UNIX操作系统.ppt

UNIX操作系统 讲授者 李川 2007 3 3 2 教材和教参 教材 操作系统设计 美 MauriceJ Bach著陈葆珏 王旭等译教学参考书 UNIX theTextbookSecondEdition 美 SyedSarwar等著机械工业出版社UNIXUnbounded ABeginningApproachFourthEdition 美 AmirAfzal著电子工业出版社UNIX教程 修订本 孟庆昌等编著清华大学出版社 2007 3 3 3 本课程的特点和核心内容 UNIX操作系统内核的数据结构和算法最核心的内容设计思想非操作手册UNIX操作系统的内部结构文件系统数据结构 缓冲区 文件管理机构等 进程控制数据结构 进程彪 进程控制快等 UNIX操作系统的实现机制文件系统的系统调用进程控制的系统调用 2007 3 3 4 学分和学时 选修课学分 2学分学时 17周 2 34学时平时成绩 考勤 作业 30 考试成绩 70 感受 学习 理解 训练大系统的设计思想考试将是开放式的 考察分析解决问题的素质 2007 3 3 5 联系方式 授课老师 李川Email Charles li2004 QQ 15281487Webpage 2007 3 3 6 提纲 操作系统概述UNIX的产生和演化UNIX的系统结构UNIX的用户视图UNIX的系统服务UNIX的硬件假设UNIX的特征 2007 3 3 7 提纲 操作系统概述UNIX的产生和演化UNIX的系统结构UNIX的用户视图UNIX的系统服务UNIX的硬件假设UNIX的特征 2007 3 3 8 导言 操作系统种类繁多个人机 PC 大型机 Mainframe VMS导弹 火箭的实时系统 VxWorks pSoS Nucleus现代计算机系统的层次图操作系统的基本功能类型和分类标准UNIX的产品系列 2007 3 3 9 计算机系统层次图 插图应用程序用户接口AUI应用程序程序员接口API 2007 3 3 10 什么是操作系统 资源管理者观点统一管理计算机软硬件资源分配和回收有效 公平 有序 安全虚拟机观点把用户和硬件分离开来扮演一个代理角色 提供用户简单 易用的接口比物理机器更加便于操作的虚拟机 2007 3 3 11 操作系统的功能 执行程序输入输出操作进程间的通信错误检测和报告文件操作存储管理CPU调度用户和安全管理 2007 3 3 12 操作系统的用户界面 字符用户界面 CUI 键盘DOS UNIX准确 高效 灵活图形用户界面 GUI 点击设备 如鼠标MacOS OS 2 Windows简单 直观UNIX的Athena计划通过基于XWindows的软件提供GUI 2007 3 3 13 操作系统的分类 单用户 单进程操作系统PC机MacOS DOS Windows3 1单用户 多进程操作系统PC机OS 2 WindowsXPWorkstation多用户 多进程操作系统大学 公司大型用户群的 中型机 大型机UNIX Linux WindowsNT等 2007 3 3 14 多道程序设计思想 例子当进程执行输入 输出操作时 CPU可否分配给另一进程 Windows3 1和UNIX系统资源的利用率工作时间占总时间的比率吞吐量单位时间接受任务的数量 2007 3 3 15 交互性和分时系统 交互式操作系统允许用户和正在运行的程序进行交互UNIX Linux DOS Windows提供交互式界面UNIX Linux可在后台以批处理方式运行批处理系统不需人为干预的任务VSM提供批处理界面分时系统支持多用户 多进程的交互式系统CPU快速切换 每个用户都感觉在独占CPUUNIX Linux WindowsNT 2007 3 3 16 UNIX产品系列 最初指一种操作系统1969实验室工具软件现在是一类操作系统的代表主流操作系统AIXBSDDYNIXFreeBSDHP UXLINUX 2007 3 3 17 提纲 操作系统概述UNIX的产生和演化UNIX的系统结构UNIX的用户视图UNIX的系统服务UNIX的硬件假设UNIX的特征 2007 3 3 18 UNIX的发端 1965年MIT和GE联合开发Multics多用户 并发访问 交互式的分时系统计算功能 数据共享AT T贝尔实验室后来加入1969年KenThompson宇宙飞船游戏程序KenThompson等在GE 