《操作系統(tǒng)引論》PPT課件.ppt

1、操作系統(tǒng)基礎(chǔ) 屠立德 屠祁 清華大學(xué)出版社 現(xiàn)代操作系統(tǒng) 陳向群等譯 機(jī)械工業(yè)出版社 操作系統(tǒng) 吳企淵 梁燕 清華大學(xué)出版社 計算機(jī)操作系統(tǒng) 徐甲同等 西安電科大出版社 操作系統(tǒng)教程 孟慶昌 西安電科大出版社 計算機(jī)操作系統(tǒng)教程 張堯?qū)W 史美林 清華大學(xué)出版社 計算機(jī)操作系統(tǒng)教程 周長林 左萬歷 高等教育出版社 Windows 操作系統(tǒng)原理 尤晉元、史美林 機(jī)械工業(yè)出版社 Operating Systems Principles Lubomir Bic 清華大學(xué)出版社 Operating System Concepts Abraham Silberschatz etc 高等教育出版社,參考書,

2、第1章 引論,先導(dǎo)問題： =整體了解OS 操作系統(tǒng)？ 分類？ 特征？ 功能？ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？,先期課程,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 計算機(jī)組成原理 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu) C語言,寬（與操作系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的東西盡可能寬，如硬件方面與操作系統(tǒng)相關(guān)的知識，如CPU為操作系統(tǒng)提供了什么） 與深（哪些部分，如并行處理問題作深入的探討。存儲問題，內(nèi)存問題仍然是影響操作系統(tǒng)速度的瓶頸問題） 動（知識的發(fā)展，教材的體現(xiàn)）與靜（計算機(jī)學(xué)科的精髓，理論上成熟而且穩(wěn)定?；静蛔兓蜃兓?中國的操作系統(tǒng),70年代，XTIG VMS漢化等,2W+H,What is OS ? Do What? Why needs OS? How TO work? H

3、ow to Use?,2020/8/2,#include int main(int argc, char *argv) puts(hello world); return 0; ,2. 操作系統(tǒng)做什么？,目錄 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,計算機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及OS在系統(tǒng)中的地位:,軟件與硬件的關(guān)系: 硬件是軟件的運(yùn)行基礎(chǔ),軟件對硬件功能進(jìn)行擴(kuò)充. 虛擬機(jī)的概念: 裸機(jī)經(jīng)軟件擴(kuò)充后的功能更強(qiáng)的計算機(jī)稱為虛擬機(jī). (因不直接對應(yīng)一臺物理機(jī)),計算機(jī)系統(tǒng)的層次和視圖,計算機(jī)硬件,操作系統(tǒng)

4、,應(yīng)用程序,實用程序,終端用戶,程序員,操作系統(tǒng)設(shè)計者,操作系統(tǒng)的定義：,是裸機(jī)上的第一層軟件。由一系列的程序模塊組成。裸機(jī)：一臺完全無軟件的計算機(jī)系統(tǒng)。通過執(zhí)行機(jī)器指令來實現(xiàn)計算和I/O功能的，很難使用。 是為了建立用戶與計算機(jī)之間的接口而為裸機(jī)配置的一種系統(tǒng)軟件。 是一種資源管理程序。它依據(jù)一定的策略對計算機(jī)的軟硬資源進(jìn)行分配、管理和調(diào)度，合理地組織計算機(jī)的工作流程，從而提高系統(tǒng)資源的利用效率。,一、 目標(biāo) 措施 1.方便性: 方便用戶使用 用戶-OS-硬件 2.有效性: 資源得到有效應(yīng)用 資源管理(處理機(jī).存儲器.設(shè)備.文件) 增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力 組織工作流程(調(diào)度，I/O-CPU) 3

5、.可擴(kuò)充性: 增加新/修改老功能 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（模塊，層次） 4.開放性: 兼容 互連 世界標(biāo)準(zhǔn)OSI OS的定義:是控制和管理計算機(jī)硬件和軟件資源,合理的組織工作流程,以及方便用戶使用的程序集合.,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用,二、操作系統(tǒng)的作用 (2種基本觀點),1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程,四個發(fā)展階段,操作系統(tǒng)的發(fā)展和計算機(jī)的組成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)，經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。 1946年50年代末：第一代，電子管時代，無操作系統(tǒng)。 50年代末60年代中期：第二代，晶體管時代，單道批處理系統(tǒng)。 60年代中期70年代中期：第三代，集成電路時代，多道批處理系統(tǒng)。 70年代中期至今：第四代，大規(guī)模和超大規(guī)模集

