LEC1-操作系统概述-2008

1、Operating SystemLecture OneIntroduction to OSSchool of SoftwareNanjing University1关于操作系统课程2教学材料Operating Systems: Internals and Design Principles, William Stallings, Prentice Hall, http:/WilliamS/OS/OS5e.html操作系统教程（第三版），孙钟秀等，高等教育出版社，推荐学有余力的同学自行阅读：关于MINIX，LINUX，UNIX内核分析的书籍 3课程学习目标明确计算机操作系统的作用与功能掌握操作系

2、统实现的基本原理与方法在微观上，掌握设计实现各个操作系统模块的方法、策略与算法在宏观上，掌握操作系统的结构和设计实现方法，进一步了解大型软件系统的结构和设计实现方法掌握并发程序设计的基本方法4操作系统教学内容的三种方案讲授具体操作系统的使用与编程电子信息类非计算机专业常用计算机专业应具备自学该类知识的能力学院会开设此类选修课程分析操作系统的设计与实现原理计算机专业主流教学方法目标明确，系统性强，基础扎实，实用性显不足分析一个小型操作系统的实现部分工科学校计算机专业采用实践性强，系统性不够，易造成以偏概全5操作系统课程的教学方法方法一分析操作系统的设计与实现原理鼓励学有余力的学生自行阅读具体操作

3、系统分析书籍，或设置此类选修课方法二分析一个小型操作系统的实现教师必须有较强的知识传授把握能力，解决大多数学生编程能力不足的情况6操作系统课程的教学原则用系统的观点、全局的观点、整体的观点来看待操作系统的实现理解软硬件协同解决问题的方法理解分而治之、分层实现在复杂软件系统实现中的重要作用用工程师的立场来看待操作系统的实现理解文化在操作系统实现中的重要作用7本主题教学目标8本主题教学目标了解操作系统的主要类型和主流产品掌握什么是操作系统掌握操作系统管理的资源掌握操作系统的用户接口了解计算机系统的组成和具体计算的实施过程了解计算机操作方式及其演化过程掌握多道程序设计的概念与应用了解操作系统的主要成

4、就了解操作系统的分类与发展了解操作系统课程的学习方法 9你知道哪些操作系统？10工业化的硬件与OS产品IBM巨型机/大型机/中型机/小型机1980年CRAY巨型机DEC小型机苏联法语世界MAC微型机独立发展的UNIXIBM PCPC DOSPS2/OS2PC与开放结构MS-DOS/MS-WINDOWSINTELHP/DELLHP/DEC /COMPAQSUN小型机服务器HP/DELLHP/DEC /COMPAQUNIXIBM各种硬件大型机巨型机IBM机群UNIX/专用各种硬件11OS Examples Dos & Windows Unix & Solaris & Linux OS provid

5、ed by IBM Macintosh Netware 12DOSDOS：单用户单任务的微机操作系统DOS的历史：始于1981年的1.0版，至1994年的最后版本DOS 6.22DOS的主要功能有：命令处理、文件管理、设备管理、及简单的CPU调度和内存管理DOS的主要特点：系统开销小，运行效率高，适用于微型机DOS的主要缺点：无法发挥硬件能力，缺乏对数据库、网络通信的支持，没有通用的应用程序接口，用户界面不友善13Windows操作系统Xerox公司的图形用户接口(GUI)系统Apple公司的Lisa和Macintosh85年推出Windows 1.0, 87年推出Windows 2.090年

6、推出Windows 3.0, 92年推出Windows 3.193年推出Windows NT 3.1, 94年3.5, 96年4.095年推出Windows 95, 98年推出Windows 982000年推出Windows 20002000年推出Windows MeWindows XP/2003Windows Vista, 2005年14Windows早期版本的技术特点(1) 依赖于DOS操作系统(2) 友好、直观、高效的面向对象的图形用户界面(3)丰富的与设备无关的图形操作(4)多任务的操作环境(5)实现了虚拟内存管理，突破640KB限制(6)提供各种系统管理工具(7)允许装入和运行DOS

