第1章 操作系统概述

1 1 长春工程学院计算机学院2014 2015学年第1学期 操作系统OperatingSystem 2 2 使用教材 普通高等教育 十一五 国家级规划教材计算机操作系统教程 第3版 OperatingSystemThirdEdition左万历周长林彭涛高等教育出版社 3 3 授课教师 主讲教师 王丽平TELQ 504629149 4 4 参考教材操作系统教程陈向群杨芙清北京大学出版社Windows内核实验教程陈向群等机械工业出版社现代操作系统陈向群等译机械工业出版社Windows操作系统原理机械工业出版社操作系统教程王素华人民邮电出版社计算机操作系统教程张尧学史美林清华大学出版社ModernOperatingSystem AndrewS Tanenbaum 3rd操作系统基础屠立德屠祁清华大学出版社操作系统教程孟庆昌西安电子科技大学出版社 5 5 参考教材计算机操作系统汤子瀛等西安电子科技大学出版社操作系统原理DOS篇张昆苍清华大学出版社操作系统教程孙钟秀主编高等教育出版社操作系统原理技术与编程蒋静徐志伟机械工业出版社计算机的心智 操作系统之哲学原理邹恒明机械工业出版社 ModernOperatingSystemAndrewS TanenbaumOperatingSystemsWilliamStallingsOperatingSystemConceptAbrahanSilberschatz etcAppliedOperatingSystemConceptAbrahanSilberschatz etc 6 6 课程形式 主课 习题课 作业 上机实验 学习要求 按时上课 认真听讲阅读参考书整理笔记思考 讨论 提问 考试 期末考试 笔试 课程基本情况 56 4 14 46 10 必修 7 7 成绩评定 平时考勤 作业 上机实验 期末考试 比例 平时考勤10 20次点名 作业 实验20 5 5次 扣分制 上课玩手机 打游戏等 视情节每次扣3 5分 期末考试70 8 8 课程目的 不是如何使用操作系统而是理解操作系统如何工作OS工作方式OS内部算法和数据结构设计OS过程中的问题 解决方案和折中权衡操作系统中的典型技术及应用 9 9 操作系统课程的特点 涉及面广 并行程序 性能问题 结构问题 程序方法论 软件工程等等 实践性强 从实践总结出原理 错综复杂 纵横交叉 强调 理论与实践并重 系统与模块并重 设计与应用并重 原理与实际系统有差别 内容丰富 技术更新快如何学好操作系统 LearnOSconceptsbycodingthem 10 10 注意学习方式的变化 教师只指出要点要通过自学 研读参考书掌握内容 整理笔记相当重要不能只通过PowerPoint来复习课程 善于发现问题 提出问题要努力寻求问题的答案 11 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研究操作系统的几种观点 12 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 Whatisoperatingsystem 13 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 14 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 15 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 ApplicationProgramInterface GUI GraphicalUserInterface 16 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 17 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 18 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 资源共享性在操作系统的协调和控制下多个程序共用系统中的各种软硬件资源异步性 中断虚拟性 19 1 4操作系统类型 多道批处理操作系统 batchprocessingsystem 分时操作系统 time sharingsystem 实时操作系统 realtimesystem 通用操作系统 multi purposesystem 单用户操作系统 singleusersystem 网络操作系统 networkoperatingsystem 分布式操作系统 distributedoperatingsystem 多处理机操作系统 multi processorsystem 嵌入式操作系统 embeddedoperatingsystem 智能卡操作系统 smart cardoperatingsystem 20 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 1 4 1多道批处理系统 off line SPOOLing SimultaneousPeripheralOperationsOnLine外部设备联机并行操作 21 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 jobscheduling 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 22 1 4 1多道批处理系统 Cont 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 23 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 TimeSharingOS HAL 终端 终端 终端 24 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 25 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 26 实时控制 HAL 实时OS 被控对象 A D D A t1 t2 t2 t1 responsetime 27 实时信息处理 HAL 实时OS 终端 终端 终端 通常为远程终端 28 实时操作系统的特点 1 实时性 响应及时 promptresponse 2 可靠性 可靠性高 highreliability 29 1 4 4通用操作系统 multi purposeOS 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 实时 前台 批处理 后台 级别 按照紧迫程度分级实时 分时 批处理 30 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 多线程更注重界面的友好和方便 31 1 4 6网络操作系统 NOS3 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 32 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databaseserverftpservere mailservertelnetserveretc 33 1 4 7分布式操作系统 紧耦合 tightlycoupled 由多机系统发展而来 多CPU 有公共内存多处理机操作系统 34 1 4 7分布式操作系统 松散耦合 looselycoupled 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 35 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 无差异 36 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 SolarisMC 37 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 38 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 WinCE NET 维纳斯 PalmOSHOPEN 女娲 Embededworld 39 1 4 10智能卡操作系统 智能卡 SmatrCard CPU芯片ROM面向Java的智能卡下载Javaapplet小应用程序由JVM解释程序执行 40 1 5操作系统的硬件环境 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 41 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 42 1 5 2系统栈 systemstack 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 43 1 5 3特权指令与非特权指令 特权指令 privilegedinstruction 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 privilegedinstruction 所有程序可用 不影响系统状态 取数 四则运算 44 1 5 4处理机状态及状态转换 处理机状态系统态 systemmode 管态 核态 用户态 usermode 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 作用建立一个可靠的系统 对操作系统加以保护 45 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 46 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 47 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 48 1 5 8通道与DMA 通道 专门负责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 49 1 5 9IO保护 定义所有IO指令为特权指令 方便使用防止发生冲突 50 1 6操作系统界面形式 交互终端命令 CommandLanguage Eg UNIXshell 命令名 选项参数图形界面 GUI GraphicUserInterface 51 UNIXshellinterface 优点 缩小核心不同用户可以选择不同界面 UNIX 硬件 52 1 6操作系统界面形式 Cont 作业控制语言 JobControlLanguage 是批处理系统所具有的界面形式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 53 1 6操作系统界面形式 Cont 系统调用命令 OSAPI 是在用户程序级别上与操作系统打交道的方式 高级语言形式fd open file name mode 汇编语言形式准备参数trapn取返回值 54 1 7操作系统的运行机理 操作系统运行机理 中断 是程序切换的必要条件 硬件 程序 程序 中断处理 程序切换 中断 置psw OS 55 进程观点资源管理观点虚拟机观点 1 8研究操作系统的几种观点 56 1 8 1进程观点 将操作系统看成由若干个可以独立运行的程序和一个对这些程序进行协调管理的核心组成 这些独立运行的程序称为进程 同时运行的进程之间相互作用 表现为互斥 同步 通信 死锁 饥饿等 57 1 8 2资源管理观点 将操作系统看成一个资源管理程序 管理的资源包括硬件资源和软件资源 用户进程使用资源时要申请 用完后要归还 实现资源的状态描述和管理程序 多进程申请资源时实现公平 高效的分配策略 58 1