操作系統(tǒng)c_課件lec2 操作系統(tǒng)概述

1、計算機(jī)與操作系統(tǒng)第二講操作系統(tǒng)概述南京大學(xué)軟件學(xué)院本主題教學(xué)目標(biāo)掌握處理器掌握操作系統(tǒng)管理的資源掌握操作系統(tǒng)的用戶接口了解操作系統(tǒng)的類型了解操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)了解操作系統(tǒng)主流產(chǎn)品.5.6.第二講操作系統(tǒng)概述2.42.5什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的類型操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典操作系統(tǒng)2.1 什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)控制程序執(zhí)行Services Provided by the OS* Program creation: such as editors and debuggers* Program execution* Access to I/O devices* C

2、ontrolled access to files* System access* Error detection and response* Internal/external hardware errors(memory,device)* software errors(arithmetic overflow,access forbidden memory locations)* Accounting操作系統(tǒng)是資源管理者計算機(jī)系統(tǒng)I/O 設(shè)備內(nèi)存打印機(jī),鍵盤, 數(shù)碼相機(jī)等* 資源的類型硬件資源* 處理器* 內(nèi)存* 外設(shè)* 信息資源* 數(shù)據(jù)* 程序I/O 控制存 儲操作系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)處理器處理

3、器I/O 控制操作系統(tǒng)軟件程序和數(shù)據(jù)I/O 控制操作系統(tǒng)是資源管理者* Ways of sharing resources:* Sequential sharing* Concurrent sharing* Strategies of resource allocation* Static allocation: Partitioning of resources to allocate* Dynamic allocation: Allocation resources from a pool* Resource preempting: forceful deallocation of a s

4、equential sharing resource操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件，它管理軟硬件資源、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，合理組織計算機(jī)工作流程，為用戶使用計算機(jī)提供良好運行環(huán)境什么是操作系統(tǒng)2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口* 程序接口系統(tǒng)調(diào)用(System Call)由操作系統(tǒng)實現(xiàn)的完成某種特定功能的過程；它是程序與操作系統(tǒng)的接口* 操作接口系統(tǒng)程序(SystemProgram)操作系統(tǒng)為用戶提供的解決使用計算機(jī)和計算共性問題的所有服務(wù)的集合；它可以看作是操作系統(tǒng)提供給用戶的功能級接口系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)* 陷入處理機(jī)制（異常處理機(jī)制）：操作系統(tǒng)中為控制和實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)

5、制* 由于系統(tǒng)調(diào)用而引起處理器中斷的指令稱訪管指令(Supervisor) ，陷入指令(Trap) 或異常中斷指令(Interrupt)* 每個系統(tǒng)調(diào)用都事先規(guī)定了編號，還附帶有傳遞給內(nèi)部處理程序的參數(shù)系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)要點* 編寫系統(tǒng)調(diào)用處理程序* 設(shè)計一張系統(tǒng)調(diào)用入口地址表，每個入口地址指向一個系統(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)的個數(shù)* 陷入處理機(jī)制需開辟現(xiàn)場保護(hù)區(qū)，以保存發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時的處理器現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)過程系統(tǒng)調(diào)用陷入機(jī)構(gòu)系統(tǒng)調(diào)用處理子程序保護(hù)CPU現(xiàn)場入口地址表A0用戶程序陷入指令A(yù)1取系統(tǒng)功能號找入口地址表相應(yīng)入口地址AiAn結(jié)束處理恢復(fù)現(xiàn)場System Call

6、A0 A1Ai AnSUBnSUBiSUB1SUB0系統(tǒng)程序* 操作系統(tǒng)提供了兩個作業(yè)級的接口：* 脫機(jī)作業(yè)控制方式* 聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式* 脫機(jī)作業(yè)控制接口作業(yè)控制語言* 聯(lián)機(jī)作業(yè)控制接口操作控制命令*命令行方式批命令方式圖形化方式命令解釋程序* 命令解釋程序：接受和執(zhí)行一條用戶提出的對作業(yè)的加工處理要求* 當(dāng)一個新的批作業(yè)被啟動，或新的交互型用戶登錄進(jìn)系統(tǒng)時，系統(tǒng)就自動地執(zhí)行命令解釋程序，它負(fù)責(zé)讀入控制卡或命令行，并作出相應(yīng)解釋和執(zhí)行* 自帶命令處理代碼的命令解釋程序* 不帶命令處理代碼的命令解釋程序命令解釋程序的處理過程* 操作系統(tǒng)做完準(zhǔn)備工作后便啟動命令解釋程序，它輸出命令提示符，等待鍵

