2操作系统概论

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1、2021/7/1操作系统的定义操作系统的定义 操作系统操作系统-管理系统资源、控制程序执行，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。的最基本的一种系统软件。2021/7/1计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构财务系统财务系统航空订票航空订票上网浏览上网浏览电子商务电子商务科学计算科学计算(应用软件应用软件)用户用户n n用户用户4 4用户用户3 3用户用户2 2用户用户1 1编译程序编译程序汇编程序汇编程

2、序数据库数据库(支撑软件支撑软件)实用程序实用程序操作系统操作系统(系统软件系统软件)计算机硬件计算机硬件2021/7/1ch1(概念和原理、接口和服务)系统实现系统实现 的观点的观点进程交互进程交互 的观点的观点管理资源管理资源 的观点的观点OSOS是资源是资源管理者管理者ch2(处理器管理)、ch4(存储管理)、ch5(设备管理)、ch6(文件管理)OSOS是虚拟是虚拟机机ch1(虚拟机、os结构、os运行模型)、ch7(安全与保护)ch2(进程、线程、调度)、ch3(同步、通信、死锁)系统角度系统角度动态观察动态观察 方法方法静态观察静态观察 方法方法OSOS是程序执是程序执行的控制者行

3、的控制者 用户角度用户角度OSOS是服务是服务提供者提供者服务用户服务用户 的观点的观点 研究和观察操作系统研究和观察操作系统 研究和观察操作系统途径2021/7/1操作系统与支撑软件及应用软件的区别操作系统与支撑软件及应用软件的区别 程序意图不同；操作系统是软件系统的核心，是各种软件的基础运行平台；通用操作系统提供共性功能支持，与硬件相关但和应用领域无关；支撑软件及应用软件不能直接而只能通过操作系统来使用计算机系统的物理资源。2021/7/11.21.2操作系统的资源管理技术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)资源虚化(解决物理资源数量不足，提高服务的能力和水平)资源抽象(

4、处理系统的复杂性，解决资源的易用性)1资源管理技术空分复用时分复用时分独占式时分共享式2021/7/11)1)资源复用资源复用(1)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。(2)时分复用共享-并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间段内独占使用整个物理资源。2021/7/1时分复用共享分类时分复用共享分类时分独占式-进程获得时分独占式资源后，对资源执行多个操作，通常使用一个完整的周期后才会释放(如磁带)。时分共享式-时分共享式资源指进程占用该类资源使用后，很可能随时被剥夺，被另一个进程抡占使用(如处理器、磁盘机)。2021/7/12)2)资源虚化资源虚化 是对资

5、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。空分复用分割实际存在的物理资源，虚化实现虚构假想的虚拟同类资源。虚化的例子虚拟设备、虚拟存储器、虚拟屏幕(终端)、虚拟信道 。2021/7/13)3)资源抽象资源抽象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。单级资源抽象与多级资源抽象。2021/7/1单级资源抽象单级资源抽象 一个简单的抽象，可用系统调用write()打包：void write(char*block,int len,int device,int

6、 track,int sector)load(block,length,device);seek(device,track);out(device,sector);2021/7/1多级资源抽象多级资源抽象 int fprintf(fileID,”%s”,datum)write();2021/7/14)4)组合使用抽象和虚化技术组合使用抽象和虚化技术 对于一类资源，操作系统往往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

7、提供虚拟终端和方便的I/O服务。2021/7/12 2操作系统中最基础的抽象操作系统中最基础的抽象 进程抽象进程抽象-是对已进入主存正在运行的程序在处理器上操作的状态集是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的抽象 。内核的主要任务之一是将处理器。内核的主要任务之一是将处理器“虚化虚化”，造成每个运行，造成每个运行进程都独自拥有一个处理器的假象进程都独自拥有一个处理器的假象 虚存抽象虚存抽象-是对物理主存的抽象，进程可获得硕大的连续地址空间来是对物理主存的抽象，进程可获得硕大的连续地址空间来存放程序和数据，可使用虚拟地址来引用物理主存单元。把虚拟主存放程序和数据，可使用虚拟地址

8、来引用物理主存单元。把虚拟主存内容存在磁盘上，用主存作为磁盘的高速缓存，以此为用户提供存内容存在磁盘上，用主存作为磁盘的高速缓存，以此为用户提供远比物理主存大得多的虚拟主存空间。远比物理主存大得多的虚拟主存空间。文件抽象文件抽象-是对设备是对设备(磁盘磁盘)的抽象的抽象 。通过将文件中的字节映射到存储。通过将文件中的字节映射到存储设备的物理块中来实现文件抽象。设备的物理块中来实现文件抽象。2021/7/1文件抽象是操作系统对磁盘设备的多层次抽象文件抽象是操作系统对磁盘设备的多层次抽象 第一层抽象，从磁盘到分区。第二层抽象，从分区到扇区。第三层抽象，从扇区到簇。第四层抽象，从簇到文件系统分区。2

