Linux操作系统概述.ppt

Linux操作系统,万月亮 Email: ,参考书目,教材： Linux系统应用基础教程. 张小进 编著 机械工业出版社 参考教材： Linux操作系统原理与应用. 陈莉君，康华.清华大学出版社 Unix环境高级编程. Stevens著,尤晋元译.机械工业出版社 Unix网络编程，第1卷：套接口API和X/Open传输接口API，Stevens著,施振川译.清华大学出版社 Unix网络编程，第2卷：进程间通信，Stevens著,杨续张译.清华大学出版社,作业上交,所交的电子作业包括两部分： 源程序(加注释并存为*.c或*.txt)或作业文档(存为*doc); 是本次作业的心得体会（以注释形式附在程序或文档后面） 最后将所有上述文件用winrar打包压缩后（文件名是班级+学号+姓名+x.rar），x表示第几次作业，作为电子邮件的附件发送。否则无效！ 发送电子邮件要注意的是：收件人地址为：, 主题为：作业（班级：姓名：*，学号：*，第x次），附上附件！ 一定要按照要求格式发送作业邮件，切忌不规范邮件出现。,成绩评定,成绩 (100) = 作业 (20)+期末考试(60)+考勤(20),第一章 操作系统概述,认识操作系统 操作系统的发展 开放源代码的Unix/Linux操作系统 Linux内核 Linux内核源代码,认识操作系统,不同角度看到的操作系统,操作系统,认识操作系统从使用者的角度看,打开计算机，首先跳入眼帘的是什么？ 要拷贝一个文件，具体的拷贝操作是谁完成的？ 你需要知道文件存放在何处吗？ 柱面、磁道、扇区描述什么？ 数据的搬动过程怎样进行 繁琐留给自己，简单留给用户 操作系统穿上华丽的外衣图形界面 操作系统穿上朴素的外衣字符界面,认识操作系统从程序开发者的角度看,拷贝命令的C语言实现片断,inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0); out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600); do l=read(inf,buf,4096); write(outf,buf,l); while(l); close(outf); close(inf);,认识操作系统从所处位置看,操作系统是其它所有用户程序运行的基础。,#include main() printf(“ Hello worldn”) ,用户告诉操作系统执行test程序 操作系统通过文件名找到该程序 检查其类型,检查程序首部，找出代码和数据存放的地址 文件系统找到第一个磁盘块 操作系统建立程序的执行环境 操作系统把程序从磁盘装入内存，并跳到程序开始处执行,该程序的执行过程简述如下:,操作系统检查字符串的位置是否正确 操作系统找到字符串被送往的设备 操作系统将字符串送往输出设备窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素 窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕） 显示器发射电子束。你在屏幕上看到Hello world。,从中看到什么,认识操作系统从程序执行看,从操作系统设计者的角度看 操作系统的设计目标是什么？ 尽可能地方便用户使用计算机 让各种软件资源和硬件资源高效而协调地运转起来。 计算机的硬件资源和软件资源各指什么？ 假设在一台计算机上有三道程序同时运行，并试图在一台打印机上输出运算结果，必须考虑哪些问题 ? 从操作系统设计者的角度考虑，一个操作系统必须包含以下几部分 操作系统接口 CPU管理 内存管理 设备管理 文件管理,认识操作系统从设计者角度看,操作系统：计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效、顺畅地运行。,认识操作系统定义,操作系统的演变 单道批处理系统 串行执行预先组织好的一组任务 提高了系统效率 。 多道批处理系统 可以交错运行多个程序 再次提高系统效率。 分时系统 将处理器的运行时间分成数片，均分或依照一定权重派发给系统中的用户使用 快速响应,操作系统的发展,硬件角度下的操作系发展轨迹,硬件角度下的操作系统发展轨迹,在硬件的性价比较低的时候，操作系统设计追求什么？ 在硬件性价比越来越高后，操作系统的设计开始追求的目标是什么？ 计算机开始普及后，操作系统的设计开始追求？ 从第三代到第四代计算机，操作系统的发展逐渐摆脱追随硬件发展的状况 ，形成自己的理论体系 进入第四代系统后，分布式系统和多处理器系统虽然极大的扩充了操作系统理论，但系统结构并没有变化，只是各功能模块得以进一步完善。,硬件角度下操作系统发展的分析,软件角度下的操作系统发展轨迹,程序设计理论约束着操作系统设计。操作系统的发展滞后于计算机语言的发展，从结构化设计到对象化设计，操作系统总是最后应用新编程理论的软件之一。 至今操作系统对于是否需要彻底对象化（即微内核化），还处于徘徊时期，仍在探索单内核与微内核的最佳结合方式。 人机交互技术主要是为用户考虑，这是对操作系统设计进行的变革。 以Linux为代表的开源软件的出现，打破了带有神秘色彩的传统的封闭式开发模式。,软件角度下的操作系统发展轨迹分析,讲究效率的单模块操作系统,进程管理,内存管理,设备管理,文件管理,模块之间可以互相调用的单模块结构,模块之间直接调用函数，除了函数调用的开销外，没有额外开销。 庞大的操作系统有数以千计的函数 复杂的调用关系势必导致操作系统维护的困难,讲究效率的单模块操作系统,追求简洁的微内核操作系统,客户进程,进程服务器,内存服务器,文件服务器,微内核,内核与各个服务器之间通过通信机制进行交互，这使得微内核结构的效率大大折扣。 