操作系統(tǒng)

(OperatingSystems,OS)/dbwi/os1大學課件參考文獻A.Silberschatz,P.Galvin,OperatingSystemConcepts,6thedition,Wiley,高等教育出版社,2002.系統(tǒng)，完善，國外大學多選用A.Silberschatz,P.Galvin,GregGagne.AppliedOperatingSystemConcepts,JohnWiley&SonsInc.高等教育出版社，2001.面向應用，比較淺顯，算法不夠完整算法用Java語言描述2大學課件參考文獻A.S.Tanenbaum.ModernOperatingSystems,3rdedition,PrenticeHall,機械工業(yè)出版社,2009.國內(nèi)用的比較多WilliamStalling,OperatingSystems,InternalsandDesignPrinciples,7thEdition,PrenticeHall,2011.另一本比較權威的教材3大學課件參考文獻H.M.Deitel,P.J.Deitel,D.R.Choffnes.OperatingSystems,3rdedition,施平安等譯,清華大學出版社,2007.很完整，篇幅很長（1331頁）孫鐘秀等，操作系統(tǒng)教程，第4版，高等教育出版社，2008.4國內(nèi)代表性教材4大學課件參考文獻萊昂氏UNIX源代碼分析，6thedition,機械工業(yè)出版社，2001.UNIX源代碼10000行C語言9000行,匯編語言1000行PDP11-45,要求了解硬件體系結構,指令系統(tǒng)注釋尤晉元，史美林，陳向群等.Windows操作系統(tǒng)原理，機械工業(yè)出版社，2001.5大學課件第一章操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的歷史操作系統(tǒng)的特性操作系統(tǒng)的類型操作系統(tǒng)的運行環(huán)境操作系統(tǒng)的界面形式操作系統(tǒng)的運行機理研究操作系統(tǒng)的幾種觀點6大學課件1.1操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)地位操作系統(tǒng)作用操作系統(tǒng)定義Whatisoperatingsystem?7大學課件1.1.1操作系統(tǒng)地位硬件抽象層（HAL）之上所有其它軟件層之下硬件（HAL）OS其它系統(tǒng)軟件層應用軟件層8大學課件運行視圖系統(tǒng)庫(lib)可調(diào)用操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令應用程序可以調(diào)用lib和操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令硬件(HAL)操作系統(tǒng)系統(tǒng)庫應用程序機器指令系統(tǒng)調(diào)用庫調(diào)用9大學課件1.1.2操作系統(tǒng)的作用管理系統(tǒng)中軟件硬件資源CPU:一個CPU,多個可運行的程序內(nèi)存:進程空間相對獨立,支持共享設備:分配,驅(qū)動文件:實現(xiàn)文件系統(tǒng),支持文件操作為用戶(應用程序)提供良好的服務(界面)APIGUI,行式命令(ls,cd,cat,vi,rm,mount,…)JCL(JobControlLanguage)10大學課件1.1.3操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)是位于硬件層(HAL)之上，所有其它軟件層之下的一個系統(tǒng)軟件，是管理系統(tǒng)中各種軟硬件資源，方便用戶使用計算機系統(tǒng)的程序集合。Operatingsupervisormonitoringprogram11大學課件1.2操作系統(tǒng)的歷史操作系統(tǒng)的產(chǎn)生手工操作階段成批處理階段執(zhí)行系統(tǒng)階段操作系統(tǒng)的完善多道批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時處理系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的發(fā)展網(wǎng)絡操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng)面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng)Evolution12大學課件1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生1、手工操作階段（20世紀40年代，無操作系統(tǒng)）

作業(yè)處理步驟：

⑴(程序、數(shù)據(jù))→穿孔機→紙帶；⑵穿孔紙帶→光電機→機器內(nèi)存；⑶控制臺開關啟動第一條指令（出錯時顯示地址,修改指令）；（如有輸入需要安裝數(shù)據(jù)紙帶）；⑷運行結果在電傳打字機上輸出。