7、下开发的程序(8)提供数据库接口、网络通信接口，ODBC, Winsock(9)丰富的软件开发工具, Visual C+, SQL Server(10)面向对象的程序设计思想, MFC，COM组件15Windows95/98的技术特点独立的32位操作系统，同时能运行16位程序真正的多任务操作系统，在32位的方式下具有抢先多任务能力即插即用和电源管理支持新的硬件配置具有内置的网络功能，直接支持联网和网络通信，并提供对Internet的访问工具 新的图形界面，更加高级的多媒体支持支持FAT32文件系统16Windows NT的技术特点(1) 支持对称多处理(SMP)和多线程(2) 支持抢先的可重入

8、多任务处理(3) 32位页式授权虚拟存储管理(4) 支持多种API，提供源码级兼容性(5) 支持多种可装卸文件系统(6) 具有各种容错功能，C2安全级(7) 可移植性好(8) 集成网络计算(9) 能与Microsoft SQL Server结合，提供基于C/S、B/S架构的数据库应用系统的最好组合 17Windows 2000/XPServersProfessional2CPU, 4GAdvanced Server8CPU, 8GServer4CPU, 4GDatacenter Server32CPU, 64GWorkstation18Windows 2000/XP技术特征Provides f

9、ull multitasking in a single-user environmentClient/Server computingThreads and SMPModified microkernel architecture to Client/Server Model19设备驱动Windows执行体窗口和图形系统对象管理即插即用管理器电源管理安全引用监控器虚存进程和线程配置管理器本地过程调用文件系统内核硬件抽象层特殊系统支持进程服务进程用户应用程序环境子系统20Unix美国电报电话公司 (AT&T)的贝尔实验室于1969年在DEC公司的小型系列机PDP-7上开发成功73年开发出C语言

10、并改写Unix，从而使得Unix具有高度易读性、可移植性，为迅速推广和普及走出了决定性的一步74年7月，”Unix分时系统”一文在美国权威杂志CACM上发表，引起了广泛注意75年发布的Unix第6版是最早可获得的Unix78年的Unix第7版，可以看作当今Unix的祖先，该版为Unix走进商界奠定了基础。21UnixUnix商业版本的出现源于1977年的IS/1 AT&T：81年的System ，83年的System，84年的SVR2，87年的SVR3 78年起，SCO Unix和Microsoft的XENIXXENIX与AT&T Unix在使用标准上会合于SVR3.2Unix BSD：78年

11、的1BSD和2BSD、79年3BSD、80年之后的4/4.1/4.2/4.3/4.4BSD4BSD的商业代表Sun OS及其SolarisSun OS和SVR3.2在使用标准上会合于SVR4.0 22UnixUnix取得成功的最重要原因是系统的开放性，公开源代码，用户可以方便地向Unix系统中逐步添加新功能和工具，从而使得Unix越来越完善，成为有效的程序开发支撑平台Unix是目前唯一可以安装和运行在从微型机、工作站直到大型机和巨型机上的操作系统 23UNIX Architecture24Unix(1) Unix的结构分核心部分和应用子系统，便于做成开放系统(2) 分层可装卸卷的文件系统，提供

12、文件保护功能(3) 提供I/O缓冲技术，系统效率高(4) 剥夺式动态优先的CPU调度，支持分时操作(5) 命令语言丰富齐全(6) 具有强大的网络与通信功能(7) 支持多用户、多任务(8) 请求分页式虚拟存储管理25Modern Unix Systems实际上Unix已不是指一个具体操作系统，许多公司和大学都推出了自己的Unix系统AT&T的SVR ，SUN的Solaris，Berkeley的Unix BSD ，DEC的Digital Unix（并入Compaq称Tru64 Unix），HP的HP UX，SGI的Irix，CMU的Mach，SCO公司的SCO UnixWare， IBM的AIXU

13、nix的国际标准POSIXIEEE拟定了一个Unix标准，称作POSIX POSIX定义了相互兼容的Unix系统必须支持的最少系统调用接口。该标准已被多数Unix支持其他一些操作系统也在支持POSIX标准。26SolarisSUN Microsystem公司开发的Solaris是具有完全对称多处理和多线程支持的32位分布式计算环境的Unix操作系统变种 Solaris2.x基于SPARC和Intel平台，是一个可移植操作系统，可移植到任何新的主流平台上SUN公司推出64位操作系统Solaris2.7和2.8，在网络特性、可靠性、兼容性、互操作性、易于配置和管理方面均有很好改进27SUN NFS