6、成電路時代，分時系統(tǒng)?，F(xiàn)代計算機(jī)正向著巨型、微型、并行、分布、網(wǎng)絡(luò)化和智能化幾個方面發(fā)展。,一、手工階段具體方式,預(yù)約機(jī)時（聯(lián)機(jī)方式）：寫好程序，穿成紙帶，用光電設(shè)備輸入到計算機(jī)上。如通過光表示1，否則為0； 輪到自己上機(jī)時，通過紙帶機(jī)輸入到計算機(jī)的內(nèi)存 將手動開關(guān)撥到相應(yīng)位置。在內(nèi)存的指定位置執(zhí)行程序。,預(yù)約機(jī)時的缺點,運(yùn)行順利時，會浪費預(yù)約時間。如預(yù)約2小時，但半小時就運(yùn)行結(jié)束了。 運(yùn)行不順利時，預(yù)約的時間不夠。程序未能完成。當(dāng)時間到時，必須下機(jī)。只能下載內(nèi)存的內(nèi)容，回去再分析。,解決方法,脫機(jī)方式（通過操作員）：程序在運(yùn)行時，程序員不在場。而是由操作員去執(zhí)行程序。 此時不用預(yù)約機(jī)時，避免

7、了預(yù)約機(jī)時的缺點。 也縮短了由于操作不熟練導(dǎo)致的時間浪費。,假如有一個程序，在某一機(jī)器上執(zhí)行需要30分鐘，準(zhǔn)備時間為3分鐘，則效率為30/(30+3)=91%。 如機(jī)器速度提高10倍，則運(yùn)行時間只需3分鐘，準(zhǔn)備時間仍為3分鐘，則效率為3/(3+3)=50% 結(jié)論：手工操作不能適應(yīng)計算機(jī)發(fā)展的需要。,單道批處理系統(tǒng),“批處理”的兩個含義 一、指系統(tǒng)內(nèi)可同時容納多個作業(yè)，這些作業(yè)存放在大容量的外存中，組成一個后備作業(yè)隊列，系統(tǒng)按一定的調(diào)度原則每次從后備作業(yè)隊列中取一個或多個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行，運(yùn)行作業(yè)結(jié)束并退出運(yùn)行及后備作業(yè)進(jìn)入運(yùn)行均由系統(tǒng)自動實現(xiàn)，從而在系統(tǒng)中形成了一個自動轉(zhuǎn)接的連續(xù)的作業(yè)流。 二

8、、是指系統(tǒng)向用戶提供的是一種脫機(jī)操作方式，即用戶與自己作業(yè)之間沒有交互作用。作業(yè)一旦進(jìn)入系統(tǒng)，用戶就不能在計算機(jī)前直接干預(yù)其作業(yè)的運(yùn)行。,單道批處理系統(tǒng),計算機(jī)發(fā)展的早期，沒有任何用于管理的軟件，所有的運(yùn)行管理和具體操作都由用戶自己承擔(dān)，任何操作出錯都要重做作業(yè)，CPU的利用率甚低。 兩個解決方法 A.首先配備專門的計算機(jī)操作員，程序員不再直接操作機(jī)器，減少操作機(jī)器的錯誤。 B.進(jìn)行批處理，操作員把用戶提交的作業(yè)分類，把一批作業(yè)編成一個作業(yè)執(zhí)行序列。每一批作業(yè)將有專門編制的監(jiān)督程序自動依次處理。,（1）聯(lián)機(jī)批處理 在這種系統(tǒng)中，操作員有選擇地把若干作業(yè)合為一批，由監(jiān)督程序先把它們輸入到磁帶上，

9、之后在監(jiān)督程序的控制下，使這批作業(yè)能一個接一個地連續(xù)執(zhí)行。即：第一個作業(yè)全部完成之后，監(jiān)督程序又自動調(diào)入該批的第二個作業(yè)，并重復(fù)此過程，直至該批作業(yè)全部完成，再把下一批作業(yè)輸入到磁帶上。在這樣的系統(tǒng)中，作業(yè)處理是成批進(jìn)行的，并且在內(nèi)存中總是只保留一道作業(yè)（故名單道批處理）。同時作業(yè)的輸入、調(diào)入內(nèi)存以及結(jié)果輸出都在CPU直接控制下進(jìn)行。,（2）脫機(jī)批處理（緩沖技術(shù)的一種） 為克服早期聯(lián)機(jī)批處理的主要缺點，人們引進(jìn)了早期的脫機(jī)批處理系統(tǒng)。這種方式的明顯特征是在主機(jī)之外另設(shè)一臺小型衛(wèi)星機(jī)，該衛(wèi)星機(jī)又稱外圍計算機(jī)，它不與主機(jī)直接連接，只與外部設(shè)備打交道。 工作過程是：衛(wèi)星機(jī)把讀卡機(jī)上的作業(yè)逐個地傳送到

