操作系统课件-第一章-操作系统概述--课件

1.1 操作系统概念l1.1.1操作系统地位地位l1.1.2操作系统作用作用l1.1.3操作系统定义定义1ppt课件1.1.1 操作系统地位l硬件抽象层（HAL）之上l所有其它软件层之下硬件（HAL）OS其它系统软件层应用软件层注意,上图所示的层次关系具有穿透性：高层软件可调用 所有低于所在层次的软件,并可与硬件直接打交道。2ppt课件操作系统硬件(HAL)系统库应用程序机器指令系统调用库调用操作系统的地位操作系统的地位:操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩充。OS在计算机系统中占据着特殊重要的地位，其它所有软件都依赖于它的支持，它是与硬件关系最密切的系统软件。系统库系统库(lib)可调用操作系统，执行硬件指令。应用程序应用程序可以调用lib和操作系统，执行硬件指令。3ppt课件1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用l管理系统中的软硬件资源管理系统中的软硬件资源从资源管理的观点，OS是计算机系统资源的管理者，它负责管理和分配系统中的各种硬件和软件资源，以保证系统的各种资源得以有效利用。CPU、内存、设备、文件l为用户为用户提供良好的界面提供良好的界面从用户的观点，OS为用户提供了一个友好的界面，使用户无须关心计算机内部的实现细节，从而更加方便灵活地使用计算机。API、GUI(GraphicUserInterface)4ppt课件1.1.3 操作系统定义l操作系统是位于硬件层(HAL)之上、所有其它软件层之下的一个系统软件，是管理系统中各种软硬件资源、方便用户使用计算机系统的程序集合。5ppt课件1.2 操作系统的历史l1.2.1操作系统的产生手工操作阶段成批处理阶段执行系统阶段l1.2.2操作系统的完善多道批处理系统分时系统实时处理系统通用操作系统l1.2.3操作系统的发展网络操作系统分布式操作系统多处理机操作系统单用户操作系统面向对象操作系统嵌入式操作系统智能卡操作系统6ppt课件 1.2.1 操作系统的产生操作系统的产生 一、手工操作阶段一、手工操作阶段(20世纪世纪40年代年代)在手工操作阶段，典型的作业处理步骤如下:(1)将程序和数据通过手工操作记录在穿孔纸带穿孔纸带上;(2)将程序纸带放到光电输入机光电输入机上，再通过控制台开关启动光电机将程序输入内存输入内存;(3)通过控制台开关启动程序启动程序由第一条指令开始执行;(4)运行结果在电传打印机上输出输出。穿孔纸带纸带输入机穿孔卡片卡片输入机光电转换计算机打印输出结果手工操作方式的缺点:(1)用户在其作业处理的整个过程中独享独享系统的全部资源;(2)手工操作所需时间很长时间很长。（人机矛盾）7ppt课件二、批处理阶段二、批处理阶段（20世纪世纪50年代）年代）缩短手工操作时间，使作业到作业之间的过渡摆脱人的干预,实现自动化。成批处理经历了两个阶段:(1)(1)联机批处理联机批处理:（On-lineBatchProcessing）Job1Job2Jobn输入设备操作员主机磁带monitor汇编编译连接输出设备 工作原理：操作员将若干作业合成一批,将其卡片依次放到读卡机上,监监督督程程序序MonitorMonitor通过内存将这批作业传送到磁带机上。输入完毕,监督程序开始处处理理这一批作业。它自动将第一个作业读入内存,并对其进行汇编(或编译)、连接、执行、输出。第一个作业处理完立即开始处理第二个作业,如此重复,直至所有作业处理完,再处理第二批作业。8ppt课件联机批处理的优点优点：作业自动转换作业自动转换，大大缩短了手工操作时间。出现了Monitor及相应软件的支持。联机批处理的缺点缺点：作业由读卡机到磁带机的传输需要处处理理机机完成,由于设备的传输速度远低于处理机的速度,在此传输过程中处理机仍会浪费较多时间。即I/O设备与CPU直接相连，CPU(主机)浪费。为克服联机批处理的缺点,引入了脱机批处理。基本思想是把输输入入/输输出出操操作作交给一个功能较为单纯的卫卫星星机机去做，使主机从繁琐的输入输出操作中解脱出来。