不同
?適應(yīng)作業(yè)的性質(zhì)不同
?資源使用率不同
?作業(yè)控制方式不同
59
?實(shí)時操作系統(tǒng)(RealTimeOS)
含義
所謂“實(shí)時”,是指能及時響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外
部事件、并對事件做出快速處理的能力。而“外
部事件”,是指與計(jì)算機(jī)相連接的設(shè)備向計(jì)算機(jī)
發(fā)出的各種服務(wù)請求。
“實(shí)時操作系統(tǒng)”是能對來自外部的請求和
信號在限定的時間范圍內(nèi)做出及時響應(yīng)的一種操
作系統(tǒng)。
用于控制飛機(jī)飛行、導(dǎo)彈發(fā)射以及冶煉軋鋼等
生產(chǎn)過程,被稱為“實(shí)時控制系統(tǒng)”;用于飛機(jī)
訂票、銀行業(yè)務(wù)部門,被稱為“實(shí)時信息處理系
統(tǒng)”。60
?實(shí)時操作系統(tǒng)(RealTimeOS)
特點(diǎn)
高及時性:對外部事件信號的接收、分析
處理、以及給出反饋信號進(jìn)行控制,都必須在
嚴(yán)格的時間限度內(nèi)完成。否則可能會引起爆炸、
火災(zāi)等事故,給人身安全和國家財(cái)產(chǎn)造成無法
挽回的損失。
高可靠性:無論是實(shí)時控制系統(tǒng)還是實(shí)時
信息處理系統(tǒng),都必須有高可靠性。
61
實(shí)時操作系統(tǒng)
三種典型的實(shí)時系統(tǒng):
?過程控制系統(tǒng)(生產(chǎn)過程控制)
?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))
62
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NetworkOS)
所謂“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”,是指把地理上分散
的、具有獨(dú)立功能的多個計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備
,經(jīng)通信線路加以連接,達(dá)到數(shù)據(jù)通信和資
源共享目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),用于管理網(wǎng)絡(luò)通信和共享
資源,協(xié)調(diào)各計(jì)算機(jī)上任務(wù)的運(yùn)行,并向用
戶提供統(tǒng)一的、有效方便的網(wǎng)絡(luò)接口的程序
集合,稱為“網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)”。
63
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)NetworkOSystem
網(wǎng)絡(luò)示意圖:
64
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NetworkOS)
?網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能:
(1)網(wǎng)絡(luò)通信
(2)資源管理
(3)網(wǎng)絡(luò)管理
(4)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)
65
分布式操作系統(tǒng)(DistributeOS)_____
?分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由多臺分散的地位對等的計(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:
(1)進(jìn)程通信
(2)資源共享
(3)并行計(jì)算
(4)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:
(1)資源管理
(2)進(jìn)程通信:
(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu):
66
嵌入式操作系統(tǒng)(embeddedOS)
?3C(computer,communication,consumer
electronics)
。計(jì)算機(jī)是貫穿社會信息化的核心技術(shù),網(wǎng)絡(luò)和
通信是社會信息化賴以存在的基礎(chǔ)設(shè)施,電子
消費(fèi)產(chǎn)品是人與社會信息化的主要接口。
?嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境帶來了對嵌入式
系統(tǒng)軟件(embeddedsoftware)的要求。
67
嵌入式操作系統(tǒng)⑵
?嵌入式OS指運(yùn)行在嵌入式(計(jì)算機(jī))環(huán)境中,對整
個系統(tǒng)及所有操作的各種部件、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
68
嵌入式操作系統(tǒng)特征
?微型化
?可定制
?實(shí)時性
?可靠性
?易移植性
69
嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)例(1)
?常見的嵌入式系統(tǒng):
?Linux、uCIinux>WinCE、PalmOS、Symbian>
eCos>uCOS-1I>VxWorks>pSOS、NucIeus>
ThreadX、Rtems、QNX、INTEGRITY、OSE、C
Executive>PersonaIJava
70
嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)例(1)
?VxWorks是美國WindRiver公司開發(fā)的嵌入式實(shí)
時操作系統(tǒng),可靠性高、性能卓越、界面友好,
廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖
技術(shù)及實(shí)時性要求極高的領(lǐng)域中,在美國的F-16
、FAT8戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱形轟炸機(jī)、愛國者導(dǎo)彈,
和火星探測器(97年4月在火星表面登陸)上使用
71
嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)例(2)
?WindowsCE是微軟開發(fā)的,用于通信、娛樂和移
動式計(jì)算設(shè)備的操作系統(tǒng)(平臺),它是微軟“維
納斯”計(jì)劃的核心。CE是具有開放性的,32位多
任務(wù)、多線程嵌入式操作系統(tǒng)。
?PersonaIJava是SUN公司開發(fā)的用于家庭、辦公
室和移動信息電器創(chuàng)建連網(wǎng)應(yīng)用的Java應(yīng)用環(huán)境
,適宜更新?lián)Q代快的信息電器的應(yīng)用開發(fā)。
72
1.3操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和用戶接口
1.3.1操作系統(tǒng)提供的用戶接口
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
73
1.3.1操作系統(tǒng)提供的用戶接口
?程序接口與系統(tǒng)調(diào)用
?作業(yè)接口與操作命令
74
1.3.2程序接口與系統(tǒng)調(diào)用
75
操作系統(tǒng)提供的程序接口⑴
?什么是系統(tǒng)調(diào)用?