9、021/7/1操作系统最基础抽象小结操作系统最基础抽象小结 文件抽象 虚存抽象 进程抽象 处理器 主存 设备 2021/7/13 3 虚拟计算机虚拟计算机(1)(1)什么是虚拟计算机什么是虚拟计算机?什么是操作系统虚拟机什么是操作系统虚拟机?操作系统虚拟机的组成：操作系统虚拟机的组成：1)1)虚处理器虚处理器 2)2)虚拟主存虚拟主存 3)3)虚拟辅存虚拟辅存 4)4)虚拟设备虚拟设备2021/7/1虚拟计算机虚拟计算机(2)(2)操作系统资源管理(复用、虚化、抽象)虚 虚 虚 虚处 主 辅 设理 存 存 备器 虚拟机n时分复用共享空分复用共享处 I I 主 辅理 /器 O O 设 设 存 存

10、 备 备 虚 虚 虚 虚处 主 辅 设理 存 存 备器 虚拟机1进程Pn进程P1 处 输 输 主 辅 入 入 输 输理 出 出 设 设 存 存器 备 备 物理计算机 2021/7/1虚处理器特点虚处理器特点(3)(3)(1)(1)虚处理器没有中断，进程的设计者不再需要有硬件中虚处理器没有中断，进程的设计者不再需要有硬件中断的概念，通常进程执行中无需处理中断；断的概念，通常进程执行中无需处理中断；(2)(2)每个进程都有自己的虚处理器，用以实现多进程的并每个进程都有自己的虚处理器，用以实现多进程的并发执行；发执行；(3)(3)虚处理器为进程提供功能强大的指令系统，即由机器虚处理器为进程提供功能强

11、大的指令系统，即由机器非特权指令和系统调用所组成的新指令系统集。非特权指令和系统调用所组成的新指令系统集。2021/7/1虚拟主存特点虚拟主存特点(4)(4)虚拟主存是从虚拟主存是从0 0开始的连续数字命名的单元序列，由操作开始的连续数字命名的单元序列，由操作系统分割物理主存，分配给虚拟机使用，各虚拟机分得系统分割物理主存，分配给虚拟机使用，各虚拟机分得的主存空间相互隔离且互不干扰。的主存空间相互隔离且互不干扰。虚拟存储器避免在主存和磁盘之间来回拷贝整个进程地虚拟存储器避免在主存和磁盘之间来回拷贝整个进程地址空间，当运行进程需要信息或信息被更新时，系统在址空间，当运行进程需要信息或信息被更新时

12、，系统在主存与磁盘之间自动地传输当前计算涉及到的一小部分主存与磁盘之间自动地传输当前计算涉及到的一小部分数据。数据。2021/7/1虚拟辅存特点虚拟辅存特点(5)(5)辅存辅存(磁盘磁盘)为信息提供持久性存储，通过空分复用把辅存为信息提供持久性存储，通过空分复用把辅存空间分配给进程使用，空间分配给进程使用，部分空间用作主存的扩充，部分空间存放文件，信息以文部分空间用作主存的扩充，部分空间存放文件，信息以文件为单位被物理地存储在磁盘上。件为单位被物理地存储在磁盘上。文件中的字节流被映射到设备的物理块中，进程可通过文文件中的字节流被映射到设备的物理块中，进程可通过文件系统调用或映射文件件系统调用或

13、映射文件I/OI/O对文件信息进行存储、检索和对文件信息进行存储、检索和处理。处理。操作系统也可提供多个虚拟盘，按需分割物理磁盘的若干操作系统也可提供多个虚拟盘，按需分割物理磁盘的若干磁道，除了容量外，其它各个方面与物理磁盘相同。磁道，除了容量外，其它各个方面与物理磁盘相同。2021/7/1虚拟设备特点虚拟设备特点(6)(6)SPOOLingSPOOLing和文件系统为每台虚拟机提供虚拟读入机和和文件系统为每台虚拟机提供虚拟读入机和虚拟打印机，分时用户的终端提供虚拟机操作员控制台。虚拟打印机，分时用户的终端提供虚拟机操作员控制台。虚拟机的虚拟机的I/OI/O操作与物理计算机的操作与物理计算机的