645上开发多用户文件系统GE 645分时系统 75美元1969年PDP 7上诞生了UNIX小型系统内核早期版本的UNIX文件系统 进程管理系统 内存管理系统 小型命令解释程序Multics MultiplexedInformationandComputingSystem UNICS UniplexedInformationandComputingSystem 1971年11月UNIX第一版正式发布 2007 3 3 19 UNIX的发展 Thompson准备为UNIX开发一FORTRAN编译器 由此催生B语言 BCPL 1972年6月 B语言重写UNIX 得到UNIX第2版Ritchie开发C语言1973年2月Thompson和Ritchie用C重写UNIX改变了用汇编语言开发OS的历史提高了OS的可移植性公开源代码 便于阅读修改1974年7月Thompson和Ritchie在ACM通讯发表UNIX操作系统 标志着一个时代的开始 2007 3 3 20 UNIX的开放性和研究群体 UNIX1 6贝尔实验室开发用于学术研究UNIX用C编码UNIX开放C源代码允许用户并发运行多个进程全世界都开始关注 使用 研究UNIX伴随计算机软 硬件 网络应用UNIX不断发展开放软件系统 opensoftwaresystem 各个用户团体都可以免费得到系统UNIX的研究群体UNIX支持组织 USG UNIX系统开发实验室 USDL UNIX系统实验室 USL 2007 3 3 21 BSDUNIX BSDUNIX1975年Thompson在UCBerkeley进行UNIX教学研究和贝尔实验室交互 不断发展1977年BillJoyPascal编译器 ex UNIX捆绑BSD BerkeleySoftwareDistribution 1978年2BSD1981年4BSD1983年9月4 2BSDTCP IP 文件系统 改善的系统接口 新的信号机制1986年6月4 3BSD包括了XNS网络软件 系统参数调整 目录文件名缓存 DNS服务等功能 2007 3 3 22 贝尔实验室版UNIX 1976年Ritchie开发可移植标准函数库stdioUNIX和C能继续发展的关键步骤程序员不必编写依赖硬件的代码Ritchie扩展UNIX增加C语言的Union结构 扩展数据类型16位 32位重写内存管理程序 设备程序接口1979年1月UNIX第7版可移植的OS1982年第一个商业版本UNIXSystemIII1984 1987UNIXSystemVRelease2 31987年底UNIX用户逾400万 2007 3 3 23 LINUX LinusTorvalds开发Internet上众多程序员的共同努力Linux是SystemV和BSD的后续版本SystemV的特性BSD的特性MITXWindow系统其他特性个人计算机和网络工作站大量使用Linux开放可扩展性好免费 2007 3 3 24 2007 3 3 25 2007 3 3 26 UNIX随硬件发展而普及 1946年出现正是意义上的计算机 是大型机 2007 3 3 27 UNIX随硬件发展而普及 当时的计算机靠手工操作 没有软件和OS 2007 3 3 28 运算速度 5000次 每秒 18000个真空管 占地182平方米 重量130吨 功耗140kW程序员提前预约一段时间 然后到机房运行程序 期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算完自己的题目 2007 3 3 29 UNIX随硬件发展而普及 1965年MULTICS首先应用于大型机服务于多个用户 2007 3 3 30 UNIX随硬件发展而普及 1971年11月UNIX第一版正式发布可在小型机运行 支持编译等应用程序 是分时系统 2007 3 3 31 UNIX随硬件发展而普及 80年代初UNIX开始应用于微型机 2007 3 3 32 UNIX的变种 UNIX的演变源于同一内核中的三个主要分支20世纪70年代至80年代的许可证管理制度软硬件的发展和UNIX的广泛开源传播UNIX派生出很多分支不同之处使得不同版本包含了很多丰富的功能相似之处使得不同版本具有很高的同质性UNIX的大量变种导致很多不便不同版本间一些命令和程序不兼容损害系统的易用性UNIX标准化IEEEPOSIX