操作系统教学一

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,操作系统,（一）,概念,9/20/2024,1,操作系统的作用,操作系统的发展,操作系统的特征与功能,多道程序设计的概念,操作系统的模型,本章学习目标,9/20/2024,2,1 计算机系统,计算机系统层次结构,操作系统,计算机硬件,应 用 软 件,实用软件,(,编译系统 DBMS 工具软件,诊断程序 编辑程序 装入程序 装配程序,),硬件系统,软件系统,系统软件,用户,程序员,9/20/2024,3,用户1,用户2,用户3,用户4,用户n,财务系统,航空订票,上网浏览,电子商务,科学计算,（应用程序）,编译程序,汇编程序,编辑程序,数据库,（系统程序）,操作系统,计算机硬件,9/20/2024,4,一、计算机硬件,硬件系统,CPU,主 机,内 存,RAM,ROM,外设,输入设备,输出设备,外部存储器,运算器,控制器,具有总线结构的计算机系统,具有通道结构的计算机系统,9/20/2024,5,二、计算机软件,软件：使用计算机所必须的程序和各种文档的集合。,程序：是指令（语句）的有序集合。,计算机软件可分为：,应用软件：,所有与用户应用相关的程序，如财务、管理决策、电子邮件、办公自动化软件等都属于应用软件范畴。,系统软件：,实用程序层,语言处理、,DBMS,、,编辑软件以及 链接程序、装配程,序、装人程序、诊断程序等应用程序开发环境、运行环境。,操作系统,操作系统下层直接与硬件相邻，控制硬件运行。向上支撑各级软件运行，上层各软件通过操作系统访问硬件，实现各程序间的通信。,9/20/2024,6,2 、操作系统,一、,操作系统,定义：,管理系统资源、协调系统工作流程、方便用户使用的程序的集合。,二、操作系统的作用,1、管理系统资源：,计算机系统包括各种软件和硬件资源，归纳起来有如下四类：,处理器、存储器、I / O设备 和 信息（数据和程序）,。,OS 是计算机系统的资源管理者；,2、操作系统为用户提供方便的使用接口,用户可按需要键入操作命令，或从“菜单”中选择命令，操作系统按用户给予的命令控制系统（程序）运行，完成相关任务。用户以最简单、方便的方式操作计算机运行。,OS 是用户与计算机系统间的接口；,9/20/2024,7,2 、操作系统,3、,协调系统工作流程,在系统中同时运行各种系统程序、各种用户程序，这些程序要争夺CPU、内存、总线、外设等各种资源。为保证它们有条不紊地运行必须由操作系统来协调、管理,4、OS 具有强大的虚拟功能：,操作系统有扩充机器的功能，,在原有硬件的基础上附上各层软件，把裸机改造成功能强大的虚拟机。,9/20/2024,8,3、操作系统的形成和发展,推动操作系统发展的动力,不断提高资源利用率的需要,方便用户,器件的不断更新换代,计算机体系结构的不断发展,一、无操作系统时代的计算机,1、人工操作方式,特点：,用户独占全机,人工操作，慢且易出错,整个运行过程是顺序式,9/20/2024,9,3、操作系统的形成和发展,2、脱机输入输出方式,为了解决人机矛盾及CPU和外设的矛盾50年代出现脱机输入输出技术。,由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成（脱离主机）固称为脱机输入输出方式。其优点：,减少CPU空闲时间，缓和了人机矛盾；,提高了I/O速度，缓和了CPU与外设的矛盾。,二、批处理操作系统,单道批处理系统（Simple Batch System),将一批作业以脱机方式输入到磁带上，在系统中配置监控程序（Monitor),在它的控制下，使这批作业能一个个地连续处理。由于系统对作业的处理是成批进行、但内存中只保持一道作业，固称为单道批处理系统。,9/20/2024,10,3、操作系统的形成和发展,（续一）,其特征：,自动性， 磁带上的一批作业能自动逐个运行，无需人工干预；,顺序性，各作业顺序进入磁带、顺序进入内存，各作业的完成顺序与进入内存的顺序相同；,单道性，内存中仅有一道程序运行。,多道批处理系统,多道程序基本概念,60年代中期引入多道程序设计技术，形成多道批处理系统。该系统中，用户提交的作业在外存上形成后备队列，由作业调度程序以一定算法从后备队列中挑选若干作业入内存，使它们共享 CPU 和其它资源，以达到提高资源利用率和系统吞吐率的目的。优点：,提高CPU利用率；,提高内存和I/O设备利用率；,提高系统吞吐率,9/20/2024,11,3、操作系统的形成和发展,（续二）,多道批处理系统的特征,多道性,无序性,调度性,作业调度,进程调度,多道批处理系统的优点和缺点,优点：,资源利用率提高；,系统吞吐量大。