计算机科学导论-计算思维程序实践 课件 第11、12讲-分工-合作-协同看操作系统-计算思维也体现高水平领导思维、如何产生与如何运用大规模计算能力-虚拟化与云计算

第11讲分工-合作-协同看操作系统

--计算思维也体现高水平领导思维哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣运算器控制器寄存器CPU按存储单元读写按存储块进行交换外存ROM内存理解操作系统要从理解存储体系开始基本的存储体系内存外存CPU管理的自动化CPU-内存-外存之间的信息交换自动完成操作系统程序如何存储在外存上面?程序如何装载到内存中?装载到哪里?程序如何被CPU执行?CPU执行哪个程序?存储体系要解决的管理问题根本问题：程序如何被存储、如何被执行？合作-协同：联合管理分工：部件独立地【执行】具体的任务(小粒度的工作)合作：将宏观【作业】，分解为【任务】，调度各部件【执行】具体的任务协同：合作的自动化与高效率如何理解复杂系统—分工-合作-协同领导：需要在细节工作不清楚的前提下能够把握全局完成总体工作分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理理解复杂的操作系统：分工-合作-协同明确划分系统各部分。各部分-分工独立管理分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序操作系统本身的程序是如此做出来的：(1)分工。独立管理复杂环境中的每个部件。磁盘管理管理磁盘信息的读写内存管理管理内存空间的分配与回收处理机管理调度CPU去执行哪一个程序内存储器进程1

运算器控制器CPU进程外存储器程序文件程序内存储器进程1

运算器控制器CPU进程外存储器程序文件程序分工：操作系统对内存的管理与控制使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存空间管理类比【教务处对教室的管理】：总共有多少间教室？哪些教室有课/无课？某一天某一节次的一门课安排在哪间教室？如何满足不同人数需求的教室内存储器进程1

运算器控制器CPU进程外存储器程序文件程序分工：操作系统对内存的管理与控制使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存空间管理分工：操作系统对CPU的管理与控制执行哪一个进程就绪等待运行进程1的状态控制参见视频《机器程序是如何被执行的--一台典型的计算机》内存储器进程1

运算器控制器CPU进程外存储器程序文件程序分工：操作系统对内存的管理与控制使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存空间管理分工：操作系统对CPU的管理与控制执行哪一个进程就绪等待运行进程1的状态控制分工：操作系统对磁盘的管理与控制文件读写及磁盘块读写参见视频《化整为零与还零为整看文件存取》内存储器进程1

运算器控制器CPU外存储器程序文件程序分工：操作系统对内存的管理与控制使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存空间管理分工：操作系统对CPU的管理与控制执行哪一个进程就绪等待运行进程1的状态控制分工：操作系统对磁盘的管理与控制文件读写及磁盘块读写应用程序的进程操作系统的进程任务作业：大粒度的工作，一个应用程序的完整的执行。一个作业被分解为多个任务，由多个进程来完成任务：小粒度的工作，不同的任务由不同的进程来完成应用程序的进程：应用程序本身操作系统的进程：为使应用程序顺利执行而做的管理工作的程序操作系统的进程也存储在内存中，也需要调度CPU来执行。CPU在操作系统进程和多个应用程序进程之间来回切换合作-协同：联合管理理解复杂的操作系统：分工-合作-协同领导：使各部分合作-协同完成宏观性大粒度的工作分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序(2)合作。以工作为驱动，中心工作就是“让计算机或者说CPU执行存储在外存上的程序”,各部件合作完成该项大粒度工作。(3)协同。当基本解决后，关键就是协同，“协作/合作”和“同步”,“自动化”及“最优化”。磁盘管理管理磁盘信息的读写内存管理管理内存空间的分配与回收处理机管理调度CPU去执行哪一个程序作业(大粒度工作)、任务(小粒度工作)与进程(执行任务的程序)管理管理一个程序执行中的各项工作内存储器进程1

运算器控制器CPU外存储器程序文件程序分工：操作系统对内存的管理与控制使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存空间管理分工：操作系统对CPU的管理与控制执行哪一个进程就绪等待运行进程1的状态控制分工：操作系统对磁盘的管理与控制文件读写及磁盘块读写应用程序的进程合作：操作系统对作业、任务和进程的管理与控制作业与任务管理调用“磁盘管理“执行装载任务调用“处理机管理”执行相应任务调用“进程管理”执行相应任务用户请求执行程序调用“内存管理”执行相应任务合作-协同（类比）：司令合作-协同：调用“分工独立管理“执行相关任务分工独立管理（类比）：团长-营长-连排长分工独立管理：执行相关任务操作系统既是执行者，又是协调者领导者计算环境变迁引发的管理问题越来越复杂操作系统的功能越来越强大单一程序文件vs.万千个程序文件单一磁盘vs.几十个/万千个磁盘单一内存空间vs.万千个内存空间单一CPUvs.几十个/万千个CPU执行一个程序vs.同时执行百千万个程序各种设备连接与使用网络连接问题时间最短效率最高利用率最大计算资源越来越多、计算环境越来越复杂，用户应用越来越简单基本存储体系更为复杂的存储体系程序如何存储在外存上面?程序如何装载到内存中?装载到哪里?程序如何被CPU执行?CPU执行哪个程序?磁盘管理内存管理处理机管理程序(文件)管理作业管理与进程管理操作系统的基本功能操作系统：(1)管理内存/外存/CPU资源；(2)完成应用程序的执行网络管理设备管理真实世界复杂系统(包括人系统)分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理合作-协同：联合管理如何理解复杂系统，如何求解复杂系统？分工-合作-协同化复杂为简单操作系统—不仅仅是应用领导者/总控：完成宏观任务的各种资源协调者复杂任务：分工-合作-协同资源体系：不同性能资源的组合运用资源管理：化整为零与还零为整-效率资源调度：分时-并行-分布操作系统：完成大(宏观)任务的计算资源协调者程序执行：分工-合作-协同存储体系：不同性能资源的组合运用