9ppt课件 (2)脱机批处理脱机批处理（Off-lineBatchProcessing）基本原理：待处理的作业由卫卫星星机机负责经读卡机传送到输入磁带上，主机从输入磁带读入作业、加以处理，并把处理结果送到输出磁带上，最后由卫星机卫星机负责将输出磁带上的结果在打印机上输出。纸带机卡片机打印机卫星机输入磁带输出磁带主机脱机批处理的优点：卫星机与主机分工明确，并行工作，提高了CPU的利用率。脱机批处理的缺点：单任务系统；人工拆装磁带。批处理系统是操作系统的雏形。10ppt课件三、执行系统阶段三、执行系统阶段（Executive System 60年代初）年代初）60年代初，硬件的重要进展：通道、中断技术通道：（通道：（channel）通道，也称I/O处理机，它具有自己的指令系统和运控部件，可接受处理机的委托执行通道程序，完成I/O操作。通道的I/O操作可与处理机的计算工作完全并并行行，并在I/O操作完成时向处理机发出中断请求。中断：中断：（Interrupt）中断是指当主机接到某种外部信号(如I/O设备完成信号)时，马上暂停原来的工作，转去处理这一事件，处理完毕再回到原来的断点继续工作。11ppt课件假脱机假脱机(Spooling)：作业由读卡机到存储区的传输以及运行结果由存储区到打印机的传输由通通道道完成，这种方式既非联机，也非脱机，称为“假脱机”或“伪脱机”。优点：通道取代卫星机，免去了手工装卸磁带的麻烦。执行系统阶段，Monitor常驻内存，是OS的初级阶段。I/O设备I/O设备I/O设备通道主机内存运控部件通道运控部件12ppt课件1.2.2 操作系统的完善操作系统的完善 一、多道批处理系统一、多道批处理系统(Multi-programming System 60年代初年代初)早期批处理系统，无论On-line还是Off-line，作业都一道一道顺序执行顺序执行，内存中任意时间内仅有一道作业。为了提高效率，引入了多多道道程程序序设设计计技术，形成了多道批处理系统。工作原理：用户提交的作业都先放在外存上并排成一个后备队列，然后由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若若干干个个作作业业调入内存。当一道作业因等待I/O传输完成等原因暂时不能运行时，系统可将CPU资源分配给另一个可运行的作业。优点：资源利用率高；系统吞叶量(单位时间完成作业量)大。缺点：作业的平均周转时间长；无交互能力无交互能力。13ppt课件 二二、分分时时系系统统(Time-Sharing System60年代初/中期)多道批处理系统属于高级脱机处理方式，无交互能力，非常不利于程序的动动态态调调试试。为此出现了分时系统，分时系统与多道批处理系统有着截然不同的性能。分分时时系系统统：是指在一一台台主主机机上连接了多多个个带有显示器和键盘的终终端端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可通过自己的终端以交交互互方方式式使用计算机。分时系统便于程序的动态修改和调试。分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同的特征：(1)多路性：一个主机与多个终端相连，系统按分时原则为每个用户服务。宏观上，多个用户同时工作,共享系统资源；微观上，每个用户轮流运行一个时间片。(2)交互性：以对话的方式为用户服务。(3)独占性：每个终端用户仿佛拥有一台虚拟机。多道批处理系统和分时系统的出现标志OS已进入完善阶段14ppt课件三、三、实时系统实时系统(Real-Time System60年代中期)实时系统是指系统能即时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。它分为实时信息处理系统和实时控制系统两大类。实时信息处理系统实时信息处理系统由一台或多台主机通过通信线路通信线路连接成百上千个远程终端，计算机接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题，对信息进行检索和处理，并在很在很短时间内短时间内为用户做出正确的回答回答。如飞机订票系统。传统操作系统的三大类别传统操作系统的三大类别：多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。