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大学操作系统原理与实践-柯敏毅-课件PPT,大学,操作系统,原理,实践,柯敏毅,课件,ppt
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操作系统原理与实践,主编 柯敏毅 李浩 中国水利水电出版社,第1章 计算机操作系统概述,1.1 存储程序式计算机模型 1.2 操作系统的发展历史 1.3 操作系统的基本概念 1.4 操作系统的硬件介绍 1.5 操作系统的逻辑模型 1.6 操作系统简介,开 始,本章学习目标,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,返回本章首页,1.1 存储程序式计算机模型,1.1.1 作为扩展机器的操作系统 1.1.2 作为资源管理的操作系统,返回本章首页,储程序式计算机模型,储程序式计算机模型的基本方案是，如要使计算机能够自动地计算，必须有一个存储器用来存储程序和数据；同时要有一个运算器，用以执行指定的操作；有一个控制器，以便实现自动操作；另外，辅以输入/输出部件，以便输入原始数据和输出计算结果。于是形成了现代计算机的基本组成形式。如图1.1所示。,图1.1 存储程序计算机的组成,返回本节,1.1.1 作为扩展机器的操作系统,一台完全无软件的计算机系统称为裸机，即便其性能再强，相对于用户来讲，如果要面对计算机的指令集、存储组织、I/O总线结构的编程则是十分困难的。对于一般程序员也并不想涉足硬件编程的种种具体细节，而希望针对数据结构抽象地使用硬件。如果我们在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，用户便可以利用这层I/O设备管理软件提供给用户的接口来进行数据的输入和输出，那么用户此时看到的计算机是一台功能强大、使用方便的计算机，但实际上，计算机的硬件丝毫没有变化，这样的计算机称为软件扩充的机器，或称软件虚拟机。,返回本节,1.1.2 作为资源管理的操作系统,从作为机器功能扩充的观点看，操作系统是为用户提供基本的方便的接口，这是一种自顶向下的观点或是自内向外的观点。但是从用户向机器的观点或自底向上的观点来看，操作系统则用来管理一个复杂计算机系统的各个部分。现代计算机包含处理器、存储器、时钟、磁盘、终端、网络接口、打印机以及许多其他设备。从这个角度来看，操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配。,返回本节,1.2 操作系统的发展历史,1.2.1 无操作系统的计算机 1.2.2 单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统 1.2.3 分时系统 1.2.4 实时系统 1.2.5 微机操作系统、网络操作系统与分布式操作系统,返回本章首页,1.2.1 无操作系统的计算机,从第一代计算机诞生到20世纪50年代中期还未出现操作系统，这时的计算机采用人工操作方式。其过程是：,图1.2 手工操作计算机,返回本节,1.2.2 单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统,所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。 首先出现的是联机批处理系统。如下图1.3所示。,下一页,脱离主机控制的输入/输出批处理系统,在外设处理数据时，主机处理“忙等”状态，这样高速的主机与慢速的外设矛盾就显现出来。为了克服与缓解主机与外设的矛盾。我们引入脱机批处理系统，即脱离主机控制的输入/输出批处理系统。如图1.4所示。,下一页,图1.4 脱机批处理系统,下一页,在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，中断和通道技术出现以后，虽然可以实现输入/输出设备与中央处理机并行操作，但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不多，大多数进程是有同步关系的，这使系统中仍有较多的空闲资源，致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统对作业的吞吐量，在60年代中期，引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。单道程序与多道程序的执行过程如图1.5和图1.6所示。,下一页,下一页,在操作系统中引入多道程序设计技术以后，会使系统具有以下特征。,（1）多道性 （2）无序性 （3）宏观上并行、微观上串行 （4）调度性,返回本节,1.2.3 分时系统,分时技术是把处理机的时间分成很短的时间片，这些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成，则该作业就暂时中断，等待下一轮运行，并把处理机的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内，每个用户作业都能得到快速响应，以实现人机交互。