-系統(tǒng)調(diào)用把應(yīng)用程序的請求傳送至內(nèi)核,調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)
核函數(shù)完成所需的處理,將處理結(jié)果返回給應(yīng)用程序。
?系統(tǒng)調(diào)用的作用?
-內(nèi)核可以基于權(quán)限和規(guī)則對資源訪問進(jìn)行裁決,保證系
統(tǒng)的安全性;
-對資源進(jìn)行抽象,提供一致性接口,避免用戶在使用資
源時發(fā)生錯誤,使編程效率提高。
?內(nèi)核的主體是系統(tǒng)調(diào)用的集合,內(nèi)核可以看成是
特殊的公共子程序。
?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。
76
操作系統(tǒng)提供的程序接口(2)
?POSIX標(biāo)準(zhǔn)
?專門規(guī)定了內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用接口標(biāo)準(zhǔn),操作系
統(tǒng)若遵循此標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用程序就具有可移植性。
?API和庫函數(shù)
?API是UNIX/Linux在標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫中,將系統(tǒng)
調(diào)用封裝,使得應(yīng)用程序能夠直接使用的一種
機(jī)制。
?庫函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用
?一個API可能用到一個或多個系統(tǒng)調(diào)用
?若干API可能封裝相同的系統(tǒng)調(diào)用
?也可能與系統(tǒng)調(diào)用無關(guān)(如strcpyO)
77
操作系統(tǒng)提供的程序接口⑶
應(yīng)用程序、庫函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用關(guān)系鏈78
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。
?:?函數(shù)調(diào)用轉(zhuǎn)向的地址固定,而系統(tǒng)調(diào)用按功能號進(jìn)行;
?:?函數(shù)調(diào)用在用戶態(tài)(執(zhí)行用戶程序時的狀態(tài))執(zhí)行,只
能訪問用戶棧,系統(tǒng)調(diào)用在核心態(tài)(執(zhí)行內(nèi)核程序時的
狀態(tài))執(zhí)行,訪問核心棧。
?被調(diào)用代碼的位置不同。
?:?函數(shù)調(diào)用是靜態(tài)的,調(diào)用程序和被調(diào)用代碼處于同一程
序內(nèi);
?:?系統(tǒng)調(diào)用是動態(tài)的,系統(tǒng)調(diào)用的代碼位于操作系統(tǒng)中。
?提供方式不同。
?:?函數(shù)由編程語言提供;
?:?系統(tǒng)調(diào)用由操作系統(tǒng)提供。
79
1.3.3作業(yè)接口與操作命令
?操作接口又稱作業(yè)級接口,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,通常可借助操作控制命令、圖形
操作界面(命令)、以及作業(yè)控制語言(命令
)等來實(shí)現(xiàn)
80
L4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)
81
L4.1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,
-正確性難保證。
?操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有三層含義:
-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)造它的過程和方法;
-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);
-操作系統(tǒng)運(yùn)行時的組織,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?
82
操作系統(tǒng)的構(gòu)件
?內(nèi)核
?進(jìn)程
?線程
?類程
?管程
83
1.操作系統(tǒng)的內(nèi)核Kernel(1)
1)什么是內(nèi)核?