10、輸入磁帶機(jī)上；主機(jī)只負(fù)責(zé)把作業(yè)從磁帶上調(diào)入內(nèi)存并運(yùn)行它，作業(yè)完成后主機(jī)把計算結(jié)果和記賬信息記錄到輸出磁帶上；衛(wèi)星機(jī)負(fù)責(zé)把輸出磁帶上的信息讀出來，并交打印機(jī)打印。,圖1-3 脫機(jī)批處理模型,外圍機(jī)的輸入端為紙帶，輸出端為磁帶，可以把多個紙帶寫入到一個磁帶中去。 此時效率為：如機(jī)器速度提高10倍，則單個作業(yè)運(yùn)行時間只需3分鐘，準(zhǔn)備時間仍為3分鐘（10個作業(yè)），則效率為3/(3+0.3)=91%,目的: 減少人機(jī)操作 過程：,3.多道批處理系統(tǒng),隨著硬件的發(fā)展，出現(xiàn)了中斷技術(shù)和通道技術(shù)。 程序執(zhí)行時，并不總是在用CPU.如輸入數(shù)據(jù)、計算、輸出結(jié)果。 目標(biāo)是高資源利用率、大吞吐量和作業(yè)流程的自動化。,

11、多道批處理系統(tǒng),多道程序的運(yùn)行特點： （1）多道計算機(jī)內(nèi)存中同時存放多道相互獨立的程序。 （2）宏觀上并行運(yùn)行同時進(jìn)入系統(tǒng)的幾道程序都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完。 （3）微觀上串行運(yùn)行各作業(yè)交替使用CPU，交替執(zhí)行。,: 提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量,多道程序設(shè)計的基本思想：內(nèi)存同時保持多道程序(作業(yè)),處理機(jī)(單處理機(jī))以交替的方式同時處理多道程序，充分利用CPU的空閑時間，但不能完全利用。 (從宏觀上看,已有多道程序開始運(yùn)行且尚未結(jié)束； 從微觀上看,某一時刻處理機(jī)只運(yùn)行某道作業(yè)。),示例文檔-格式,后備隊列內(nèi)存CPU 特 征：多道性、無序性、調(diào)度性。 優(yōu)缺點：利用率高、吞吐量大、平均周轉(zhuǎn)時間

12、長、無交互能力。 需解決問題：處理機(jī)、內(nèi)存、I/O設(shè)備、文件、作業(yè)。 解決者: 管理系統(tǒng)-功能完善故稱為: OS定義是一組控制和管理計算機(jī)硬件和軟件資源，合理的對各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度，方便用戶使用的程序的集合。,1分時概念和分時系統(tǒng)的實現(xiàn)方法 所謂分時，就是對時間的共享。分時主要是指若干并發(fā)程序?qū)PU時間的共享。它是通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的。共享的時間單位稱為時間片。 這種分時的實現(xiàn)，需要有中斷機(jī)構(gòu)和時鐘系統(tǒng)的支持，利用時鐘系統(tǒng)把CPU時間分成一個一個的時間片，操作系統(tǒng)輪流地把每個時間片分給各個并發(fā)程序，每道程序一次只能運(yùn)行一個時間片。當(dāng)時間片計數(shù)到時后，產(chǎn)生一個時鐘中斷，控制轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)選

13、擇另一道程序并分給它時間片，讓其投入運(yùn)行，如此循環(huán)反復(fù)。,1.2.4 分時系統(tǒng),1.2.4 分時系統(tǒng),2分時系統(tǒng)的特征和優(yōu)點 分時系統(tǒng)的基本特征可概括為四點： （1）多路性 （2）交互性 （3）獨立性 （4）及時性 分時系統(tǒng)的優(yōu)點： （1）為用戶提供了友好的接口； （2）促進(jìn)了計算機(jī)普遍使用，為多個終端服務(wù)； （3）便于資源共享和交換信息。,第1章：操作系統(tǒng)概論,返回到本節(jié),關(guān)系：響應(yīng)時間 改善措施：減少對換信息量 長短確定：合適（理論上短好，實際上太短系統(tǒng)性能下降） 影響因素：系統(tǒng)開銷，用戶數(shù)，時間片，對換信息量,用戶數(shù)*時間片*對換信息量 對換速度,關(guān)鍵問題：用戶與其作業(yè)及時交互（及時接受

14、，及時處理） 關(guān)鍵技術(shù)：多路卡 時間片輪轉(zhuǎn)（時間片，輪轉(zhuǎn)周期）,幾個概念： 實時：及時，快 外部事件：來自外部的服務(wù)請求或數(shù)據(jù)采集 實時系統(tǒng)：以實時方式工作的控制或管理系統(tǒng) 應(yīng)用需求與分類： 實時控制(衛(wèi)星發(fā)射)，實時信息處理(售票系統(tǒng)) 實時任務(wù)： 周期性：周期 ; 非周期-截止時間（開始，完成） 截止時間：硬 ，軟 實時系統(tǒng)的特征： 及時性、交互性、多路性、獨立性、可靠性 比較：,5.實時系統(tǒng)-指系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求， 在規(guī)定時間內(nèi)完成對事件的處理， 并控制所有時實任務(wù)協(xié)調(diào)一致的運(yùn)行。,6通用系統(tǒng),批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的三種基本類型。目前的操作系統(tǒng)，通常具有分時