14、I/OI/O操作完全不同，故操作完全不同，故为每类物理设备编写实现信息为每类物理设备编写实现信息I/OI/O的设备驱动程序供应的设备驱动程序供应用程序调用，以此来抽象物理设备，屏蔽相关细节，执用程序调用，以此来抽象物理设备，屏蔽相关细节，执行低层操作。行低层操作。进程执行进程执行I/OI/O实质上是调用相应设备的设备驱动程序，实质上是调用相应设备的设备驱动程序，既简单又方便。既简单又方便。2021/7/1虚拟机的实现虚拟机的实现(7)(7)虚拟机是由操作系统通过共享硬件资源的方式来实现的，虚拟机是由操作系统通过共享硬件资源的方式来实现的，它定义进程运行的逻辑计算环境，从概念上来说，一个它定义进

15、程运行的逻辑计算环境，从概念上来说，一个进程运行在一台虚拟机上，可认为一个进程就是一台虚进程运行在一台虚拟机上，可认为一个进程就是一台虚拟机。拟机。实现方法：物理处理器在各进程之间来回切换，每台虚实现方法：物理处理器在各进程之间来回切换，每台虚拟机在一个时间段中只是占用全部物理资源的一部分，拟机在一个时间段中只是占用全部物理资源的一部分，故可创建出许许多多台虚拟机，系统中也就允许有许许故可创建出许许多多台虚拟机，系统中也就允许有许许多多进程并发或并行执行。多多进程并发或并行执行。2021/7/11.31.3操作系统的作用与功能操作系统的作用与功能 操作系统的作用 OS作为用户接口和服务提供者

16、OS作为扩展机或虚拟机 OS作为资源管理者和控制者 OS作为程序执行的控制者和协调者2021/7/1操作系统既是操作系统既是“管理员管理员”，又是，又是“服务员服务员”对内作为对内作为“管理员管理员”，做好计算机系统软硬件资源的管，做好计算机系统软硬件资源的管理和调度、程序执行控制与协调、提高系统效率和资源理和调度、程序执行控制与协调、提高系统效率和资源利用率；利用率；对外作为对外作为“服务员服务员”，是用户与硬件的接口和人机界面，是用户与硬件的接口和人机界面，为用户提供最友善的运行环境和最佳的服务；为用户提供最友善的运行环境和最佳的服务；操作系统在管理好资源的基础上，向外提供强有力的服操作系

17、统在管理好资源的基础上，向外提供强有力的服务，所以，资源管理是操作系统的一项主要任务。务，所以，资源管理是操作系统的一项主要任务。2021/7/1OSOS作为用户接口和服务提供者作为用户接口和服务提供者用户对计算机系统的需求与期望和现有硬件用户对计算机系统的需求与期望和现有硬件性能之间的巨大差距，靠操作系统来填补；性能之间的巨大差距，靠操作系统来填补；操作系统提供友善的人机接口，使得用户能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够方便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程序；行应用程序；操作系统对计算机硬件进行改造和扩充，为操作系统对计算机硬件进行改造和扩

18、充，为用户提供强有力的各种服务用户提供强有力的各种服务 ；2021/7/1OSOS作为扩展机或虚拟机作为扩展机或虚拟机操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来 ，在计算机裸机上加上操作系统来组成整个计算在计算机裸机上加上操作系统来组成整个计算机系统，机系统，操作系统与硬件组成一台功能显著增强，使用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更加方便，安全可靠性更好的扩展机器或虚拟机机 。2021/7/1OSOS作为程序执行的控制者和协调者作为程序执行的控制者和协调者进程是支持程序执行的系统机制，系统以进程进程是支持程序执行的系

19、统机制，系统以进程方式组织用户使用计算机。方式组织用户使用计算机。OS OS 需要提供机制，解决并发进程执行时产生的需要提供机制，解决并发进程执行时产生的互斥、同步、通信和死锁问题。互斥、同步、通信和死锁问题。2021/7/1操作系统作为计算机系统的资源管理者操作系统作为计算机系统的资源管理者(1)(1)操作系统中的资源，包括两类：硬件资源和信息资源。硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设备等；信息资源又分：程序和数据等。2021/7/1操作系统作为计算机系统的操作系统作为计算机系统的资源管理者资源管理者(2)(2)也可把操作系统定义为：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