,分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同的特征，由上所述可以归纳成以下几点：,（1）多路性 （2）独立性 （3）及时性 （4）交互性,返回本节,1.2.4 实时系统,1实时操作系统的分类 2实时操作系统的主要目标,1实时操作系统的分类,l 实时控制：当计算机应用于生产过程的控制形成以计算机为中心的控制系统时，系统要求能实时采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理，从而自动地控制相应的执行机构，使某些参数（如湿度、压力、液位）能按预定的规律变化，以保证产品的质量和提高产量。 l 实时信息处理：通常，我们把要求对信息进行实时处理的系统称为实时信息处理系统。,2实时操作系统的主要目标,（1）实时时钟管理。 （2）连续人机对话。 （3）过载防护。 （4）高可靠性。,返回本节,1.2.5 微机操作系统、网络操作系统与分布式操作系统,微机操作系统 到20世纪80年代，随着超大规模集成电路的发展产生了微型计算机，配置在微机上的操作系统称为微机操作系统。最早出现的微机操作系统是8位微机上的CP/M，它是一个单用户单任务操作系统，即只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。,计算机网络,计算机技术和通讯技术的结合使得微机用户资源共享及相互通信的愿望成为可能，即在一台计算机上可以使用其他机器上的资源或进行通信。这样计算机网络的概念得以产生。一些独立自治的计算机利用通信线路相互连接形成的计算机的集合，称为计算机网络。,分布式操作系统,大量的实际应用要求一个一体化的系统，用户希望以统一的界面，标准的接口去使用系统的各种资源，实现所需的各种操作。这就导致了分布式系统的出现。一个分布式系统是若干计算机的集合，它们都有自己的局部存储器和外部设备，但分布式系统是一个一体化的系统，在系统中有一个全局操作系统，即分布式操作系统，它负责整个系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输、控制协调等工作，为用户提供一个统一的界面，标准的接口，用户通过这一界面实现所需的操作和使用系统的资源，但操作和计算是在哪一台计算机上执行或使用哪个计算机的资源则由操作系统自动完成，用户不用知道，即分布或操作系统是透明的。,返回本节,1.3 操作系统的基本概念,1.3.1 操作系统的定义 1.3.2 操作系统的基本功能 1.3.3 操作系统的特征,返回本章首页,1.3.1 操作系统的定义,操作系统是用户和系统的界面，系统内部虽然十分复杂，但这些复杂性由于有操作系统的存在而不显现在用户面前。计算机操作系统向用户提供系统调用，用户通过操作系统提供的命令，简单方便地把自己的意图告诉系统，让操作系统去完成工作。由于操作系统的卓越工作，才能保证系统资源的充分利用，又使用户能方便使用计算机。,返回本节,1.3.2 操作系统的基本功能,1存储器管理的功能 2处理机管理的功能 3设备管理的功能 4文件管理的功能,下一页,1存储器管理的功能,l 内存分配 l 内存保护 l 地址映射 l 内存扩充,下一页,2处理机管理的功能,l 进程控制 l 进程同步 l 进程通信 l 调度,下一页,3设备管理的功能,缓冲管理 设备分配 设备处理 设备独立性和虚拟设备,下一页,4文件管理的功能,文件存储空间的管理 目录管理 文件的操作,返回本节,1.3.3 操作系统的特征,1并发特征（Concurrence） 2共享特征（Sharing） 3虚拟特征（Virtual） 4不确定性,返回本章首页,1.4操作系统的硬件介绍,1.4.1中央处理器（CPU） 1.4.2存储系统 1.4.3 中断机制 1.4.4 I/O设备 1.4.5 时钟,返回本章首页,1.4.1中央处理器（CPU）,计算机的“大脑”是CPU，它从内存中取出指令并执行。在每个CPU的基本周期中，首先从内存中取出指令，解码以确定其类型和操作数，然后执行。循环以上过程，程序得以执行完毕。 每种CPU都有一套独特的可执行的指令集，指令集在各类CPU中不能通用。计算机程序是指令集中的各种指令组合而成，程序一般放在内存中。CPU访问内存得到指令和数据，但由于访问内存的时间要比执行指令花费的时间长的多，因此，所有的CPU内都有一些用来保存关键变量和临时结果的寄存器。,1、程序计数器：它保存了将要执行的下一条指令的内存地址，在指令被取出之后，程序计数器就被更新为后续的指令地址。 2、指令寄存器：它保存正在被执行的指令。指令从内存中取出后通过总线被送到指令寄存器中保存，然后送到指令译码器中译码并执行。 3、堆栈指针：它指向内存中当前栈的顶端。当前栈包含已经调用但是还没有退出的每个过程的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数，局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量。 4、程序状态字（Program Status Word，PSW）寄存器：它记录了处理器的运行模式信息，如条件码位（由比较指令设置）、CPU优先级、模式（用户状态或核心态）以及其他各种控制位。用户程序通常读入整个PSW，但只能对其中少量字段进行修改。在系统调用和I/O中，PSW的作用很重要。,除了用在嵌入式系统中的非常简单的CPU外，多数CPU都有两种模式，既核心态（也叫管态、系统态）和用户状态（也叫目态）。 