操作系統(tǒng)

1、課程操作系統(tǒng)部分--主要內(nèi)容安排,1 操作系統(tǒng)引論2 進程描述與控制3 存儲管理4 進程同步與通信5 進程調(diào)度與死鎖6 設(shè)備管理7 文件管理,第1章 操作系統(tǒng)引論,1.1 計算機系統(tǒng)概觀計算機系統(tǒng)組成計算機的工作原理OS的地位、目標(biāo)和作用1.2 OS的發(fā)展簡史與趨勢1.3 OS的主要功能、特征與分類1.4 研究OS的主要觀點和方法,,補充部分必要的微機原理知識,計算機系統(tǒng)組成,計算機系統(tǒng)

2、組成,一種簡明計算機組成模型（示意圖）,8259A引腳,8086CPU引腳,Intel8086：16位CPU, 16位寄存器,16位數(shù)據(jù)總線， 20位地址總線，具有1MB的尋址能力。,8086內(nèi)部結(jié)構(gòu),計算機系統(tǒng)組成,8086的存儲器組織模型(1),FFFFFh,00000h,8086的存儲器組織模型(2),8086的存儲器組織模型(3),堆棧段(stack segment)的組織模型,堆棧是在存

3、儲器中開辟的、用來暫時保存數(shù)據(jù)的一個區(qū)域（段）。堆棧段的基址SS指示，段中當(dāng)前單元位置（棧頂）由SP指示，棧底地址值通常用BP保存 。棧底設(shè)在內(nèi)存高地址，每壓棧1次(存入一個字)，SP=SP-2,即雖壓棧的進行，堆棧地址由高向低增長?？諚r，SP恰好在棧底，即棧頂與棧底重合。壓棧指令：push reg|內(nèi)存單元地址|立即數(shù)出棧是壓棧的反操作，指令為：pop xxx壓棧與出棧指令要匹配對應(yīng)，且總是后進先出。,,馮?諾依曼計算

4、機工作模型,諾依曼計算機工作模型或存儲程序工作模型存儲器用來容納程序和數(shù)據(jù)；程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起存儲在計算機內(nèi)存中。指令按順序、轉(zhuǎn)跳和循環(huán)三種基本方式組織。機器一起動，就能按照程序指定的邏輯順序把指令從存儲器中讀出來逐條解釋執(zhí)行，自動完成程序所描述的處理工作。指令指針（CS:IP）指示當(dāng)前執(zhí)行指令，執(zhí)行完成指針會自動調(diào)整到下一條指令。當(dāng)前指令指針指向的內(nèi)存中程序，被認為擁有機器控制權(quán)。任何計算機都擁有自己的一套基本

5、指令系統(tǒng)，高級語言程序最終需經(jīng)專門的編譯程序，翻譯為基本機器指令。,8086指令系統(tǒng),數(shù)據(jù)傳送指令MOV, PUSH/POP, IN/OUT, STOSB…算術(shù)運算指令A(yù)DD,SUB,INC,DEC,MUL,DIV,….邏輯和移位運算指令A(yù)ND,OR,XOR,NOT, TEST, SAL,SHL,… 字符串運算指令Movs,cmps,lods/lodsb/lodsw,stosb,….控制轉(zhuǎn)移指令jmp,call/re

6、t/retf, loop,int/iret/iretd, jc/jnc, jz/jnz, jae/jnae,…處理器控制指令sti/cli, std/cld,hlt, clc/cmc/stc,…,中斷與異常機制,程序執(zhí)行過程中的強制轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序中斷: 硬中斷(8259A) 和 軟中斷(執(zhí)行指令： int n)異常：執(zhí)行某條指令出現(xiàn)了異常，如被0除、NMI、溢出…硬中斷是異步、隨機事件；而軟中斷與異常是同步事件；

7、實現(xiàn)中斷機制的要素中斷源；中斷向量表特殊指令：INT xx; IRET/IRETD; 控制8259A專用指令STI/CLI中斷處理過程或步驟保護現(xiàn)場(標(biāo)志寄存器,CS,IP壓棧;特定寄存器壓棧);根據(jù)中斷源類型，查中斷向量表，獲取中斷處理程序開始地址;長跳轉(zhuǎn)移到中斷處理程序;執(zhí)行IRET，恢復(fù)原被中斷現(xiàn)場。,用匯編語言實現(xiàn)中斷,; 中斷處理子程序SERVICE PROC

8、FARPUSHAD; 保護現(xiàn)場PUSH DSSTI; 打開中斷……; 中斷處理程序主體……CLI; 關(guān)閉中斷MOV AL, 20HOUT 20H, AL ; 發(fā)中斷結(jié)束命令POPDS; 恢復(fù)現(xiàn)場POPAIRETSERVICEENDP,32位微處理機器,Intel808616位CPU, 16位寄存器,16位數(shù)據(jù)總線；20

