计算机系统的组成

1、Applied Operating System Concepts(AOSC)介绍,One of the following three books would be sufficient to prepare for the Operating Systems component of the exam. Applied Operating System Concepts A. Silberschatz, P. Galvin, and G. Gagne. John Wiley card reader very slow.问题：慢 - I/O和CPU不可能彼此覆盖；卡片阅读器很慢 Soluti

2、on: Off-line operation speed up computation by loading jobs into memory from tapes and card reading and line printing done off-line.解决：脱机操作 - 从磁带和卡片调作业进入内存，而打印机脱机，加速运算,Off-Line I/O,由于程序和数据的输入和输出都是在外围机/卫星机的控制下完成的，或者说它们是在脱离主机的情况下进行的，故称为脱机输入输出方式。 优点： 减少CPU的空闲时间 提高I/O速度,IBM 7094机引入了I/O 处理机概念 其思想是：在输入室收集

3、全部的作业，用一台相对便宜的计算机如IBM 1401计算机，将它们读到磁带上，另外用较昂贵的计算机，如IBM7094来完成真正的计算,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,Spooling,Overlap I/O of one job with computation of another job. While executing one job, the OS.一个作业的I/O 同另一个作业的运算彼此重叠。在执行一个作业时，OS负责： Reads next job from card reader into a

4、storage area on the disk (job queue).从卡片上把下一个作业读入磁盘存储区（作业队列） Outputs printout of previous job from disk to printer.从磁盘到打印机输出先前的作业 Job pool 作业池 data structure that allows the OS to select which job to run next in order to increase CPU utilization. 一种允许操作系统选择运行作业的数据结构，用以提高CPU利用率,多道程序设计（Multiprogrammin

5、g）,在简单批处理系统中，若当前作业因等待I/O而暂停，CUP只能踏步直至该I/O完成,对于CPU操作密集的科学计算问题，浪费时间少,而对于商业数据处理，I/O等待时间常占8090 解决办法：将内存分几个部分，每部分放不同的作业，当一个作业等待I/O时，另一个作业可以使用CPU，在内存中同时驻留多个作业需要硬件进行保护,以避免信息被窃取或攻击,多道程序设计（Multiprogramming）,把提交的作业都先放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”，由作业调度程序按照一定的调度算法从后备队列中选择若干个作业调入内存。 把一个以上作业存放在内存，并同时运行，共享处理机时间和外部设备等系统资源。

6、 单处理机：“多个作业同时运行”指每个作业都已开始运行但尚未结束。任一时刻处理机上运行的作业只有一个！,多道程序设计的概念,多道程序设计是指在内存中同时存放多道用户作业,使它们都处于执行的开始点和结束点之间。 多道程序设计的特点： 多道：内存中有多道程序，它们在任一时刻必须处于就绪、运行、阻塞三种状态之一。 宏观上并行：宏观上它们是同时执行。 微观上串行：微观上它们是交替地执行。,Multiprogrammed Batch Systems多道程序批处理系统,Several jobs are kept in main memory at the same time, and the CPU is

7、 multiplexed among them. 在主存中同时有若干个作业， CPU在其中多重切换。,批处理系统中作业处理及状态,OS Features Needed for Multiprogramming多道程序对OS特点的要求,I/O routine supplied by the system. 系统提供I/O程序 Memory management存储管理 the system must allocate the memory to several jobs.系统必须为若干作业分派空间 CPU scheduling CPU调度 the system must choose among

8、 several jobs ready to run.系统必须在就绪作业中挑选 Allocation of devices. 设备分配,多道批处理系统的优缺点,优点： 资源利用率高：CPU、内存、I/O设备利用率较高； 系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大； 缺点： 无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改； 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长； 系统吞吐量：系统在单位时间内所完成的总工作量 作业周转时间：作业从进入系统到完成退出系统所经历的时间 批处理：交互性差提高对CPU利用率； 分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商业和办公事务

9、处理缩短响应时间,Time-Sharing SystemsInteractive Computing分时系统-交互式计算,Time-Sharing SystemsInteractive Computing分时系统-交互式计算,分时系统的思想于1959年在MIT提出 分时系统：指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可以使用自己的终端和主机交互，方便用户上机。 分时实现的关键问题：及时接受，及时处理在不长的时间内（3秒），使每一个作业都能运行一次（较短的时间：0.1秒） 。 分时技术：把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，