一个实际的操作系统可能兼具三者或其中两者的功能。通用操作系统通用操作系统：(60年代后期)将多道批处理、分时和实时等功能结合在一起构造出的多功能的操作系统，称为通用操作系统通用操作系统。15ppt课件1.2.3 操作系统的发展操作系统的发展 目前，较优秀的实实用用操作系统：UNIX(美国BellLabs)、Windows(美国微软)、Linux(自由软件)。近30年来,OS取得了很大发展，主要表现在：1.硬件体系结构由集中向分散发展，出现计算机网络，为此网络操作系统和分布式操作系统应运而生。2.微处理机的发展使家庭和商用的微型机得到了普及。为方便非计算机专业人员使用，OS提供了友好的操作界面。3.在科学和军事领域，大型计算任务要求极强的计算处理能力，多处理机并行成为必然，由此产生并行操作系统。4.随着处理机芯片和各种存储介质在各种控制领域的广泛应用，嵌入式和智能卡操作系统应运而生。为降低开发代价，尝试从不同应用中抽取具有共性的东西，并做成很小的操作系统核心，由此产生了微内核操作系统体系结构。16ppt课件1.3 操作系统的特性操作系统的特性1.程序并发性程序并发性 程程序序并并发发指计算机系统中同时存在多个程序，宏观上，这些程序同时向前推进。程序并发与程序并行的区别：程程序序并并行行要求微观上的同时,即在绝对同一时刻有多个程序同时向前推进；程程序序并并发发并不要求微观上的同时,只需要在宏观上看来多个程序都在向前推进。在单处理机操作系统中，通常使用并并发发这个术语，尽管处理机与设备之间、设备与设备之间可以并行并行工作。2.资源共享性资源共享性 资资源源共共享享是指操作系统程序与多个用户程序共用系统中的各种资源，这种共享是在操作系统的控制下实现的。17ppt课件1.4 操作系统的分类操作系统的分类l多道批处理操作系统多道批处理操作系统(batchprocessingsystem)l分时操作系统分时操作系统(time-sharingsystem)l实时操作系统实时操作系统(real-timesystem)l通用操作系统(multi-purposesystem)l单用户操作系统(singleusersystem)l网络操作系统(networkoperatingsystem)l分布式操作系统(distributedoperatingsystem)l多处理机操作系统(multi-processorsystem)l嵌入式操作系统(embeddedoperatingsystem)l智能卡操作系统(smart-cardoperatingsystem)18ppt课件 主机输入井输出井输出机输入机作业结果SPOOLing输入作业调度SPOOLing输出1.4.1 多道批处理系统多道批处理系统（以（以（以（以脱脱脱脱机操作为标志）机操作为标志）机操作为标志）机操作为标志）作业作业作业作业(Job)Job)：用户程序用户程序用户程序用户程序+数据数据数据数据+作业说明书作业说明书作业说明书作业说明书(JCLJCL编写编写编写编写)输入井输入井：用于保存已经输入、尚未处理的作业。输出井输出井：用于保存处理完毕、尚未输出的结果。结果结果结果结果：程序运行结果：程序运行结果：程序运行结果：程序运行结果+记帐信息。记帐信息。记帐信息。记帐信息。多道批处理系统的工作原理多道批处理系统的工作原理：19ppt课件批作业的处理步骤批作业的处理步骤:(1)(1)用户将作业交给机房用户将作业交给机房用户将作业交给机房用户将作业交给机房;(2)(2)操操操操作作作作员员员员在在在在适适适适当当当当的的的的时时时时刻刻刻刻将将将将作作作作业业业业放放放放到到到到某某某某台台台台输输输输入入入入机机机机上上上上并并并并启动其工作启动其工作启动其工作启动其工作,通道负责将作业传输到输入井中；通道负责将作业传输到输入井中；通道负责将作业传输到输入井中；通道负责将作业传输到输入井中；(3)(3)执执执执行行行行某某某某种种种种作作作作业业业业调调调调度度度度算算算算法法法法把把把把作作作作业业业业从从从从输输输输入入入入井井井井读读读读入入入入内内内内存存存存，此此此此时时时时作作作作业业业业以以以以“进进进进程程程程”为为为为单单单单位位位位在在在在内内内内存存存存中中中中运运运运行行行行,运运运运行行行行结结结结束束束束后后后后,其结果被写入输出井中；其结果被写入输出井中；其结果被写入输出井中；其结果被写入输出井中；(4)(4)最后再由通道负责将结果在输出机上输出。