9、位地址總線，具有1MB的尋址能力。Intel80386從80386開始，Intel家族的CPU進入32位時代，具有32位地址總線，尋址能力可達4GB 。 有實模式、保護模式和虛擬8086(V86)三種工作模式。,保護模式的特點,采用了全新的、基于分段和分頁內(nèi)存管理技術(shù)；可尋址4G的內(nèi)存空間；允許使用虛擬存儲。 支持并發(fā)執(zhí)行多任務(wù)；引入特權(quán)級(privilege level/ring)的概念共分四個特權(quán)級，即0級、1級

10、、2級和3級；第0級權(quán)限最大，常被作為系統(tǒng)內(nèi)核代碼段的權(quán)級，具有實模式下代碼的同等權(quán)限；3級權(quán)限最小，常被作為用戶級代碼段的權(quán)級。,80386的寄存器體系,加載專用指令LGDT mem48LIDT mem48LLDT reg16/mem16LTR reg16/mem16,請求特權(quán)級,=0 描述符在GDT中=1描述符在LDT中,保護模式下的段描述符,,保護模式下的段式尋址過程,保護模式下中斷處理程序的定位過程,操作系統(tǒng)的定義

11、,是計算機系統(tǒng)的一個系統(tǒng)軟件；是一些具有如下功能的程序模塊的集合：能有效地組織和管理計算機硬件和軟件資源能合理組織計算機的工作流程，控制程序的執(zhí)行；能透明地向用戶提供各種服務(wù)功能，使用戶能夠靈活、方便地使用計算機，使整個計算機系統(tǒng)能高效地運行。,操作系統(tǒng)的目標(biāo)與作用,操作系統(tǒng)的目標(biāo)（質(zhì)量模型）方便性（方便，易學(xué)、易用）有效性（有效利用和管理各類系統(tǒng)核心資源，提高系統(tǒng)的利用率和吞吐率）可擴充性（可修改性，可擴展性好）開放性

12、（移植性，互操作性好）操作系統(tǒng)的作用 作為計算機系統(tǒng)資源的管理者；作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口；用作擴充計算機硬件系統(tǒng) （應(yīng)如何理解或說明？）操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型一般采用基于特權(quán)級保護的層次化結(jié)構(gòu)模型,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程（1）,人工操作方式對應(yīng)第一代計算機，無OS;用紙帶機加載程序信息到主存；特點：用戶獨占計算機資源，資源利用率低（CPU要等待人工操作，經(jīng)常空閑） 脫機輸入輸出技術(shù) 引入目的：解決人機矛盾

13、，以及CPU與低速I/O設(shè)備間速度不匹配；減少CPU的空閑等待時間。,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程（2）,人工操作方式 脫機輸入輸出技術(shù)單道批處理系統(tǒng)監(jiān)督程序駐留內(nèi)存；自動加載外部作業(yè)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動、不間斷連續(xù)運行但當(dāng)當(dāng)前執(zhí)行程序有I/O服務(wù)請求時，CPU仍要空閑特征：自動性、順序性和單道性 多道批處理系統(tǒng),1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程（3）,多道批處理系統(tǒng)多道程序設(shè)計技術(shù) 用戶提交作業(yè)先在外存排隊，然后由作業(yè)調(diào)度程序

14、按一定的算法從隊列中選擇若干作業(yè)載入內(nèi)存，并允許它們并發(fā)（交替）執(zhí)行。引入多道程序設(shè)計技術(shù)后，可帶來如下的好處 提高系統(tǒng)(CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備)的利用率;充分發(fā)揮CPU與外設(shè)并行工作的能力；提高系統(tǒng)的吞吐率 特征：多道性、無序性和調(diào)度性優(yōu)缺點及需要解決的問題,分時操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng)形成和發(fā)展的動力 實現(xiàn)人機交互；共享或充分利用主機；便于用戶上機 分時OS實現(xiàn)要解決的關(guān)鍵問題 及時接受多路卡；每個終端配備可暫存

15、用戶命令的緩沖區(qū)及時處理所有用戶作業(yè)要直接進入內(nèi)存；每個用戶（作業(yè)）應(yīng)在較短的時間內(nèi)得到響應(yīng)處理的“時間片”； 分時系統(tǒng)的實現(xiàn)方法 單道分時處理系統(tǒng) 具有“前臺”和“后臺”的分時系統(tǒng) 支持多道程序設(shè)計的分時系統(tǒng) 特征 ：多路性、獨立性和交互性；,實時操作系統(tǒng),實時OS的引入目的（主要應(yīng)用領(lǐng)域） 實時控制 實時信息處理――要求對信息進行及時處理 實時任務(wù)的類型按是否有周期性劃分；按截止時間要求嚴格與否劃分（硬、軟

16、任務(wù)）；實時系統(tǒng)的基本特征 具有多路性、獨立性、交互性、及時性和可靠性等特征. 分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得OS步入實用化,可移植操作系統(tǒng)――UNIX革命,UNIX是現(xiàn)代OS的代表， 20世紀60年代末，由貝爾實驗室首先設(shè)計完成；隨后整個UNIX用C語言重寫。其源代碼開放。運行時具有安全性、可靠性以及強大的計算能力。UNIX出色的設(shè)計思想和實現(xiàn)技術(shù)，對后來OS發(fā)展有著廣泛而深入的影響，至今它仍然是OS課程學(xué)習(xí)的重要