10、称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。,Time-Sharing SystemsInteractive Computing分时系统-交互式计算,On-line communication between the user and the system is provided; when the operating system finishes the execution of one command, it seeks the next “control statement” not

11、 from a card reader, but rather from the users keyboard.提供用户和系统之间的在线通信；操作系统完成了一条命令的执行后，它不从卡片阅读机上而是从用户键盘上寻找下一条控制语句 On-line system must be available for users to access data and code. 在线系统必须使用户能够访问数据和代码,Time-Sharing SystemsInteractive Computing分时系统-交互式计算,分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。 (1) 多个用户分时：

12、单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入时走时停 (2) 前台和后台程序(foreground communication usually takes place through the shared memory. 紧偶合系统 - 处理器共享内存和时钟；一般通过共享内存进行通信 Advantages of parallel system: 并行系统的优点 Increased throughput增大吞吐量 Economical 经济 Increased reliability

13、提高可靠性 graceful degradation（有故障时）优雅的降低性能 fail-soft systems（又称）软失效系统,Parallel Systems并行系统(Cont.),Symmetric multiprocessing (SMP)对称多处理 Each processor runs an identical copy of the operating system. 每个处理器运行操作系统的相同副本 Many processes can run at once without performance deterioration.许多进程可以立即运行不会降低性能 Most m

14、odern operating systems support SMP多数现代操作系统支持SMP Asymmetric multiprocessing非对称多处理 Each processor is assigned a specific task; master processor schedules and allocates work to slave processors.每个处理器赋予一个特定任务；主处理器为从处理器调度和分配作业 More common in extremely large systems常用在非常大的系统中,Symmetric Multiprocessing Ar

15、chitecture对称多处理器体系结构,对称多处理器与非对称多处理器体系结构,网络操作系统(NOS, Network Operating System),网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。 网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。,网络操作系统(NOS, Network Operating System),网络操作系统的功能 1)通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等； 2)网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输； 3)资源管理：协调各用户使用； 4

16、)网络服务：文件和设备共享，信息发布； 5)网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等； 6)互操作：以透明的方式访问C/S的LAN环境下的服务器或其他网络中的文件服务器上的文件系统。,互操作：实现不同网络之间的信息互通性和信息互用性. 信息互通性:不同网络的结点之间能互相通信。实现：配置同一类型的传输协议，如TCP/IP 信息互用性:不同网络的结点之间能互用彼此的信息。实现：配置一个网络文件系统协议，来沟通不同网络中的文件系统，如SUN公司的NFS（Network File System）,何为互操作,Distributed Systems分布式系统,Distribute the comput

17、ation among several physical processors.计算分布在若干物理处理器上 Loosely coupled system each processor has its own local memory; processors communicate with one another through various communications lines, such as high-speed buses or telephone lines. （从处理器管理角度看）松散偶合系统 - 每个处理器有自身的本地存储器；通过各种通信设施，如高速总线、电话线等进行处理器

18、之间的通信 Advantages of distributed systems.分布式系统的优点 Resources Sharing 资源共享 Computation speed up load sharing 加快计算 - 共享装载 Reliability可靠 Communications通信,分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中式系统） 分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。,Distributed Systems分布式系统(C

19、ont.),Distributed Systems分布式系统(Cont.),Network Operating System网络操作系统 provides file sharing 提供文件共享 provides communication scheme提供通信机制 runs independently from other computers on the network运行独立于网络上的其他计算机 Distributed Operating System分布式操作系统 less autonomy between computers在计算机之间少了自治性（与NOS相比） gives the

20、impression there is a single operating system controlling the network.给出一种印象，有一个操作系统控制网络,Distributed Systems分布式系统(Cont.),基于两种环境： 多处理机(多CPU)系统：紧密耦合 建立在多个CPU上物理上相邻，通过总线或开关网连接处理器，共享内存进行通信 基于计算机网络的多计算机系统：松散耦合, 建立在网络上地理上分开，通过网络用报文（Message）连接,分布式操作系统与网络操作系统的比较： 分布性：分布式操作系统较均匀地分布在各个站点上，控制和处理均分布，而网络操作系统的控制功

21、能不能分布 耦合程度： 分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立的OS同质，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理； 网络通常容许异种OS互连，各机上各种服务程序需按不同网络协议协议同质。 并行性： 分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行进程迁移； 网络则各机上的进程独立，无任务分配功能。 透明性：用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如CPU、内存或外设）。 分布式系统的网络资源调度对用户透明，用户不了解所占有资源的位置； 网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定； 健壮性：分布式系统要求更强的容错能力（工作时系统重构）,Distributed Syste