系统吞吐量指单位时间系统完成的总工作量。,缺点：,平均周转时间长；,平均周转时间指作业进入系统开始，直到其完成并退出系统所经历的时间。批处理系统中由于作业要排队，依次处理，因而作业的调度周转时间较长。,无交互能力。,用户一旦将作业交给系统，不能与自已的作业进行交互。,9/20/2024,12,3、操作系统的形成和发展,（续三）,多道批处理系统需要解决的问题,CPU 管理,内存管理,I/O设备管理,文件管理,作业管理,三、分时操作系统（Time - Sharing System）,分时系统的产生,推动多道批处理系统的形成的动力是提高资源利用率和系统吞吐量，推动分时系统产生的动力则是用户的需要。主要表现在：,人-机交互的需要,多个使用者共享主机的需要,便于用户上机,分时系统的特征,多路性,独占性,及时性,交互性,9/20/2024,13,3、操作系统的形成和发展,（续四）,四、实时操作系统,实时系统（Real - Time System）的引入,多道批处理系统和分时系统仍不能解决如下问题：,实时控制,实时信息处理,实时系统 ： 指系统能即时响应外部事件请求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行的系统。,实时系统与分时系统的比较,多路性,独立性,及时性：,交互性,可靠性,需要强调的是，多道批处理系统、分时操作系统、实时操作系统是三个基本的操作系统，而一个实际的操作系统可能兼有其中三者或二者的功能。,9/20/2024,14,3、操作系统的形成和发展,（续五）,五、网络操作系统,计算机网络的基本特征,自治性 ： 每台计算机能独立运行，独立承担分配给它的任务；,分布性 ： 它包含地理分布、功能分布、任务分布三个要素；,互连性 ：把地理位置分散的资源实现物理连接；,统一性 ： 在统一的操作系统控制下使分散的计算机协调能够相互协调工作。,网络操作系统是网络范围的操作系统，其主要任务是用统一的方法管理整个网络中共享资源的使用和任务的处理。为此，它有如下四个功能：,网络通信,资源管理,提供多种网络服务,提供网络接口,根据以上功能，可以给出网络操作系统的定义如下：,网络操作系统是建立于主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，协调各主机任务运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件的集合。,9/20/2024,15,3、操作系统的形成和发展,（续六）,六、分布式操作系统,分布式操作系统是70 和 80 年代发展起来的一种多处理机（或多计算机）系统。在此之前称集中式系统，所有计算或处理功能集中在一台主机上。而分布式系统计算和处理功能是分散在构成分布式系统的各个处理单元上。,分布式系统是由多个处理单元构成的系统。其中，每个单元都处理机和局部存储器，能独立承担分配给它的任务。各处理单元通过网络连接在一起。由统一的操作系统进行管理。,若处理单元是计算机则称为分布式计算机系统，它通常指计算机网络。,分布式系统的特征,分布性,自治性,模块性,并行性,分布式系统的功能,资源管理,任务分配,分布式进程同步和通信,管理出现浮动,由上可见，所谓分布式操作系统是：,能直接对系统中各类资源进行动态分配和管理，有效地控制和协调任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主次之分，并向用户提供统一的、有效的接口的软件的集合。,9/20/2024,16,3、操作系统的形成和发展,七、嵌入式操作系统,嵌入式(计算机)系统的计算机不再以独立的物理形态出现，而是嵌入到应用系统之中。,嵌入式操作系统运行在嵌入式环境中，控制各种硬件部件和各种控制软件协调运行。它在工业控制、军用武器系统中达到广泛使用。,嵌入式操作系统具有普通操作系统功能，但由于其应用的特殊性和工作环境的多样性又有其自身的特点：,微型化,可定制,实时,可靠,易移植,9/20/2024,17,3、操作系统的形成和发展,（续七）,微机操作系统,单用户单任务操作系统,CP/M DOS,单用户多任务操作系统,如：Windows 95 / 98 / me OS / 2 System 7,多用户多任务操作系统,Windows NT / 2000 /2003/XP Server,Unix,Linux,9/20/2024,18,4、操作系统的特征和服务,操作系统的特征,并发（Concurrence）,在多道程序环境下，并发性指同一时间键隔内多道程序同时运行，但在单处理机系统中，每个时刻只能有一个程序运行，微观上它们是交替运行。