操作系统概述课件

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教学网站：操作系统前言先修课程:

计算机原理；计算机系统结构；高级语言程序设计；数据结构课程性质:

必修的专业基础课程。课程内容:操作系统与硬件和其它软件的关系；操作系统对计算机系统中的硬、软件资源进行管理；操作系统的基本结构、工作原理及实现方法。开课目的:掌握课程本身的知识；为分析和设计一个操作系统打下理论基础；

为开发其它软件系统打下理论基础。教材：《计算机操作系统教程》（第二版）左万历、周长林国家级教学成果二等奖；国家教委第三届优秀教材一等奖；国家教委科技进步三等奖；吉林省普通高校优秀教材一等奖；吉林大学优秀教材一等奖。A.Silberschatz,P.Galvin.

OperatingSystemConcepts.5thedition,Wiley,1997.系统，完善，国外大学多选用没有影印版A.Silberschatz,P.Galvin,GregGagne.AppliedOperatingSystemConcept.JohnWiley&SonsInc.高等教育出版社，2001.面向应用，比较浅显，算法不够完整算法用Java语言描述参考文献莱昂氏.

UNIX源代码分析.6thedition,机械工业出版社，2001.UNIX源代码10000行C语言9000行,汇编语言1000行,PDP11-45注释尤晋元，史美林，陈向群等.Windows操作系统原理.机械工业出版社，2001.参考文献第一章操作系统概述1.1操作系统的概念1.2操作系统的历史1.3操作系统的特性1.4操作系统的类型1.5操作系统的运行环境1.6操作系统的界面形式1.7操作系统的运行机理1.8系统举例本课程从OS的地位和作用角度给出OS的描述。1.1操作系统概念操作系统概念的不同观点：分层虚拟机的观点（用户角度）操作系统是机器功能的扩充与完善；进程观点（运行角度）程序在系统中的运行活动；资源观点（使用角度）用于控制和管理系统资源、方便用户使用计算机的程序的集合。1.1.1操作系统地位硬件抽象层（HAL）之上所有其它软件层之下硬件（HAL）OS其它系统软件层应用软件层运行视图系统库(lib)可调用操作系统，执行硬件指令应用程序可以调用lib和操作系统，执行硬件指令1.1.1操作系统地位(Cont.)硬件(HAL)操作系统系统库应用程序机器指令系统调用库调用1.1.2操作系统的作用1.管理系统中软件、硬件资源CPU内存设备文件软件资源：作业、进程调度；状态管理2.为用户(应用程序)提供良好的服务(界面)API(AplicationProgramInterface)GUI(GraphicUserInterface)JCL(JobControlLanguage)1.2操作系统的历史1.2.1操作系统的产生1.手工操作阶段2.批处理阶段3.执行系统阶段1.2.2操作系统的完善1.多道批处理系统2.分时系统3.实时处理系统4.通用操作系统1.2.3操作系统的发展1.网络操作系统2.分布式操作系统3.多处理机操作系统4.单用户操作系统5.面向对象操作系统6.嵌入式操作系统7.智能卡操作系统1.2.1操作系统的产生1、手工操作阶段（20世纪40年代，无操作系统）

作业处理步骤：

⑴程序、数据手工记录到纸带穿孔机；⑵控制台开关启动光电机纸带输入到机器内存；⑶控制台开关启动第一条指令（调试程序需修改纸带）；⑷运行结果在电传打字机上输出。

特点：资源独占；手工费时。汇编语言及汇编系统出现1.2.1操作系统的产生(Cont.)2、批处理阶段（20世纪50年代，操作系统雏形）

⑴联机批处理：Job1job2Jobn读卡机磁带机计算机编译程序链接程序监督程序汇编程序监督程序占用主机时间3、执行系统阶段（20世纪60年代初期）

通道：专门用于控制I/O设备的处理机，即I/O处理机。有自己的指令系统和运控部件；与主机共享内存；接受主CPU委托执行通道程序，完成I/O；通道I/O操作与主CPU并行；通道完成I/O时，向主机发中断请求。操作系统的初级阶段，通道和中断技术的出现。1.2.1操作系统的产生(Cont.)1.2.2操作系统的完善1.多道批处理系统（60年代初期）