20、软件。2021/7/1操作系统作为计算机系统的操作系统作为计算机系统的资源管理者资源管理者(3)(3)操作系统的重要任务之一(1)对资源进行抽象研究，找出各种资源共性和个性，有序地进行管理，跟踪资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突；2021/7/1操作系统作为计算机系统的操作系统作为计算机系统的资源管理者资源管理者(4)(4)操作系统的重要任务之一(2)研究使用资源的统一方法，让用户简单、有效的使用资源，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而，使得计算机系统的效率有很大提高。2021/7/1操作系统的功能（一操作系统的功能（一）从两个不同的

21、角度讨论操作系统的功能：从两个不同的角度讨论操作系统的功能：1.资源管理资源管理 协调、管理计算机的软、硬件资源，提高其利用协调、管理计算机的软、硬件资源，提高其利用率。率。2.用户角度用户角度 为用户提供使用计算机的环境和服务为用户提供使用计算机的环境和服务。计算机四大类资源计算机四大类资源C P U 内内 存存 外外 设设 信息文件信息文件 处理机管处理机管理理存储器管理存储器管理设备管理设备管理文件管理文件管理用户接口用户接口 2021/7/1操作系统的功能（二操作系统的功能（二）一一.处理机管理处理机管理 处理机管理的处理机管理的是：按照一定策略，对处理机进是：按照一定策略，对处理机进

22、行分配及进行资源回收。行分配及进行资源回收。由于在多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以由于在多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以进进程程为单位的，故为单位的，故处理机管理又归结为进程管理处理机管理又归结为进程管理。进程调度进程调度 按照某种调度策略，实现对按照某种调度策略，实现对CPUCPU的分配的分配。进程控制进程控制 进程的创建、撤消、状态转换等控制。进程的创建、撤消、状态转换等控制。进程同步进程同步 协调、控制系统中进程的并发执行。协调、控制系统中进程的并发执行。互斥方式互斥方式 同步方式同步方式 进程通信进程通信 进程之间交换信息进程之间交换信息 高级通信方式高级通信方式。20

23、21/7/1 操作系统的功能（三）操作系统的功能（三）二二、存储器管理、存储器管理 主要涉及内存管理，任务是为多道程序的执行提供主要涉及内存管理，任务是为多道程序的执行提供必要、良好的环境。为用户提供足够大的存储空间。必要、良好的环境。为用户提供足够大的存储空间。内存分配与回收内存分配与回收存储保护存储保护地址映射地址映射内存扩充内存扩充2021/7/1 操作系统的功能（四）操作系统的功能（四）二二.存储器管理存储器管理2、存储保护、存储保护 保证各道程序在各自的内存空间运行，互不干保证各道程序在各自的内存空间运行，互不干扰，保护程序和数据的安全。扰，保护程序和数据的安全。1、内存分配与回收、

24、内存分配与回收 为多道程序分配内存空间。内存分配方式分为：为多道程序分配内存空间。内存分配方式分为：静态分配静态分配 程序一次装入，执行过程中不能动态程序一次装入，执行过程中不能动态 申请。申请。动态分配动态分配 程序执行过程中，位置可移动，可动程序执行过程中，位置可移动，可动 态申请内存。态申请内存。2021/7/1 操作系统的功能（五）操作系统的功能（五）二二.存储器管理存储器管理 3.地址映射地址映射 在多道程序系统中，必须将程序的逻辑地址转换为内在多道程序系统中，必须将程序的逻辑地址转换为内存中的物理地址程序才能够运行。存中的物理地址程序才能够运行。4.内存扩充内存扩充 引入虚拟存储技

25、术，对内存进行逻辑扩充，为用户提引入虚拟存储技术，对内存进行逻辑扩充，为用户提供比实际内存大得多的虚拟内存。供比实际内存大得多的虚拟内存。2021/7/1操作系统的功能（六）操作系统的功能（六）三三、设备管理设备管理 基本任务是为用户提供统一的与设备无关的基本任务是为用户提供统一的与设备无关的接口。对各种外设进行调度、分配、实现设备接口。对各种外设进行调度、分配、实现设备的中断处理及错误处理等。的中断处理及错误处理等。缓冲技术缓冲技术虚拟设备技术虚拟设备技术2021/7/1操作系统的功能（七）操作系统的功能（七）四四、文件管理、文件管理 即对计算机软件资源的管理。基本任务是：即对计算机软件资源