14、SUN NFS(Network File System)是1984年推出的一个网络文件系统产品NFS提供了在异种机、异种操作系统的网络环境下共享文件的简单有效的方法NFS基于C/S模式实现，使用UDP协议和RPC(Remote Procedure Call)机制NFS的主要特点有：提供透明的文件访问和文件传送，用户使用本地或远程的文件没有区别，真正实现了分布式数据处理易于扩充新的资源，不需改变现有工作环境性能高、可靠性好、具有可伸缩性28MINIXMinix是荷兰计算机教授Tanenbaum开发的一个与Unix兼容，然而内核全新的操作系统，它非常简洁，短小，故称MinixMinix用C编写，可

15、读性好，学生可以通过它来剖析一个操作系统，研究其内部如何运作Minix具有多任务处理能力，支持TCP/IP Minix版权属于Prentice Hall，可免费下载用于教学http:/www.cs.vu.nl/ast/29自由软件与Linux70年代后期起很多软件不再提供源码，使用户无法修改软件中的错误，使用尤为不便。为此在1984年，Stallman启动了GNU计划，并成立了自由软件基金会自由软件（Free Software or Freeware）是指遵循通用公共许可证GPL（General public License）规则，保证您有使用上的自由、获得源程序的自由，可以自己修改的自由，可

16、以复制和推广的自由，也可以有收费的自由的一种软件30自由软件与LinuxGNU的含义是GNU is not Unix的意思，由Richard stallman指导并启动的一个组织Stallman先生通过GNU推出一套和Unix兼容，但同时又是自由软件的Unix系统，GNU 完成了大部分外围工作，包括gcc/ gcc+, shell等现在GNU的所有工作在继续向前发展。目前人们熟悉的一些软件如C+编译器、Objective C、FORTRAN77、C 库、BSD email、BIND、Perl、Apache、TCP/IP、IP accounting、HTTP server、Lynx Web都是自

17、由软件的经典之作31LinuxLinux是由芬兰藉科学家Linus Torvalds于1991年编写完成的一个操作系统内核，当时他还是芬兰赫尔辛基大学计算机系的学生，在学习操作系统课程中，自己动手编写了一个操作系统原型，并把这个系统放在Internet上，允许自由下载许多人对这个系统进行改进、扩充、完善，Linux由最初一个人写的原型变化成在Internet上由无数志同道合的程序高手参与的一场运动32Linux(1) 继承了Unix的优点，又有了许多更好的改进(2) 通用的操作系统，可作为Internet服务器、网关路由器、文件和打印服务器、个人使用(3) 内置通信联网功能，可让异种机联网(4

18、) 开放的源代码，有利于发展各种操作系统(5) 符合POSIX标准，各种Unix应用可方便地移植(6) 提供庞大的管理功能和远程管理功能(7) 支持大量外部设备(8) 支持32种文件系统(9) 提供GUI，有多种窗口管理器(10) 支持并行处理/实时处理，充分发挥硬件性能(11)可自由获得源代码，开发软件成本低33IBM系列操作系统IBM：国际商业机器公司IBM操作系统的发展历程目前IBM的主要操作系统RS/6000系列服务器及SP结点群集计算机，运行AIX操作系统 S/390企业级服务器，运行OS/390、VM和DOS/VSE操作系统AS/400服务器运行OS/400操作系统PC机等运行Wi

19、ndows/OS2/DOS等操作系统34AIXAIX(Advanced Interactive executive, AIX)操作系统，于1990年推出的，最新版本是AIX 5L运行在IBM RS/6000系列服务器及其IBM高端子产品线SP服务器集群产品上 AIX是一个超强重负载Unix操作系统，具有可伸缩性、高安全性、高可靠性的软实时操作系统，可以全年不停机工作AIX提供了一个安全的图形化界面的多用户环境，支持多线程、动态装卸设备驱动程序、网络特性出色、管理工具多样，支持各种语言、商用Unix软件大都可在其上运行35OS/390, VM, and DOS/VSE目前全世界商用数据处理70%

20、以上都运行S/390企业级服务器最新一代S/390 G6是世界上第一个使用铜质互联芯片技术的企业级服务器OS/390前身是MVS (多虚拟存储)，1996年IBM宣布OS390 1.1版，1998年IBM宣布OS/390 2.5版，目前最新版本是OS/390 2.7版S/390 上还可以运行VM和DOS/VSE操作系统00年12月推出的IBM z900系列大型主机，01年3月发布了OS/390操作系统的更新版zOS 36OS/390,VM, and DOS/VSEOS/390有几种不同的运行方式：S/370模式支持原S/370下运行的程序;MVS/ESA390(Enterprise Syste

