课程操作系统部分主要内容安排课件

课程操作系统部分主要内容安排一种简明计算机组成模型（示意图）一种简明计算机组成模型（示意图）8259A引脚引脚8086CPU引脚引脚Intel8086：16位CPU,16位寄存器,16位数据总线，20位地址总线，具有1MB的寻址能力。8086内部结构内部结构计算机系统组成计算机系统组成8086的存储器组织模型的存储器组织模型(1)FFFFFh00000h8086的存储器组织模型的存储器组织模型(2)8086的存储器组织模型的存储器组织模型(3)堆栈段堆栈段(stack segment)的组织模型的组织模型v堆栈是在存储器中开辟的、用来暂时保存数据的堆栈是在存储器中开辟的、用来暂时保存数据的一个区域（段）。一个区域（段）。堆栈段的基址堆栈段的基址SS指示，段中当前单元位置（栈指示，段中当前单元位置（栈顶）由顶）由SP指示，栈底地址值指示，栈底地址值通常通常用用BP保存保存。栈底设在内存高地址，每压栈栈底设在内存高地址，每压栈1次次(存入一个字存入一个字)，SP=SP-2,即虽压栈的进行，堆栈地址由高即虽压栈的进行，堆栈地址由高向低增长。向低增长。空栈时，空栈时，SP恰好在栈底，即栈顶与栈底重合。恰好在栈底，即栈顶与栈底重合。压栈压栈指令：指令：push reg|内存单元地址内存单元地址|立即数立即数出栈出栈是压栈的反操作，指令为：是压栈的反操作，指令为：pop xxx压栈压栈与与出栈出栈指令要匹配对应，且总是指令要匹配对应，且总是后进先出后进先出。冯冯 诺依曼计算机工作模型诺依曼计算机工作模型v诺依曼计算机工作模型或存储程序工作模型诺依曼计算机工作模型或存储程序工作模型存储器用来容纳程序和数据；存储器用来容纳程序和数据；程序程序由指令组成，并和数据一起存储在计算机内存中由指令组成，并和数据一起存储在计算机内存中。指令按顺序、转跳和循环三种基本方式组织。指令按顺序、转跳和循环三种基本方式组织。机器一起动，就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储机器一起动，就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储器中读出来逐条解释执行，自动完成程序所描述的处理工器中读出来逐条解释执行，自动完成程序所描述的处理工作。作。指令指针（指令指针（CS:IP）指示当前执行指令，执行完成指针会）指示当前执行指令，执行完成指针会自动调整到下一条指令。自动调整到下一条指令。当前指令指针指向的内存中程序，被认为拥有机器控制当前指令指针指向的内存中程序，被认为拥有机器控制权。权。任何计算机都拥有自己的一套任何计算机都拥有自己的一套基本指令系统基本指令系统，高级语言程，高级语言程序最终需经专门的编译程序，翻译为基本机器指令。序最终需经专门的编译程序，翻译为基本机器指令。8086指令系统指令系统v数据传送指令数据传送指令MOV,PUSH/POP,IN/OUT,STOSBv算术运算指令算术运算指令ADD,SUB,INC,DEC,MUL,DIV,.v逻辑和移位运算指令逻辑和移位运算指令AND,OR,XOR,NOT,TEST,SAL,SHL,v字符串运算指令字符串运算指令Movs,cmps,lods/lodsb/lodsw,stosb,.v控制转移指令控制转移指令jmp,call/ret/retf,loop,int/iret/iretd,jc/jnc,jz/jnz,jae/jnae,v处理器控制指令处理器控制指令sti/cli,std/cld,hlt,clc/cmc/stc,中断与异常机制中断与异常机制v程序执行过程中的强制转移，转到相应的处理程序程序执行过程中的强制转移，转到相应的处理程序中断中断:硬中断硬中断(8259A)和和 软中断软中断(执行指令：执行指令：int n)异常：执行某条指令出现了异常，如被异常：执行某条指令出现了异常，如被0除、除、NMI、溢出、溢出硬中断是异步、随机事件；而软中断与异常是同步事件；硬中断是异步、随机事件；而软中断与异常是同步事件；v实现中断机制的要素实现中断机制的要素中断源；中断向量表中断源；中断向量表特殊指令：特殊指令：INT