操作系统原理 第1章 引论.ppt

操作系统原理,第1,第一章引论,1-1操作系统的概念1-2操作系统的形成与发展1-3研究操作系统的几种观点1-4操作系统的功能与特征1-5操作系统的硬件环境,1.1操作系统的概念,1-1-1计算机系统计算机系统由硬件(子)系统和软件(子)系统组成。-硬件(子)系统计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求构成的有机整体，称为计算机硬件系统。计算机硬件系统主要由运算器、主存储器、控制器、输入输出控制系统、辅助存储设备等功能部件组成。-软件(子)系统软件是计算机系统中的程序和有关的文件。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文件是为了便于了解程序所需的资料说明。,1.1操作系统的概念,按照应用的观点，软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三类系统软件位于计算机系统中最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用。如编译程序和操作系统等。支撑软件即支撑其他软件的编制和维护的软件。主要包括各种接口软件和工具组。应用软件特定应用领域专用的软件，例如字处理程序。,1.1操作系统的概念,计算机系统的层次结构最下面是硬件系统；最上面是使用计算机的人，即各种各样的用户；人与硬件系统之间是软件系统。系统软件是最靠近硬件的一层，其次是支撑软件和应用软件。,1.1操作系统的概念,1-1-2什么是操作系统操作系统的地位操作系统实际上是一个计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。操作系统定义是计算机系统中的一个系统软件，是能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，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、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合。,1.1操作系统的概念,操作系统主要有两方面的主要作用管理系统中的各种资源，包括硬件资源和软件资源为用户提供良好的界面1-1-3操作系统的目标方便性有效性可扩充性开放性,1.2操作系统的形成与发展,1-2-1操作系统形成无操作系统时的计算机系统人工操作方式由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统缺点：用户独占全机、CPU等待人工操作脱机输入输出方式程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成优点：减少了CPU的空闲时间、提高I/O速度,1.2操作系统的形成与发展,单道批处理系统系统对作业的处理都是成批地进行的、且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统。特征：自动性顺序性单道性,1.2操作系统的形成与发展,多道批处理系统多道程序设计的基本概念把一个以上的作业(程序)存放在主存中，并且同时处于运行状态，共享处理机时间和外部设备等其他资源的方法。优点：提高了CPU的利用率提高了内存和I/O设备的利用率增加系统吞吐量,1.2操作系统的形成与发展,多道批处理系统的特征多道性无序性调度性:作业调度和进程调度多道批处理系统的优缺点优点：资源利用率高、系统吞吐量大缺点：平均周转时间长、无交互能力多道批处理系统需要解决的问题处理机管理问题内存管理问题I/O设备管理问题文件管理问题作业管理问题,1.2操作系统的形成与发展,分时系统分时系统的产生人机交互、共享主机、便于用户上机分时系统实现中的关键问题及时接收、及时处理分时系统的实现方法作业直接进入内存规定每个程序只运行一个时间片的时间具体方法有以下几种：单道分时系统、具有“前台”和“后台”的分时系统、多道分时系统,1.2操作系统的形成与发展,分时系统的特征-多路性-独立性-及时性-交互性实时系统实时系统的引入实时控制、实时信息处理实时系统定义实时：所谓“实时”，是表示“及时”、“即时”实时系统：实时系统是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行,1.2操作系统的形成与发展,实时任务的类型按任务执行时是否呈现周期性来划分：周期性实时任务、非周期性实时任务根据对截止时间的要求来划分：强实时任务、弱实时任务实时系统与分时系统的比较多路性独立性及时性交互性可靠性,1.2操作系统的形成与发展,1-2-2操作系统的进一步发展微机操作系统配置在微机上的操作系统称为微机操作系统单用户单任务操作系统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例如：CP/M、MS-DOS单用户多任务操作系统只允许一个用户上机，但允许将一个用户程序分成若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善系统的性能例如：OS/2、MSWindows、Linux,1.2操作系统的形成与发展,多用户多任务操作系统允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机，共享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发执行例如：UNIX多处理机操作系统多处理机系统的引入增加系统的吞吐量节省投资提高系统的可靠性多处理的类型紧密耦合MPS、松散耦合MPS多处理机操作系统的类型非对称多处理机模式（主-从模式）、对称多处理机模式,1