26、的管理。基本任务是：1、负责文件的物理存储空间的组织分配与回收。、负责文件的物理存储空间的组织分配与回收。2、实现文件的按名存取。、实现文件的按名存取。3、实现文件与目录的创建、读、写、及修改、实现文件与目录的创建、读、写、及修改、删除等基删除等基 本操作。本操作。4、文件的保护与保密。、文件的保护与保密。2021/7/1 操作系统的功能（八）操作系统的功能（八）五五、用户接口、用户接口 从用户的角度考虑操作系统的功能。用户与操作从用户的角度考虑操作系统的功能。用户与操作系统的接口，通常有三种形式：系统的接口，通常有三种形式：1、命令接口、命令接口（联机、脱机）联机、脱机）2、程序接口、程序接

27、口（系统调用）是为用户程序在执行（系统调用）是为用户程序在执行 过程中访问系统资源而设置的一组广义指令过程中访问系统资源而设置的一组广义指令，以函数的形式提供。以函数的形式提供。3、图形接口、图形接口 是一种全新的人机界面，提供图形是一种全新的人机界面，提供图形 用户界面用户界面 （GUIGUI）和符号操作。）和符号操作。2021/7/11.41.4操作系统的主要特性操作系统的主要特性第一个特性-并发性第二个特性-共享性第三个特性-异步性 2021/7/1操作系统中的并发性操作系统中的并发性(1)(1)并发性并发性-指两个或两个以上的事件或活动指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生在

28、同一时间间隔内发生发挥并发性能够消除系统中部件和部件之发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率2021/7/1 并发性使系统变得复杂化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？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？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？怎样协调多个活动对资源的竞争？如何保证每个活动的

29、资源不被其它进程侵犯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？多个活动共享文件数据时，如何保证数据的一致性？操作系统中的并发性操作系统中的并发性(2)(2)2021/7/1操作系统中的并发性操作系统中的并发性(3)(3)采用并发技术的系统称多任务系统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并发的实质是一个物理CPU(CPU(也可以多个物理也可以多个物理CPU)CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是对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。有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。结论：实现并发技术的

30、关键之一是如何对系统结论：实现并发技术的关键之一是如何对系统内的多个活动内的多个活动(进程进程)进行切换的技术进行切换的技术 2021/7/1操作系统中的并发性操作系统中的并发性(4)(4)并行性并行性-指两个或两个以上的事件或活指两个或两个以上的事件或活动在同一时刻发生动在同一时刻发生 并行的事件或活动一定是并发的，但反并行的事件或活动一定是并发的，但反之并发的事件或活动未必是并行的。之并发的事件或活动未必是并行的。并行性是并发性的特例，而并发性是并并行性是并发性的特例，而并发性是并行性的扩展。行性的扩展。2021/7/1操作系统中的共享性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

31、发执行的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进程所使用 ：透明资源共享：透明资源共享：资源隔离与授权访问资源隔离与授权访问 显式资源共享：临界资源与独占访问显式资源共享：临界资源与独占访问 与共享性有关的问题与共享性有关的问题:资源分配、信息保护、存取控制资源分配、信息保护、存取控制等，必须要妥善解决好等，必须要妥善解决好。2021/7/1操作系统中的异步性操作系统中的异步性(1)(1)操作系统中的异步性处处可见操作系统中的异步性处处可见 ：(1)(1)进程何时执行？何时暂停？怎样的速度向前推进？都是异步进程何时执行？何时暂停？怎样的速度向前推进？都是异步(随机随机)的。的。(2

32、)(2)作业到达系统的类型和时间是随机的；作业到达系统的类型和时间是随机的；(3)(3)操作员发出命令或按按钮的时刻是随机的；操作员发出命令或按按钮的时刻是随机的；(4)(4)程序运行发生错误或异常的时刻是随机的；程序运行发生错误或异常的时刻是随机的；(5)(5)各种各样硬件和软件中断事件发生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2021/7/1操作系统中的异步性操作系统中的异步性(2)(2)异步性给系统带来潜在危险异步性给系统带来潜在危险,有可能导致与时有可能导致与时间有关的错误。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操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉任何

33、一种随机事件，正确处理可能发生的随机何一种随机事件，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，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否则将会导致严重后果。2021/7/1 50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。级到高级的发展过程。人工操作方式人工操作方式早期批处理方式早期批处理方式管理程序阶段管理程序阶段多道程序系统多道程序系统 管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程序管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程序系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。

34、2021/7/1 5050年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。过程。一、人工操作方式（一、人工操作方式（45年年 50年代中）年代中）1.无操作系统，人工直接使用计算机硬件系统无操作系统，人工直接使用计算机硬件系统.独占计算机资源独占计算机资源 CPU等待人工操作（等待人工操作（90%空闲）空闲）2.脱机脱机 I/O 方式方式(Off-Line I/O）I/O操作由外围机完成，通过中间介质（磁盘、带）将操作由外围机完成，通过中间介质（磁盘、带）将输入数据调入内存，输入数据调入内存，CPU将输出数据从内存送到磁盘。

