操作系统 概论

第一章

操作系统概论主要内容1.1操作系统概观1.2操作系统的形成与发展1.3操作系统的基本服务和用户接口1.4操作系统结构和运行模型1.5流行操作系统简介2/6/2023215:23:201.1操作系统概观1.1.1操作系统的定义和目标1.1.2操作系统的资源管理技术1.1.3操作系统的作用与功能1.1.4操作系统的主要特性2/6/2023315:23:201.1.1操作系统的定义和目标操作系统的定义操作系统是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的最基本的一种系统软件操作系统的主要目标方便用户使用扩大机器功能管理系统资源提高系统效率构筑开放环境2/6/2023415:23:20计算机系统的层次结构财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算(应用软件)编译程序汇编程序数据库(支撑软件)操作系统(系统软件)计算机硬件………用户n用户4用户3用户2用户1实用程序2/6/2023515:23:201.1.2操作系统的资源管理技术资源复用-解决物理资源数量不足空分复用共享该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用时分复用共享并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间片内独占使用整个物理资源资源虚化-解决物理资源数量不足，提高服务的能力和水平对资源进行转化、模拟或整合，把物理上的一个资源变成逻辑上的多个对应物的一类技术虚化的例子虚拟设备虚拟存储器虚拟屏幕(终端)虚拟信道资源抽象-处理系统的复杂性，解决资源的易用性资源抽象用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术2/6/2023615:23:20抽象和虚化技术组合使用操作系统常同时实施抽象和虚化技术例1为打印机既配置“打印函数”(设备驱动程序)，又实施虚拟设备，通过打印函数抽象隐蔽打印机动作细节，实施SPOOLing虚化“扩充”物理打印机数量例2窗口软件是对物理终端的虚化和抽象，能为用户提供虚拟终端和方便的I/O服务2/6/2023715:23:20操作系统中最基础的抽象进程抽象对已进入主存正在运行的程序在处理器上操作的状态集的抽象虚存抽象对物理主存的抽象，进程可获得一个硕大的连续地址空间来存放可执行程序和数据，可使用虚拟地址来引用物理主存单元文件抽象对磁盘之类存储设备的抽象文件抽象虚存抽象进程抽象处理器主存设备2/6/2023815:23:20虚拟计算机虚拟计算机操作系统虚拟机操作系统虚拟机的组成虚处理器虚拟主存虚拟辅存虚拟设备2/6/2023915:23:20物理计算机与虚拟计算机操作系统资源管理(复用、虚化、抽象)进程Pn时分复用共享空分复用共享…虚处理器虚主存虚辅存虚设备虚拟机1虚处理器虚主存虚辅存虚设备虚拟机n处理器I/O设备I/O设备主存物理计算机辅助存储器进程P12/6/20231015:23:20

1.1.3操作系统的作用与功能操作系统对内是“管理员”，对外是“服务员”OS作为用户接口和公共服务提供者OS作为程序执行的控制者和协调者OS作为作为扩展机或虚拟机OS作为资源管理者和控制者2/6/20231115:23:20OS-用户接口和服务提供者操作系统提供友善的人机接口，使得用户能够方便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程序操作系统对计算机硬件进行改造和扩充，为用户提供强有力的各种服务2/6/20231215:23:20OS-程序执行的控制者和协调者系统以进程方式组织用户使用计算机可执行程序多数作为文件存储在磁盘上系统为程序分配资源调度程序竞争与协作处理同步、通信、死锁2/6/20231315:23:20OS-扩展机或虚拟机在计算机裸机上加上操作系统来组成整个计算机系统操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来操作系统与硬件组成一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性更好的扩展机器或虚拟机2/6/20231415:23:20OS-资源管理者和控制者硬件和软件设施总称为资源硬件资源：处理器、存储器、I/O设备等信息资源：程序和数据等OS是能使诸用户有效、方便地共享一套计算机系统资源的一种系统软件对资源进行抽象研究，管理、跟踪、监视资源的状态，协调资源的使用冲突；研究使用资源的统一方法，让用户简单、有效地使用资源，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率2/6/20231515:23:20OS和设备2/6/20231615:23:20操作系统的功能处理机管理存储管理设备管理文件管理网络与通信管理用户接口2/6/20231715:23:20处理机管理进程控制和管理进程同步和互斥进程通信进程死锁线程控制和管理处理器调度，又分高级调度，中级调度和低级调度2/6/20231815:23:20存储管理主存分配地址转换与存储保护主存共享存储扩充2/6/20231915:23:20设备管理提供设备中断处理提供缓冲区管理提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之间的映射设备的分配和回收实现共享型设备的驱动调度实现虚拟设备2/6/20232015:23:20文件管理提供文件的逻辑组织方法提供文件的物理组织方法提供文件的存取和使用方法实现文件的目录管理实现文件的共享和安全性控制实现文件的存储空间管理2/6/20232115:23:20网络与通信管理网络资源管理数据通信管理网络管理2/6/20232215:23:201.1.4操作系统的主要特性并发性共享性异步性2/6/20232315:23:20操作系统中的并发性并发性---指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生消除等待，改善资源利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率并发性使系统变得复杂化如何从一个活动切换到另一个活动？怎样将各个活动隔离开来，使之互不干扰，免遭对方破坏？怎样让多个活动协作完成任务？怎样协调多个活动对资源的竞争？如何保证每个活动的资源不被其它进程侵犯?多个活动共享文件数据时，如何保证数据的一致性？采用并发技术的系统称多任务系统并发的实质是一个物理CPU(也可以多个物理CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率技术关键是如何对系统内的多个活动(进程)进行切换的技术并行性---指两个或两个以上的事件或活动在同一时刻发生并行一定是并发的，但并发的未必是并行的并行性是并发性的特例，并发性是并行性的扩展2/6/20232415:23:20操作系统中的共享性共享指操作系统中的资源可被多个并发执行的进程所使用透明资源共享资源隔离与授权访问