缺點：

(1)資源獨占；(2)手工費時。匯編語言及匯編系統(tǒng)出現(xiàn)13大學課件例子一個作業(yè)在1000次/s的機器上運行需要１hour，手動操作時間4min，手動時間與程序運行時間之比為1:15;如果計算機速度提高到600,000次/s,同樣程序運行只需6s,而手動操作時間不變，手動操作與程序運行時間之比為40:114大學課件1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.)2、批處理階段（20世紀50年代，操作系統(tǒng)雛形）

⑴聯(lián)機批處理：Job1job2Jobn讀卡機磁帶機計算機編譯程序鏈接程序監(jiān)督程序匯編程序優(yōu)點:擺脫了人工干預(作業(yè)過渡沒有人的干預,一個作業(yè)處理過程沒有人的干預)缺點:I/O操作慢，主機等待時間長15大學課件讀卡機打印機主計算機編譯程序鏈接程序匯編程序衛(wèi)星機輸入磁帶輸出磁帶輸入磁帶輸出磁帶2、批處理階段

⑵脫機批處理：1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.)優(yōu)點:減少了主機等待I/O操作時間缺點:(1)人工搬動磁帶;(2)額外的衛(wèi)星機16大學課件3、執(zhí)行系統(tǒng)階段（20世紀60年代初期）

通道：專門用于控制I/O設備的處理機，即I/O處理機。有自己的指令系統(tǒng)和運控部件；與主機共享內(nèi)存；接受主CPU委托執(zhí)行通道程序，完成I/O；通道I/O操作與主CPU并行；通道完成I/O時，向主機發(fā)中斷請求。操作系統(tǒng)的初級階段，通道和中斷技術的出現(xiàn)。1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.)17大學課件讀卡機打印機主計算機編譯程序鏈接程序匯編程序輸入磁帶輸出磁帶3、執(zhí)行系統(tǒng)階段1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.)非聯(lián)機,非脫機,假脫機(SPOOLing,SimultaneousPeripheralOperationOn-Line)通道通道18大學課件1.2.2操作系統(tǒng)的完善1.多道批處理系統(tǒng)（60年代初期）