內(nèi)核是一組程序模塊,作為可信軟件來提供支持
進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基本功能和基本操作,通常駐留
在內(nèi)核空間,運(yùn)行于核心態(tài),具有訪問硬件設(shè)備
和所有主存空間的權(quán)限,是僅有的能夠執(zhí)行特權(quán)
指令的程序。
2)內(nèi)核分類:微內(nèi)核和單內(nèi)核(整體、分層)。
3)Linux是單內(nèi)核操作系統(tǒng),Mach是微內(nèi)核操作系
統(tǒng),Windows是客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。
84
1.操作系統(tǒng)的內(nèi)核Kernel(1)
?單內(nèi)核也叫集中式操作系統(tǒng)。整個系統(tǒng)是一個大
模塊,可以被分為若干邏輯模塊,即處理器管理
、存儲器管理、設(shè)備管理和文件管理,其模塊間
的交互是通過直接調(diào)用其他模塊中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的
O
?微內(nèi)核是指把操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)存管理、設(shè)備
管理、文件系統(tǒng)等高級服務(wù)功能盡可能地從內(nèi)核
中分離出來,變成幾個獨(dú)立的非內(nèi)核模塊,而在
內(nèi)核只保留少量最基本的功能,使內(nèi)核變得簡潔
可靠,因此叫微內(nèi)核。通過消息機(jī)制訪問。
85
操作系統(tǒng)的內(nèi)核⑵
Linux單內(nèi)核結(jié)構(gòu)
應(yīng)用程序
用戶
系統(tǒng)庫(函數(shù)庫)
系統(tǒng)調(diào)用接口
模塊內(nèi)核(進(jìn)程管理、存
儲管理、文件管理、
設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管
設(shè)備
驅(qū)動理)
計(jì)算機(jī)硬件
86
操作系統(tǒng)的內(nèi)核⑶
微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)
口口-*fn
用
戶
客戶客戶文件服進(jìn)程服主存服態(tài)
講程1講程2堂強(qiáng)務(wù)器務(wù)器
三國核(消息傳遞)
核
計(jì)算機(jī)硬件心
態(tài)
客戶通過微內(nèi)
核發(fā)送消息給
文件服務(wù)器
87
內(nèi)核的基本功能
?資源抽象
?資源分配
?資源共享
88
內(nèi)核的基本屬性
?核是由中斷驅(qū)動的
?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
89
2.進(jìn)程
?進(jìn)程使得操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得清晰:
-一個進(jìn)程到另一個進(jìn)程的控制轉(zhuǎn)移由進(jìn)程調(diào)度機(jī)制來
統(tǒng)一管理;
-進(jìn)程之間的交互由通信及同步機(jī)制完成,提高了系統(tǒng)
的安全性和可靠性。
3.線程
?線程可看做一種構(gòu)件,是組成進(jìn)程構(gòu)件的更小的
構(gòu)件單位。
-進(jìn)程是資源分配的基本單位;
-線程是系統(tǒng)調(diào)度的基本單位。
90
4.管程
?管程是管理共享資源的一種同步機(jī)制,對管程的
調(diào)用表示對共享資源的請求與釋放。
?管程可以被多個進(jìn)程或管程嵌套調(diào)用,但是它們
只能互斥的訪問管程。
?管程應(yīng)包含條件變量,對進(jìn)程進(jìn)行掛起和釋放。
5.類程
?類程用于管理私有資源,只能被進(jìn)程及起源于同
一進(jìn)程的其它類程或管程嵌套調(diào)用鏈所調(diào)用。
91
L4.2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)行方式來看,可分成:
1)非進(jìn)程內(nèi)核模型
2)OS功能(函數(shù))在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型
3)OS功能(函數(shù))作為進(jìn)程執(zhí)行的模型
92
操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型⑴
1)非進(jìn)程內(nèi)核模型
應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用
進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)程用戶態(tài)
內(nèi)核核心態(tài)
操作系統(tǒng)運(yùn)行模型(2)
2)OS功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型
94
操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型(3)
3)OS功能作為獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行的模型
應(yīng)
應(yīng)
應(yīng)
IOSIOS
函
函
用
用
用
函
用
數(shù)
數(shù)
進(jìn)
進(jìn)
進(jìn)
數(shù)
戶
程
程
程
態(tài)
核
微內(nèi)核(進(jìn)程切換函數(shù))心
態(tài)
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