显式资源共享临界资源与独占访问与共享性有关的问题:资源分配、信息保护、存取控制等，必须要妥善解决好2/6/20232515:23:20操作系统中的异步性操作系统中的异步性处处可见进程执行、暂停、怎样的速度向前推进都是异步(随机)的作业到达系统的类型和时间是随机的操作员发出命令或按按钮的时刻是随机的程序运行发生错误或异常的时刻是随机的各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是随机的异步性给系统带来潜在危险,有可能导致与时间有关的错误操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉任何一种随机事件，正确处理可能发生的随机事件，正确处理任何一种产生的事件序列，否则将会导致严重后果2/6/20232615:23:201.2操作系统的发展和形成1.2.1人工操作阶段1.2.2

管理程序阶段1.2.3多道程序设计与操作系统的形成1.2.4操作系统的分类2/6/20232715:23:201.2.1人工操作阶段算题过程人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡或穿孔带执行汇编过程或编译过程，产生目标程序，并输出目标卡片迭或纸带通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的数据卡或数据带产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上输出2/6/20232815:23:20人工操作阶段的缺点用户上机独占全机资源，造成资源利用率不高，系统效率低下手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错数据的输入，程序的执行、结果的输出均联机进行，从上机到下机的时间拉得非常长2/6/20232915:23:201.2.2管理程序阶段管理程序的主要功能自动控制和处理作业流提供一套操作命令提供设备驱动和I/O控制功能提供库程序和程序装配功能提供简单的文件管理功能工作流程操作员集中一批用户提交的作业，由管理程序将作业从纸带或卡片机输入到磁带上，每当一批作业输入完成后，管理程序自动把磁带上的第一个作业装入主存，并把控制权交给作业。当该作业执行完成后，作业又把控制权缴回管理程序，管理程序再调入磁带上的第二个作业到主存执行2/6/20233015:23:20 管理程序的主存组织中断处理设备驱动作业定序命令和JCL语言解释器用户程序区2/6/20233115:23:201.2.3多道程序设计与操作系统形成多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法从宏观上看并行从微观上看串行引入多道程序设计技术的目的技术中断通道2/6/20233215:23:20多道程序设计例-单道算题运行时处理器的使用效率78输入机处理器磁带机130150228280300378430450时间52/（78十52十20）≈35%2/6/20233315:23:20多道程序设计例-两道算题运行时处理器的使用效率78输入机处理器磁带机1130150228280300378430450时间磁带机2打印机P1P2P1P2P2（52+42）/150≈63％2/6/20233415:23:20多道程序设计的效果采用多道程序设计提高了系统效率，增加了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算时间。多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价的2/6/20233515:23:20多道程序设计的道数问题程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p，当主存中有n道程序时，所有程序都等待I/O的概率是pn，那么CPU利用率=1-pnn称作多道程序的道数或度数，可见CPU的利用率是n的函数2/6/20233615:23:20多道程序设计的优点与缺点优点提高了CPU的利用率提高了主存和I/O设备的利用率改进了系统的吞吐率充分发挥了系统的并行性缺点单道作业的周转时间被延长2/6/20233715:23:20多道程序设计系统与多重处理系统多重处理系统是指配置了多个物理CPU，能真正同时执行多道程序的系统。