最后再由通道负责将结果在输出机上输出。最后再由通道负责将结果在输出机上输出。最后再由通道负责将结果在输出机上输出。20ppt课件l 设置输入井和输出井的目的设置输入井和输出井的目的:(1)协调I/O设备速度与处理机速度之间的差异;(2)为作业调度提供条件。如果没有输入井,系统只能按照自然次序处理作业,设置输入井后,系统可以根据调度需要在输入井中选择进入内存的作业,使得内存中运行的作业搭配合理。l主机中作业合理搭配的目标：目标1：提高资源利用率(eg.计算型+I/O型)目标2：提高系统吞吐量(throughput)l多道批处理系统的特点多道批处理系统的特点：多道：内存中同时存在多个正在处理的作业，成批：作业分批进入系统，作业与作业之间的过渡由操作系统控制，无需用户干预。21ppt课件 在分时系统中,一个主机同多个交互终端相连。分分时时系系统统为为终终端端用用户户提提供供一一组组交交互互终终端端命命令令,它它是是用用户户与与操操作作系系统统之之间间的的界界界界面面面面。用用户户进进入入系系统统后后,可可在在终终端端上上键键入入终终端端命命令令,操操作作系系统统接接收收该该命命令令后后执执行行一一段段系系统统程程序序,完完成成用用户户交交给给的的任任务务,然然后后给给出出一一个个回回答答,用用户户根根据据回回答答确确定定下下一一个个将将要要键键入入的的命命令令,如如此此直直至至用用户户完成其任务。完成其任务。(界面：界面：交互式命令、交互式命令、GUIGUI)1.4.2 分时操作系统分时操作系统（以联机操作为标志）（以联机操作为标志）（以联机操作为标志）（以联机操作为标志）分时处理分时处理终端请求终端请求Time-SharingOSTime-SharingOSHALHAL终端终端终端终端终端终端.并互命令系统回答22ppt课件 分分时时系系统统采采取取分分时时的的方方法法为为多多个个终终端端用用户户提提供供服服务务。它它将将时时间间划划分分为为若若干干个个片片段段,称称作作时时时时间间间间片片片片,并并以以时时间间片片为为基基本本单单位位轮轮轮轮流流流流地地为为各各个个交交互互终终端端用用户户服服务务。由由于于时时间间片片通通常常很很小小,如如十十几几毫毫秒秒或或几几十十毫毫秒秒,系系统统为为所所有有用用户户服服务务一一次次仅仅需需较较少少的的时时间间。例例如如对对于于一一个个拥拥有有5050个个终终端端的的系系统统来来说说,假假设设时时间间片片长长度度为为4040毫毫秒秒,一一个个终终端端每每隔隔两两秒秒钟钟左左右右便能得到一次系统响应。便能得到一次系统响应。分时系统具有如下三个重要特性：分时系统具有如下三个重要特性：多路性：一个主机与多个终端相连；交互性：系统以对话的方式为用户服务；独占性：每个终端用户仿佛独占整个计算机系统，即拥有一台完全属于自己的虚拟机。典型系统：Multics(MIT)、UNIX(BellLabs)23ppt课件1.4.3 实时操作系统实时操作系统实时系统按其应用范围可分为两大类：1.实时控制实时控制例如，工业控制，军事控制，医疗控制，.这类系统都有一个被控对象，如图所示：t t2 2-t t1 1:responsetime:responsetime被控对象被控对象A/DA/DD/AD/At1t1t2t2HALHALRealTimeRealTimeOSOS24ppt课件HALHALRealTimeRealTimeOSOS.终端终端终端终端终端终端通常为远程终端通常为远程终端实时系统的两个基本特性：实时系统的两个基本特性：（1 1）响应及时（）响应及时（promptresponsepromptresponse）（2 2）可靠性高（）可靠性高（highreliabilityhighreliability）2.实时信息处理实时信息处理例如，航班订票，联机情报检索，这类系统的一般原理与分时系统相似，不过相连终端多为远程终端。