22、ms分布式系统(Cont.),嵌入式操作系统(Embedded OS),嵌入式操作系统 是运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件,嵌入式操作系统的应用,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统 具有某些实时系统的特征 但有限制条件 大小、内存、能源 例子 PalmOS，WindowsCE,嵌入式操作系统的应用,美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装TinyOS,智能卡操作系统,智能卡：一种包含有一块CPU芯片的信用卡 特点： 非常严格的运行能耗和存储空间的限制 有些智能卡只有单项功能，诸如电子支付 专用的操作系统 有

23、些智能卡是面向Java的。其含义是在智能卡的ROM中有一个Java虚拟机解释器。Java 小程序被下载到卡中并由JVM解释器解释。有些卡可以同时处理多个Java 小程序，这就是多道程序，并且需要对它们进行调度。在两个或多个小程序同时运行时，资源管理和保护就成为突出的问题。这些问题必须由卡上的操作系统处理,智能卡操作系统,在读写器与智能卡之间通过“命令-响应对”方式进行通信和控制 读写器发出操作命令，智能卡接收命令 操作系统对命令加以解释，完成命令的解密与校验 操作系统调用相应程序来进行数据处理，产生应答信息，加密后送给读写器,现代操作系统的特征,并发(concurrency) 多个事件在同一时

24、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。 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。,共享(sharing) 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。 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,现代操作系统的特征,虚拟(virtua

25、l) 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。 CPU每个用户（进程）的“虚处理机” 存储器每个进程都占有自己的地址空间（指令数据堆栈） 显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal),现代操作系统的特征,异步性(asynchronism) 也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性； 进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢 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）,现代操作系统的特

26、征,研究操作系统的几种观点,作为软件的观点,资源管理的观点,虚机器观点,服务提供者观点,作为软件来看的观点,软件的特性 外在特性 软件是种语言,是界面 界面：使用方式 （命令，系统调用等) 内在特性 软件的结构 a.由有几部分组成 b.每个部分的功能 c.各部分之间的关系,资源管理的观点,操作系统-资源管理者（自底向上） 操作系统管理一个复杂系统的各个部分 硬件资源： CPU，内存，外部设备(I/O设备，外存，时钟，网络接口等) 软件资源： 硬盘上的文件，信息 两种方式实现复用（共享）：时间 及 空间,资源管理的目的,实现资源共享 提高资源利用率,操作系统功能,进程和线程管理(CPU管理),存

27、储管理,文件管理,设备管理,作业管理,进程的观点,从操作系统运行的角度动态的观察操作系统 从这个观点来看： 操作系统是由一些可同时独立运行的进程和一个对这些进程进行协调的核心组成,虚机器观点,从操作系统内部结构来看： 把操作系统分成若干层 每一层完成其特定功从而构成一个虚机器，并对上一层提供支持 通过逐层功能扩充,最终完成整个操作系统虚机器 而操作系统虚机器向用户提供各种功能, 完成用户请求,服务提供者的观点,在操作系统之外 从用户角度来看： 操作系统为用户提供一组功能强大的、方便易用的命令或系统调用,操作系统作为 标准服务提供者 提供每个用户需要的标准工具 如标准库、窗口系统,程序创建和执行

28、 存取I/O设备 控制对文件的存取 系统存取 错误检测和回应 统计,其他观点,操作系统作为 仲裁者（协调者） 使多个应用程序/用户高效，公平地一起工作 保护用户不互相干扰 例子：并发，存储保护，文件系统，网络,操作系统作为 管理程序 硬件平台扩展为运行平台 运行平台是承载应用程序的载体,平台之争 企业竞争的范围已经超出了市场、 资本和技术 竞争的焦点： 表面上：平台（标准） 实质上：争夺产业的制高点,操作系统的功能,处理机管理 存储器管理 设备管理 信息管理 用户接口,处理机管理,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程。 进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动

29、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（互斥：锁机制；同步：信号量机制） 进程通信：相互合作的进程之间的信息交换，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（消息传递） 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,存储器管理,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。 存储器分配与回收 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，越界检查由硬件完成； 地址映射（地址重定位）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射，应在硬件的支持下完成； 内存扩充（交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间（请求调入、置换）；,设备管理,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； 缓冲