要有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术；反过来，多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持2/6/20233815:23:20多道程序设计必须解决的问题存储保护与程序浮动处理器的管理和调度系统资源的管理和调度2/6/20233915:23:20OS资源管理和自动化提高实现了计算机操作过程自动化资源管理水平有了提高提供虚存管理功能支持分时操作文件管理功能有改进多道程序设计趋于完善2/6/20234015:23:201.2.4操作系统的发展与分类三种基本的操作系统类型批处理操作系统分时操作系统实时操作系统2/6/20234115:23:20批处理操作系统何谓“批”作业流与批处理批处理操作系统（BatchOS）批处理系统的主要特征用户脱机工作成批处理作业多道程序运行作业周转时间长2/6/20234215:23:20分时操作系统为什么要有分时操作系统?分时操作系统概念分时系统的特征同时性独立性及时性交互性2/6/20234315:23:20分时与批处理操作系统的区别目标不同适应作业的性质不同资源利用率不同作业控制方式不同2/6/20234415:23:20实时操作系统实时操作系统是指当外部事件或数据产生时,能够对其予以接收并以足够快的速度进行处理,所得结果能够在规定的时间内控制生产过程或对控制对象做出快速响应,并控制所有实时任务协调运行的操作系统实时操作系统的特点及时响应高可靠性。三种典型的实时系统:过程控制系统(生产过程控制)信息查询系统(情报检索)事务处理系统(银行业务)2/6/20234515:23:20操作系统的进一步发展操作系统发展的主要动力器件快速更新换代计算体系结构不断发展提高计算机系统资源利用率的需要让用户使用计算机越来越方便的需要满足用户新要求，提供给用户新服务2/6/20234615:23:20微机操作系统新一代微机操作系统具有以下功能GUI多用户和多任务虚拟存储管理网络通信支持数据库支持多媒体支持应用编程支持API新一代微机操作系统具有以下特点开放性通用性高性能采用微内核结构2/6/20234715:23:20并行操作系统计算机的应用每前进一步都要求增加计算机的处理能力。为达到极高性能，除提高元器件速度外，必须改进计算机系统结构，这主要采用增加同一时间间隔内的操作数量，通过并行处理技术，研究并行计算机2/6/20234815:23:20网络操作系统网络操作系统能够控制计算机在网络中传送信息和共享资源，并为网络用户提供所需的各种服务网络操作系统应该具有的功能网络通信资源管理网络管理网络服务2/6/20234915:23:20分布式操作系统分布式计算机系统由多台分散的计算机经互连网络连接而成,具备四项基本功能进程通信资源共享并行计算网络管理分布式操作系统与单机集中式操作系统的主要区别在于资源管理进程通信系统结构2/6/20235015:23:20嵌入式操作系统嵌入式系统的应用环境带来了对嵌入式系统软件的要求，而嵌入式操作系统是软件的基本支撑嵌入式OS指运行在嵌入式环境中，对系统及操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件嵌入式OS具有通常操作系统的功能，包括与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能功能强大的还提供图形界面、通信协议、小型浏览器等设施嵌入式操作系统的特点微型化可定制实时性可靠性易移植性2/6/20235115:23:201.3操作系统提供的服务和用户接口1.3.1基本服务和用户接口1.3.2程序接口与系统调用1.3.3作业接口与操作命令2/6/20235215:23:201.3.1操作系统提供的基本服务创建程序执行程序数据I/O信息存取通信服务错误检测和处理还有另外一些功能资源分配统计保护2/6/20235315:23:201.3.2程序接口与系统调用系统调用(程序接口)操作命令操作系统裸机应用程序命令管理(作业接口)2/6/20235415:23:20操作系统提供的程序接口系统调用是应用程序获得操作系统服务的唯一途径内核的主体是系统调用的集合，内核可看成是特殊的公共子程序操作系统的功能通过一组称为系统调用的接口呈现给用户，内核提供一系列实现预定功能的内核函数，系统调用把应用程序的请求传达给内核，内核调用对应的内核函数完成请求所需处理后，再将处理结果返回给应用程序系统调用是一种中介角色，把用户与硬件隔离开来，应用程序通过系统调用才能请求系统服务和使用系统资源。其作用有内核可基于权限和规则对资源访问进行裁决，保证系统的安全性系统调用封装资源抽象，提供一致性接口，避免用户使用资源时可能发生的错误，且使编程方便效率高2/6/20235515:23:20操作系统提供的程序接口POSIX标准PortableOperatingSystemInterfaceforComputerEnvironment)API和库函数库函数和系统调用2/6/20235615:23:20应用程序、库函数、系统调用调用fprintf()应用程序C函数库内核系统调用处理程序C库中的fprintf()封装程序C库中的write()封装程序用户态核心态sys_write()内核函数2/6/20235715:23:20UNIX/Linux系统程序、库函数、系统调用分层关系