25ppt课件1.4.4 通用操作系统通用操作系统(multi-purpose OS)l同时具有实时、分时、批处理功能的OS。l优先级：实时任务分时任务批处理任务l目标：提高处理能力;扩展应用领域。l常见模式:分时(前台)+批处理(后台)(eg.GCOS-8美Honeywell公司)实时(前台)+批处理(后台)26ppt课件1.4.5 单用户操作系统单用户操作系统不同的程序，不同的进程；不同的程序，不同的进程；相同的程序相同的程序,不同的线程不同的线程l单用户操作系统：为个人微型计算机所配置的操作系统，即同一时刻仅有一个用户使用的系统。如MS-DOS、Windows、CP/Ml应用领域：台式机、笔记本、l特点：单用户，多进程，多线程27ppt课件1.4.6 网络操作系统网络操作系统(Network Operating Network Operating System)System)NOS:NOS:用于实现网络通讯用于实现网络通讯和网络资源管理的和网络资源管理的操作系统。操作系统。HOSTHOST：网络中的主机以网络中的主机以及相连的外设及相连的外设。NOS3NOS3host3host3NOS2NOS2host2host2PrinterPrinterNOS1NOS1host1host1在网络操作系统中，不同HOST的类型可能不同，不同HOST上配备的NOS的界面也可能不同。网络操作系统的目标：-相互通讯、资源共享、-提供网络服务，如databaseserver，ftpserver，e-mailserver，telnetserver，etc28ppt课件1.4.7 分布式操作系统分布式操作系统(Distributed Operating SystemDistributed Operating System)CPUCPU内存内存CPUCPUCPUCPU 分布式操作系统分为两类:建立在多处理机系统基础之上的称为紧耦合分布式系统;建立在计算机网络基础之上的称为松散耦合分布式系统。1.紧耦合紧耦合(tightlycoupled)由多机系统发展而来(多CPU)有公共内存多处理机操作系统2.松散耦合松散耦合(looselycoupled)由计算机网络发展而来（多Host)无公共内存，无公共时钟29ppt课件DOSDOShost3host3DOSDOShost2host2DOSDOShost1host1PrinterPrinter3.分布式操作系统的特征分布式操作系统的特征(1)统一的操作系统。在DOS中,不同HOST上配置的DOS统一、界面相同。(2)资源的进一步共享。在DOS中，作业可由一台HOST任意迁移任意迁移到另一台HOST上处理，实现CPU的共享。(3)可靠性。构成DOS的不同HOST地位等同，任何一个HOST的失效都不会影响整个系统。(4)透明性。在DOS中，操作系统掩盖了不同HOST地理位置上的差异。30ppt课件1.4.8 多处理机操作系统多处理机操作系统(Multi-Processor Operating System)Multi-Processor Operating System)l多处理机系统具有公共内存的多CPU系统。l对称多处理机系统(SMP)多CPU系统中的多个CPU型号和地位相同，没有主从关系。l多处理机操作系统多处理机操作系统有效管理和使用多个CPU的操作系统，也叫并行操作系统(单独一门课)。复杂：多CPU的并发控制l 现代操作系统UNIX,Linux,Windows都增加了多CPU管理的功能。31ppt课件1.4.9 嵌入式操作系统嵌入式操作系统(EmbededEmbeded Operating System)Operating System)嵌入在掌上电脑、通讯设备、车载系统、信息家电等非计算机类设施上的操作系统。嵌入式操作系统与一般操作系统的明显差别:(1)嵌入式操作系统规模一般较小。(2)应用领域差别大。嵌入式操作系统的特点嵌入式操作系统的特点：微内核微内核结构,其中只包含绝对必要的操作系统功能,其他功能则作为应用服务程序置于核心之上。目前，微内核一般包括如下功能:处理机调度、基本内存管理、通讯机制、电源管理 嵌入式操作系统具有微小、实时、专业、可靠、易裁减等优点。