.2操作系统的形成与发展,网络操作系统计算机网络可以定义为一些互连的自主计算机系统的集合计算机网络的类型按网络拓扑结构分：星型网络、树型网络、总线型网络环型网络、网状型网络按网络地理范围分：广域网WAN、局域网LAN网络操作系统模式客户机/服务器(C/S)模式、对等模式网络操作系统的功能网络通信、资源管理、网络服务、网络管理、互操作能力,1.2操作系统的形成与发展,分布式操作系统分布式系统集中式处理系统：处理和控制功能都高度地集中在一台主机上，所有的任务都有主机处理分布式处理系统：由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的系统，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协同，并行地运行分布式程序分布式操作系统与网络操作系统的比较分布性、并行性、透明性、共享性、健壮行,1.2操作系统的形成与发展,嵌入式操作系统概念嵌入式系统在用来控制设备的计算机中运行，这种设备不是一般意义上的计算机，并且不允许用户安装软件。特点可装卸性。强实时性。统一的接口。操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用。提供强大的网络功能，强稳定性，弱交互性。固化代码更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。,1.2操作系统的形成与发展,1-2-3推动操作系统发展的主要动力-不断提高计算机资源利用率的需要-方便用户-器件的不断更新换代-计算机体系结构的不断发展,1.3研究操作系统的几种观点,1-3-1软件的观点从软件的观点来看，操作系统有其作为软件的外在特性和内在特性1-3-2计算机系统资源管理的观点操作系统的主要功能是针对处理机、存储器、I/O设备、文件这四类资源进行有效的管理1-3-3进程的观点把操作系统看作由若干进程和一个对进程进行协调的核心所组成。每个进程都完成某一特定任务，而操作系统的核心则控制和协调这些进程的运行，解决进程之间的通信,1.3研究操作系统的几种观点,1-3-4用户与计算机硬件系统之间接口的观点操作系统处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过操作系统来使用计算机。用户可以通过以下两种方式来使用计算机：命令方式、系统调用方式1-3-5虚机器观点操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境，把计算机扩充为功能更强、使用更加方便的计算机系统,1.3研究操作系统的几种观点,1-3-5服务提供者观点操作系统提供了程序执行的环境，也为程序和用户提供了一系列的操作系统服务。操作系统提供公共服务类型包括：程序执行I/O操作文件系统操纵通信差错检测,1.4操作系统的功能与特点,通用操作系统一个系统兼有批量处理、分时处理和实时处理三者或其中两者的功能，而形成通用操作系统1-4-1操作系统的功能处理机管理功能进程控制、进程同步、进程通信、调度存储器管理的功能内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充设备管理功能缓冲管理、设备分配、设备处理、设备独立性和虚拟设备,1.4操作系统的功能与特点,文件管理功能文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制用户接口命令接口包括联机用户接口和脱机用户接口程序接口图形接口1-4-2操作系统的特征并发并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生共享互斥共享方式、同时访问方式,1.4操作系统的功能与特点,虚拟通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物异步性,1.5操作系统结构设计,1-5-1传统的操作系统结构模块化结构操作系统采用模块化程序设计技术模块化结构设计方法较之无结构的操作系统具有以下明显的优点：提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性。增强了操作系统的可适应性。加速了操作系统的开发过程。,1.5操作系统结构设计,结构化设计方法的仍存在着下述问题：对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难。从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别。,1.5操作系统结构设计,层次结构操作系统方法将操作系统分成若干层；每一层实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。层与层之间的相互关系要满足：所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念及其属性，只依赖其直接下层所提供的概念及属性；每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在。优点：易保证系统的正确性。易扩充性和易维护性。层次结构的主要缺点就是系统效率低。,1.5操作系统结构设计,1-5-2现代操作系统结构微内核特点：足够小的内核。基于客户/服务器模式。应用机制和策略分离的技术。采用面向对象的技术。微内核虽然带来了诸多的优点，但不可否认微内核较早期的操作系统而言，运行效率有所降低。,1.5操作系统结构设计,1.5操作系统结构设计,微内核一个微内核思想的略微变体是将进程划分为两类：服务器，每个服务器提供某种服务；客户端，使用这些服务。这个模式就是所谓的客户机-服务器模式。通常，在系统最底层是微内核，但并不是必须这样的。