7、盤中斷到來* 每當(dāng)用戶打入一條命令(暫存在命令緩沖區(qū))并按回車換行時，申請鍵盤中斷* CPU響應(yīng)后，將控制權(quán)交給命令解釋程序，接著讀入命令緩沖區(qū)內(nèi)容，分析命令、接受參數(shù)。若為簡單命令立即轉(zhuǎn)向命令處理代碼執(zhí)行；否則查找命令處理文件，裝入主存，傳遞參數(shù)，將控制權(quán)交給其執(zhí)行* 命令處理結(jié)束后，再次輸出命令提示符，等待下一條命令2.3 操作系統(tǒng)的類型批處理操作系統(tǒng)* 成批處理作業(yè)* 作業(yè)控制語言與作業(yè)說明書* 脫機(jī)工作方式* 追求系統(tǒng)效率與吞吐量分時操作系統(tǒng)* 用戶通過終端直接控制程序執(zhí)行* 交互式工作方式* 交互型、友善性、快速響應(yīng)* 今天最常見的計算機(jī)操作方式實時操作系統(tǒng)驅(qū)動，有較高時間要求* 實

8、時操作系統(tǒng)的分類* 過程控制系統(tǒng)* 信息查詢系統(tǒng)* 事務(wù)處理系統(tǒng)* 過程控制系統(tǒng)的處理步驟：數(shù)據(jù)采集、加工處理、操作控制、反饋處理操作系統(tǒng)的新類型* 微型操作系統(tǒng)* 并行操作系統(tǒng)* 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)* 分布式操作系統(tǒng)* 嵌入式操作系統(tǒng)* 移動操作系統(tǒng)2.4 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類1. 單體式結(jié)構(gòu)2. 層次式結(jié)構(gòu)3. 虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)4. 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)5. 客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)單體式結(jié)構(gòu)用戶程序Trap用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)硬件層硬件 硬件控制 字符設(shè)備 塊設(shè)備 設(shè)備驅(qū)動 高速緩沖區(qū)進(jìn) 程控制子系統(tǒng) 進(jìn)程間通信 調(diào)度器 內(nèi)存管理 文件系統(tǒng) 系統(tǒng)調(diào)用接口 庫文件 層次式結(jié)構(gòu)用戶模式內(nèi)核模式用戶 文件系統(tǒng) 進(jìn)程交

9、互 I/O設(shè)備管理 虛存 基本進(jìn)程管理 硬件 操作系統(tǒng)的實現(xiàn)層次Level13NameShellObjectsUser programming environmentUser processes DirectoriesExample OperationsStatements in shell language1211User processesDirectoriesQuit, kill, suspend, resumeCreate, destroy, attach, detach, search, listOpen, close, read, write10DevicesExternal de

10、vices, such as printer, displays and keyboardsFiles9File systemCreate, destroy, open, close read, writeCreate, destroy, open. close, read, write8CommunicationsPipes操作系統(tǒng)的實現(xiàn)層次Example OperationsLevelNameObjects76Virtual MemoryLocal secondary storePrimitive processesSegments, pagesBlocks of data, device

11、 channelsPrimitive process, semaphores, ready listInterrupt-handling programsProcedures, call stack, displayRead, write, fetchRead, write, allocate, free5Suspend, resume, wait, signal4InterruptsInvoke, mask, unmask, retry3ProceduresMark stack, call, return2Instruction SetEvaluation stack, micro-Load

12、, store, add, subtractprogram interpreter, scalar and array dataRegisters, gates, buses, etc.branch1Electronic circuitsClear, transfer, activate, complement虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用與進(jìn)程 應(yīng)用與進(jìn)程 應(yīng)用與進(jìn)程 虛擬機(jī)1虛擬機(jī)2虛擬機(jī)n虛擬機(jī)監(jiān)視器 宿主操作系統(tǒng) 共享硬件 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)用戶模式內(nèi)核模式消息 消息 進(jìn)程間通信CPU調(diào)度存儲管理 微內(nèi)核 硬件 設(shè)備驅(qū)動 文件系統(tǒng) 應(yīng)用程序 2.5 經(jīng)典操作系統(tǒng)介紹工業(yè)化的硬件與OS產(chǎn)品1980年其他操作系統(tǒng)