为使程序能并发执行，系统必须为每个程序建立进程。,操作系统必须有控制和管理各种并发活动的能力。,共享（,Sharing,）,所谓共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源属性不同共享的方式也不同，可分为两种共享方式：,互斥共享方式 ：在一段时间内只允许一个进程访问的资源称临界资源，典型的是许多物理设备、变量、表格等；,同时共享方式 ：在一段时间内允许多个进程同时对它进行访问的资源，典型的是内存、磁盘、重入码编写的文件等。,迸发和共享是操作系统最基本的两个特征。它们又是互为存在条件的。,虚拟（,Virtual,）,指将某个物理实体变成多个逻辑上的对应物。如，,CPU,（,虚处理机），,I/O,设备，物理信道等；,异步性（,Asynchronism,）,进程的运行总是异步的走走停停的，这是竞争资源的缘故。因此、每道程序何时结束是不可预知的。,9/20/2024,19,4、操作系统的特征和服务,（续一）,操作系统的服务,操作系统的服务类型,程序执行（进程控制）,I/O操作,操纵文件系统,通信,差错检测和信息维护,系统调用的作用,OS以不同的方法提供OS服务，所有的操作系统使用的最基本方法是以“,系统调用,（System Call)”方式提供的。应用程序通过系统调用（C语言是以函数方式提供给程序员）来调用OS的特定过程，以实现特定服务,系统调用本身是由若干条指令构成的过程，但它与一般的过程不同，它是运行在,系统态,，而一般过程是运行在,用户态,。由此导致进入方式的不同，应用程序及其调用都运行在用户态，而一般程序不能直接进入系统调用，它表现通过中断进入OS（此时为系统态），然后再转入特定功能（系统调用）过程。也正因为如此，才把这些调用称为系统调用。,9/20/2024,20,4、操作系统的特征和服务,（续二）,系统调用类型,进程控制（Process Control）类系统调用 : 如 创建、终止、设置进程属性等；,文件操纵（）系统调用 : 如 创建文件、打开文件、读、写、设置文件属性等；,设备管理 （Device management )系统调用,通信系统调用,信息维护（Information maintenance )系统调用 : 主要用在用户程序和OS间传递信息。,访管指令,前面讲到用户程序通过中断请求系统调用，从而进入管态运行系统功能服务子过程。但众多的服务请求，如何响应？,这是通过“访管指令”来实现的。CPU有一条专门接受用户系统功能服务请求的指令，即访管指令，当用户发出系统功能服务请求时，引起访管中断，如果具备响应条件，则中断当前程序执行，保护现场；再将查找具体的系统功能号，寻找入口地址，设置该过程的PSW（它已设置为系统态）和现场，调用该功能过程执行。,9/20/2024,21,4、操作系统的特征和服务,系统调用的实现,系统调用设计步骤：,编写系统调用程序；,设计系统调用入口地址表，根据系统调用号对应各个系统调用程序入口地址，并指定系统调用自带参数个数,设置现场保护区；,系统调用相关概念,系统调用程序是可重入码，以便同时为多个迸发服务；,系统调用又称“广义指令”，但它不同于一般的机器指令，它是机器指令的扩充，是计算机系统功能的扩充；,汇编和C可直接使用系统调用，但普通的高级语言是通过编译系统将有关资源的操作转变为对应的系统调用的；,9/20/2024,22,4、操作系统的特征和服务,系统调用与一般过程调用的区别,运行状态不同,一般用户程序调用过程都在用户态运行,一般系统程序调用过程都在系统态运行,系统调用产生状态切换，从用户态切换到系统态，执行完毕又返回用户态；,进入方式不同,一般过程直接调用,系统调用通过软中断进入OS后，经过分析才能调用处理程序,提供的方式不同,一般过程由编译系统提供，不同的编译系统提供的过程可能不同；,系统调用由OS提供，其功能、种类与数量固定不变；,调用方式不同,一般过程使用调用指令按名调用，,系统调用必须使用访管指令，按功能号调用,与调用代码的关系不同,9/20/2024,23,操作系统有如下功能,存储管理,处理机管理,设备管理,文件管理,用户接口（作业管理）,5、操作系统的功能,9/20/2024,24,6、操作系统的硬件环境,中央处理器,操作系统作为一个程序会在处理器上运行。若一个计算机只有一个CPU ，则称为单机系统，若有多个CPU，则称为多机系统。,特权指令,每个处理器都有自已的指令系统。,对单用户系统，它的指令系统中的全部指令，普通的非系统用户也能使用。,对多用户的多道程序设计环境中，它的指令系统中的指令必须分成“特权指令” 和 “非特权指令”。