xx;IRET/IRETD;控制控制8259A专用指令专用指令STI/CLIv中断处理过程或步骤中断处理过程或步骤保护现场保护现场(标志寄存器标志寄存器,CS,IP压栈压栈;特定寄存器压栈特定寄存器压栈);根据中断源类型，查中断向量表，获取中断处理程序开始根据中断源类型，查中断向量表，获取中断处理程序开始地址地址;长跳转移到中断处理程序长跳转移到中断处理程序;执行执行IRET，恢复原被中断现场。，恢复原被中断现场。用汇编语言实现中断用汇编语言实现中断v;中断处理子程序中断处理子程序vSERVICE PROCFARvPUSHAD;保护现场保护现场vPUSH DSvSTI;打开中断打开中断vv;中断处理程序主体中断处理程序主体中断处理程序主体中断处理程序主体vvCLI;关闭中断关闭中断vMOV AL,20HvOUT 20H,AL ;发中断结束命令发中断结束命令vPOPDS;恢复现场恢复现场vPOPAvIRETvSERVICE ENDP 32位微处理机器位微处理机器vIntel808616位位CPU,16位寄存器位寄存器,16位数据总线；位数据总线；20位地址总线，具有位地址总线，具有1MB的寻址能力。的寻址能力。vIntel80386从从80386开始，开始，Intel家族的家族的CPU进入进入32位时代，具有位时代，具有32位地址总线，寻址能力位地址总线，寻址能力可达可达4GB。有实模式、保护模式和虚拟有实模式、保护模式和虚拟8086(V86)三三种工作模式。种工作模式。保护模式的特点保护模式的特点v采用了全新的、基于分段和分页内存管理技术；采用了全新的、基于分段和分页内存管理技术；可寻址可寻址4G的内存空间；的内存空间；允许使用虚拟存储。允许使用虚拟存储。v支持并发执行多任务；支持并发执行多任务；v引入特权级引入特权级(privilege level/ring)的概念的概念共分四个特权级，即共分四个特权级，即0级、级、1级、级、2级和级和3级；级；第第0级权限最大，常被作为级权限最大，常被作为系统内核代码段系统内核代码段的的权级，具有实模式下代码的同等权限；权级，具有实模式下代码的同等权限；3级权限最小，常被作为级权限最小，常被作为用户级代码段用户级代码段的权级。的权级。80386的寄存器体系的寄存器体系加载专用指令加载专用指令LGDT mem48LIDT mem48LLDT reg16/mem16LTR reg16/mem16请求特权级请求特权级=0 描述符在描述符在GDT中中=1描述符在描述符在LDT中中保护模式下的段描述符保护模式下的段描述符保护模式下的段式寻址过程保护模式下的段式寻址过程保护模式下中断处理程序的定位过程保护模式下中断处理程序的定位过程操作系统的定义操作系统的定义 v是计算机系统的一个系统软件；是计算机系统的一个系统软件；v是一些具有如下功能的程序模块的集合：是一些具有如下功能的程序模块的集合：能有效地组织和管理计算机硬件和软件资源能有效地组织和管理计算机硬件和软件资源能合理组织计算机的工作流程，控制程序的执能合理组织计算机的工作流程，控制程序的执行；行；能透明地向用户提供各种服务功能，使用户能能透明地向用户提供各种服务功能，使用户能够灵活、方便地使用计算机，使整个计算机系够灵活、方便地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。统能高效地运行。操作系统的目标与作用操作系统的目标与作用v操作系统的目标（质量模型）操作系统的目标（质量模型）方便性（方便，易学、易用）方便性（方便，易学、易用）有效性（有效利用和管理各类系统核心资源，提高系有效性（有效利用和管理各类系统核心资源，提高系统的利用率和吞吐率）统的利用率和吞吐率）可扩充性（可修改性，可扩展性好）可扩充性（可修改性，可扩展性好）开放性（移植性，互操作性好）开放性（移植性，互操作性好）v操作系统的作用操作系统的作用 作为计算机系统资源的管理者；作为计算机系统资源的管理者；作为用户与计算机硬件系统之间的接口；作为用户与计算机硬件系统之间的接口；用作扩充计算机硬件系统用作扩充计算机硬件系统（应如何理解或说明？