内核发出请求，服务器做出应答 为各个服务器模块的相对独立性，使得其维护相对容易,追求简洁的微内核操作系统,一些重要的操作系统 FMS（FORTRAN Monitor System）和IBSYS （IBM为7094配备的操作系统） OS/360（IBM为系列机360配备的操作系统） CTSS（Compatible Time Sharing System） MULTICS（MULTiplexed Information and Computer Service） UNIX类、Linux CP/M,历史上的操作系统,MS-DOS、Windows 3.1/95/98/Me、Windows NT、Windows 2000/XP、 Windows CE、 Windows Server 2003、Windows 7 Macintosh OS/390 Mach VxWorks 嵌入式领域 研究型操作系统,历史上的操作系统,有线电视机顶盒领域 PowerTV 掌上计算机领域 Palm OS 数字影像领域 Digita 手机 Symbian，SmartPhone，Palm OS，Windows Mobile，Linux，Android 其他 Nucleus，VxWorks 嵌入式Linux：uClinux，Monta Vista Linux，LynxOS,操作系统领域中新的操作系统,1965年在ARPA的支持下MIT、贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种“公用计算服务系统”， 希望能够同时支持整个波士顿所有的分时用户。该系统称作MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service ) MULTICS设计目标是： 便利的终端使用大量远程终端通过电话线接入计算机主机 高可靠的大型文件系统大容量的用户信息共享；存储和构造层次化信息结构的能力,历史悠久的Unix,MULTICS研制难度超出所有人的预料（PL/1语言） 长期研制工作达不到预期目标，1969年4月贝尔实验室退出，通用电气公司也退出 最终，MIT坚持下来，MULTICS成功运行，成为商业产品（通用汽车、福特、美国国家安全局等） 运行MULTICS的计算机系统在九十年代中陆续被关闭（加拿大国防部于2000年10月30日17:08） MULTICS的意义 引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对随后的操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响,历史悠久的Unix,1969年，在贝尔退出MULTICS研制项目后，Ken Thompson和Dennis M. Ritchie 想申请经费买计算机从事操作系统研究，但多次申请得不到批准 项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7上，重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏 为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行，他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、shell 和汇编程序 到了1970年，在一切完成后，给新系统起了个同MULTICS发音相近的名字UNIX 随后，UNIX用C语言全部重写，自此，UNIX诞生了,历史悠久的Unix,UNIX是现代操作系统的代表。Unix运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖 促使UNIX系统成功的因素： 首先，由于UNIX是用C语言编写，因此它是可移植的，UNIX 是世界上唯一能在笔记本计算机、PC机、工作站直至巨型机上运行的操作系统 第二，系统源代码非常有效，系统容易适应特殊的需求 最后，也是最重要的一点，它是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统,历史悠久的Unix,UNIX的两大体系： System : 具有Bell Lab的血统 BSD 4.3: 伯克利版的，TCP/IP协议诞生于此 Unix的商业化是一把双刃剑,历史悠久的Unix,Sun Solaris IBM AIX SCO UnixWare HP HP-UX FreeBSD,主流Unix产品,1986年，Andrew Tanenbaum开发Minix系统； 1991年，芬兰赫尔辛基大学的学生Linus Torvalds开发Linux系统，并将源代码放在Internet上；起始于写两个进程 ：然后写驱动程序、文件系统、任务切换程序，从而形成一个操作系统雏形。 随着Internet的发展，Linux系统迅速普及开来； 1994年，发布Linux 1.0内核；同年Red Hat公司成立； 1996年，发布Linux Kernel 2.0； 2003年，发布Linux Kernel 2.6,Linux发展简史,Unix/Linux演化关系图,Linux的肥沃土壤GNU,GNU 是 GNU Is Not Unix 的递归缩写，是自由软件基金会的一个项目 。 GNU 项目产品包括 emacs 编辑器、著名的 GNU C 和 Gcc编译器等，这些软件叫做GNU软件。 