windows操作系统原理

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,第一章 操作系统概述,操作系统的概念,操作系统的历史,操纵系统的特性,操作系统的类型,操作系统的运行环境,操作系统的界面形式,操作系统的运行机理,1.1 操作系统概念,操作系统地位,操作系统作用,操作系统定义,What is operating system?,1.1.1 操作系统地位,硬件抽象层（,HAL）,之上,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,运行视图,系统库(,lib),可调用操作系统，执行硬件指令,应用程序可以调用,lib,和操作系统，执行硬件指令,硬件,(,HAL,),操作系统,系统库,应用程序,机器指令,系统调用,库调用,1.1.2 操作系统的作用,管理系统中软件硬件资源,CPU,内存,设备,文件,为用户,(应用程序)提供良好的服务(界面),API,GUI,1.1.3 操作系统定义,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。,Operating supervisor,monitoring program,1.2 操作系统的历史,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,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,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,Evolution,1.3 操作系统特性,程序并发性,多个程序在宏观上同时向前推进,并发(,concurrent,),vs.,并行(,parallel),资源共享性,多个程序共用系统中的各种软硬件资源,在操作系统的协调和控制下,1.4 操作系统类型,多道批处理操作系统(,batch processing system),分时操作系统(,time-sharing system),实时操作系统(,real time system),通用操作系统(,multi-purpose system),单用户操作系统(,single user system),网络操作系统(,network operating system),分布式操作系统(,distributed operating system),多处理机操作系统(,multi-processor system),嵌入式操作系统(,embedded operating system),智能卡操作系统(,smart-card operating system),作业（,Job)：,程序+数据+说明书（,JCL,编写）,结果：程序运行结果+记帐信息,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（1）,作业调度（2）,SPOOLing,输出,1.4.1 多道批处理系统,（,off-line,）,1.4.1 多道批处理系统(,cont.),输入井作用,缓冲(速度匹配作用),实现作业调度(,job,scheduling),输出井作用,缓冲(速度匹配作用),Buffering:,处理数据到达与离开,速度不一致,1.4.1 多道批处理系统(,C,ont,.),主机中作业合理搭配,目标1：提高资源利用率(,eg,.,计算型+,IO,型),目标2：提高吞吐量(,throughput),特点,多道：系统中同时容纳多个作业,成批：作业分批进入系统,分时处理,终端请求,界面1：交互式命令语言,(,eg,.shell,command,),界面2：图形用户界面,(,GUI,),1.4.2 分时操作系统（,On-line,）,Time Sharing OS,HAL,终端,终端,终端,.,1.4.2 分时操作系统(,Cont.,),特点：,多路性,：一个主机与多个终端相连；,交互性,：以对话的方式为用户服务；,独占性,：每个终端用户仿佛拥有一台虚拟机。,典型系统：,Multics,(MIT),UNIX,1.4.3 实时操作系统,实时控制,工业控制，军事控制，医疗控制，.,实时信息处理,航班定票，联机情报检索，.,实时控制,HAL,Real Time OS,被控对象,A/D,D/A,t1,t2,t,2,-,t,1,:response time,实时信息处理,HAL,Real Time OS,.,终端,终端,终端,通常为远程终端,特点：,（1）响应及时（,prompt response,）,（2）可靠性高（,high reliability,）,1.4.4 通用操作系统(,multi-purpose OS),同时具有：分时、实时、批处理功能。,目标：,提高处理能力;,扩展应用领域。,常见模式:,分时(前台)+批处理(后台)（,eg,.GCOS-8）,实时(前台)+批处理(后台),Foreground/Background,System,1.4.5 单用户操作系统,同一时刻仅有一个用户使用的系统,应用领域：,台式机，笔记本，.,特点：,单用户，多进程，多线程,不同的程序，不同的进程；,相同的程序,不同的线程,1.4.6 网络操作系统,DOS3,host3,NOS2,host2,Printer,建立在宿主操作系统之上，提供网络通讯、网络资源共享、网络服务的软件包。