21、m Architecture，ESA)模式可支持10个240MB内存和256个通道的多处理器系统ESA/390LPAR模式：可把系统从逻辑上分成(Logical Partitioning)最多十个部分，有些多CPU型号甚至可分成20个LPAR，每个部分有自己的CPU、内存和通道，且分别运行不同操作系统也可以运行IBM虚拟机操作系统VM和虚存扩充操作系统DOS/VSE37OS/400AS/400服务器是IBM开发的中型商用机器，AS/400上配置OS/400操作系统，在硬件之上自底向上共设置了四层软件：许可证内部代码(Licensed Internal Code, LIC) 是由IBM提供，并在

22、提交系统之前预先安装在AS/400上的一组用户不可见指令，用户程序需经硬件自动转换成LIC才能被CPU执行OS/400主要提供以下功能：控制语言和菜单、系统操作员服务、程序员服务、工作管理、设备管理、数据管理、消息处理、通信和安全性保证程序设计支持层提供C、C+、Cobol、RPG、Java应用支持层提供网络管理、工业应用、数控库和系统管理服务38OS/2采用图形化用户接口，操作直观方便可以在16位和32位两种CPU上工作使用虚存可扩充到4GB引入会话、进程、线程的概念，实现多任务控制提供高性能文件系统，采用长文件名和扩展文件属性提供应用程序设计接口，可以支持多任务、多线程和动态连接。具有和M

23、S-DOS的向上兼容性，MS-DOS的文件可在OS/2下读写39Mac OS美国Apple公司推出,运行在Macintosh计算机上MAC OS是较早的图形化界面的操作系统，由于拥有全新的窗口系统、强有力的多媒体开发工具和操作简便的网络结构而风光一时Mac OS操作系统的主要特点： 采用面向对象技术 全图形化界面 虚拟存储管理技术 应用程序间的相互通信 强有力的多媒体功能 简便的分布式网络支持 丰富的应用软件40NetwareNetware是Novell公司开发的网络操作系统Netware具有高性能文件系统、支持DOS、OS/2、MAC、及Unix文件格式Netware具有三级容错，可靠性高；

24、安全保密性好，具有开放性，提供开放的开发环境41操作系统及其功能42What is Operating SystemOperating System is a program that is executed in the computer hardware. (just as ordinary software)A program that controls the execution of application programsA program that manages the resources of computer systemAn interface between appli

25、cations and hardware操作系统是计算机系统最基础的系统软件，它管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供良好运行环境43Operating System ObjectivesConvenienceMakes the computer more convenient to useEfficiencyAllows computer system resources to be used in an efficient mannerAbility to evolvePermit effective development, testin

26、g, and introduction of new system functions without interfering with service44The OS as a User/Computer InterfaceServices Provided by the OS(1) Program creation: such as editors and debuggers(2) Program execution(3) Access to I/O devices(4) Controlled access to files(5) System access(6) Error detect

27、ion and responseInternal/external hardware errors(memory,device)software errors (arithmetic overflow,access forbidden memory locations)(7) Accounting45操作系统的用户接口程序接口系统调用(System Call) 由操作系统实现的完成某种特定功能的过程；它是程序与操作系统的接口操作接口系统程序(System Program) 操作系统为用户提供的解决使用计算机和计算共性问题的所有服务的集合；它可以看作是操作系统提供给用户的功能级接口46系统调用的

28、实现陷入处理机制（异常处理机制）：操作系统中为控制和实现系统调用的机制由于系统调用而引起处理器中断的指令称访管指令(Supervisor) ，陷入指令(Trap) 或异常中断指令(Interrupt) 每个系统调用都事先规定了编号，还附带有传递给内部处理程序的参数47系统调用的实现要点编写系统调用处理程序设计一张系统调用入口地址表，每个入口地址指向一个系统调用的处理程序，有的系统还包含系统调用自带参数的个数陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场48系统调用的实现过程System Call用户程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn系统调用处理子程序取系统功能