35、将输出数据从内存送到磁盘。2021/7/1 二、早期批处理方式二、早期批处理方式（Batch Processing）早期批处理系统是操作系统的雏形，是将作业按照一定顺序组织早期批处理系统是操作系统的雏形，是将作业按照一定顺序组织起来，由监督程序起来，由监督程序（Monitor）自动、连续执行。提高自动、连续执行。提高CPUCPU利用率，减少利用率，减少用户作业的转接时间。用户作业的转接时间。由于内存中仅有一道作业，故又称为单道批处理系统。由于内存中仅有一道作业，故又称为单道批处理系统。1.联机批处理方式联机批处理方式 I/O设备与主机相联接，由监督程序控制作业的装入、运设备与主机相联接，由监督

36、程序控制作业的装入、运行与转接。行与转接。2.2.脱机批处理方式脱机批处理方式 在外围机上作慢在外围机上作慢 I/O，I/O数据存放于中间媒体。数据存放于中间媒体。2021/7/1 脱机批处理方式脱机批处理方式 批处理方式实现了作业的自动过渡，改善了批处理方式实现了作业的自动过渡，改善了CPUCPU与与 I/OI/O设备速度不匹配的矛盾。设备速度不匹配的矛盾。监督程序监督程序 操作系统的雏型。操作系统的雏型。为了减少人工操作的时间，利用常驻内存的监督程为了减少人工操作的时间，利用常驻内存的监督程序管理控制作业的装入、运行和转接。序管理控制作业的装入、运行和转接。读卡机读卡机打印机打印机卫星机卫

37、星机输入输入磁带磁带输出输出磁带磁带输入输入带带输出输出带带主机主机2021/7/1 三、管理程序阶段三、管理程序阶段 6060年代初，计算机硬件由于通道年代初，计算机硬件由于通道（Channel）技术的技术的引入和中断（引入和中断（Interrupt）技术的发展而取得突破新性的进）技术的发展而取得突破新性的进展。操作系统在该管理程序阶段也逐渐形成。展。操作系统在该管理程序阶段也逐渐形成。通道通道 硬件机制，专用于硬件机制，专用于I/OI/O的小型处理机，又称的小型处理机，又称I/OI/O处处理机理机 ，通道一旦启动，能与，通道一旦启动，能与CPUCPU并行操作并行操作。中断中断 当主机接到外

38、部信号时（如当主机接到外部信号时（如 I/OI/O完成信号）即停完成信号）即停止原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机又回止原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机又回到原来的断点继续工作。到原来的断点继续工作。2021/7/1 单道程序系统的工作情况单道程序系统的工作情况用户程序用户程序监督程序监督程序I/O 操作操作I/O中断请求中断请求启动启动I/O I/O完成完成结束中断结束中断I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8显然，单显然，单道程序系统道程序系统CPU的利用率低，的利用率低，四、多道程序系统四、多道程序系统 虽

39、然管程方式下，借助通道、中断技术，主机和通道、虽然管程方式下，借助通道、中断技术，主机和通道、I/OI/O设备都可以并行工作，进一步提高了设备都可以并行工作，进一步提高了CPUCPU的利用率，但的利用率，但是由于内存中仅存放一道程序是由于内存中仅存放一道程序,当程序在运行过程发出当程序在运行过程发出I/OI/O请求后，请求后，CPUCPU空闲，直到空闲，直到I/OI/O完成后才继续运行完成后才继续运行。2021/7/1 单道程序系统单道程序系统用户程序用户程序监督程序监督程序I/O 操作操作I/O中断请求中断请求启动启动I/O I/O完成完成结束中断结束中断I/O中断请求中断请求启动启动I/O

40、I/O完成完成结束中断结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8 程序程序 A 程序程序 B 程序程序 C 程序程序 D调度程序调度程序程序程序AI/O请求请求程序程序B I/O请求请求程序程序C I/O请求请求程序程序D I/O请求请求程序程序A I/O完成完成程序程序B I/O完成完成程序程序A再次被调度再次被调度程序程序C I/O完成完成t多道程序系统多道程序系统2021/7/11.6 1.6 操作系统构件操作系统构件和结构和结构 操作系统设计呈现出以下特征：操作系统设计呈现出以下特征：-复杂程度高，复杂程度高，-生成周期长，生成周期长，-正确性难保证正确性难保证 。操作系统结构设计有三层