執(zhí)行系統(tǒng)：單道作業(yè),資源利用不充分；多道批處理:主機中同時放多個作業(yè),最大限度提高資源利用率;單道到多道:不是量的變化,是質(zhì)的飛躍帶來問題:互斥、同步、通訊、死鎖、饑餓、餓死多道批處理出現(xiàn)，標志操作系統(tǒng)走向成熟2.分時系統(tǒng)（60年代初、中期）程序員提出:聯(lián)機操作的要求；一臺主機，多個終端，交互式工作。3.實時系統(tǒng)（60年代中期）背景:計算機應用領域擴大:(工業(yè)控制、醫(yī)療控制、航班訂票等)。要求:滿足時間約束條件4.通用操作系統(tǒng)（60年代后期）上述三類系統(tǒng)的結合,標志操作系統(tǒng)完善。19大學課件1.2.3操作系統(tǒng)的發(fā)展計算機體系結構由集中向分散的發(fā)展，出現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡，由此產(chǎn)生網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)；隨著家用和商用微型計算機的普及，出現(xiàn)了單用戶多任務的操作系統(tǒng)；大型計算任務要求計算機系統(tǒng)具有極強的計算和處理能力，產(chǎn)生了支持多處理器的并行操作系統(tǒng)；隨著各種處理器芯片和存儲介質(zhì)在控制領域的廣泛應用，出現(xiàn)了微內(nèi)核(microkernel)操作系統(tǒng)體系結構，產(chǎn)生了嵌入式和智能卡操作系統(tǒng)；伴隨后摩爾時代的到來，提高單處理器速度已近極限，多核技術應運而生。新一代操作系統(tǒng)遇到的問題：多核的并發(fā)控制；多核下的進程調(diào)度。20大學課件1.3操作系統(tǒng)特性并發(fā)性多個程序在宏觀上同時向前推進并發(fā)(concurrent)vs.并行(parallel)用戶程序與用戶程序并發(fā)用戶程序與OS并發(fā)OS與OS并發(fā)共享性多個程序共用系統(tǒng)中的各種軟硬件資源在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制下異步性（隨機性）多個程序以不可預知的速度向前推進虛擬性把一個實的CPU改造為多個虛的CPU內(nèi)存+外存→虛存獨占設備+共享設備→虛擬設備(數(shù)量多,速度快)21大學課件1.4操作系統(tǒng)類型多道批處理操作系統(tǒng)(batchprocessingsystem)分時操作系統(tǒng)(time-sharingsystem)實時操作系統(tǒng)(realtimesystem)通用操作系統(tǒng)(multi-purposesystem)單用戶操作系統(tǒng)(singleusersystem)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(networkoperatingsystem)分布式操作系統(tǒng)(distributedoperatingsystem)多處理機操作系統(tǒng)(multi-processorsystem)嵌入式操作系統(tǒng)(embeddedoperatingsystem)多媒體操作系統(tǒng)(multi-mediaoperatingsystem)智能卡操作系統(tǒng)(smart-cardoperatingsystem)22大學課件作業(yè)（Job)：程序+數(shù)據(jù)+說明書（JCL編寫）結果：程序運行結果+記帳信息1.4.1多道批處理系統(tǒng)(off-line)作業(yè)1作業(yè)2……作業(yè)m輸出機輸入機作業(yè)作業(yè)調(diào)度(2)SPOOLing輸出多道批處理系統(tǒng)工作原理輸入井結果1結果2……結果n輸出井作業(yè)調(diào)度(1)SPOOLing輸入輸入機輸出機作業(yè)結果結果…………進程1進程2……進程k主機23大學課件1.4.1多道批處理系統(tǒng)(cont.)輸入井作用緩沖(速度匹配作用)實現(xiàn)作業(yè)調(diào)度(jobscheduling)輸出井作用緩沖(速度匹配作用)Buffering:處理數(shù)據(jù)到達與離開速度不一致24大學課件1.4.1多道批處理系統(tǒng)(Cont.)主機中作業(yè)合理搭配目標1：提高資源利用率(eg.計算型+IO型)目標2：提高吞吐量(throughput)特點多道：系統(tǒng)中同時容納多個作業(yè)成批：作業(yè)分批進入系統(tǒng)25大學課件分時處理終端請求界面1：交互式命令語言(eg.shell,command)界面2：圖形用戶界面(GUI)1.4.2分時操作系統(tǒng)（On-line）TimeSharingOSHAL終端終端終端…...26大學課件1.4.2分時操作系統(tǒng)(Cont.)特點：多路性：一個主機與多個終端相連；交互性：以對話的方式為用戶服務；獨占性：每個終端用戶仿佛擁有一臺虛擬機。典型系統(tǒng)：CTSS(MIT)Multics(MIT)UNIX27大學課件1.4.3實時操作系統(tǒng)實時控制工業(yè)控制，軍事控制，醫(yī)療控制，…….實時信息處理航班定票，聯(lián)機情報檢索，…….28大學課件

實時控制HALRealTimeOS被控對象A/DD/At1t2t2-t1:responsetime29大學課件實時信息處理

HALRealTimeOS….終端終端終端通常為遠程終端特點：（1）響應及時（promptresponse）（2）可靠性高（highreliability）30大學課件1.4.4通用操作系統(tǒng)(multi-purposeOS)同時具有：分時、實時、批處理功能。目標：提高處理能力;擴展應用領域。常見模式:分時(前臺)+批處理(后臺)（eg.DPS/8上的GCOS-8）實時(前臺)+批處理(后臺)