1、用户状态：具有较低特权的执行状态，在这种状态下，处理机只能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储器，用户程序通常只能在这一级别执行。 2、核心态：是指操作系统内核的运行状态。在这种状态下，处理机具有较高的特权，能执行一切指令，可以访问所有的存储器和寄存器。,1.4.2 存储系统,1、存储系统的层次结构 最高层是CPU中的寄存器，由于采用和CPU相同的材料制造，所以速度和CPU一样快。但寄存器一般容量比较小，在1KB以下。 第二层是高速缓存，它主要被硬件控制使用。当一个程序要读一个存储字时，通过硬件系统首先检查是否在高速缓存中。如果在，称为高速缓存命中，直接读取高速缓存中的内容，不用访问内存。未命中时就必须访问内存读取存储字，这要付出大量的时间代价。 第三层是内存，这是存储系统的核心。任何程序和数据必须要装入内存后，cpu才能对它们进行操作，因此操作系统本身也要存放在内存中运行。 第四层为磁盘（硬盘）。磁盘同内存相比，在容量上大很多，在每一位的成本上要低很多，但是在存取速度上要慢很多。磁盘低速的原因是它是一个机械装置，而内存是半导体结构的存储器。 最后一层是磁带，它经常用于磁盘的备份，并且可以保存非常大量的数据。磁带的特点是大容量、低成本、可移动、慢速存取。,2、存储保护 要将两个或多个程序放在内存中，必须解决下面两个问题： 1）程序彼此之间如何保护，以及内核如何保护所有其他的程序。 2）如何处理重定位。最简单的解决方案是给计算机配备了两个特殊的寄存器，它们是基址寄存器（base register）和界限寄存器（limit register）。,1.4.3 中断机制,1、中断概念 中断(interrupt)是指计算机程序执行过程中，当发生某个事件时，必须中止 CPU 上现行程序的运行，调用处理该事件的服务程序执行的过程。 现代计算机系统一般都具有处理突发事件的能力。这种处理突发事件的能力是由硬件和软件协作完成的。,2、中断类型 引起中断的事件很多，但是不同硬件结构的计算机的中断源各不相同。我们一般从中断事件的性质来说，可以分成五种类型： 1）硬件故障中断 2）外部中断 3）程序性中断 4）输入、输出设备中断 5）访管中断,3、中断嵌套、中断优先级和中断屏蔽 1）中断嵌套是指，当CPU正在处理一个中断事件时，系统又响应了一个新的中断事件。此时，前一个中断处理程序被中止执行，由处理后一个事件的中断处理程序先插入执行。 2）中断优先级是由硬件规定的，系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，将中断源划分为若干个级别。当有多个中断同时发生时，系统根据优先级决定响应中断的次序，优先响应级别高的中断。中断优先级由高到低的顺序为：硬件故障中断、访管中断、程序性中断、外部中断、输入输出设备中断。 3）中断屏蔽是指，让程序状态字中的中断屏蔽位控制某些中断事件的响应。因此，当有中断请求产生后，首先查看当前程序状态字的中断屏蔽标志。如果没有屏蔽，则可以响应该中断，否则不能响应中断。,1.4.4 I/O设备,存储系统不是操作系统需要管理的唯一资源，I/O设备也与操作系统有密切的相互影响。I/O设备一般包括两个部分：控制器和设备本身。控制器是由一块芯片或一组芯片组成的电路板，它通过介绍操作系统的命令来控制设备的实际工作。如，从设备读数据，写入数据到设备等。 I/O设备的主体是实际设备本身。设备上有个相对比较简单的接口，这是因为接口既不能做很多的工作，有已经被标准化了。由于实际设备接口隐藏在控制器中，所以，操作系统看到的是对控制器的接口，这个接口可能和设备接口有很大的区别。,1.4.5 时钟,时钟（clock），又称为定时器（timer），由于各种各样的原因决定了它对于任何多道程序设计系统的操作都是至关重要。 1、时钟硬件 典型的时钟硬件由三个部件构成：晶体振荡器，计数器和存储寄存器。晶体振荡器可以非常精确的产生周期性信号，一般频率为几百兆赫兹。存储寄存器是用来记录计数的初值，当开始计数时，存储寄存器把计数初值传给计数器。计数器可以在晶体振荡器每产生一个脉冲（也就是一个时钟周期）时减1。当计数器减到0时，产生一个中断事件，由CPU来处理后面的事情。,2、时钟软件 时钟硬件只能根据已知的时间间隔产生中断，而涉及时间的其他所有工作都必须由软件-时钟驱动程序完成。时钟驱动程序通常可以完成以下的任务。 1）维护日时钟 2）防止进程超时运行 3）记录CPU的使用情况 4）为系统本身的各个部分提供监视定时器,1.5 操作系统的逻辑模型,近年来，大型软件都是采用层次式结构，也就是将一个软件分为若干个逻辑层次。如下图1.7所示，简要地示意了操作系统的分层逻辑结构。,返回本章首页,1操作系统的对象 2操作系统对象操纵和管理的软件集合 3用户接口,（1）命令接口 （2）程序接口 （3）图形用户接口,1.6 微机操作系统,1.6.1 DOS操作系统 1.6.2 MS-Windows操作系统 1.6.3 UNIX操作系统,返回本章首页,1.6.1 DOS操作系统,1981年IBM公司首次推出了IBM-PC个人计算机，在微机中采用了微软公司开发的MS-DOS操作系统。该操作系统在8位计算机操作系
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