这个模式的本质是存在客户端进程和服务器进程。,1.6操作系统的硬件环境,任何系统软件都是硬件功能的延伸，并且都是建立在硬件基础上的，离不开硬件设施的支持。而操作系统更是直接依赖于硬件条件，与硬件的关系尤为密切1-6-1中央处理机（CPU）CPU的构成与基本工作方式一般的处理机由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成。处理机中的寄存器寄存器为处理机本身提供了一定的存储能力，它们的速度比主存储器快得多，但是因为造价很高，存储容量一般都很小。处理器一般包括两类寄存器：用户可见寄存器、控制和状态寄存器（如PC、IR、PSW）,1.6操作系统的硬件环境,指令执行的基本过程特权指令和非特权指令特权指令在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令非特权指令允许一般的用户使用的指令,1.6操作系统的硬件环境,处理机的状态管态（特权态、特态、系统态）指操作系统管理程序运行的状态。可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理机状态的能力目态（普通态、普态、用户态）指用户程序运行时的状态。只能执行非特权指令有些系统分为核心状态、管理状态和用户程序状态程序状态字PSW用来指示处理器状态，通常包括以下状态代码：CPU的工作状态代码条件码中断屏蔽码,1.6操作系统的硬件环境,1-6-2存储系统存储器的类型读写型存储器（随机访问存储器RAM）只读型存储器（只读存储器ROM）存储器的层次结构计算机存储系统的设计主要考虑三个问题：容量、速度和成本提高存储系统效能的关键点就在于程序的存储访问局部性原理,1.6操作系统的硬件环境,存储分块为了简化对存储器的分配和管理，在不少计算机系统中把存储器分成块。在为用户分配主存空间时，以块为最小单位存储保护常用的存储保护机构：界地址寄存器（界限寄存器）、存储键1-6-3缓冲技术引入原因为了解决部件之间速度不匹配的问题类型单缓冲、双缓冲、多缓冲（Cache）,1.6操作系统的硬件环境,1-6-4中断技术中断的概念什么是中断所谓中断是指CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应；-引起中断的那些事件称为中断事件或中断源；-中断源向处理器发出的请求信号称为中断请求；-把处理中断事件的那段程序称为中断处理程序-中断的作用：能充分发挥处理器的使用效率、提高系统的实时能力-典型的中断：程序中断、时钟中断、I/O中断、硬件失效中断,1.6操作系统的硬件环境,中断的分类依据中断的功能：可屏蔽中断（I/O中断）、不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）、程序错误中断（溢出、除法错等中断）、软件中断（Trap指令或中断指令INT）依据被激发的手段：强迫性中断、自愿性中断依据中断事件发生和处理是否是异步：异步中断（中断）、同步中断（异常）依据中断源的类型：硬件中断、软件中断中断系统中断系统组成部分中断系统的硬件中断装置软件中断处理程序,1.操作系统的硬件环境,中断装置一般要提供的基本功能提供识别中断源的方法提供查询中断状态的方法提供中断现场保护的能力提供中断处理程序寻址能力具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表等数据结构和它们在主存中的位置中断逻辑与中断寄存器中断寄存器：有的大型计算机中为了区分和不丢失每个中断信号，通常对应每个中断源都分别用一个固定的触发器来寄存中断信号，这些触发器的全体称为中断寄存器中断扫描机构：处理器的控制部件中能检测中断的机构,1.6操作系统的硬件环境,多级中断和中断屏蔽中断优先级：高优先级屏蔽低优先级同一中断级中有多个中断请求时，可采用固定的优先数和轮转法来处理中断响应CPU何时响应中断：通常在指令周期最后时刻接受中断请求，或是在此时扫描中断寄存器如何知道提出中断请求的设备或中断源：一是用软件指令去查询各设备接口；二是使用“向量中断”硬件设施中断处理中断处理的一般过程设备给处理器发了一个中断信号处理器处理完当前指今后响应中断,1.6操作系统的硬件环境,1.6操作系统的硬件环境,处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到一般状态。处理器开始为软件处理中断做准备处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联系的处理程序入口地址，并将PC置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，结果是控制转移到中断处理程序中断处理程序开始工作中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复,处理器状态恢复成原来的状态。,1.6操作系统的硬件环境,PSW和PC被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束多个中断处理问题正当处理一个中断时禁止中断，此时系统将对任何新发生的中断置之不理中断按照优先度分级，允许优先级较高的中断打断优先级较低的中断处理过程几种典型中断的处理I/O中断、时钟中断、硬件故障中断、程序性中断、系统服务请求（自愿性中断）,1.6操作系统的硬件环境,1-6-5时钟时钟的工作在多道程序运行的环境中，它可以为系统发现一个陷入死循环（编程错误）的作业，从而防止机时的浪费在分时系统中，用间隔时钟来实现作业间按时间片轮转在实时系统中，按要求的时间间隔输出正确的时间信号给一个实时的控制设备定时唤醒那些要求延迟执行的各个外部事件记录用户使用各种设备的时间和记录某外部