磁盘管理/网络传输：化整为零与还零为整-效率CPU调度：分时-并行-分布为什么要深入理解操作系统理解操作系统，也就是理解如何做领导：操作系统是最高水平的领导第12讲如何产生与如何运用大规模计算能力

—虚拟化与云计算哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣冯.诺依曼计算机计算机系统是如何演变的回顾：内存中的程序被CPU执行参见视频《机器程序是如何被执行的--一台典型的计算机》个人计算机冯.诺依曼计算机计算机系统是如何演变的回顾：应用程序在操作系统的管理下被执行参见视频《分工-合作-协同看操作系统》个人计算机冯.诺依曼计算机并行分布计算环境计算机系统是如何演变的多核(CPU)并行处理：多个CPU、多个内存、多个硬盘多机分布处理个人计算机冯.诺依曼计算机并行分布计算环境计算机系统是如何演变的个人计算机冯.诺依曼计算机云计算环境计算系统发展之重要功劳在于“软件”,软件促进环境发展,

软件也在随环境的变化而发展并行分布计算环境计算机系统是如何演变的云：超多CPU、超多内存、超多硬盘—弹性可配置问题：如果应用程序运行，需求内存超过了实配内存怎么办？--充分利用CPU地址空间，利用内存-外存交换，使内存看起来扩大CPU地址线位数20位32位39位40位最大可访问内存1M4G512G1T实配(物理)内存128K,256K,512K,1M512M,1G,2G,4G64G,128G,256G,512G128G,256G,512G,1T从理解虚拟内存与物理内存开始，理解虚拟化虚拟内存与物理内存内存外存CPU虚拟内存空间物理内存空间【虚拟内存】CPU能访问的地址空间【物理内存】实际配置的内存假设：1页=4K（1）虚拟内存：【页/Page】；物理内存：【页框/PageFrame】（2）虚拟地址=页地址+页内地址（3）通过【页表】建立虚拟内存与物理内存的映射关系：哪一虚拟内存页由哪一物理内存页框存储。（4）虚拟内存是连续的地址空间。而物理内存页框内是连续的地址空间，页框之间不一定连续。（5）程序运行期间，不同的虚拟内存页可指向相同的页框，通过内存-外存置换，使同一页框装载不同的内容思考题：2GB的物理内存怎样支持需求3GB空间的程序运行？虚拟内存与物理内存的映射从理解虚拟内存与物理内存开始，理解虚拟化基础回顾-计算机系统的存储体系(4)操作系统如何管理磁盘和数据CPU虚拟化—可用n个实际CPU支撑m个虚拟CPU的运行操作系统虚拟化—可用n个宿主硬件支撑m个操作系统的运行（客户机）内存虚拟化—可用n个内存系统（宿主机）支撑m个内存系统（客户机）什么是虚拟化虚拟化是在实际系统基础上配置出虚拟系统提供给客户使用虚拟化是一种技术，它是在实际物理系统基础上配置出虚拟系统提供给客户使用。而客户使用的虚拟系统在运行时又通过映射最终在实际物理系统中运行。物理机OS物理机OS物理机OS虚拟化OS:将虚拟机上的进程分配到物理机OS执行虚拟化OS虚拟化OS云操作系统(CloudOperatingSystem):跨物理机管理OS:进程OperationProg1…Progn

OSOperationProg1…Progn

OSOperationProgOSOperationProg1…Progn

物理机：CPU数百数千数万个;内存数百数千数万个64GB外存数百数千数万个1TB什么是云云(Cloud)：基础设施作为服务（IAAS：InfrastructureAsAService）不同性能的虚拟机(需求)：(1)CPU数目(2)内存容量(3)外存容量(4)网络带宽软件和数据的“云”化SoftwareFileorRDBofUser#iFileorRDBofUser#jFileorRDBofUser#nUser#iUser#jUser#nSoftwareSoftwareSoftwareSoftwareFileorRDBofUser#iFileorRDBofUser#jFileorRDBofUser#nUser#iUser#jUser#nSoftwareSoftwareSoftwareFileorRDBofUser#iFileorRDBofUser#jFileorRDBofUser#nGloabalFileSystemorGlobalRDB/NoSQL(服务的)预定、监控和结算(服务的)预定、监控和结算SAAS(SoftwareAsAService)将软件以可配置可计费的服务方式提供给用户使用云Cloud云Cloud什么是云Thetoolsweusehaveaprofoundinfluenceon