《操作系统结构分析及应用编程》第1章 概述

1、1,一个计算机系统由硬件和软件构成。,计算机硬件,软件,计算机系统,操作系统 (OS - Operating System),2,操作系统是计算机系统中最重要的系统软件。,从用户环境的观点看,操作系统为用户提供了使用计算机的接口:,终端用户利用命令接口操作计算机；,程序员利程序接口(API)编程；,3,第一代：电子管计算机,电子管,电子管计算机,4,从资源管理器的观点看,高效管理计算机的软硬件资源，实现资源的有效利用。,从虚拟机的观点看,为用户提供一台更易于使用的计算机。,主要功能:,(1)监视资源,5,(3)回收资源,(2)分配资源,从作业的组织观点看,是作业的组织者和管理者。,(4)保护资

2、源,6,操作系统的发展历程,1.单道批处理阶段；,2.多道批处理阶段；,3.分时操作系统；,4.实时操作系统；,5.通用操作系统；,7,操作系统还可以分为：,1.分布式操作系统,将大量的计算机通过网络被连结在一起，以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。,Distributed Operating System,8,2.网络操作系统,基于计算机网络，在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。其目标是相互通信及资源共享 。,Network Operating System,9,3.嵌入式操作系统,运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系

3、统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。程，并使整个系统能高效地运行。,Embeded Operating System,10,1.1 计算机系统资源与操作系统,硬件,构成计算机的基础，为软件提供运行平台。,软件,扩展计算机硬件的功能，为用户提供使用计算机的环境。,11,计算机硬件,操作系统,软件系统,应用软件,图1.1 计算机系统机构,12,常用名词术语：,用户接口（也称命令接口）,User Interface,应用编程接口API,Application Programing System,图形用户接口GUI,Graphical User Inter

4、face,13,虚拟机 Virtual Machine,14,1.2 操作系统的发展,1.2.1 推动操作系统发展的关键因素,20世纪50年代第一个简单批处理系统延生；,20世纪60年代中期产生了多道批处理系统延生；,20世纪80年产生了微机操作系统和网络操作系统；,15,推动操作系统发展的动因：,1. 计算机硬件的发展,2. 提供新的服务，方便使用,3. 提高计算机资源利用率,4. 更正OS软件的错误,5. 计算机体系结构的发展,16,1.2.2 操作系统发展的几个典型转变,1.2.3 操作系统的进一步发展,目前主要的操作系统有：,Windows系列、Linux和UNIX操作系统,嵌入式操作

5、系统系列：Windows CE、VxWorks,17,1.3 现代操作系统的设计概要,操作系统是一种软件，按软件包程的要求：,需求 分析,系统 设计,编码 实现,产品 测试,图1.2 软件设计的典型过程,18,人们从外部对软件系统提出的期望:,(1) 软件能提供的服务;,(2) 提供这些服务需要满足的限制条件;,(3) 软件系统具有适应某些变化的能力;,19,1.3.1 操作系统的功能性需求,操作系统的主要功能是有效管理系统资源，合理控制工作流程，方便用户使用计算机。,1.接口功能,(1) 命令接口,(2) 图形用户接口,20,(3) 程序接口,2.处理器管理功能,(1) 进程控制,(2) 进

6、程同步,(3) 进程通信,(4) 进程调度,21,3.存储器管理功能,(1) 内存分配, 静态分配 动态分配,(2) 内存保护,(3) 地址映射,(4) 内存扩充,22,4.输入/输出设备管理功能,(1) 缓冲管理,(2) 设备分配,(3) 设备处理,(4) 虚拟设备,23,5.文件管理功能,(1) 目录管理,(2) 文件的逻辑管理与访问方式管理,(3) 存储空间的管理,(4) 文件共享与安全管理,24,1.3.2 操作系统的非功能性需求,1.系统性能或效率 Performance Or Efficiency,(1) 处理器性能,处理器在单位时间内完成的有效工作。,(2) 存储器性能,25,(