29、号找入口地址表相应入口地址结束处理恢复现场入口地址表A0A1AiAn保护CPU现场系统调用陷入机构陷入指令49系统调用与函数调用调用形式：过程(函数) 使用一般调用指令，其转向地址是固定不变的，包含在跳转语句中系统调用中不包含处理程序入口，而仅仅提供功能号，按功能号调用被调用代码的位置：过程(函数) 调用是一种静态调用，程序和被调代码在同一程序内，经过连接编辑后作为目标代码的一部份；当过程(函数) 升级或修改时，必须重新编译连接系统调用是一种动态调用，系统调用的处理代码在调用程序之外(在操作系统中) ，系统调用处理代码升级或修改时，与调用程序无关50系统调用与函数调用提供方式：过程(函数) 往

30、往由编译系统提供，不同编译系统提供的过程(函数) 可以不同系统调用由操作系统提供，一旦操作系统设计好，系统调用的功能、种类与数量便固定不变了调用的实现：程序使用一般机器指令转子指令来调用过程(函数) ，是在用户态运行的程序执行系统调用，是通过中断机构来实现，需要从用户态转变到核心态，在管理状态下运行51操作接口-系统程序操作系统提供了两个作业级的接口：脱机作业控制方式联机作业控制方式脱机作业控制接口作业控制语言联机作业控制接口操作控制命令 命令行方式 批命令方式 图形化方式52命令解释程序命令解释程序：接受和执行一条用户提出的对作业的加工处理要求当一个新的批作业被启动，或新的交互型用户登录进系

31、统时，系统就自动地执行命令解释程序，它负责读入控制卡或命令行，并作出相应解释和执行自带命令处理代码的命令解释程序不带命令处理代码的命令解释程序53命令解释程序的处理过程操作系统做完准备工作后便启动命令解释程序，它输出命令提示符，等待键盘中断到来每当用户打入一条命令(暂存在命令缓冲区)并按回车换行时，申请键盘中断CPU响应后，将控制权交给命令解释程序，接着读入命令缓冲区内容，分析命令、接受参数。若为简单命令立即转向命令处理代码执行；否则查找命令处理文件，装入主存，传递参数，将控制权交给其执行命令处理结束后，再次输出命令提示符，等待下一条命令54The OS as Resources Manage

32、rTypes of resourcesHardware resource: processor,memory,deviceInformation resource: data, programWays of sharing resources: Sequential sharingConcurrent sharingStrategies of resource allocationStatic allocation: Partitioning of resources to allocateDynamic allocation: Allocation resources from a pool

33、Resource preempting: forceful deallocation of a sequential sharing resource5556Evolution of an Operating SystemHardware upgrades and new types of hardwareNew servicesFixes57OS在计算机系统中的定位58计算机系统的视图计算机系统：普通用户的视图计算机系统的普通使用者计算机硬件系统 + 附加的外围设备操作系统与实用程序程序设计语言工具软件应用软件59语言处理程序高级语言计算机系统的视图计算机系统：程序员的视图程序员工具软件计算

34、机硬件系统机器指令数据库管理系统数据库语言扩展机器指令操作系统与实用程序60计算机系统的视图计算机系统：软件系统开发的视图需求调查分析设计与建模分析设计工具开发与实现编程语言系统运行可执行代码数据库管理系统操作系统61软件开发的不同层次计算机硬件系统：机器语言操作系统之资源管理：机器语言+广义指令（扩充了硬件资源管理）操作系统之文件系统：机器语言+系统调用（扩充了信息资源管理）数据库管理系统：+数据库语言（扩充了功能更强的信息资源管理）语言处理程序：面向问题的语言62系统软件平台高级语言源程序汇编语言源程序转换程序高级语言源程序编译程序目标代码程序汇编程序解释程序连接程序可执行程序装入程序内存

35、执行程序数据库管理系统进程管理内存管理文件系统设备管理操作系统63系统软件平台Operating System (操作系统OS)Data Base Management System (数据库管理系统DBMS)语言处理程序编译程序Compiler解释程序Interpreter汇编程序Assembler64如何来操作计算机？65Evolution of Operating SystemsSerial ProcessingSimple Batch SystemsMulti-programmed Batch SystemsTime-Sharing Systems66Serial Processing

36、No operating systemMachines run from a console with display lights and toggle switches, input device, and printerSchedule: one by oneSetup: included loading the compiler, source program, saving compiled program, loading and linking, and executing target program67机器语言与机器指令机器指令面向目标机器，最终可执行机器指令格式： 编制机器