用户

操作系统(进程管理、存储管理、文件管理、设备管理等)

标准库函数(打开、关闭、读、写、创建、撤销等)

标准系统程序(实用程序)(汇编、编译、编辑、Shell等)用户接口库函数接口系统调用接口

硬件(处理器、存储器、磁盘、打印机、终端等)用户态核心态2/6/20235815:23:20系统调用的分类进程和作业管理文件操作设备管理主存管理信息维护通信2/6/20235915:23:20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，每个入口地址都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2/6/20236015:23:20系统调用的处理过程SystemCall用户程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn……系统调用处理子程序取系统功能号找入口地址表相应入口地址结束处理恢复现场A0A1…Ai…An保护CPU现场陷入指令系统调用陷入机构入口地址表2/6/20236115:23:20系统调用的参数传递由访管指令或陷入指令自带参数直接参数间接参数通过CPU的通用寄存器传递参数，或在主存的一个块或表中存放参数，其首地址送入寄存器，实现参数传递在主存中开辟专用堆栈区域传递参数2/6/20236215:23:20系统调用与函数调用的区别调用形式和实现方式不同被调用代码的位置不同提供方式不同2/6/20236315:23:201.3.3作业接口与操作命令操作接口又称作业级接口是操作系统为用户操作控制计算机工作和提供服务的手段集合，通常可借助操作控制命令、图形操作界面、以及作业控制语言等实现作业控制方式联机作业控制方式与操作控制命令命令行方式批命令方式图形化方式脱机作业控制方式与作业控制语言批处理接口：作业控制语言JCL（JobControlLanguage）用户使用JCL语句，把运行意图(需要对作业进行的控制和干予)写在作业说明书上，将作业连同作业说明书一起提交给系统批处理作业的调度执行过程，系统调用JCL语句处理程序或命令解释程序2/6/20236415:23:20支撑程序支撑程序又称标准程序或实用程序（Utilities），虽非操作系统的核心，但却必不可少，为用户程序的开发、调试、执行、和维护解决带有共性的问题或执行公共操作操作系统以外部操作命令形式向用户提供系统程序。它的功能和性能很大程度上反映了操作系统的功能和性能支撑程序的分类文件管理状态信息程序设计语言支持程序的装入和执行支持通信其它软件工具2/6/20236515:23:201.4操作系统结构和运行模型1.4.1操作系统的构件和结构1.4.2操作系统的运行模型1.4.3Windows2003客户/服务器结构2/6/20236615:23:201.4.1操作系统构件和结构操作系统设计呈现出以下特征复杂程度高生成周期长正确性难保证操作系统结构设计有三层含义是研究操作系统整体结构，如功能如何分块，相互如何交互，及考虑构造它的过程和方法是研究操作系统程序局部结构，包括数据结构和控制结构是操作系统运行时的组织，如系统是否组织成进程或线程?在系统空间还是在用户空间运行?2/6/20236715:23:20操作系统的构件内核进程线程类程管程2/6/20236815:23:20操作系统的内核内核(kernel)是作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作的一组程序模块内核通常驻留在内核空间，运行于核心态，具有访问硬设备和所有主存空间的权限，是仅有的能执行特权指令的那部分程序在内核的支撑下，机器功能得到扩展、进程运行环境得到改善，安全性得到保证，系统效率得到提高内核分类：微内核和单内核Linux是单内核操作系统Mach是微内核操作系统Windows2003是C/S结构操作系统2/6/20236915:23:20Linux单内核结构用户态系统库(函数库)应用程序系统调用接口模块内核(进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、网络管理)设备驱动计算机硬件核心态单内核2/6/20237015:23:20单内核操作系统基本设计方法整体式结构设计思想和步骤缺点和优点早期(IBM)操作系统使用层次式结构设计思路缺点和优点THE多道程序设计系统中第一次提出操作系统层次结构设计方法2/6/20237115:23:20微内核结构操作系统服务进程客户进程1客户进程2文件服务器进程服务器主存服务器……微内核(消息传递)计算机硬件