15、、實時和批處理這三種中的兩種以上的功能，又稱作通用操作系統(tǒng)。 例如，UNIX操作系統(tǒng)：SUN公司的Solaris，IBM公司的AIX。Windows操作系統(tǒng)：Microsoft公司的Windows系列。Linux操作系統(tǒng)：Redhat，紅旗Linux等,7 個人機(jī)系統(tǒng),1單用戶操作系統(tǒng) 是一個單用戶的交互式操作系統(tǒng)。強(qiáng)調(diào)使用方便簡單。 主要有MS-DOS，OS/2，Windows 95，Windows 98，Windows NT等，其特征是： （1）個人使用； （2）界面友好； （3）管理方便； （4）適于普及。,第1章：操作系統(tǒng)概論,返回到本節(jié),單用戶單任務(wù)OS：只允許一個用戶上機(jī)、且只允許

16、用戶程序作為一個任務(wù)運(yùn)行。 如 MS-DOS。 單用戶多任務(wù)OS：只允許一個用戶上機(jī)，但允許將一個用戶程序分為若干個任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行。如OS/2、MS Windows。 多用戶多任務(wù)OS：允許多個用戶通過各自的終端，使用同一臺主機(jī)，共享系統(tǒng)資源，而每個用戶程序又可進(jìn)一步分為幾個任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行。如UNIX OS。,7 個人機(jī)系統(tǒng),2多用戶操作系統(tǒng) 最主要的是UNIX系統(tǒng)以及各種類UNIX系統(tǒng)。多用戶系統(tǒng)除了具有界面友好，管理方便和適于普及等特征外，還具有多用戶使用，可移植性良好，功能強(qiáng)大，通信能力強(qiáng)等優(yōu)點。,7 個人機(jī)系統(tǒng),計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：是通過通信設(shè)施將地理上分散的具有自治能力的多臺計算

17、機(jī)系統(tǒng)連接起來的一種網(wǎng)絡(luò)。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的用戶可以不受地理位置的限制，共享網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的資源，彼此進(jìn)行通信和信息交換。 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：是為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置的操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的各臺計算機(jī)配有各自獨立的操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)把它們有機(jī)地聯(lián)系起來。主要功能:是為網(wǎng)絡(luò)中各臺計算機(jī)間提供通信和提供網(wǎng)絡(luò)資源的共享。,8 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)OS的模式： 客戶/服務(wù)器（Client/Server)模式； 對等模式（Peer-to-peer)模式-各個站點是對等的，可作為客戶，也可作為服務(wù)器。在網(wǎng)絡(luò)中既無服務(wù)處理中心，也無控制中心。 網(wǎng)絡(luò)管理功能主要包括（5個）： (1) 網(wǎng)絡(luò)通信：在源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間，實現(xiàn)無差

18、錯的數(shù)據(jù)傳輸。 (2) 資源管理：管理和分配網(wǎng)絡(luò)中的共享資源。,（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：電子郵件服務(wù)；文件傳輸、存取和管理服務(wù)；共享硬盤服務(wù)；共享打印服務(wù)。 （4）網(wǎng)絡(luò)管理：安全管理；網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)視、對使用情況進(jìn)行統(tǒng)計。 （5）互操作能力。,分布式計算機(jī)系統(tǒng)：是由多個分散的計算機(jī)經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連結(jié)而成的統(tǒng)一的計算機(jī)系統(tǒng)。其中的各計算機(jī)既高度自治又相互配合，能在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源管理、資源共享、信息交換和協(xié)同執(zhí)行任務(wù)。,9 分布式操作系統(tǒng),分布式系統(tǒng)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的區(qū)別： （1）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的網(wǎng)絡(luò)互連體系結(jié)構(gòu)及一系列標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。而分布式系統(tǒng)沒有制定標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 （2）分布

19、式計算機(jī)系統(tǒng)：是多機(jī)系統(tǒng)的一種新形式，它強(qiáng)調(diào)資源、任務(wù)、功能和控制的全面分布。分布的原則有兩種：任務(wù)分布和功能分布。任務(wù)分布：是指把一個計算任務(wù)分成多個可并行執(zhí)行的子任務(wù)，分配給各場地協(xié)同完成。功能分布：是指把系統(tǒng)的總功能劃分成若干子功能，由各場地分別承擔(dān)其中的一部分或幾部分子功能。 而網(wǎng)絡(luò)OS無任務(wù)分配功能。,10. 嵌入式操作系統(tǒng),1)什么是嵌入式系統(tǒng)： 在各種設(shè)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(shè)備、裝置或系統(tǒng)中的一部分，這個大設(shè)備、裝置或系統(tǒng)可以不是“計算機(jī)” 通常工作在反應(yīng)式或?qū)μ幚頃r間有較嚴(yán)格要求環(huán)境中 由于它們被嵌入在各種設(shè)備、裝置或系統(tǒng)中，因此稱為嵌入式系