17、內(nèi)容。 UNIX新家族系列目前較流行的LINUX、XINUX……Ubuntu : 官方網(wǎng)站http://www.ubuntu.comCygwin : 官方網(wǎng)站http://www.cygwin.com,UNIX系統(tǒng)的特點,內(nèi)核和外層有機結(jié)合。內(nèi)核小、簡潔，常駐內(nèi)存，保證系統(tǒng)高效運行；外層包含非常的實用程序和豐富的支持軟件－－各種工具容易串接組合?？梢浦残浴⒖蓴U展性好和安全性好；是一個支持多任務(wù)多用戶系統(tǒng)開放源代碼－－－

18、－－－－－－－－－－－－－－－－－－－WINDOWS多任務(wù)操作環(huán)境圖形化工作環(huán)境和用戶界面，界面友好（?傻瓜機）屬于準微內(nèi)核體系，兼顧性能和效率,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),計算機網(wǎng)絡(luò)中，各臺計算機配置各自的OS，而網(wǎng)絡(luò)OS把它們有機聯(lián)系起來，用統(tǒng)一的方法管理整個網(wǎng)絡(luò)中的共享資源。網(wǎng)絡(luò)OS除了具備單機OS功能外，還應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)通信能力和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。網(wǎng)絡(luò)用戶只有通過網(wǎng)絡(luò)OS才能享受網(wǎng)絡(luò)所提供的各項服務(wù)。,分布式操作系統(tǒng),分布式操作系統(tǒng)是為分

19、布計算機系統(tǒng)配置的OS。按分布方式，分布式計算機系統(tǒng)?？煞譃閮深悾航⒃诙嗵幚頇C上的緊密耦合分布式系統(tǒng)；建立在計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，松散耦合的操作系統(tǒng)。 與網(wǎng)絡(luò)OS相比，更重于任務(wù)的分布性，即把一個大的任務(wù)分為若干個子任務(wù)，分派到不同的處理站點上去執(zhí)行。有強壯的分布式算法和動態(tài)平衡各站點負載的能力它是網(wǎng)絡(luò)OS的更高形式，具有強大的生命力。,當(dāng)代OS的兩大發(fā)展方向,微型化方向典型代表：嵌入式的OS，運行在嵌入式環(huán)境中。大型化方向

20、典型代表：分布式OS和機群OS分布式并行機，由多個連接的CPU組成，在整個系統(tǒng)的控制下可合作執(zhí)行一個共同任務(wù)； 機群OS則用于由多臺計算機松散組成的機群；最新發(fā)展：云計算技術(shù)！一種超大規(guī)模、高度虛擬化計算模型,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,一、處理機管理（進程與線程管理）主要任務(wù)是對CPU的分配和運行實施有效管理具體功能包括進程控制：負責(zé)進行的創(chuàng)建、撤銷和狀態(tài)轉(zhuǎn)換進程同步：對并發(fā)執(zhí)行的多進程進行協(xié)調(diào)進程通信：負責(zé)完

21、成進程間的信息交換進程調(diào)度：按一定的算法進行CPU分配,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,二、存儲管理主要任務(wù)是對內(nèi)存進行分配、保護和擴充具體功能內(nèi)存分配：按一定的策略為每道程序分配內(nèi)存內(nèi)存保護：保證各程序在自己的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)運行不受其它并發(fā)執(zhí)行程序影響。內(nèi)存擴充：為允許大型作業(yè)或多作業(yè)并發(fā)運行，必須借助虛擬存儲技術(shù)來獲得更大“虛擬”內(nèi)存,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,三、設(shè)備管理是OS中最龐雜、最瑣碎部分應(yīng)具有的基本功能

22、包括設(shè)備分配：按一定原則對設(shè)備進行分配。為使設(shè)備能與主機并行工作，需大量采用緩沖技術(shù)和虛擬技術(shù)設(shè)備傳輸控制：實現(xiàn)物理設(shè)備的I/O操作，包括啟動、中斷處理和結(jié)束處理等操作。,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,四、文件管理OS中負責(zé)信息管理部分稱為文件系統(tǒng)主要功能包括：文件的存儲空間管理（分配、回收）目錄管理：目錄是為方便文件管理而采用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能提供“按名存取”功能。文件操作管理：實現(xiàn)文件的基本操作，包括打開、關(guān)閉、讀

23、、寫等。文件保護：提供文件安全保護的有關(guān)功能和設(shè)施。,1.4 研究操作系統(tǒng)的主要觀點與方法,虛擬機的觀點資源管理的觀點軟件的觀點進程的觀點,虛擬機（擴展機）觀點,是對OS一種由頂向下的俯視。裝有OS的計算機極大地擴展了原有計算機的功能。把包含由各種硬件、復(fù)雜底層操作細節(jié)隱藏起來，使得用戶的操作和使用，由復(fù)雜變得簡單，由低級操作變?yōu)楦呒壊僮?，把基本功能擴展為多種功能。在裸機上裝上OS后，對用戶來說好像是得到了一個擴展的，使用更