应如何理解或说明？）v操作系统结构模型操作系统结构模型一般采用基于特权级保护的层次化结构模型一般采用基于特权级保护的层次化结构模型1.2 操作系统的发展过程（操作系统的发展过程（1）v人工操作方式人工操作方式对应第一代计算机，无对应第一代计算机，无OS;用纸带机加载程序信息到主存；用纸带机加载程序信息到主存；特点：用户独占计算机资源，资源利用率低特点：用户独占计算机资源，资源利用率低（CPU要等待人工操作，经常空闲）要等待人工操作，经常空闲）v脱机输入输出技术脱机输入输出技术 引入目的：解决人机矛盾，以及引入目的：解决人机矛盾，以及CPU与低速与低速I/O设备间速度不匹配；减少设备间速度不匹配；减少CPU的空闲等待的空闲等待时间。时间。1.2 操作系统的发展过程（操作系统的发展过程（2）v人工操作方式人工操作方式v 脱机输入输出技术脱机输入输出技术v单道批处理系统单道批处理系统监督程序监督程序驻留内存；驻留内存；自动加载外部作业，实现系统的自动、不间断连续运行自动加载外部作业，实现系统的自动、不间断连续运行但当当前执行程序有但当当前执行程序有I/O服务请求时，服务请求时，CPU仍要空闲仍要空闲特征：特征：自动性自动性、顺序性顺序性和和单道性单道性 v多道批处理系统多道批处理系统1.2 操作系统的发展过程（操作系统的发展过程（3）v多道批处理系统多道批处理系统多道程序设计技术多道程序设计技术 用户提交作业先在外存排队，然后由作业调度程用户提交作业先在外存排队，然后由作业调度程序按一定的算法从队列中选择若干作业载入内存，序按一定的算法从队列中选择若干作业载入内存，并允许它们并发（交替）执行。并允许它们并发（交替）执行。引入多道程序设计技术后，可带来如下的好处引入多道程序设计技术后，可带来如下的好处 提高系统提高系统(CPU、内存和、内存和I/O设备设备)的利用率的利用率;充分发挥充分发挥CPU与外设与外设并行工作并行工作的能力；的能力；提高系统的吞吐率提高系统的吞吐率 特征：多道性、无序性和调度性特征：多道性、无序性和调度性优缺点及需要解决的问题优缺点及需要解决的问题 分时操作系统分时操作系统v分时操作系统形成和发展的动力分时操作系统形成和发展的动力 实现人机交互；共享或充分利用主机；便于用户上机实现人机交互；共享或充分利用主机；便于用户上机 v分时分时OS实现要解决的关键问题实现要解决的关键问题 及时接受及时接受多路卡；每个终端配备可暂存用户命令的缓冲区多路卡；每个终端配备可暂存用户命令的缓冲区及时处理及时处理所有用户作业要直接进入内存；所有用户作业要直接进入内存；每个用户（作业）应在较短的时间内得到响应处理的每个用户（作业）应在较短的时间内得到响应处理的“时间片时间片”；v分时系统的实现方法分时系统的实现方法 单道分时处理系统单道分时处理系统 具有具有“前台前台”和和“后台后台”的分时系统的分时系统 支持多道程序设计的分时系统支持多道程序设计的分时系统 v特征特征：多路性、独立性和交互性；：多路性、独立性和交互性；实时操作系统实时操作系统v实时实时OS的引入目的（主要应用领域）的引入目的（主要应用领域）实时控制实时控制 实时信息处理实时信息处理要求对信息进行及时处理要求对信息进行及时处理 v实时任务的类型实时任务的类型按是否有周期性划分；按是否有周期性划分；按截止时间要求严格与否划分（硬、软任务）；按截止时间要求严格与否划分（硬、软任务）；v实时系统的基本特征实时系统的基本特征 具有多路性、独立性、交互性、具有多路性、独立性、交互性、及时性及时性和和可靠性可靠性等特征等特征.v分时操作系统和实时操作系统的出现，使得分时操作系统和实时操作系统的出现，使得OS步入实用化步入实用化 可移植操作系统可移植操作系统UNIX革命革命 vUNIX是现代是现代OS的代表，的代表，20世纪世纪60年代末，年代末，由贝尔实验室首先设计完成；随后整个由贝尔实验室首先设计完成；随后整个UNIX用用C语言重写。