20、統(tǒng),2）嵌入式系統(tǒng),軟件：用于提供系統(tǒng)所需的功能和靈活性 硬件 = （處理器、ASIC(專用集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計、制造的集成電路。 )、存儲器） 用于提供所需的性能以及部分安全機(jī)制,專用門陣列,模擬I/O,處理器核,存儲器,FPGA,FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。,3) 嵌入式操作系統(tǒng),在嵌入式系統(tǒng)

21、中的OS，稱為嵌入式操作系統(tǒng)。 嵌入式操作系統(tǒng)，是運(yùn)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(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。,4）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(yán)格的限制 能源、成本和可靠性通常是影響設(shè)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(jìn)行裁剪、調(diào)整和生成 以便滿足最終產(chǎn)品的設(shè)計要求,5）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(shè)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

22、 標(biāo)準(zhǔn)語言庫 數(shù)學(xué)運(yùn)算庫和開放式應(yīng)用程序接口,11.操作系統(tǒng)領(lǐng)域中新的操作系統(tǒng),有線電視機(jī)頂盒領(lǐng)域，PowerTV 移動通信領(lǐng)域，EPOC 掌上計算機(jī)領(lǐng)域，Palm OS 數(shù)字影像領(lǐng)域， Digita,OS的基本類型：批處理，分時，實時（特點,適用場合,解決問題） 實際系統(tǒng)往往是幾種基本類型的結(jié)合： *具有前臺、后臺的分時系統(tǒng)=單批+分時：,總結(jié)：,*多道分時系統(tǒng)=多批+分時: 內(nèi)存中有多道程序，按時間片輪轉(zhuǎn) 目的：取消作業(yè)的調(diào)進(jìn)調(diào)出=減少系統(tǒng)開銷,增加復(fù)雜的內(nèi)存管理,目的：提高CPU利用率,1.3 操作系統(tǒng)的功能和特性,1.3.1 操作系統(tǒng)的功能 1.3.2 操作系統(tǒng)的特性,第1章：操作系統(tǒng)

23、概論,返回到本章,1.3.1 操作系統(tǒng)的功能,1存儲器管理功能 2處理機(jī)管理功能 3設(shè)備管理功能 4文件管理功能 5用戶接口,第1章：操作系統(tǒng)概論,1存儲器管理功能 （1）內(nèi)存分配 內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配一定的內(nèi)存空間。為此，操作系統(tǒng)必須記錄整個內(nèi)存的使用情況，處理用戶提出的申請，按照某種策略實施分配，接收系統(tǒng)或用戶釋放的內(nèi)存空間。 （2）地址映射 （3）內(nèi)存保護(hù) （4）內(nèi)存擴(kuò)充 （虛擬技術(shù)，時間換空間）,第1章：操作系統(tǒng)概論,2處理機(jī)管理功能 處理機(jī)管理的功能包括：作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程控制和進(jìn)程通信。 （1）作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度 一個作業(yè)通常要經(jīng)過兩級調(diào)度才得以在CPU上執(zhí)行。首先是作

24、業(yè)調(diào)度，它把選中的一批作業(yè)放入內(nèi)存，并分配其它必要資源，為這些作業(yè)建立相應(yīng)的進(jìn)程。然后進(jìn)程調(diào)度按一定的算法從就緒進(jìn)程中選出一個合適進(jìn)程，使之在CPU上運(yùn)行。 （2）進(jìn)程控制 進(jìn)程是系統(tǒng)中活動的實體。進(jìn)程控制包括創(chuàng)建進(jìn)程、撤銷進(jìn)程、封鎖進(jìn)程、喚醒進(jìn)程等。 （3）進(jìn)程通信 多個進(jìn)程在活動過程中彼此間會發(fā)生相互依賴或者相互制約的關(guān)系。為保證系統(tǒng)中所有進(jìn)程都能正?；顒?，就必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制，它分為同步方式和互斥方式。相互合作的進(jìn)程之間往往需要交換信息，為此系統(tǒng)要提供通信機(jī)制。,第1章：操作系統(tǒng)概論,3設(shè)備管理功能 設(shè)備管理的主要功能包括：緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配、設(shè)備驅(qū)動和設(shè)備無關(guān)性。 （1）緩沖區(qū)管理