37、指令程序：机器指令的序列机器指令程序装入内存指定起始指令，运行程序处理器自动执行程序68计算机的手工操作方式开关表示，按钮控制，亮灯显示开关置内存地址，按装入地址按钮开关置程序始址，按运行按钮开关置机器指令，按装入数据按钮69装入程序的引进装入程序(Loader)自动化执行程序装入，必要时进行地址转换通常存放在ROM中机器语言程序装入程序内存储器70汇编语言汇编语言：机器语言的符号化汇编语句形式：符号化的字符串汇编语句格式： LABEL ,汇编语言源程序：汇编语句的序列汇编程序面向目标机器，经汇编后方可执行71引入汇编语言后的计算机控制汇编过程和程序执行汇编程序目标代码计算机汇编语言程序目标代

38、码运行结果计算机数据72Evolution of Operating SystemsSerial ProcessingSimple Batch SystemsMulti-programmed Batch SystemsTime-Sharing Systems73Simple Batch Systems第二代计算机的出现，手工操作的效率问题日益突出简单批处理系统成批控制程序的执行与输入输出作业控制卡与作业控制语言资源管理程序和磁带文件系统的引入分类联机批处理系统脱机批处理系统74MonitorsSoftware that controls the running programsBatch jo

39、bs togetherProgram branches back to monitor when finishedResident monitor is in main memory and available for executionBoundaryInterrupt ProcessingDevice DriversJob SequencingControl LanguageInterpreterUserProgramAreaMonitorResident monitor （常驻监控程序）中断处理设备驱动程序作业序列控制语言解释器用户程序区域75Job Control Language (

40、JCL)Special type of programming languageProvides instruction to the monitorwhat compiler to usewhat data to use$JOB$FTN$LOAD$RUN$ENDFORTRAN instructionsData76Hardware FeaturesMemory protectiondo not allow the memory area containing the monitor to be alteredTimerprevents a job from monopolizing the s

41、ystemPrivileged instructionsCertain instructions are designated privileged and can be executed only by the monitorinterrupts77Evolution of Operating SystemsSerial ProcessingSimple Batch SystemsMulti-programmed Batch SystemsTime-Sharing Systems78操作系统出现前的问题计算机硬件性能的不断提高导致CPU速度与I/O速度不匹配的矛盾日益突出只有让多道程序同时进

42、入内存争抢CPU运行才能够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高计算机系统的使用效率79Uni-programmingUni-programming: Processor must wait for I/O instruction to complete before precedingMulti-programming: When one job needs to wait for I/O, the processor can switch to the other job80Multi-programming单道算题工作78输入机处理器磁带机130150228280300378430450

43、时 间处理器利用率：52/(78+52+20)35%989881Multi-programming 两道程序同时工作处理器利用率： (52+42)/(78+52+20)63%78输入机处理器磁带机130150228280300378430450时 间磁带机打印机206217032082Multi-programming 甲、乙两道程序独占计算机单道运行时均需1小时，其中占用CPU时间18分钟，CPU利用率为30按多道程序设计方法同时运行，CPU利用率达50，由于要提供36分钟的CPU时间，大约要运行72分钟。考虑到OS调度开销，实际花费的时间可能还要长些，如80分钟就处理两道作业而言，提高效率

44、(120-80)/120=33就单道作业而言，延长执行时间20分钟，即延长了(80-60)/60=33的时间83Multi-programming 多道程序设计是指让多个程序同时进入计算机的主存储器进行计算多道程序设计的特点 CPU与外部设备充分并行 外部设备之间充分并行 发挥CPU的使用效率 提高单位时间的算题量缺点: 延长了作业的周转时间84Multi-programming 处理器的管理和调度 主存储器的管理和调度 其他资源的管理和调度85多道程序系统的实现要点如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程（如何陷入操作系统）如何复用CPU：调度程序（在CPU空闲时让其他程序运行）如何使CPU

45、与I/O设备充分并行：通道（一种独立控制设备进行I/O的专用处理器）如何让正在运行的程序让出CPU：中断（中断正在执行的程序，让操作系统处理突发事件）86操作系统出现前的问题通过程序来控制内存中多道程序的执行在理论上是可行的调度程序：必须引入调度功能程序切换和中断：占有CPU运行的程序可以被打断，且在以后适当时候能够被恢复运行资源分配与保护效率是导致管理程序不能全自动控制计算机系统运行的根本原因磁盘的出现：操作系统出现的基础87操作系统的形成磁盘的出现为操作系统形成奠定了基础操作系统给资源管理和操作自动化带来了革命性的变化：实现了计算机操作过程的自动化资源管理水平有了很大提高提供虚存管理功能支