代表性的嵌入式操作系统有WinCE(微软的Vinus计划)、PalmOS、国内的Hopen(女娲计划)等。32ppt课件1.4.10 智能卡操作系统智能卡操作系统 (Smart-Card Operating System,Smart-Card Operating System,SC-OSSC-OS)智能卡上包含一个CPU芯片，CPU的计算能力和存储容量都有严格限制。面向Java的智能卡：在智能卡的ROM中保存一个Java虚拟机(JVM)解释程序，可将Javaapplet下载到卡上并由JVM解释执行。有些智能卡支持多个applet并发执行。33ppt课件1.5 操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境l1.5.1 定时装置定时装置l1.5.2 系统栈系统栈l1.5.3 特权指令与非特权指令特权指令与非特权指令l1.5.4 处理机状态及状态转换处理机状态及状态转换l1.5.5 地址映射机构地址映射机构l1.5.6 存储保护设施存储保护设施l1.5.7 中断装置中断装置l1.5.8 通道与通道与DMA控制器控制器34ppt课件1.5.1 定时装置定时装置 为实现系统管理和维护，硬件必须提供定定时时装装置置，即即实实时时时时钟钟。硬件时钟通常有两种：绝对时钟和相对时钟。1.1.绝对时钟绝对时钟:记载实际时间，不发中断。时间表示形式为：年、月、日、时、分、秒。时间值保存于硬件寄存器中，开机时由电源供电计时，关机时由机内电池供电计时，其值可由程序设定和修改，但一般通过特权指令完成。当然，程序可以读取它的值。操作系统根据绝对时钟的值记录作业进入系统时间和处理时间、文件的修改和存取时间、资源占用时间、日志记录时间等。35ppt课件 2.2.间隔时钟间隔时钟：定时发生中断。也称闹钟，它每隔固定时间，如10ms，发生一次时钟中断。时钟中断发生后，OS获得系统的控制权，以便运行系统管理和实现程序并发。除时钟外还有其它事件可引起中断，但那些事件是否发生、何时发生不确定，只有时时钟钟中中断断最忠实可靠。间隔时钟是现代操作系统(多道程序设计)的基础。利用间隔时钟可以实现逻辑时钟。例如，要实现一个50ms的逻辑时钟，可以设置一个初值为5的变量，每次时钟中断将其减1，当减至0时即达到50ms。36ppt课件1.5.2 系统栈系统栈(System Stack)System Stack)系统栈系统栈是内存中操作系统空间的一个固定区域。系统栈的主要用途：(1)中断响应时保保存存中中断断现现场场。对于嵌套中断，被中断程序的现场信息依次压入系统栈，中断返回时逆序弹出；(2)保存操作系统子程序间相互调用的参数、返回值、返回点以及子程序的局部变量。注注意意：每个运行程序都有一个对应的系统栈，进程切换的同时伴随系统栈的切换，但硬件只有一个系统栈指针作用。37ppt课件1.5.3 处理机状态及状态转换处理机状态及状态转换处理机状态也称机器状态。处理机状态有两种：管态和目态。它由程序状态字PSW中的一位标识。1.1.管态管态(supervisor mode)supervisor mode)也称系统态、核心态，是操作系统运行时所处的状态。机器处于管管态态时可以执行硬件提供的全部指令，包括特权指令和非特权指令。由于利用特权指令可以修改PSW，而机器状态位是PSW的一部分，因而在管态下可以通过修改PSW来改变机器状态，使之由管态转换为目态。38ppt课件2.2.目态目态(object mode)object mode)也称用户态，是一般用户程序运行时所处的状态。处理机处于目态目态时只能执行非特权指令。由于“置程序状态字”为特权指令，目态程序不能执行它，从而不能将运行状态改为管态，这可防止用户有意或无意地侵入系统，从而起到保护系统的作用。39ppt课件 3.3.管态与目态之间的状态转换管态与目态之间的状态转换在系统运行过程中，处理机的状态处于动态变化之中，时而运行于目态，时而运行于管态。(1)(1)管态管态 目态目态管态到目态的转换由修改程序状态字修改程序状态字来实现。由于操作系统运行于管态，用户程序运行于目态，因而该状态转换伴随着由操作系统程序到用户程序的转换。(2)(2)目态目态 管态管态处理机状态由目态转为管态的唯一途径是中断中断。