25、 緩沖區(qū)管理的目的是解決CPU和外設(shè)速度不匹配的矛盾，從而使它們能充分并行工作，提高各自的利用率。單緩沖，雙緩沖，公用緩沖池 （2）設(shè)備分配 根據(jù)用戶的I/O請求和相應(yīng)的分配策略，為該用戶分配外部設(shè)備以及通道、控制器等。,第1章：操作系統(tǒng)概論,3設(shè)備管理功能,（3）設(shè)備驅(qū)動 實現(xiàn)CPU與通道和外設(shè)之間的通信。由CPU向通道發(fā)出I/O指令，后者驅(qū)動相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行I/O操作。當(dāng)I/O任務(wù)完成后，通道向CPU發(fā)中斷信號，由相應(yīng)的中處理程序進(jìn)行處理。 （4）設(shè)備無關(guān)性 又稱設(shè)備獨立性，即用戶編寫的程序與實際使用的物理設(shè)備無關(guān)，由操作系統(tǒng)把用戶程序中使用的邏輯設(shè)備映射到物理設(shè)備。,4文件管理功能 文件功能

26、應(yīng)包括：文件存儲空間的管理、文件操作的一般管理、目錄管理、文件的讀寫管理和存取控制。 （1）文件存儲空間的管理 系統(tǒng)文件和用戶文件都要放在磁盤上。為此，需要由文件系統(tǒng)對所有文件以及文件的存儲空間進(jìn)行統(tǒng)一管理：系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄文件存儲空間的使用情況。為新文件分配必要的外存空間，回收釋放的文件空間，提高外存的利用率。 （2）文件操作的一般管理 包括文件的創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉等。 （3）目錄管理 為每個文件建立目錄項（文件名、文件屬性、存儲位置等）目錄管理包括目錄文件的組織、實現(xiàn)用戶對文件的“按名存取”，以及目錄的快速查詢和文件共享等。,第1章：操作系統(tǒng)概論,4文件管理功能,（4）文件的

27、讀寫管理和存取控制 根據(jù)用戶的請求，從外存中讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入外存中。為保證文件信息的安全性，防止未授權(quán)用戶的存取或破壞，對各文件（包括目錄文件）進(jìn)行存取控制。,現(xiàn)代操作系統(tǒng)向用戶提供三種類型的界面： （1）圖形接口用戶利用鼠標(biāo)、窗口、菜單、圖標(biāo)等圖形界面工具，可以直觀、方便、有效地使用系統(tǒng)服務(wù)和各種應(yīng)用程序及實用工具； （2）命令接口 A.聯(lián)機(jī)接口：在提示符后用戶從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)提供相應(yīng)服務(wù)； B.脫機(jī)接口：通過由作業(yè)控制語言（JC L）編寫的作業(yè)說明書（現(xiàn)在較少使用） （3）程序接口也稱系統(tǒng)調(diào)用界面，用戶在自己的程序中使用系統(tǒng)調(diào)用，從而獲取系統(tǒng)的服務(wù)。 如在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)檢查磁盤

28、空間的功能函數(shù)。,第1章：操作系統(tǒng)概論,返回到本節(jié),5用戶接口,1.3.2 操作系統(tǒng)的特性,1并發(fā)性 2共享性 3虛擬性 4不確定性,第1章：操作系統(tǒng)概論,1并發(fā)性 并發(fā)性，是指能同時處理存在的多個平行活動的能力。如I/O操作與計算重選運(yùn)行，在內(nèi)存中間時存在幾道用戶程序等，都是并發(fā)的例子。 就整個系統(tǒng)來說，由于計算機(jī)和I/O操作并行，因此操作系統(tǒng)必須能控制、管理并調(diào)度這些并行的動作。除此之外，操作系統(tǒng)還要協(xié)調(diào)主存各程序之間的動作，以免互相發(fā)生干擾，造成嚴(yán)重后果，即考慮同步問題?？傊僮飨到y(tǒng)要充分體現(xiàn)并發(fā)性。,第1章：操作系統(tǒng)概論,2共享性 共享是指多個任務(wù)共同使用系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)的一個主要

29、目標(biāo)就是要使各種系統(tǒng)資源能有效地被共享，最大限度地提高系統(tǒng)效率。 由于共享的實質(zhì)是并發(fā)共享，故關(guān)鍵仍在于并發(fā)性。,第1章：操作系統(tǒng)概論,3虛擬性 在操作系統(tǒng)中，虛擬是指把一個物理上的實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物，前者是實際存在的，后者是虛的，只是用戶的一種感覺。 例如，在操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計技術(shù)后，雖然只有一個CPU，每次只能執(zhí)行一道程序，但通過分時使用，在一段時間間隔內(nèi)，宏觀上這臺處理機(jī)能同時運(yùn)行多道程序。它給用戶的感覺是每道程序都有一個CPU為它服務(wù)。亦即，多道程序設(shè)計技術(shù)可以把一臺物理上的CPU虛擬為多臺邏輯上的CPU。,第1章：操作系統(tǒng)概論,4不確定性 在多道程序環(huán)境中，由于資源