7、3) 外部设备的性能,(4) 文件系统的性能,2.资源利用率 Resource Utilization Rate,3.公平性 Fairness,26,4.可靠性 Reliability,5.安全性 Security,操作系统发生错误的概率。,操作系统的非功能性需求还包括：,(1) 可伸缩性;,(2) 可扩展性;,(3) 可移植性;,27,1.3.3 操作系统依赖的硬件平台,1.时钟,2.中断,3.存储保护,28,1.3.4 操作系统的体系结构,所谓的操作系统体系结构是指操作系统是如何构成的。,29,用户接口 子系统,应用 软件,基础平台子系统,计算机硬件平台,图1.4一种常见OS体系结构,计算

8、机用户,30,1.基础平台系统的结构风格之一,(1)分层/分级,(2)分块,2.基础平台系统的结构风格之二,单模式和多模式。,所谓的模式是指程序运行时使用CPU的特权方式。,31,核心子系统,计算机硬件平台,图1.5 双模式基础平台子系统风格,计算机用户,核外子系统,用户模式,核心模式,32,3.微核结构,1.3.5 操作系统中的关键数据结构,1.存储表,用于记载物理内存和虚拟内存的相关信息。,2.设备表,33,用于管理计算机系统中所有的I/O设备和通道。,3.文件表,4.进程表,用于管理计算机系统中所有文件的相关信息。,用于管理计算机系统中所有进程的相关信息。,34,1.4 Linux操作系

9、统简介,1.4.1 Linux操作系统的起源及特性,1991年8月由芬兰人(Linus Torvalds)发布。,Linux是免费的32位的多用户多任务操作系统。,35,Linux源代码完全公开,符合GNU GPL的原则。,GNU源代码完全公开,符合GNU GPL的原则。,GNU 一个自由软件工程项目,GPL General Public License,36,Linux的特点:,(1) 易管理：采用层式目录结构，文件归类清楚、容易管理。,(2) 良好的开放性：支持多种文件系统。,(3) 可移植性好：90%以上的源代码采用C语言编写。,37,(4) 虚拟内存和共享库。,(5) GNU软件的支持

10、。,所谓的共享库是指可以共享标准子过程，从而节约系统空间。,38,1.4.2 Linux操作系统运行的基本硬件平台,(1) Intel 80386或以上；,(2) ISA、EISA或PCI总线；,(3) 至少4M内存，运行X-Windows至少需要8M；,(4) 至少150M硬盘，全部安装需250M硬盘；,39,(5) 支持大部分显卡；,(6) 真正的三键鼠标；,40,1.4.3 主流Linux操作系统版本介绍,(1) Red Hat Linux；(俗称“红帽子”),(2) Caldera OpenLinux；,(3) SuSE Linux；,(4) TurboLinux;,41,1.5 Li

11、nux的系统调用分析,1.5.1 什么是系统调用,系统调用是指由操作系统提供的一系列服务程序供用户调用。,1.5.2 系统调用的作用,系统调用是用户访问操作系统的唯有效的方法一。,42,方便用户开发应用程序。,1.5.3 系统调用的工作原理,Intel 80386定义了2种工作模式：实模式和保护模式。,1.5.4 Linux系统调用的相关数据结构,arch/i386/kernel/entry.S,43,该文件包含系统调用、异常的低层处理程序、信号量识别程序等。,(1)系统调用入口函数 system_call,(2)系统调用返回函数 ret_from_system_call,(3)系统调表 sy

12、s_call_table,44,2. arch/i386/kernel/tarp.c,该文件包含系统中若干出错处理程序。,3. arch/i386/kernel/unistd.h,是一个C库文件,其中定义了Linux的所有系统调用。,45,1.6 Linux的系统调用设计,1.6.1 添加一个系统调用,1. 系统调用设计时所需要的实验环境,Page 25,2. 设计步骤,(1) 确定系统调用名称mysyscall,46,确定系统调用中的相关名称:,系统调用编号名字:_NR_mysyscall,系统调用实现程序名字:sys_mysyscall,3. 设计实现,(1) 添加统调用号,文件 /usr/include/unistd.h:,47, #define _NR_set_tid_address 258 #define _NR_mysyscall 259 ,(2) 在系统调用表中添加相应表项,文件 /usr/src/linux-2.4/arch/i386/kernal/entry.S:,48,ENTRY(sys_call_table) .long SYMBOL_NAME