中断发生时，中断向量中的PSW应标识处于管态管态，这一标识由操作系统初始化程序设置。40ppt课件 现代计算机的指令系统由特权指令集和非特权指令集两部分组成，它们的使用与系统状态有关。1.1.特权指令（特权指令（privileged instructionprivileged instruction）特权指令：只有在管态管态才能执行的指令。特权指令的执行不仅影响运行程序本身，也影响其他程 序和OS。例如，开关中断、置程序状态字、修改地址映射寄存器、停机等。一般只有OS能执行特权指令，用户程序不能执行。2.2.非特权指令非特权指令（non-non-privileged instructionprivileged instruction）非特权指令：在管态和目态下均可执行的指令。非特权指令的执行只与运行程序本身有关，不影响其它程序和OS。例如数据传送指令、算术运算指令等。1.5.4 特权指令与非特权指令特权指令与非特权指令41ppt课件1.5.5 地址映射机构地址映射机构在多道程序系统中，内存中同时存在多个程序，一个程序在内存中的存放位置是随机确定的，因此程序不能采用物理地址，只能采用逻辑地址。为使每个程序的每个基本单位都能从0开始编址，硬件需要提供地地址址映映射射机机构构，它负责将运行程序产生的逻辑地址变换为内存物理地址。地址映射机构在不同硬件环境中不尽相同。42ppt课件1.5.6 存储保护设施 在多道程序系统中，一个程序有意或无意产生的错误地址可能会侵犯其它程序空间甚至操作系统空间；一个程序对公共存储区域可能试图执行非法操作(越权)，这些都可能影响其他程序甚至整个系统。为防止这些情况的发生，硬件必须提供存储保护设施存储保护设施。存储保护设施的作用：进行地址越界检查和越权检查(对共享区域)，防止应用程序侵犯操作系统空间或其它应用程序空间。43ppt课件1.5.7 中断装置中断装置：发现并响应中断的硬件机构。中断装置具有两个功能：(1)发发现现中中断断：中断发生时能识别，有多个中断事件同时发生时，能按优先级别响应最高者。(2)响响应应中中断断：先将当前进程的中断向量(PSW和PC)压入系系统统栈栈，再根据中断源到指定内存单元将新的中断向量取来并送到中中断断向向量量寄寄存器存器中,从而转到对应的中断处理程序。44ppt课件1.5.8通道与DMA控制器1.通道：通道：负责I/O操作的处理机，具有自己的指令系统和运控部件，可以执行通道程序，完成CPU委托的I/O操作任务。.DMA(DirectMemoryAccess,直接内存访问)DMA是与通道相似的I/O方式，DMA控制器接受CPU的委托完成数据在内存与块型设备之间的传输。与通道相比，DMA没有独立的指令系统，只能进行简单的块传输。45ppt课件1.6 操作系统界面形式操作系统界面形式 从虚拟机虚拟机的观点看,OS是对计算机硬件的第一级扩充,配有OS的计算机在功能等方面与裸机裸机相比大大地增强了。在大多数情况下,用户通过OS与机器硬件打交道,而不直接地使用机器硬件。操作系统为用户提供三种界面形式:1.交互终端命令(或图形用户界面)2.作业控制语言 3.系统调用命令46ppt课件 1.交互终端命令交互终端命令（CommandLine）这是分时系统具有的界面形式。系统为交互终端用户提供一组交互式命令，交互终端命令的一般形式为：“命令名,选项,参数”。交互终端命令界面由命令解释程序提供。命令解释程序通常属于操作系统内核操作系统内核，但UNIX系统的交互命令解释程序由shell提供，而shell并不属于系统核心，而是运行于核心之外的目态程序，它通过系统调用与核心打交道，完成命令要求的动作。47ppt课件UNIX硬件shellshellshell终端终端终端l优点:缩小核心不同用户可以选择不同界面UNIX shell interface48ppt课件 2.图形用户界面图形用户界面（GUIGraphicUserInterface）考虑非计算机专业人员使用计算机系统的方便性,现代操作系统都提供了图形用户界面(GUI),GUI本质上也属于交互式界面，只不过界面由命令行转变为图形提示和鼠标点击。图形界面一般由视窗、图标、菜单、对话框等基本元素以及对基本元素所能进行的操作构成。