30、等因素的限制，程序是以走走停停的方式運(yùn)行的。系統(tǒng)中的每個程序何時執(zhí)行、多個程序間的執(zhí)行順序以及完成每道程序所需的時間都是不確定的，因而也是不可預(yù)知的。,第1章：操作系統(tǒng)概論,返回到本節(jié),1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,1.5.1 軟件工程的基本概念,1. 軟件的含義 軟件是指當(dāng)計算機(jī)運(yùn)行時，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，該程序能夠正確地處理信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；作為規(guī)范軟件，還應(yīng)具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文檔。 2. 軟件工程的含義 軟件工程是指運(yùn)用系統(tǒng)的、規(guī)范的和可定量的方法，來開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)軟件。其目的是為了解決在軟件開發(fā)中所出現(xiàn)的編程隨意、軟件質(zhì)量不可保證以及維護(hù)困

31、難等問題。,無結(jié)構(gòu)OS 模塊化OS結(jié)構(gòu) 分層式OS結(jié)構(gòu),1.5.2 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時，設(shè)計者只是把他的注意力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計思想。這種OS是無結(jié)構(gòu)的。 主要是編制緊湊程序，便于利用內(nèi)存，對go to無限制，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)，難以維護(hù)和理解，增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。,1. 無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng),2. 模塊化OS結(jié)構(gòu),模塊化程序設(shè)計技術(shù)，是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復(fù)雜度的。將OS按其功能劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模塊。并規(guī)定好各模塊間的接口， 各模塊之間能通過該接口實現(xiàn)交互。,模塊化OS結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點,優(yōu)點： 提高設(shè)計的正

32、確性； 增強(qiáng)可適應(yīng)性； 加速開發(fā)過程 缺點： 難保證模塊完全正確； 未區(qū)分獨占與共享資源。,3.分層式OS結(jié)構(gòu),有序分層的 高層只能調(diào)用低層功能，應(yīng)考慮：嵌套、運(yùn)行頻率、公用模塊、用戶接口。 2) 層次的設(shè)置 a.程序嵌套 b.運(yùn)行頻率 c.公用模塊 d.用戶接口,1.5.3 微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu),客戶/服務(wù)器模式 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù) 微內(nèi)核技術(shù),1.客戶/服務(wù)器模式,為了提高OS的靈活性和可擴(kuò)充性而將OS劃分為兩部分， 一部分是用于提供各種服務(wù)的一組服務(wù)器(進(jìn)程)， 另一部分是內(nèi)核，用來處理客戶和服務(wù)器之間的通信。 在內(nèi)核中還應(yīng)具有其它一些機(jī)構(gòu)，用于實現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的一些較基本的功能。,單機(jī)環(huán)

33、境下的客戶/服務(wù)器模式,客戶/服務(wù)器模式的優(yōu)點,（1）提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)充性。 （2）提高了OS的可靠性。 （3）可運(yùn)行于分布式系統(tǒng)中。,2. 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)(Object-Orientated Programming),1) 面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基本概念 面向?qū)ο蠹夹g(shù)是20世紀(jì)80年代初提出并很快流行起來的。該技術(shù)是基于“抽象”和“隱蔽”原則來控制大型軟件的復(fù)雜度的。OS中的各類實體如進(jìn)程、線程、消息、存儲器等，都使用了對象這一概念，相應(yīng)地，便有進(jìn)程對象、線程對象、 存儲器對象等。,2） 面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點,可修改性和可擴(kuò)充性 繼承性 正確性和可靠性,3 微內(nèi)核技術(shù),微內(nèi)核技術(shù)的引入

34、 微內(nèi)核技術(shù)，是指精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS核心功能的小型內(nèi)核，它運(yùn)行在核心態(tài)，且開機(jī)后常駐內(nèi)存。 微內(nèi)核的基本功能 (1) 進(jìn)程管理。 (2) 存儲器管理。 (3) 進(jìn)程通信管理。 (4) I/O設(shè)備管理。,八. 現(xiàn)代操作系統(tǒng),1. 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征 2. Windows 2000 概述 3. UNIX 系統(tǒng)（最初是在Bell實驗室開發(fā)的，后來產(chǎn)生了一系列的UNIX版本）和LINUX系統(tǒng),1. 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征,微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 多線程 對稱多處理 分布式操作系統(tǒng) 面向?qū)ο笤O(shè)計,（1） 微內(nèi)核結(jié)構(gòu),巨大的內(nèi)核：包括調(diào)度、文件系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備驅(qū)動、存儲管理等等。典型的，這個大內(nèi)核是作為一個進(jìn)程實