,NOS1,host1,网络操作系统的目标,相互通讯,资源共享（信息，设备）,提供网络服务,database server,ftp server,e-mail server,telnet server,etc.,No Transparent view,1.4.7 分布式操作系统,紧耦合：(,tightly coupled),由多机系统发展而来（多,CPU）,有公共内存,多处理机操作系统,CPU,内存,CPU,CPU,1.4.7 分布式操作系统,松散耦合：(,loosely coupled),由计算机网络发展而来（多,Host),无公共内存，无公共时钟,DOS,host3,DOS,host2,DOS,host1,1.4.7 分布式操作系统(,Cont.),分布式操作系统特征:,统一的操作系统,资源的进一步共享,可靠性,透明性,1.4.7 分布式操作系统(,Cont.),目标：进一步共享资源，使负载均衡，计算加速。,CPU,内存,途径：迁移（,migration,）,作业迁移,进程迁移（线程一般随同进程迁移）,例子：,Solaris MC,1.4.8 多处理机操作系统,多处理机系统,具有公共内存的多,CPU,系统,对称多处理机系统(,SMP),没有主从关系的多处理机系统,多处理机操作系统,有效管理和使用多个,CPU,的操作系统,复杂性：多个主动体（,CPUs,),例子：,UNIX,Linux,Windows,1.4.9 嵌入式操作系统,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。,特点：微内核结构（,Micro-kernel），,许多操作系统功能以应用程序模式运行。,例子：,Win CE.NET（,维纳斯）,PalmOS,HOPEN（,女娲）,Embeded world,1.4.10 智能卡操作系统,智能卡,CPU,芯片,ROM,面向,Java,的智能卡,JVM,解释程序,下载,Java applet,并执行,SC-OS,支持多个,applet,并发执行,必要的资源管理,1.5 操作系统运行环境,定时装置,系统栈,特权指令与非特权指令,处理机状态及状态转换,地址映射机构,存储保护设施,中断装置,通道与,DMA,控制器,IO,保护,1.5.1 定时装置,绝对时钟：记载实际时间，不发中断。,间隔时钟：定时发生中断，一般间隔单位为“毫秒”。,间隔时钟是实现多道程序的基础,保证操作系统获得控制权。,其它中断也进入操作系统，但是否发生，何时发生没有保障。,1.5.2 系统栈(,system stack),作用,保存中断现场,保存子程序转移返回点、参数、局部变量、返回值,位置,操作系统区域,Stack,vs.,heap,1.5.3 特权指令与非特权指令,特权指令（,privileged instruction）,只有在管态才能执行的指令(影响系统状态),关中断，置程序状态字，停机，,IO，.,非特权指令（,non-,privileged instruction）,所有程序可用(不影响系统状态),取数，四则运算，,1.5.4 处理机状态及状态转换,处理机状态,系统态（,system mode,）(,管态，核态),用户态（,user mode),(,目态，常态),状态转换,管态,目态(置程序状态字),目态,管态(中断，,trap),Dual mode,operation,例子：,IBM 360/370 PSW,状态位（0，1）,Modern PC now support 4 modes:,R0（,权限最强）,R1,R2,R3（,权限最弱）,Only R0,R3 are used,now,1.5.5 地址映射机构,逻辑地址,物理地址,逻辑地址(虚地址)：程序中产生的地址,物理地址(实地址)：存储器地址,Address mapping by software,is possible,but very inefficient.,1.5.6 存储保护设施,防止应用程序,侵犯操作系统空间,;,侵犯其它用戶空间.,地址检查,越界检查;,越权检查（对共享区域）.,1.5.7 中断装置,发现并响应中断的硬件机构,当前（,PSW，PC）,系统栈,中断向量（,PSW，PC）,寄存器,1.5.8 通道与,DMA,通道：负责,IO,操作的处理机,通道指令系统,读写操作,控制操作,转移操作,通道运控部件,通道地址字,CAW,通道命令字,CCW,通道状态字,CSW,通道数据字,CDW,DMA？,没有独立指令系统,简单块传输,Any other difference?,1.5.9,IO,保护,定义所有,IO,指令为特权指令。,方便使用,防止发生冲突,1.6 操作系统界面形式,交互终端命令（,Command Language）,Eg,.UNIX shell,$,命令名 -选项 参数,图形界面（,GUIGraphic User Interface）,UNIX shell interface,优点:,缩小核心,不同用户可以选择不同界面,UNIX,硬件,shell,shell,shell,终端,终端,终端,1.6 操作系统界面形式(,Cont.),作业控制语言（,Job Control Language）,作业标识语句,用户标识，作业标识，帐号,作业步语句(编译、连接装配、执行）,资源描述语句,内存需求，计算时间，其它资源,Goto,语句（正向转移）,作业控制无循环,1.6 操作系统界面形式(,Cont.),系统调用命令（,OS API）,高级语言形式,fd,=open(file_name,mode),汇编语言形式,准备参数,trap,n,取返回值,如何转换？,1.7 操作系统的运行机理,操作系统运行机理,:,硬件,程序,程序,中断处理程序切换,中断,置,psw,OS,1.8.1,Linux,系统,历史,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,Sun,Sparc,PowerMac,等硬件平台.,Linux,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