执行系统：单道作业，通道完成I/O处理；等待I/O时，主机空闲，可运行其它作业。2.分时系统（60年代初、中期）执行系统和批处理系统都是单用户系统；分时系统是多用户（多终端）系统，适合交互式。3.实时处理系统（60年代中期）应用于工业自动控制、医疗诊断、航班等。4.通用操作系统（60年代后期）上述三类系统的结合。多道批处理和分时系统标志OS进入完善阶段。1.2.3操作系统的发展1.网络操作系统2.分布式操作系统3.多处理机操作系统4.单用户操作系统5.面向对象操作系统6.嵌入式操作系统7.智能卡操作系统1.4操作系统的分类多道批处理操作系统(batchprocessingsystem)分时操作系统(time-sharingsystem)实时操作系统(realtimesystem)通用操作系统(multi-purposesystem)单用户操作系统(singleusersystem)网络操作系统(networkoperatingsystem)分布式操作系统(distributedoperatingsystem)多处理机操作系统(multi-processorsystem)嵌入式操作系统(embeddedoperatingsystem)智能卡操作系统(smart-cardoperatingsystem)按功能分类作业（Job)：程序+数据+说明书（JCL编写）结果：程序运行结果+记帐信息1.4.1多道批处理系统(off-line)作业1作业2……作业m输出机输入机作业作业调度(2)SPOOLing输出多道批处理系统工作原理输入井结果1结果2……结果n输出井作业调度(1)SPOOLing输入输入机输出机作业结果结果…………进程1进程2……进程k主机SPOOLing(SimultaneousPeripheralOperationOn-Line)称为假脱机工作方式或排队转储技术；通过通道，把I/O工作脱机处理，但是在主机控制下运行，故称为假脱机技术；由专门负责I/O的常驻内存进程以及输入井、输出井组成；将独占设备改为共享设备，实现了虚拟设备功能。1.4.1多道批处理系统(cont.)1.4.1多道批处理系统(Cont.)主机中作业合理搭配目标1：提高资源利用率(e

g.计算型+I/O型)目标2：提高吞吐量(throughput

)特点多道：系统中同时容纳多个作业成批：作业分批进入系统界面1：交互式命令语言(

eg.shell,command)界面2：图形用户界面(GUI)1.4.2分时操作系统(On-line)分时处理终端请求TimeSharingOSHAL终端……终端终端实时控制responsetime

:t2-t1

HALRealTimeOS被控对象A/DD/At1t2ADAD1.4.3实时操作系统(Cont.)实时信息处理特点：(1)响应及时(

promptresponse

)

(2)可靠性高(

highreliability

)通常为远程终端1.4.3实时操作系统(Cont.)终端终端终端

HALRealTimeOS……1.4.4通用操作系统

(multi-purposeOS)

同时具有：批处理、分时、实时功能。

目标：提高处理能力;扩展应用领域。常见模式:分时(前台)+批处理(后台)实时(前台)+批处理(后台)

Foreground/BackgroundSystem1.4.5单用户操作系统同一时刻仅有一个用户使用的系统

应用领域：台式机，笔记本，…….

特点：单用户，多进程，多线程不同的程序，不同的进程；相同的程序，不同的线程。1.4.6网络操作系统

建立在宿主操作系统之上，提供网络通信、网络资源共享、网络服务的软件包。网络操作系统PrinterNOS1host1NOS2host2NOS3host3网络操作系统的目标相互通信资源共享(信息，设备)提供网络服务databaseserverftpservere-mailservertelnetserveretc.1.4.6网络操作系统(Cont.)1.4.7分布式操作系统紧耦合(tightlycoupled)由多机系统发展而来(多CPU)；有公共内存；多处理机操作系统。多处理机操作系统内存CPU……CPUCPU多处理机系统1.4.7分布式操作系统(Cont.)

松散耦合(looselycoupled)由计算机网络发展而来(多Host

)无公共内存，无公共时钟分布式操作系统DOShost1DOShost2DOShost3Printer1.4.7分布式操作系统(Cont.)分布式操作系统特征:统一的操作系统；资源的进一步共享一台HOST任务可移至其它HOST上完成，实现系统资源共享，有利于系统负载平衡。可靠性

多HOST系统相同，无主从关系，某台HOST失效，不会影响整个系统；透明性：多HOST无地理位置差异。

1.4.7分布式操作系统(Cont.)目标：进一步共享资源，使负载均衡，计算加速。CPU内存途径：迁移(migration)作业迁移进程迁移(线程一般随同进程迁移)例子：SolarisMC1.4.8多处理机操作系统多处理机系统Multi-ProceesorOS具有公共内存的多CPU系统对称多处理机系统(SMP)SymmetricMulti-Processing各CPU没有主从关系的多处理机系统多处理机操作系统有效管理和使用多个CPU的操作系统复杂性：多个主动体(CPUs)例子：UNIX,Linux,Windows1.4.9嵌入式操作系统

EmbededOS应用：嵌入在掌上电脑、计算机外围设备、通讯设备、车载系统、信息家电、医疗监控仪器、工业设备、ATM机、POS机、机顶盒等非计算机类设施上的操作系统。特点：微内核结构(Micro-kernel)，许多操作系统功能(文件系统,设备驱动)以应用程序模式运行。核心小，适应范围广，可靠性高，效率低；完成某一项或有限项功能；非通用型；例子：WinCE.NET(维纳斯)Palm

OS：最流行的掌上电脑操作系统HOPEN(女娲)1.4.9嵌入式操作系统(Cont.)微内核结构(Micro-kernel)