35、現(xiàn)的，所有元素都共享相同的地址空間。 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：只給內(nèi)核分配一些最基本的功能，包括地址空間、進(jìn)程間通信（IPC)和最基本的調(diào)度。其他的操作系統(tǒng)服務(wù)都是由運(yùn)行在用戶模式下的進(jìn)程提供的，可以與微內(nèi)核提供的其他應(yīng)用程序一樣對待，這些進(jìn)程有時也稱為服務(wù)程序。,（2） 多線程（multithreading),把執(zhí)行一個應(yīng)用程序的進(jìn)程劃分成可以同時運(yùn)行的線程。 線程：可分派的工作單位。順序執(zhí)行，可中斷，這樣處理器可以轉(zhuǎn)到另一個線程。 進(jìn)程：一個或多個線程和相關(guān)系統(tǒng)資源的集合。這緊密對應(yīng)于一個正在執(zhí)行的程序。 多線程對執(zhí)行許多本質(zhì)上獨立、不需要串行處理的任務(wù)的應(yīng)用程序是很有用的。 同一進(jìn)程中線程間切換要比

36、不同進(jìn)程間切換的處理器開銷少。,（3）對稱多處理(symmetric multiprocessing,SMP),對稱多處理可以定義為具有以下特征的一個獨立的計算機(jī)系統(tǒng)： 有多個處理器。 這些處理器共享同一個主存器和I/O設(shè)備，它們之間通過通信總線或別的內(nèi)部連接方案互相連接。 對稱：所有處理器都可以執(zhí)行相同的功能（因此稱為對稱）,（4）分布式操作系統(tǒng) (distributed operating system),給一群計算機(jī)提供單一系統(tǒng)外部特征。 一群計算機(jī)中，每一個都有自己的主存儲器、輔助存儲器和其他I/O模塊。 使用戶產(chǎn)生錯覺，好象是一個單一的主存空間、輔存空間以及其它的統(tǒng)一存取設(shè)備，如分布

37、式文件系統(tǒng)。 集群(cluster)作為分布式系統(tǒng)，正變得越來越流行。,（5）面向?qū)ο笤O(shè)計,操作系統(tǒng)設(shè)計最新的改革是使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)。 面向?qū)ο笤O(shè)計的原理用于給小內(nèi)核增加模塊化的擴(kuò)展上。 基于對象的結(jié)構(gòu)使程序員可以定制操作系統(tǒng)，而不破壞系統(tǒng)的完整性。 面向?qū)ο筮€使得分布式工具和分布式操作系統(tǒng)的開發(fā)變得容易。,2. Windows 2000 概述,在2000年，Microsoft發(fā)布的。增加了支持分布處理的服務(wù)和功能，其新特征的核心元素是活動目錄，這是一個分布目錄服務(wù)，能夠?qū)⑷我鈱ο竺成涞疥P(guān)于這些對象的任意類型的信息上。 單用戶多任務(wù)：在多任務(wù)環(huán)境中，用戶打開所需要的每個應(yīng)用程序，并讓它保持打

38、開狀態(tài)。信息可以在這些應(yīng)用程序間很容易地來回移動。,Windows 2000 是改進(jìn)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，使得許多微內(nèi)核外的系統(tǒng)函數(shù)在內(nèi)核模式下運(yùn)行。 每個系統(tǒng)函數(shù)都正好由一個操作系統(tǒng)部件管理，操作系統(tǒng)的其余部分和所有應(yīng)用程序通過相應(yīng)的部件使用標(biāo)準(zhǔn)接口訪問這個函數(shù)。 可移植性：可以在各種硬件平臺上運(yùn)行。 支持多線程、支持對稱多處理(SMP)。 大量使用面向?qū)ο笤O(shè)計的 概念。面向?qū)ο蠓椒ê喕诉M(jìn)程間資源和數(shù)據(jù)的共享。,3. UNIX系統(tǒng),大多數(shù)UNIX內(nèi)核是整體式的。整體式的內(nèi)核是指在一大塊代碼中實際上包含了所有操作系統(tǒng)功能，并作為一個單一進(jìn)程運(yùn)行，具有唯一地址空間。 為了解決這個整體式的問題，Linux被組織成一組相對獨立的塊，稱作可加載模塊。 動態(tài)鏈接：當(dāng)內(nèi)核已經(jīng)在存儲器并正在運(yùn)行時，內(nèi)核模塊可以被加載和鏈接到內(nèi)核。 可堆棧模塊：模塊按層次排列，當(dāng)被高層的客戶模塊訪問時，它們作為庫；當(dāng)被低層模塊訪問時，它們作為客戶。,Linux和freeBSD,Linux是由芬蘭赫爾辛基大學(xué)計算機(jī)系大學(xué)生Linus Torvalds，從1990年底到1991年的幾個月中，為了自己的操作系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)和后來上網(wǎng)使用而陸續(xù)編寫的。在2001年初，在Linux World大會前夕推出了Linux2.4內(nèi)核 。 FreeBS