有些系统如Windows中，仍保持一个行式命令的界面，不过该界面实际上是作为一个特殊的视窗实现的。49ppt课件 3.作业控制语言作业控制语言（JobControlLanguage,JCL）JCL是批处理系统的界面形式。系统为用户提供一种作业控制语言。当欲提交批作业时，用户先用这种语言书写一个作业说明书,以OS能识别的形式描述用户作业的处理步骤,再将此说明书与程序、数据一道提交给系统,操作系统按照作业说明书所规定的步骤一步一步地处理作业。不同的操作系统具有不同的作业控制语言，作业控制语言一般包含几十个作业控制命令。如，作业标识语句、作业步语句、资源描述语句、Goto语句等。50ppt课件 4.系统调用命令系统调用命令(SystemCall)如高级语言形式fd=open(file_name,mode)系统调用命令系统调用命令也称应用程序界面(API)，它是在用户程序级别上与操作系统打交道的方式。操作系统为用户提供一组系统调用命令,用户可将这些系统调用命令写在程序中,当用户程序在运行过程中执行到这些系统调用命令时,将发生自愿性中断,进入操作系统,操作系统根据不同的系统调用命令转到相应的处理程序。几乎所有类型的操作系统都有这种界面。51ppt课件 系统调用命令通常可分为如下几类:(1)与文件相关的系统调用命令,如建立文件、撤消文件、打开文件、关闭文件、读写文件等;(2)与进程相关的系统调用命令,如创建子进程、撤销子进程、跟踪子进程等;(3)与进程通讯相关的系统调用命令,如发送消息、接收消息、发送信件、接收信件等;(4)与资源相关的系统调用命令,如申请资源、释放资源等。应当指出,用户与操作系统之间的三种界面形式是操作系统所提供的。对于不同的操作系统,这三种界面形式不尽相同。52ppt课件1.7 操作系统的运行机理操作系统的运行机理 操作系统是中断驱动的，考虑系统中并发执行的两个程序P1和P2，假若时刻t1程序P1执行，时刻t2程序P2执行，t1t2,则在时刻(t1,t2)之间一定发生过中断，即中断是程序切换的必要条件中断是程序切换的必要条件。实际上，程序P1不可能将CPU的使用权直接交给程序P2，将处理机的使用权由P1转交给P2只能由操作系统完成，而操作系统要完成CPU的重新分配必须首先获得CPU的使用权。53ppt课件 操作系统如何取代P1获得CPU的使用权？唯一的途径是通过中断。中断将引出新的PSW并导致系统由目态转到管态，即进入操作系统。操作系统在执行完中断例程之后，也可能继续执行P1，也可能决定执行P2，这与CPU的调度原则有关。在后一种情况下，操作系统将保存P1的状态信息，然后恢复P2的状态信息并通过置PSW使系统转到目态运行P2。54ppt课件 多道程序运行机理如图所示：硬件程序程序中断处理程序切换中断OS置PSW 说明：引起中断的事件有些与运行程序有关，如访管、地址越界、非法指令、溢出等；有些与运行进程无关，如系统时钟、I/O设备完成信号等。55ppt课件1.8 系统举例系统举例1.Linux系统系统-1991,0.01版：运行于intel80386，仅支持Minix文件系统，支持有限的设备驱动程序，无网络支持。-1994,1.0版：支持UNIX标准TCP/IP协议，BSD兼容的socket网络通讯协议，增强的文件系统，SCSI控制器对文件的高效访问，以及其它设备驱动程序。-1995,1.2版：最后一个仅在PC平台上运行的Linux。-1996,2.0版：运行于多种平台，支持对称多处理，同时增强了存储管理功能，支持核心级线程，模块动态连接等，可运行于SunSparc,PowerMac等硬件平台。56ppt课件Linux的特点：源代码开放,免费系统稳定可靠；速度快，效率高；内核模块化好，允许第三方配置文件系统及设备管理程序；功能完善；具有网络支持优势；标准化好。57ppt课件2.Windows2000/XP系统系统基于NT技术构建的面向个人计算机平台的操作系统，本质上属于单用户系统，但可以组网并提供网络服务。Windows 2000/XP的特点的特点：(1)具有多任务管理功能。(2)支持客户/服务器计算模式。(3)在设计上大量采用了面向对象思想，提供 友好的图形操作界面。(4)不是“纯”的微内核结构，许多系统服务 功能已被放入核心。58ppt课件