具有处理机调度、基本内存管理、文件系统、设备驱动、通讯机制、电源管理等功能。开发系统：用于完成嵌入式系统的开发支持汇编语言、高级语言的开发环境；模拟运行环境：定时器与计数器、多方式中断处理、多种异常处理、支持多种通信方式、I/O接口、芯片接口。1.4.10智能卡操作系统COS一般都只能应用于特定的某种(或某些)智能卡的专用系统，不是通用系统；COS的四个功能模块：传送管理、安全管理、应用管理、文件管理；

COS主要用于接受和处理外界(如手机或者读卡器)发给SIM卡的各种信息，执行外界发送的各种指令，管理卡内空间，向外界回送应答信息等。1.4.10智能卡操作系统(Cont.)智能卡(SmartCard)CPU芯片ROM面向Java的智能卡JVM解释程序下载Javaapplet并执行SC-OS支持多个applet并发执行必要的资源管理1.5操作系统的硬件环境定时装置系统栈特权指令与非特权指令处理机状态及状态转换地址映射机构存储保护设施中断装置通道与DMA控制器I/O保护1.5.1定时装置定时装置：实时时钟，有绝对时钟和相对时钟。绝对时钟：记载实际时间，不发中断时间形式：年、月、日、时、分、秒；供电方式：外部电源和机内电池；设定方式：程序设定和修改（通过特权指令）；作用：提供系统时间，记录作业时间，资源占用时间、

文件修改、存/取时间，日志等。间隔时钟：定时发生中断，单位为“毫秒”级设定方式：硬件时钟发生器，或程序设定逻辑时钟;作用：并发程序运行控制，实现多道程序；定时扫描事件；周期性处理事件。1.5.2系统栈(systemstack)作用保存中断现场保存子程序转移返回点、参数、局部变量、返回值

位置操作系统区域Stackvs.heap1.5.3特权指令与非特权指令特权指令(privilegedinstruction)只有在管态才能执行的指令(影响系统状态)关中断，置程序状态字，停机，时钟设置，I/O，清主存，启动设备，建立存储保护等。非特权指令

(

non-privilegedinstruction)所有程序可用(不影响系统状态)内存存取指令，运算指令，跳转指令1.5.4处理机状态及状态转换

处理机状态系统态(Systemmode)系统程序运行时CPU所处的状态叫系统态，也叫

管态(SupervisorMode)，或核态(Kernalmode).用户态(Usermode)用户程序运行时CPU所处的状态叫用户态，也叫

目态(Objectmode)，或常态(Normalmode).

状态转换管态目态(置程序状态字)目态管态(中断，trap

)Dualmodeoperation例子：IBM360/370PSW

状态位(0，1)ModernPCnowsupport4modes:R0（权限最强）R1R2R3（权限最弱）OnlyR0,R3areused,now1.5.4处理机状态及状态转换(Cont.)1.5.5地址映射机构作用：完成程序的重定位由硬件地址映射机构完成的程序重定位叫动态重定位。逻辑地址物理地址逻辑地址(虚地址)：程序中产生的地址物理地址(实地址)：存储器地址Addressmappingbysoftwareispossible,butveryinefficient.1.5.6存储保护设施作用：防止应用程序侵犯操作系统空间或其它用戶空间。措施：地址检查越界检查：界地址寄存器(首地址，内存长度)；产生越界终端。

越权检查：存储保护键；针对共享区域。1.5.7中断装置中断：CPU对随机发生事件的响应。

中段装置：发现并响应中断的硬件机构。

发现中断：处理机控制部件的“中断扫描机构”扫描“中断寄存器”发现中断信号。

响应中断：当前(PSW，PC)系统栈中断向量(PSW，PC)

寄存器1.5.7中断装置(Cont.)

中断类型：

机器故障中断

I/O中断：完成或出错；

外部中断：时钟、控制台、多机系统通信；

程序中断：错误使用命令、数据溢出、存储保护、缺页/段中断；

访管中断：如内存分配、建立进程。1.5.8通道与DMA控制器通道：负责I/O操作的处理机通道指令系统读写操作控制操作转移操作通道运控部件通道地址字CAW通道命令字CCW通道状态字CSW通道数据字CDWDMA控制器

完成内存与块设备之间的I/O.没有独立指令系统简单块传输1.5.9I/O

保护

定义所有I/O指令为特权指令方便使用；防止发生冲突。1.6操作系统界面形式交互终端命令(CommandLine)Eg.UNIXshell$命令名-选项参数图形界面

(GUI—GraphicUserInterface)UNIXshellinterface优点:缩小核心不同用户可以选择不同界面1.6操作系统界面形式(Cont.)UNIX硬件shellshellshell……终端终端终端1.6操作系统界面形式(Cont.)作业控制语言(JobControlLanguage)作业标识语句用户标识，作业标识，帐号作业步语句(编译、