46、持分时操作文件管理功能有改进，数据库系统出现多道程序设计趋于完善88Evolution of Operating SystemsSerial ProcessingSimple Batch SystemsMulti-programmed Batch SystemsTime-Sharing Systems89Time SharingUsing multiprogramming to handle multiple interactive jobsProcessors time is shared among multiple usersMultiple users simultaneously a

47、ccess the system through terminals90Batch Multiprogramming versus Time Sharing Batch Multiprogramming Time Sharing Principal objective Maximize processor use Minimize response time Source of directives to operating system Job control language commands provided with the job Commands entered at the te

48、rminal 91JOB1: 15000 JOB2: 20000JOB3: 5000 JOB4: 1000092操作系统的主要成就93Major AchievementsProcessesMemory ManagementInformation protection and securityScheduling and resource managementSystem structure94ProcessesA program in executionAn instance of a program running on a computerThe entity that can be as

49、signed to and executed on a processorA unit of activity characterized by a single sequential thread of execution, a current state, and an associated set of system resources95Difficulties with Designing Concurrent SoftwareImproper synchronizationFailed mutual exclusionNondeterminate program operation

50、Deadlocks96ProcessConsists of three componentsAn executable programAssociated data needed by the programExecution context of the program (All information the operating system needs to manage the process)97Major AchievementsProcessesMemory ManagementInformation protection and securityScheduling and r

51、esource managementSystem structure98Memory ManagementProcess isolationAutomatic allocation and managementSupport for modular programmingProtection and access controlLong-term storage99File SystemImplements long-term storeInformation stored in named objects called files100Virtual MemoryAllows program

52、mers to address memory from a logical point of viewWhile one process is written out to secondary store and the successor process read in there in no hiatus101PagingAllows process to be comprised of a number of fixed-size blocks, called pagesVirtual address is a page number and an offset within the p

53、ageEach page may be located any where in main memoryReal address or physical address in main memory102103Virtual Memory Addressing104Major AchievementsProcessesMemory ManagementInformation protection and securityScheduling and resource managementSystem structure105Information Protection and Security

54、AvailabilityProtecting the system against interruptionConfidentialityAssures that users cannot read data for which access is unauthorizedData integrityProtection of data from unauthorized modificationAuthenticity: The Proper verification of the identity of users and the validity of messages or data1

55、06Major AchievementsProcessesMemory ManagementInformation protection and securityScheduling and resource managementSystem structure107Scheduling and Resource ManagementFairnessgive equal and fair access to all processesDifferential responsivenessdiscriminate between different classes of jobsEfficien

56、cymaximize throughput, minimize response time, and accommodate as many uses as possible108Major Elements of Operating System109Major AchievementsProcessesMemory ManagementInformation protection and securityScheduling and resource managementSystem structure110System StructureView the system as a seri

57、es of levelsEach level performs a related subset of functionsEach level relies on the next lower level to perform more primitive functionsThis decomposes a problem into a number of more manageable subproblems111Operating System Design HierarchyLevelNameObjectsExample Operations4InterruptsInterrupt-h

58、andlingInvoke, mask, unmask, retryprogramsProceduresProcedures, call stack, Mark stack, call, returndisplay2Instruction SetEvaluation stack, micro-Load, store, add, subtractprogram interpreter,branchscalar and array data1Electronic circuitsRegisters, gates, buses,Clear, transfer, activate,plement112

59、Operating System Design HierarchyLevelNameObjectsExample Operations7Virtual MemorySegments, pagesRead, write, fetch6Local secondaryBlocks of data, deviceRead, write, allocate, freestorechannels5Primitive processesPrimitive process,Suspend, resume, wait, signalsemaphores, readylist113Operating System

60、 Design HierarchyLevelNameObjectsExample Operations13ShellUser programmingStatements in shell languageenvironment12User processesUser processesQuit, kill, suspend, resume11DirectoriesDirectoriesCreate, destroy, attach, detach,search, list10DevicesExternal devices, suchOpen, close,as printer, display