语言重写。v其源代码开放。其源代码开放。v运行时具有安全性、可靠性以及强大的计算能力。运行时具有安全性、可靠性以及强大的计算能力。vUNIX出色的设计思想和实现技术，对后来出色的设计思想和实现技术，对后来OS发发展有着广泛而深入的影响，至今它仍然是展有着广泛而深入的影响，至今它仍然是OS课课程学习的重要内容。程学习的重要内容。vUNIX新家族系列新家族系列目前较流行的目前较流行的LINUX、XINUXUbuntu :官方网站官方网站ubuntuCygwin:官方网站官方网站cygwinUNIX系统的特点系统的特点v内核和外层有机结合。内核小、简洁，常驻内存，保证系内核和外层有机结合。内核小、简洁，常驻内存，保证系统高效运行；外层包含非常的实用程序和丰富的支持软件统高效运行；外层包含非常的实用程序和丰富的支持软件各种工具容易串接组合。各种工具容易串接组合。v可移植性、可扩展性好和安全性好；可移植性、可扩展性好和安全性好；v是一个支持多任务多用户系统是一个支持多任务多用户系统v开放源代码开放源代码vvWINDOWS多任务操作环境多任务操作环境图形化工作环境和用户界面，图形化工作环境和用户界面，界面友好（界面友好（傻瓜机）傻瓜机）属于准微内核体系，兼顾性能和效率属于准微内核体系，兼顾性能和效率网络操作系统网络操作系统 v计算机网络中，各台计算机配置各自的计算机网络中，各台计算机配置各自的OS，而网络，而网络OS把它们有机联系起来，用统一把它们有机联系起来，用统一的方法管理整个网络中的共享资源。的方法管理整个网络中的共享资源。v网络网络OS除了具备单机除了具备单机OS功能外，还应具功能外，还应具备备网络通信网络通信能力和能力和网络服务网络服务能力。能力。v网络用户只有通过网络网络用户只有通过网络OS才能享受网络所才能享受网络所提供的各项服务。提供的各项服务。分布式操作系统分布式操作系统 v分布式操作系统是为分布计算机系统配置的分布式操作系统是为分布计算机系统配置的OS。按分布方式，分布式计算机系统常可分为两类：按分布方式，分布式计算机系统常可分为两类：建立在多处理机上的紧密耦合分布式系统；建立在多处理机上的紧密耦合分布式系统；建立在计算机网络基础上，松散耦合的操作系建立在计算机网络基础上，松散耦合的操作系统。统。v与网络与网络OS相比，更重于任务的分布性，即把一个相比，更重于任务的分布性，即把一个大的任务分为若干个子任务，分派到不同的处理大的任务分为若干个子任务，分派到不同的处理站点上去执行。站点上去执行。v有强壮的分布式算法和动态平衡各站点负载的能有强壮的分布式算法和动态平衡各站点负载的能力力v它是网络它是网络OS的更高形式，具有强大的生命力。的更高形式，具有强大的生命力。当代当代OS的两大发展方向的两大发展方向v微型化方向微型化方向典型代表：嵌入式的典型代表：嵌入式的OS，运行在嵌入式环境中。，运行在嵌入式环境中。v大型化方向大型化方向典型代表：分布式典型代表：分布式OS和机群和机群OS分布式并行机，由多个连接的分布式并行机，由多个连接的CPU组成，在整个系统组成，在整个系统的控制下可合作执行一个共同任务；的控制下可合作执行一个共同任务；机群机群OS则用于由则用于由多台计算机松散组成的机群多台计算机松散组成的机群；v最新发展：云计算技术！最新发展：云计算技术！