41、含义：操作系统结构设计有三层含义：一、是研究操作系统整体结构，如功能如何一、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分块，相互如何交互，及考虑构造它的过程和方法；和方法；二、是研究操作系统程序局部结构，包括数二、是研究操作系统程序局部结构，包括数据结构和控制结构；据结构和控制结构；三、是操作系统运行时的组织，如系统是否三、是操作系统运行时的组织，如系统是否组织成进程或线程组织成进程或线程?在系统空间还是在用户在系统空间还是在用户空间运行空间运行?2021/7/1操作系统的构件操作系统的构件 内核内核 进程进程 线程线程 类程类程 管程管程2021/7/1操作系统

42、的内核操作系统的内核(1)1)1)什么是内核什么是内核?2)2)内核分类：微内核和单内核。内核分类：微内核和单内核。3)Linux3)Linux是单内核操作系统是单内核操作系统 ，MachMach是微内是微内核操作系统核操作系统 ，Windows2003Windows2003是是C/SC/S结构结构操作系统。操作系统。2021/7/1什么是内核什么是内核?(2)?(2)内核内核(kernel)(kernel)是作为可信软件来提供支持进程并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，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，具内核

43、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。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，系统效率行环境得到改善，安全性得到保证，系统效率得到提高。得到提高。2021/7/1操作系统的内核操作系统的内核(3)LinuxLinux单内核结构单内核结构 用户用户态态 系统库系统库(函数库函数库)应用程序应用程序 系统调用接口系统调用接口 模块模块内核内核(进程管理、进程管理、存储管理、文件存储管理、文件

44、管理、设备管理、管理、设备管理、网络管理网络管理)设备设备 驱动驱动 计算机硬件计算机硬件核 心核 心态态单内单内核核2021/7/1单内核操作系统两种基本设计方法单内核操作系统两种基本设计方法(4)(4)整体式结构整体式结构 (1)(1)设计思想和步骤设计思想和步骤 (2)(2)缺点缺点 和优点和优点 (3)(3)早期早期(IBM)(IBM)操作系统使用操作系统使用层次式结构层次式结构 (1)(1)设计思路设计思路 (2)(2)缺点缺点 和优点和优点 (3)THE(3)THE多道程序设计系统中第一次提出操作系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统层次结构设计方法 2021/7

45、/1操作系统的内核操作系统的内核(5)微内核结构微内核结构 操 作 系 统操 作 系 统服务进程服务进程客户客户进程进程1 1客户客户进程进程2 2文件服文件服务器务器进程服进程服务器务器主存服主存服务器务器 微内核微内核(消息传递消息传递)计算机硬件计算机硬件 用户用户 进程进程用用户户态态核核心心态态客户通过微内客户通过微内核发送消息给核发送消息给文件服务器文件服务器2021/7/1微内核结构的特点和优点微内核结构的特点和优点 一对进程的请求提供一致性接口，不必区别内核级服务一对进程的请求提供一致性接口，不必区别内核级服务或用户级服务，所有服务均借助消息传递机制提供；或用户级服务，所有服务

46、均借助消息传递机制提供；二可扩充性和易修改性好，增加新服务和替换老功能，二可扩充性和易修改性好，增加新服务和替换老功能，只需增加或替换服务器；只需增加或替换服务器；三可移植性好，与特定三可移植性好，与特定CPUCPU有关代码均在微内核中，把有关代码均在微内核中，把系统移植到新平台上所作修改较小；系统移植到新平台上所作修改较小；四提供对分布式系统的有力支撑，当消息从客户机发送四提供对分布式系统的有力支撑，当消息从客户机发送给服务器进程时，不必知道它驻留在哪台机器上，处理给服务器进程时，不必知道它驻留在哪台机器上，处理都是发送请求和接收回答。都是发送请求和接收回答。缺点是运行效率低，因为进程间必须

47、通过内核的通信机缺点是运行效率低，因为进程间必须通过内核的通信机制才能进行通信。制才能进行通信。2021/7/1内核的基本功能内核的基本功能 基本功能基本功能:资源抽象资源抽象-资源分配资源分配-资源共享资源共享-2021/7/1内核的基本属性内核的基本属性 基本属性基本属性:内核是由中断驱动的内核是由中断驱动的 内核是不可抢占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部分程序在屏蔽中断状态下执行内核可以使用特权指令内核可以使用特权指令 2021/7/1 内核和裸机组成的虚拟机具有以下特性：内核和裸机组成的虚拟机具有以下特性：1 1）虚拟机没有中断，虚拟机没有中断，2 2）虚拟机为