13、(嵌入式、移動平臺)，如: VxWork / iOS / Android /黑莓PC與開放結(jié)構(gòu)小型機(jī)服務(wù)器大型機(jī)巨型機(jī)IBM機(jī)群UNIX/專用各種硬件SUNIBMHP/DEC COMPAQHP/DELLUNIX各種硬件IBM PC PC DOS PS2/OS2HP/DEC/COMPAQHP/DELLMS-DOS/MS-WINDOWSINTEL獨立發(fā)展的UNIX法語世界蘇聯(lián)CRAY巨型機(jī)DEC小型機(jī)MAC微型機(jī)IBM巨型機(jī)/大型機(jī)/中型機(jī)/小型機(jī)Unix與類Unix系統(tǒng)美國電報電話公司的貝爾實驗室于1969年在DEC公司的小型系列機(jī)PDP-7上開發(fā)成功73年開發(fā)出C語言并改寫Unix，從而使得U

14、nix具有高度易讀性、可移植性，為迅速推廣和普及走出了決定性的一步74年7月，”Unix分時系統(tǒng)”一文在美國權(quán)威雜志CACM上發(fā)表，引起了廣泛注意75年發(fā)布的Unix第6版是最早可獲得的Unix78年的Unix第7版，可以看作當(dāng)今Unix的祖先，該版為Unix走進(jìn)商界奠定了基礎(chǔ)。*Unix的商業(yè)版本* Unix商業(yè)版本的出現(xiàn)源于1977年的IS/1* AT&T：81年的System ，83年的System，84年的SVR2，87年的SVR3* 78年起，SCO和Microsoft的XENIX* XENIX與AT&T Unix在使用標(biāo)準(zhǔn)上會合于SVR3.2* Unix BSD：78年的1BSD和

15、2BSD、79年3BSD、80年之后的4/4.1/4.2/4.3/4.4BSD* 4BSD的商業(yè)代表Sun OS及其Solaris* Sun OS和SVR3.2在使用標(biāo)準(zhǔn)上會合于SVR4.0Unix的優(yōu)勢* Unix取得成功的最重要原因是系統(tǒng)的開放性， 公開源代碼，用戶可以方便地向Unix系統(tǒng)中逐步添加新功能和工具，從而使得UINX越來越完善，成為有效的程序開發(fā)支撐平臺* Unix是目前唯一可以安裝和運行在從微型機(jī)、工作站直到大型機(jī)和巨型機(jī)上的操作系統(tǒng)Modern Unix Systems* 實際上Unix已不是指一個具體操作系統(tǒng)，許多公司和大學(xué)都推出了自己的Unix系統(tǒng)* AT&T的SVR

16、，SUN的Solaris，Berkeley的Unix BSD ， DEC的Digital Unix(并入Compaq稱Tru64 Unix)，HP的HP UX，SGI的Irix，CMU的Mach，SCO公司的SCO UnixWare， IBM的AIX* Unix的國際標(biāo)準(zhǔn)POSIX* IEEE擬定了一個Unix標(biāo)準(zhǔn)，稱作POSIX* POSIX定義了相互兼容的Unix系統(tǒng)必須支持的最少系統(tǒng)調(diào)用接口。該標(biāo)準(zhǔn)已被多數(shù)Unix支持* 其他一些操作系統(tǒng)也在支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)。Solaris* SUN Microsystem公司開發(fā)的Solaris是具有完全對稱多處理和多線程支持的32位分布式計算環(huán)境的

17、Unix操作系統(tǒng)變種* Solaris基于SPARC和Intel平臺，是一個可移植操作系統(tǒng)，可移植到任何新的主流平臺上* SUN公司推出64位操作系統(tǒng)Solaris2.7和2.8， 在網(wǎng)絡(luò)特性、可靠性、兼容性、互操作性、易于配置和管理方面均有很好改進(jìn)MINIX* Minix是荷蘭計算機(jī)教授Tanenbaum開發(fā)的一個與Unix兼容，然而內(nèi)核全新的操作系統(tǒng)， 它非常簡潔、短小，故稱Minix* Minix用C編寫，可讀性好，學(xué)生可以通過它來剖析一個操作系統(tǒng)，研究其內(nèi)部如何運作* Minix具有多任務(wù)處理能力，支持TCP/IP* Minix版權(quán)屬于Prentice Hall，可免費下載用于教學(xué)*