,特权指令 在系统中只能由操作系统使用的指令，这些指令（如 启动系统、启动某设备、设置时钟、控制中断屏蔽指令、清内存指令、建立存储保护指令等）如果允许用户随便使用，则可能使系统陷入混乱。用户程序只能使用非特权指令。,CPU 如何区分当前是在操作系统还是普通用户在其上执行呢 ？这依耐于处理器状态标识。,9/20/2024,25,6、操作系统的硬件环境,（续一）,处理器的状态,处理器上可执行用户程序、 操作系统程序，根据程序对资源和机器指令使用权限而将此时的处理器设置为不同的状态。通常设置为管态（核心态）和目态（用户态）。,当处理器处于管态时，可执行全部指令（包括特权和非特权指令）、使用所有资源，并具有改变处理器状态的能力。,当处理器处于目态时，只能执行非特权指令。,程序状态字,CPU上有一个专门的寄存器用于指示处理器状态，称 “,程序状态字（PSW）,” 。处理器状态包括条件码,反映指令执行后的结果特征；中断屏蔽码,指出是否允许中断；CPU 的工作状态,指出是管态还是目态,用以说明当前CPU 上执行的是操作系统还是一般用户，从而确定是否可以使用特权指令换拥有其它特殊权利。,不同的机器有不同的程序状态字格式，可包含不同的信息。Windows NT 和 Unix 使用的 32 位CPU （奔腾）有32位寄存器,EFLAGS,，而M68000 的程序状态字PSW如图：,T S I,2,I,1,I,0,X N Z V C,15,13,10,4,0,9/20/2024,26,6、操作系统的硬件环境,（续二）,T 自陷（Trap）中断标志位；,S CPU 状态标志位，1 说明处于管态，0 说明CPU 处于目态；,I,0,I,2,中断屏蔽位，共8级中断，只接受高于此值的优先级中断；,C 进位； N 结果为负 ； Z结果为零 ；V 溢出；,主存储器,缓冲技术,中断技术,时钟、时钟队列,T S I,2,I,1,I,0,X N Z V C,9/20/2024,27,7、多道程序设计技术,一、概念,多个算题同时装入内存以并发方式工作执行，这种设计技术称“多道程序设计技术”。这种计算机系统称“多道程序设计系统”。,其工作原理见图：,二、为什么要采用 多道程序设计技术,提高CPU利用率,提高内存和I/O设备利用率,提高系统的吞吐率,9/20/2024,28,C,9/20/2024,29,7、多道程序设计技术,三、 多道程序设计的特点,多道性,同时,无序性,无法确定并发顺序,宏观上并行,实际是各个程序竞争占有CPU运行，但宏观上并行工作。,调度性,选择合适的程序在CPU上运行,四、多道程序设计的实现,1、多道程序设计必须解决的问题,存储保护,处理器管理和进程调度,系统资源管理,在保证系统安全、正常工作的前提下，实现资源分配和回收，促使尽可能多的进程迸发运行,2、多道程序设计可能出现的问题,9/20/2024,30,7、多道程序设计技术,可能延长单个程序的执行时间,并行工作道数与系统效率不成正比,9/20/2024,31,8、操作系统结构设计,操作系统设计具有如下两大问题：,复杂、周期长；,正确性难以保证；,操作系统结构设计包含两大内容：,考虑操作系统数据结构和控制结构；,分析操作系统的构造过程和方法,一、整体式结构,整体式结构-模块组合法，是早期OS的设计方法,特点：,模块以功能划分而非以程序或数据特点划分,数据作为全程量使用,模块间可不加限制地调用和转移，模块间信息传递可任意约定,9/20/2024,32,8、操作系统结构设计,整体式结构的优点,结构紧密,接口简单,系统效率高,整体式结构的缺点,模块独立性差,结构不清晰,不易阅读和分析,不易维护,并发性受到限,典型的是IBM初期的操作系统,9/20/2024,33,8、操作系统结构设计,二、分层结构,将操作系统分解成为内核和若干模块，并以一定的原则分为若干层，并建立单向依耐关系,1、分层原则,依耐硬件的模块在最底层，以便屏蔽硬件特性,控制整个系统运行的核心模块在最底层，如CPU调度，进程和线程控制，通信机制等,把广泛调用的模块靠近底层,命令解释在最上层,接受控制的模块在较高层，文件处理在中部,功能类似和相近的在同层,2、分层结构的优点,9/20/2024,34,8、操作系统结构设计,三、C/S结构,1、结构,C/S结构将OS分成两部分：,运行在用户态，以C/S方式活动的、完成具体服务的服务进程,运行在核心态的内核，短小且功能单一，如信息检索、验证、传递等，,构成C/S的微内核结构，典型的是Windows2000/XP.,2、优点,9/20/2024,35,9/20/2024,36,操作,系统,程序,和,数据,CPU,存储器,I/O控制器,I/O控制器,I/O控制器,打印机,I/O设备,9/20/2024,37,