48、每个进程提供了一台虚拟处理）虚拟机为每个进程提供了一台虚拟处理器，器，3 3）虚拟机为进程或模块提供了功能较强的）虚拟机为进程或模块提供了功能较强的指令系统。指令系统。虚拟机具有的特性虚拟机具有的特性2021/7/1机制与策略分离机制与策略分离(1)在策略与机制分离的操作系统中，解决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：应用问题均可分成两部分：“提供及实提供及实现确定的功能现确定的功能(机制机制)，将机制作为系统，将机制作为系统的可信软件来实现的可信软件来实现”和和“如何使用这些如何使用这些功能功能(策略策略)，可在不可信的环境中定义，可在不可信的环境中定义策略策略”。20

49、21/7/1机制与策略分离机制与策略分离(2)例子例子1 1：调度机制与调度策略的分离：调度机制与调度策略的分离 例子例子2 2：buffer cache实现机制与实现机制与buffer cache替换策略替换策略 机制与策略分离的原则：机制与策略分离的原则：(1)(1)机制由机制由OSOS实现，策略留给用户完成；实现，策略留给用户完成；(2)(2)机制放在底层，策略放在高层；机制放在底层，策略放在高层；(3)(3)机制集中在少数模块，策略拟散布在多处。机制集中在少数模块，策略拟散布在多处。2021/7/1 操作系统的运行模型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，那操作系

50、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么，操作系统程序是否组织成进程?它是如何控制它是如何控制的、怎样执行的呢的、怎样执行的呢?它在什么模式下运行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：从操作系统的运行方式来看，可分成：1)1)非进程内核模型、非进程内核模型、2)OS2)OS功能功能(函数函数)在用户进程内执行的模型、在用户进程内执行的模型、3)OS3)OS功能功能(函数函数)作为进程执行的模型。作为进程执行的模型。2021/7/1操作系统的运行模型操作系统的运行模型(1)(1)1 1）非进程内核模型）非进程内核模型应用应用进程进程应用应用进程进

51、程内核内核应用应用进程进程核心态核心态用户态用户态2021/7/1操作系统运行模型操作系统运行模型(2)(2)2 2）OSOS功能在用户进程内执行的模型功能在用户进程内执行的模型核心态核心态用户态用户态内核内核函数函数内核内核函数函数内核内核函数函数应用应用进程进程应用应用进程进程进程切换进程切换函数函数应用应用进程进程2021/7/1操作系统的运行模型操作系统的运行模型(3)(3)3 3）OSOS功能作为独立进程执行的模型功能作为独立进程执行的模型微内核（进程切换函数）微内核（进程切换函数）应应用用进进程程OSOS函函数数用用户户态态核核心心态态应应用用进进程程OSOS函函数数应应用用进进程

52、程OSOS函函数数2021/7/1Windows2003Windows2003客户/服务器结构(1)结构简框结构简框 系统系统进程进程服务服务进程进程应用应用程序程序环境子环境子系统系统 子系统动态链接库子系统动态链接库用户态用户态核心态核心态 执行体执行体 核心核心 设备驱动程序设备驱动程序 硬件抽象层硬件抽象层图形图形引擎引擎2021/7/1Windows2003Windows2003客户客户/服务器结构服务器结构(2)(2)系统线程系统线程NTDLL.DLLNTDLL.DLLService.exeService.exeRPCSpoolerSpooler事件日志事件日志服务进程服务进程任务

53、管理器任务管理器IEIE浏览器浏览器用户程序用户程序子系统子系统DLLDLL应用程序应用程序POSIXPOSIXOS2OS2WIN32WIN32环境子系统环境子系统服务管理器服务管理器安全验证安全验证WinWin登录登录会话管理器会话管理器系统进程系统进程核核心心态态用用户户态态Win32 Win32 UserUserGDIGDI图形驱动图形驱动器器硬件抽象层硬件抽象层(HAL)(HAL)设备驱动程序设备驱动程序内核内核对象管理器对象管理器核心态可调用接口核心态可调用接口(执行程序执行程序API)API)系统服务调度进程系统服务调度进程I/OI/O管理器管理器文件缓文件缓存管理存管理 进程线进程线 程管理程管理安全访安全访问监视问监视虚存虚存管理管理局部过局部过程调用程调用注册表配注册表配置管理器置管理器电源电源管理器管理器即插即即插即用管理用管理硬件接口（总线、硬件接口（总线、I/OI/O、时钟、计时器、中断、时钟、计时器、中断、DMADMA、CACHECACHE控制器）控制器）若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！