18、http:/www.cs.vu.nl/ast/Linux* Linux是由芬蘭藉科學(xué)家Linus Torvalds于1991年編寫完成的一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)時他還是芬蘭赫爾辛基大學(xué)計算機(jī)系的學(xué)生，在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程中，自己編寫了一個操作系統(tǒng)原型，并把系統(tǒng)放在Internet上，允許自由下載* 許多人對這個系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、擴(kuò)充、完善，Linux由最初一個人寫的原型變化成在Internet上由無數(shù)志同道合的程序高手參與的一場運動Linux繼承了Unix的優(yōu)點，又有了許多更好的改進(jìn)通用的操作系統(tǒng)，可作為Internet服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)路由器、文件和打印服務(wù)器、個人使用內(nèi)置通信聯(lián)網(wǎng)功能，可讓異種機(jī)聯(lián)網(wǎng)開放的

19、源代碼，有利于發(fā)展各種操作系統(tǒng)符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，各種Unix應(yīng)用可方便地移植提供龐大的管理功能和遠(yuǎn)程管理功能支持大量外部設(shè)備支持32種文件系統(tǒng)提供GUI，有多種窗口管理器支持并行處理/實時處理，充分發(fā)揮硬件性能可自由獲得源代碼，開發(fā)軟件成本低2.5.2 IBM系列操作系統(tǒng)* RS/6000系列服務(wù)器及SP結(jié)點集群計算機(jī)， 運行AIX操作系統(tǒng)* S/390企業(yè)級服務(wù)器，運行OS/390、VM和DOS/VSE操作系統(tǒng)* AS/400服務(wù)器運行OS400操作系統(tǒng)* PC機(jī)等運行Windows/OS2/DOS等操作系統(tǒng)AIXAIX(Advanced Interactive executive, AI

20、X)操作系統(tǒng)， 于1990年推出的運行在IBM RS/6000系列服務(wù)器及其IBM高端子產(chǎn)品線SP服務(wù)器集群產(chǎn)品上AIX是一個超強(qiáng)重負(fù)載Unix操作系統(tǒng)，具有可伸縮性、高安全性、高可靠性的軟實時操作系統(tǒng)，可以全年不停機(jī)工作AIX提供了一個安全的圖形化界面的多用戶環(huán)境，支持多線程、動態(tài)裝卸設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)特性出色、管理工具多樣，支持各種語言、商用Unix軟件大都可在其上運行*OS/390, VM, and DOS/VSE目前全世界商用數(shù)據(jù)處理70%以上都運行S/390企業(yè)級服務(wù)器最新一代S/390 G6是世界上第一個使用銅質(zhì)互聯(lián)芯片技術(shù)的企業(yè)級服身器，速度達(dá)1600MIPSOS/390前身是M

21、VS，1996年IBM宣布OS390 1.1版， 1998年IBM宣布OS/390 2.5版，目前最新版本是OS/390 2.7版S/390 上還可以運行VM和DOS/VSE操作系統(tǒng)00年12月推出的IBM z900系列大型主機(jī)，01年3月發(fā)布了OS/390操作系統(tǒng)的更新版zOS*OS/390,VM, and DOS/VSE* zOS有幾種不同的運行方式：S/370 模式支持原 S/370 下運行的程序 ; MVS/ESA390(Enterprise System Architecture)模式可支持10個240MB處理器內(nèi)存和256個通道ESA/390LPAR模式：可把系統(tǒng)從邏輯上分成(Lo

22、gical Partitioning)最多十個部分，有些CPU 型號甚至可分成20個LPAR，每個部分有自己的CPU、內(nèi)存和通道，且分別運行不同操作系統(tǒng) 也可以運行IBM原有操作系統(tǒng)虛機(jī)器操作系統(tǒng)VM和虛存擴(kuò)充操作系統(tǒng)DOS/VSE*OS/400* AS/400服務(wù)器是IBM開發(fā)的中型商用機(jī)器，* AS/400上配置OS/400操作系統(tǒng)，在硬件之上自底向上共設(shè)置了四層軟件：* 許可證內(nèi)部代碼由IBM提供，并在提交系統(tǒng)之前預(yù)先安裝在AS/400上的一組用戶不可見指令，用戶程序需經(jīng)硬件自動轉(zhuǎn)換成LIC才能被CPU執(zhí)行* OS/400主要提供以下功能：控制語言和菜單、系統(tǒng)操作員服務(wù)、程序員服務(wù)、工作管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、消息處理、通信和安全性保證* 程序設(shè)計支持層提供C、C+、Cobol、RPG、Java* 應(yīng)用