用户进程用户态核心态客户通过微内核发送消息给文件服务器2/6/20237215:23:20内核的基本功能资源抽象资源分配资源共享2/6/20237315:23:20内核的基本属性内核是由中断驱动的内核是不可抢占的内核部分程序在屏蔽中断状态下执行内核可以使用特权指令2/6/20237415:23:20内核和裸机组成的虚拟机具有的特性虚拟机没有中断虚拟机为每个进程提供了一台虚拟处理器虚拟机为进程或模块提供了功能较强的指令系统2/6/20237515:23:20机制与策略分离在策略与机制分离的操作系统中，解决应用问题均可分成两部分：“提供及实现确定的功能(机制)，常常将机制作为系统的可信软件来实现”和“如何使用这些功能(策略)，可在不可信的环境中定义策略”例子：调度机制与调度策略的分离机制与策略分离的原则机制由OS实现，策略留给用户完成机制放在底层，策略放在高层机制集中在少数模块，策略拟散布在多处2/6/20237615:23:20操作系统其它构件进程是对当前运行程序的活动规律的抽象使得操作系统的结构变得清晰线程是组成进程构件的更小的构件单位管程是管理共享资源的一种同步机制类程用于管理私有资源2/6/20237715:23:201.4.2操作系统的运行模型操作系统本身是一组程序，也在处理器上运行，那么操作系统程序是否组织成进程？它是如何控制的、怎样执行的呢？它在什么模式下运行呢？从操作系统的运行方式来看，可分成非进程内核模型OS功能(函数)在用户进程内执行的模型OS功能(函数)作为进程执行的模型2/6/20237815:23:20非进程内核模型应用进程应用进程内核应用进程…核心态用户态2/6/20237915:23:20OS功能在用户进程内执行的模型核心态用户态内核函数内核函数内核函数应用进程应用进程…应用进程进程切换函数2/6/20238015:23:20OS功能作为独立进程执行的模型微内核（进程切换函数）应用进程…OS函数…用户态核心态应用进程OS函数应用进程OS函数2/6/20238115:23:20Windows2000/XP客户/服务器结构结构简框系统进程服务进程应用程序环境子系统子系统动态链接库用户态核心态执行体核心设备驱动程序硬件抽象层图形引擎2/6/20238215:23:20Windows2000/XP客户/服务器结构系统线程NTDLL.DLLService.exeRPCSpooler事件日志服务进程任务管理器IE浏览器用户程序子系统DLL应用程序POSIXOS2WIN32环境子系统服务管理器安全验证Win登录会话管理器系统进程核心态用户态Win32UserGDI图形驱动器硬件抽象层(HAL)设备驱动程序内核对象管理器核心态可调用接口(执行程序API)系统服务调度进程I/O管理器文件缓存管理进程线程管理安全访问监视虚存管理局部过程调用注册表配置管理器电源管理器即插即用管理硬件接口（总线、I/O、时钟、计时器、中断、DMA、CACHE控制器）2/6/20238315:23:201.5流行操作系统简介1.5.1Windows操作系统1.5.2UNIX操作系统家族1.5.3自由软件和Linux操作系统1.5.4IBM系列操作系统1.5.5其他流行操作系统2/6/20238415:23:201.5.1Windows操作系统Windows操作系统概况WindowsNT的技术特点Windows2000/XPWindowsServer2003WindowsXP64-BitEditionWindowsCE2/6/20238515:23:201.5.2UNIX操作系统发展雏形阶段成型阶段商业化阶段标准化阶段基本成分核(Kernel)、Shell、文件系统、公用程序UNIX的主要特点多用户、多任务、C编写、易读、易改、可移植核心+应用子系统，便于做成开放系统文件保护、I/O缓冲、高效率抢占式动态优先级CPU调度，强有力支持分时强大的Shell命令语言强大的网络与通信功能请求分页式虚拟存储管理，主存利用率高UNIX的发展趋势计算机发展史上没有程序设计语言像C那样得到广泛的流行没有哪个操作系统像UNIX那样获得普遍的青睐和应用对整个软件技术和软件产业都产生了深远的影响1983年Ritcchie和Thompson共同获得了ACM图灵奖和软件系统奖2/6/20238615:23:20V1(71年)V3(73年)V6(75年)V7、V8V9V10(89年)Plan91BSD(78年)2BSD(78年)3BSD(79年)4BSD(80年)4.2BSD4.3BSD4.4BSD(93年)2.9BSD2.10BSD2.11BSDV7(78年)PWBPWB2systemⅢsystemⅤⅤ.2(84年)Ⅴ.3(87年)Ⅴ.3.2SVR4(89)XenixXenix2SCOIBMAIXSUNOSSolarisOSF1MachDecOSFDigitalUNIXTur64UNIXHPUXLinuxUNIX家族2/6/20238715:23:201.5.3自由软件和Linux操作系统商业软件、共享软件、