PortableOperatingSystemInterface 2007 3 3 33 UNIX普及和成功的原因 系统以高级语言书写 易读 易懂 易修改 易移植简单的用户界面构件机制由简单的程序构造出复杂的程序文件系统使用简单 维护方便 实现高效文件格式使用字节流 对用户程序透明 使程序易于书写把设备作为文件管理多用户 多进程 交互式分时系统较好的隐蔽了机器的体系结构 便于应用程序移植 2007 3 3 34 提纲 操作系统概述UNIX的产生和演化UNIX的系统结构UNIX的用户视图UNIX的系统服务UNIX的硬件假设UNIX的特征 2007 3 3 35 现代计算机系统体系结构 2007 3 3 36 中央处理单元CPU 2007 3 3 37 中央处理单元CPU 中央处理单元 CPU 就像计算机系统的大脑 CPU由RAM中取得指令 一条条执行 绝大多数CPU同一时刻只能执行一个程序 每个CPU都有自己的指令集 CPU只识别指令集中的指令CPU由两个部分组成 控制单元和处理单元控制单元通过各部件的控制器和系统的各种设备进行交互 控制单元从内存中取出指令 译码判别其是否有效 如有效 控制单元向处理单元传送控制信号 执行该指令CPU取指令 译码 执行指令CPU含有一定数目的临时存储单元 称为CPU寄存器 2007 3 3 38 存储器 典型存储器层次结构 2007 3 3 39 主存储器 主存由许多存储单元组成 每个单元大小为1字节 包含8个2进制位 2进制位势最小存储单位 可以存1或0第一个存储单元地址为0其他存储单元地址是一个正整数每个存储单元都可被随机访问主存是易失存储器一般微机主存大小为32M 1G主存访问时间为10 60ns 2007 3 3 40 磁盘 磁盘上保存着计算机系统的文件和应用程序 2007 3 3 41 磁盘 磁盘上的信息按扇区 512字节 和块组织一个块包含若干个扇区 2007 3 3 42 磁盘 一般微机磁盘容量大约为2 200G 2007 3 3 43 磁盘 磁盘读写时首先寻道 然后等待 寻道时间8毫秒 等待时间零点几个毫秒 2007 3 3 44 总线 总线是一组平行导线 用于在子系统中传送以位表示的信息数据总线在子系统间传送数据地址总线负责传送需读写的主存单元地址控制总线负责传送控制信号 2007 3 3 45 输入输出设备 光盘驱动器可移动存储键盘鼠标扫描仪显示器打印机 2007 3 3 46 UNIX内核体系结构 2007 3 3 47 UNIX的系统结构 内核建构在硬件层次上内存管理 进程调度 文件管理等系统调用是内核和用户层的接口使用内核所提供的服务可供用户调用库函数Shell命令 系统命令 实用程序隐藏底层细节人机界面 2007 3 3 48 设备驱动器层 与硬盘及不同外部设备交互硬盘 软盘 键盘 鼠标 光驱 显示器接受内核的指令 对硬件进行操作读取文件 驱动硬盘读写头进行一次或多次的读取用户不能直接操作驱动程序 不能跨层作业 2007 3 3 49 UNIX内核 UNIX内核即UNIX操作系统进程管理进程的创建 挂起 中止 通信CPU调度在多个进程间分配CPU时间 支持并发文件管理管理文件和目录进行文件及目录的查 插 删 改多用户系统中 用户只能通过文件系统访问磁盘主存管理为每个进程分配运行所需空间保护进程空间不被非法访问磁盘管理维护磁盘空闲及被使用的空间有序而公正地分配和回收空间 2007 3 3 50 系统调用接口 系统调用是访问内核代码的入口点fork exit signal wait sleep 系统调用对内核代码进行封装 使内核代码对用户应用程序透明 保证内核代码的安全系统调用对用户应用程序做标准 正确 安全的服务 2007 3 3 51 语言库 库是一组预先编译好并经过测试的函数 方便程序员在软件开发时对其调用库的编写和使用使程序员不必亲自编写函数来实现这些功能 节省精力语言库包含字符串库 数学库 I O库等等语言库通常和系统调用一起扮演应用程序员接口的角色 用户编写应用程序时可直接通过语言库调用系统底层的服务 2007 3 3 52 UNIX的Shell Shell是建筑于系统内核的一个命令解释器Shell的执行结构类似于DOS内部命令 