操作系统-1绪论(2).ppt

1、1.4 操作系统的特征和功能,1.4.1 操作系统的特征 1.4.2 操作系统的服务,返回,1.4.1 操作系统的特征,并发(concurrency) 共享(sharing) 虚拟(virtual) 异步性(asynchronism),并发(concurrency),在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。 程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。,共享(sharin

2、g),互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。 同时访问（如可重入代码，磁盘文件） 资源分配难以达到最优化,多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。,虚拟(virtual),CPU每个用户（进程）的虚处理机 存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈） 显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal),一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。,异步性(asynchronism),进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个

3、进程并发执行，时走时停，不可预知每个进程的运行推进快慢 判据：无论快慢，应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证 难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误） 性能保证：实时系统与分时系统相似，但通过资源预留以保证性能,也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；,1.4.2 操作系统的服务,服务类型 程序执行和终止（包括分配和回收资源） I/O操作 文件系统操作 通信：本机内，计算机之间（通常通信服务的使用者为进程，而不是笼统说主机） 配置管理：硬件、OS本身、其他软件 差错检测 服务提供方式：系统命令和系统调用,1.4.3操作系统的功能,1.4.3.1 处理机管理 1.4.

4、3.2 存储管理 1.4.3.3 设备管理 1.4.3.4 信息管理 1.4.3.5 用户接口,返回,1.4.3.1 处理机管理,进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动改变进程的状态 进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；交换信息能力弱 进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进 进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能；未必是进程控制操作所引起（可能是时间片轮转、I/O操作） 同一类型内的公平性、高效率（吞吐量大）、作业周转时间等,完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线

5、程。,1.4.3.2 存储管理,存储分配与回收 存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从垃圾中窃取其他进程的信息； 地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射； 内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间；,管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。,1.4.3.3 设备管理,设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的IRQ。 设备独立性(device independence)：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下

6、完成不同的内容（如FAX Modem作为Windows上的打印机设备）。 设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。 虚拟设备(virtual device)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。 缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）,设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率；,1.4.3.4 信息管理,文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。 目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名 文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令哪个用户、用户分类哪个

7、用户组、文件权限针对用户或用户组的读写权 软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等,解决软件资源的存储、共享、保密和保护。,1.4.3.5用户接口,系统命令：供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI联机；命令脚本脱机 编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数；,目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口：,1.5操作系统的硬件环境,构成计算机的基本硬件元素有4种：处理器、存储器、I/O控制与总线、外部设备等，操作系统在硬件之上软件之下，直接与硬件打交道 CPU 中断 通道 地址映射机制 存储保护设施,1.5.1

8、CPU,CPU状态 CPU状态的转换,CPU指令系统,两类指令 特权指令：允许操作系统使用,不允许一般用户使用 (如修改程序状态字;设置中断屏蔽；启动I/O设备;清内存;设置时钟；停机等) 非特权指令：一般用户可用的,CPU状态：,在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置 PSW (Program Status Word ) 一个或一组寄存器: 条件码、状态信息位 允许中断位 管理(OS)/用户态位,CPU状态：,管态(特态，系统态)：能执行指令全集(包括特权，非特权指令),具有改变CPU状态的能力,操作系统在管态下运行 目态(普态)：只能执行非特权指令,用户程序在目态下运行.

9、(如果在目态下用户执行了特态指令,则产生中断,由操作系统得到控制权,而特权指令被停止.) （这两种状态时可转换的）,CPU状态的转换,目态-管态 其转换的唯一途径是通过中断 管态-目态 可用设置PSW(修改程序状态字)可实现,1.5.2中断,特点: 中断系统的概念,中断概述,中断是现代计算机系统中基本设施之一，它起着通讯联络作用，协调系统对各种外部事件的响应和处理。中断是实现多道程序的必要条件。 引入中断的目的 解决主机与外设的并行工作问题 提高可靠性 实现多机联系 实现实时控制,中断定义： CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应： CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的