Foreground/BackgroundSystem31大學課件1.4.5單用戶操作系統(tǒng)同一時刻僅有一個用戶使用的系統(tǒng)應用領域：臺式機，筆記本，…….特點：單用戶，多進程，多線程不同的程序，不同的進程；相同的程序,不同的線程32大學課件1.4.6網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(NetworkOS)NOS3host3NOS2host2Printer建立在宿主操作系統(tǒng)之上，提供網(wǎng)絡通訊、網(wǎng)絡資源共享、網(wǎng)絡服務的軟件包。NOS1host133大學課件網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的目標相互通訊資源共享（信息，設備）提供網(wǎng)絡服務databaseserverftpservere-mailservertelnetserveretc.

NoTransparentview34大學課件1.4.7分布式操作系統(tǒng)(DistributedOS)緊耦合：(tightlycoupled)由多機系統(tǒng)發(fā)展而來（多CPU）有公共內(nèi)存多處理機操作系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng)內(nèi)存CPU……CPUCPU多處理機系統(tǒng)35大學課件1.4.7分布式操作系統(tǒng)松散耦合：(looselycoupled)由計算機網(wǎng)絡發(fā)展而來（多Host)無公共內(nèi)存，無公共時鐘DOShost3DOShost2DOShost1Printer36大學課件1.4.7分布式操作系統(tǒng)(Cont.)分布式操作系統(tǒng)特征:統(tǒng)一的操作系統(tǒng)資源的進一步共享內(nèi)存,CPU可靠性透明性37大學課件1.4.7分布式操作系統(tǒng)(Cont.)目標：進一步共享資源，使負載均衡，計算加速。CPU內(nèi)存途徑：遷移（migration）作業(yè)遷移進程遷移（線程一般隨同進程遷移）例子：SolarisMC38大學課件1.4.8多處理機操作系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)具有公共內(nèi)存的多CPU系統(tǒng)對稱多處理機系統(tǒng)(SMP-symmetricmulti-processor)沒有主從關系的多處理機系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng)有效管理和使用多個CPU的操作系統(tǒng)特點：進程與CPU多對多新問題:(1)調(diào)度問題;(2)并發(fā)控制問題例子：UNIX,Linux,Windows39大學課件1.4.9嵌入式操作系統(tǒng)嵌入在掌上電腦、通訊設備、車載系統(tǒng)、信息家電等非計算機類設施上的操作系統(tǒng)。特點：微內(nèi)核結構（Micro-kernel），許多操作系統(tǒng)功能(文件系統(tǒng),設備驅(qū)動)以應用程序模式運行。核心小(基本內(nèi)存管理,CPU管理,通訊程序),適應范圍廣,可靠性高效率低例子：WinCE.NET（維納斯,美國微軟）PalmOSHOPEN（女媧,中科院鐘錫昌）Embededworld40大學課件1.4.10多媒體操作系統(tǒng)定義(百度百科)具有一般操作系統(tǒng)功能；還具有多媒體底層擴充模塊，支持多媒體信息的采集、編輯、播放和傳輸。Remarks不是一種獨立的操作系統(tǒng)類型