DOS内部命令外部命令 可执行文件 二进制代码脚本程序 类似于DOS的批处理文件Shell的搜索路径searchpathPATH变量echo path CShellecho PATH BourneShell 2007 3 3 53 应用程序层 应用程序层包含所有用户可以使用的应用程序编译程序 字处理程序 电子表格软件 ftp telnet 网络浏览器等应用程序使用低层提供的服务语言库中的相应函数调用fopen 层次高 易用性好系统调用fork wait 等层次低 效率高应用程序层被称为应用程序用户接口AUI 2007 3 3 54 UNIX的系统结构 硬件层系统内核层库函数和系统调用APIShell命令层Shell命令 编辑程序ed vi等标准配置应用程序层AUI编译程序 字处理程序等使用低层服务构建 2007 3 3 55 UNIX的结构图 2007 3 3 56 UNIX的结构特点 UNIX的分层结构 洋葱皮 从内到外 逐层包裹鼓励 利用已有机制 采用各种组合形式 构建或增加新的功能 管道I O重定向言简意赅 短小精悍SystemV有多少系统调用 64常用的有多少 32实现了多少功能 几乎所有操作都离不开系统调用 2007 3 3 57 提纲 操作系统概述UNIX的产生和演化UNIX的系统结构UNIX的用户视图UNIX的系统服务UNIX的硬件假设UNIX的特征 2007 3 3 58 UNIX文件系统 层次结构对文件及数据的一致处理文件的查 插 删 改文件的数据保护以文件形式管理外部设备 2007 3 3 59 多级层次结构 2007 3 3 60 索引结点 UNIX系统把文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构 简称为i节点在文件目录的每个目录项 则仅由文件名及指向该文件所对应的i结点的指针所构成 2007 3 3 61 查找 usr ast mbox的步骤 2007 3 3 62 UNIX的处理环境 多道并发多个任务 一起 执行多任务系统进程系统资源有限多个用户任务并发的处理需求 2007 3 3 63 进程管理实现并发 进程创建fork 进程中止exit 进程通信signal 进程等待wait 2007 3 3 64 Shell的处理环境 可执行文件包含Shell命令行的可执行文件Shell内部命令顺序分支循环 2007 3 3 65 Shell的处理环境 路径搜索echo PATH同步 异步whowho Shell的选择CShellBourneShell 2007 3 3 66 构件原语 UNIX的设计思想 模块化构件 buildingblock 重定向ls outputmailmjb letter管道grepmaina cb cc c wc 1 2007 3 3 67 提纲 操作系统概述UNIX的产生和演化UNIX的系统结构UNIX的用户视图UNIX的系统服务UNIX的硬件假设UNIX的特征 2007 3 3 68 UNIX内核提供的服务 文件管理文件系统的组织文件的创建 插入 删除 修改设备管理进程管理进程的创建 中止 通信 等待CPU调度 2007 3 3 69 UNIX内核提供的服务 存储管理主存分配进程空间的共享和保护对换系统和请求调页系统设备管理终端磁带机网络设备 2007 3 3 70 提纲 操作系统概述UNIX的产生和演化UNIX的系统结构UNIX的用户视图UNIX的系统服务UNIX的硬件假设UNIX的特征 2007 3 3 71 核心态和用户态 核心态执行内核代码操作可以访问系统的所有资源用户态执行用户代码访问用户资源 2007 3 3 72 中断和例外 a 启动I O设备的步骤 b 中断处理步骤 2007 3 3 73 中断和例外 中断为更重要任务的执行而暂停原任务两条指令之间来自进程外部的事件中断结束后 继续原任务的执行例外 异常 突发事件 未曾预料到的非期望事件地址越界 非法寻址 执行特权指令 除数为0发生在一条指令执行过程中间来自进程内部例外事件结束后 重新执行原指令 2007 3 3 74 处理机执行级 关键活动期间阻止中断任务非常重要不能被打断关键操作必须保持完整性处理机执行级特权指令设置处理机状态字中的处理机执行级屏蔽同级和较低级中断 2007 3 3 75 处理机执