10、处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序。,特点:,1) 中断随机的 2) 中断是可恢复的 3) 中断是自动处理的,中断系统的概念,中断由软硬件协同处理 中断装置：指发现中断,响应中断的硬件 中断处理程序：由软件来完成 中断系统=中断装置+中断处理程序,1.5.3通道引入通道的目的,为了使CPU从I/O事务中解脱出来, 同时为了提高CPU与设备、设备与设备之间的并行度,通道定义：,独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入/输出操作可和CPU并行操作,1.5.4地址映射机制,同时有多个程序在内存， 程序

11、在内存的位置不是固定的而是随机的,存储保护设施,多用户，多任务操作系统：OS给每个运行进程分配一个存储区域 问题： 多个程序同时在同一台机器上运行，怎样才能互不侵犯？,保护的目的：,防止用户程序破坏OS 防止用户程序互相干扰,保护的硬件支持：,为了保证软件程序只影响程序的内部，硬件提供两项功能 地址转换 一对寄存器：基地址寄存器，限长寄存器 两种状态运行,地址转换：,地址空间： 一个程序可以访问的所有地址 限制程序做什么可以通过限制它的访问达到,两种状态运行,操作系统中：可以做任何事（核心态） 用户程序中：限制只能访问属于它自己的空间（用户态） 划分每一地址空间，使其行为不能造成破坏,应用程序

12、,标准库,用户态,核心态,可移植OS层,依赖于机器OS的层,硬件,典型UNIX操作系统结构,1.6 研究操作系统的几种观点,资源管理的观点： OS是计算机硬件、软件资源的管理者. 管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）； 管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。 用户界面的观点：提供良好的、一致的用户接口, 方便用户使用软/硬件系统资源。 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）； 系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。 进程管理的观点：进程管理贯穿于操作系统始终。,1.7 常用

13、的操作系统,1 MS DOS 2 MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 3 UNIX 4 LINUX,返回,1.7.1 UNIX,1965年：MIT的Multics，由于规模和进展而没有达到目标； 1969年：AT 二是内核。,内核是提供支持系统运行的基本功能的一组程序模块，有了内核的支撑，进程运行环境得到改善，安全性得到保证，系统效率就能提高。,操作系统的结构设计,操作系统体系结构分类,客户服务器及微内核结构,客户/服务器及微内核结构的思想 每个进程实现一类服务，称服务器进程(如文件服务、进程管理服务、存储管理服务、网络通信

14、服务等)。 它的任务是检查是否有客户提出服务请求，如果有请求则在满足客户的要求后返回结果，于是，用户进程与服务器进程形成了C/S关系。,操作系统的结构设计,操作系统体系结构分类,客户服务器及微内核结构,客户/服务器及微内核结构的思想 内核把该消息传给服务器; 服务器执行相应操作，再通过内核用消息把结果返回给用户。内核只实现极少任务，主要起信息验证、交换的作用，因而，称微内核(Microkernel)， 这种结构也就称为客户/服务器与微内核结构。,操作系统的结构设计,操作系统体系结构分类,客户服务器及微内核结构,1） 分层结构内核,2） 微内核,进程管理,硬件,存储管理,设备管理,文件管理,作业

15、管理,内 核 模 式,微内核,硬件,客户进程,安全服务,虚存管理器,文件服务器,设备驱动程序,用 户 模 式,操作系统的结构设计,操作系统体系结构分类,客户服务器及微内核结构,微内核结构的优点有: 1）一致性接口 2）可扩充性 3）可移植性 4）可靠性,操作系统的结构设计,实例：Linux2.4的结构分析,Linux是单内核操作系统 Mach是微内核操作系统 Windows2000/XP改进的C/S结构,操作系统的结构设计,实例：Linux2.4的结构分析,用户进程 系统调用接口 Linux内核 硬件,操作系统的结构设计,实例：Linux2.4的结构分析,用户进程 系统调用接口 Linux内核 硬件,是操作系统的灵魂，辅助管理磁盘上的文件，内存，负责启动并运行程序，从网络上接收和发送数据包。内核实际上是抽象资源操作到硬件操作细节之间的接口,Linux内核,操作系统的结构设计,实例：Linux2.4的结构分析,内核的组织方式是整体式结构 linux内核由很多模块组成，每个模块可以单独编译