一种超大规模、高度虚拟化计算模型一种超大规模、高度虚拟化计算模型1.3 操作系统的主要功能概述操作系统的主要功能概述一、处理机管理（进程与线程管理）一、处理机管理（进程与线程管理）主要任务是对主要任务是对CPU的分配和运行实施有效管理的分配和运行实施有效管理具体功能包括具体功能包括进程控制：负责进行的创建、撤销和状态转进程控制：负责进行的创建、撤销和状态转换换进程同步：对并发执行的多进程进行协调进程同步：对并发执行的多进程进行协调进程通信：负责完成进程间的信息交换进程通信：负责完成进程间的信息交换进程调度：按一定的算法进行进程调度：按一定的算法进行CPU分配分配1.3 操作系统的主要功能概述操作系统的主要功能概述二、存储管理二、存储管理主要任务是对内存进行分配、保护和扩充主要任务是对内存进行分配、保护和扩充具体功能具体功能内存分配：按一定的策略为每道程序分配内内存分配：按一定的策略为每道程序分配内存存内存保护：保证各程序在自己的内存区域内内存保护：保证各程序在自己的内存区域内运行不受其它并发执行程序影响。运行不受其它并发执行程序影响。内存扩充：为允许大型作业或多作业并发运内存扩充：为允许大型作业或多作业并发运行，必须借助虚拟存储技术来获得更大行，必须借助虚拟存储技术来获得更大“虚虚拟拟”内存内存1.3 操作系统的主要功能概述操作系统的主要功能概述三、设备管理三、设备管理是是OS中最庞杂、最琐碎部分中最庞杂、最琐碎部分应具有的基本功能包括应具有的基本功能包括设备分配：按一定原则对设备进行分配。为设备分配：按一定原则对设备进行分配。为使设备能与主机并行工作，需大量采用缓冲使设备能与主机并行工作，需大量采用缓冲技术和虚拟技术技术和虚拟技术设备传输控制：实现物理设备的设备传输控制：实现物理设备的I/O操作，操作，包括启动、中断处理和结束处理等操作。包括启动、中断处理和结束处理等操作。1.3 操作系统的主要功能概述操作系统的主要功能概述四、文件管理四、文件管理OS中负责信息管理部分称为文件系统中负责信息管理部分称为文件系统主要功能包括：主要功能包括：文件的存储空间管理（分配、回收）文件的存储空间管理（分配、回收）目录管理：目录是为方便文件管理而采用的目录管理：目录是为方便文件管理而采用的基本数据结构，它能提供基本数据结构，它能提供“按名存取按名存取”功能。功能。文件操作管理：实现文件的基本操作，包括文件操作管理：实现文件的基本操作，包括打开、关闭、读、写等。打开、关闭、读、写等。文件保护：提供文件安全保护的有关功能和文件保护：提供文件安全保护的有关功能和设施。设施。1.4 研究操作系统的主要观点与方法研究操作系统的主要观点与方法v虚拟机的观点虚拟机的观点v资源管理的观点资源管理的观点v软件的观点软件的观点v进程的观点进程的观点虚拟机（扩展机）观点虚拟机（扩展机）观点v是对是对OS一种由顶向下的俯视。一种由顶向下的俯视。v装有装有OS的计算机极大地扩展了原有计算机的功能。的计算机极大地扩展了原有计算机的功能。把包含由各种硬件、复杂底层操作细节隐藏起来，把包含由各种硬件、复杂底层操作细节隐藏起来，使得用户的操作和使用，由复杂变得简单，由低使得用户的操作和使用，由复杂变得简单，由低级操作变为高级操作，把基本功能扩展为多种功级操作变为高级操作，把基本功能扩展为多种功能。能。v在裸机上装上在裸机上装上OS后，对用户来说好像是得到了一后，对用户来说好像是得到了一个扩展的，使用更方便的计算机。个扩展的，使用更方便的计算机。资源管理的观点资源管理的观点v是目前对是目前对OS描述的主要观点，是一种对描述的主要观点，是一种对OS功能功能位置由地向上的观察的观点。位置由地向上的观察的观点。v把资源分为软、硬件资源，硬件资源又包括把资源分为软、硬件资源，硬件资源又包括CPU,主存、输入输出设备。相应的主存、输入输出设备。相应的OS就有处理就有处理机管理、内存管理、设备管理，和针对软信息资机管理、内存管理、设备管理，和针对软信息资源源文件的磁盘管理文件的磁盘管理/文件管理文件管理56、书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉。库法耶夫57、生命不可能有两次，但许多人连一次也不善于度过。吕凯特58、问渠哪得清如许，为有源头活水来。朱熹59、我的努力求学没有得到别的好处，只不过是愈来愈发觉自己的无知。笛卡儿60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地走到底，决不回头。左拉