GNU 软件和派生工作均适用 GNU 通用公共许可证，即 GPL（General Public License ） Linux的开发使用了众多的GUN工具,Linux得以流行的原因之一 遵循POSIX标准,POSIX 表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface） POSIX是在Unix标准化过程中出现的产物。 POSIX 1003.1标准定义了一个最小的Unix操作系统接口 任何操作系统只有符合这一标准，才有可能运行Unix程序,Linux系统或发布版,符合 POSIX 标准的操作系统内核、 Shell 和外围工具。 C 语言编译器和其他开发工具及函数库 X Window 窗口系统 各种应用软件，包括字处理软件、图象处理软件等。,开放与协作的开发模式,世界各地软件爱好者集体智慧的结晶 提供源代码，遵守GPL。 经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定性好。 开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造性。,Linux内核,Linus领导下的开发小组开发出的系统内核 是所有Linux 发布版本的核心 内核开发人员一般在百人以上，任何自由程序员都可以提交自己的修改工作。 采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误报告 有大量的用户进行测试，正式发布的代码质量高,Red Hat Linux SuSE Linux Debian Linux Mandrake Linux Turbo Linux,国外主要发行版本,红旗Linux 中标普华Linux 共创桌面Linux 冲浪Linux,国内主要发行版本,整个系统的核心内核,硬件,系统调用接口,应用 程序进程1,应用 程序进程2,应用 程序进程3,Linux内核,用户进程,内核子系统,系统调用,整个系统的核心内核,用户进程运行在Linux内核之上的一个庞大软件集合。 系统调用内核的出口，用户程序通过它使用内核提供的功能。 Linux内核操作系统的灵魂，负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等等。 硬件包括了Linux安装时需要的所有可能的物理设备。例如，CPU、 内存、硬盘、网络硬件等等。,Unix内核是单内核、单模块设计 它是一个不可分割的静态可执行体，必须以完整、单独的可执行块的形式在一个单独的地址空间运行 Windows NT和Mach是微内核的典型实例 微内核的功能被划分为多个独立的过程，每个过程叫做一个服务器。 Linux内核与Unix内核一样是单内核，多模块设计 Linux内核运行在单独的内核地址空间。 与Unix内核不同的是，Linux内核汲取微内核的思想 具备模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态装载内核模块的能力 所有模块全部运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递 支持多称多处理SMP机制,Linux内核的特点,内核子系统,内核子系统,进程调度控制着进程对CPU的访问。 内存管理允许多个进程安全地共享主内存区域 虚拟文件系统隐藏各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口。 网络提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持。 进程间通信(IPC) 支持进程间各种通信机制，包括共享内存、消息队列及管道等。,Linux的版本号又分为两部分：内核（Kernel）版本和发行（Distribution）版本。内核版本的序号由3部分数字构成，其形式如下： major.minor.patchlevel,Linux的内核版本树,内核源代码结构,核心源码的顶层是/usr/src/linux目录，在此目录下可以看到大量子目录： arch 这个子目录包含了所有体系结构相关的核心代码。它还包含每种支持的体系结构的子目录，如i386。 include 这个目录包括了用来重构核心的大多数include文件。对于每种支持的体系结构分别有一个子目录。 init 此目录包含核心启动代码。 mm 此目录包含了所有的内存管理代码。与具体体系结构相关的内存管理代码位于arch/mm目录下，例如arch/i386/mm/fault.c 。,内核源代码组织,核心模块 核心模块代码部分位于核心中部分位于modules包中。核心代码位于kernel/modules.c且其数据结构与核心 后台进程kerneld消息位于include/linux/module.h和include/linux/kerneld.h目录中。同时必要时需查阅 include/linux/elf.h中的ELF文件格式。,内核源代码组织,阅读Linux内核源代码的基本要求是： 操作系统的基本知识。 对C语言比较熟悉，最好要有汇编语言的知识和GNU C对标准C的扩展的知识的了解。 在阅读之前还应该知道Linux内核源代码的整体分布情况。,内核源代码阅读要求,从对内核源码的分析中，体会到在解决某个具体细节问题时的巧妙方法，如Linux通过Botoom_half机制来加快系统对中断的处理。 在源码的分析过程中，受到潜移默化地专业化。感受专业的程序员编写代码的清晰性，兼容性，可移植性放在很重要的位置。,内核源代码阅读好处,内核代码的冗长，和内核体系结构的庞杂，分析内核也是一个很艰难、很需要毅力的事。下面介绍分析代码时的几种方法： 弄懂源码的文件组织形式： 要分析Linux内核源码，首先必须找到各个模块的位置，即搞清楚源码的文件组织形式。 以程序流程为线索：“以程序流程为