是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一種特性目前許多操作系統(tǒng)開始支持多媒體41大學課件1.4.11智能卡操作系統(tǒng)智能卡CPU芯片ROM面向Java的智能卡JVM解釋程序下載Javaapplet并執(zhí)行SC-OS支持多個applet并發(fā)執(zhí)行必要的資源管理42大學課件1.5操作系統(tǒng)運行環(huán)境定時裝置系統(tǒng)棧特權指令與非特權指令處理機狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換地址映射機構存儲保護設施中斷裝置通道與DMA控制器IO保護43大學課件1.5.1定時裝置絕對時鐘：記載實際時間，不發(fā)中斷。系統(tǒng)操作員可以修改一般用戶使用間隔時鐘：定時發(fā)生中斷，一般間隔單位為“毫秒”。間隔時鐘是實現(xiàn)多道程序的基礎—保證操作系統(tǒng)獲得控制權。其它中斷也進入操作系統(tǒng)，但是否發(fā)生，何時發(fā)生沒有保障。44大學課件1.5.2系統(tǒng)棧(systemstack)作用保存中斷現(xiàn)場保存函數(shù)調(diào)用返回點、參數(shù)、局部變量、返回值數(shù)量每個進程一個位置操作系統(tǒng)區(qū)域UNIX:ppda(user,系統(tǒng)棧)操作系統(tǒng)最高頁(第7頁,共8頁)是運行進程的ppdaStackvs.heap45大學課件1.5.3特權指令與非特權指令特權指令（privilegedinstruction）只有在管態(tài)才能執(zhí)行的指令(影響系統(tǒng)狀態(tài))關中斷，置程序狀態(tài)字，停機，IO，…….非特權指令（non-privilegedinstruction）所有程序可用(不影響系統(tǒng)狀態(tài))取數(shù)，四則運算，……

46大學課件1.5.4處理機狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換處理機狀態(tài)系統(tǒng)態(tài)（systemmode）(管態(tài)，核態(tài))用戶態(tài)（usermode)(目態(tài)，常態(tài))狀態(tài)轉(zhuǎn)換管態(tài)

目態(tài)(置程序狀態(tài)字,特權指令)目態(tài)

管態(tài)(中斷，trap)Dualmodeoperation47大學課件例子：IBM360/370PSW狀態(tài)位(第15位)0:系統(tǒng)態(tài)1:用戶態(tài)ModernPCnowsupport4modes:R0（權限最強）R1R2R3（權限最弱）OnlyR0,R3areused,now48大學課件1.5.5地址映射機構邏輯地址

物理地址邏輯地址(虛地址)：程序中產(chǎn)生的地址物理地址(實地址)：存儲器地址Addressmappingbysoftwareispossible,butveryinefficient.49大學課件1.5.6存儲保護設施防止應用程序侵犯操作系統(tǒng)空間;侵犯其它用戶空間.地址檢查越界檢查;越權檢查（對共享區(qū)域）.50大學課件1.5.7中斷裝置發(fā)現(xiàn)并響應中斷的硬件機構當前（PSW，PC）

系統(tǒng)棧中斷向量（PSW，PC）

寄存器51大學課件1.5.8通道/*(channel)*/與DMA通道：負責IO操作的處理機通道指令系統(tǒng)讀寫操作控制操作轉(zhuǎn)移操作通道運控部件通道地址字CAW通道命令字CCW通道狀態(tài)字CSW通道數(shù)據(jù)字CDWDMA？沒有獨立指令系統(tǒng)簡單塊傳輸Anyotherdifference?52大學課件1.5.9IO保護定義所有IO指令為特權指令。方便使用防止發(fā)生沖突53大學課件1.6操作系統(tǒng)界面形式交互終端命令（CommandLanguage）Eg.UNIXshell$命令名-選項參數(shù)圖形界面（GUI—GraphicUserInterface）54大學課件UNIXshellinterface優(yōu)點:縮小核心不同用戶可以選擇不同界面UNIX硬件shellshellshell……終端終端終端55大學課件UNIXshellinterfaceUNIX硬件shellshellshell……終端終端終端cc$ccf.ccc與shell都屬于目態(tài)進程二者具有父子關系56大學課件1.6操作系統(tǒng)界面形式(Cont.)作業(yè)控制語言（JobControlLanguage）作業(yè)標識語句用戶標識，作業(yè)標識，帳號作業(yè)步語句(編譯、連接裝配、執(zhí)行）一般對應子進程資源描述語句內(nèi)存需求，計算時間，其它資源Goto語句（正向轉(zhuǎn)移）作業(yè)控制無循環(huán)57大學課件1.6操作系統(tǒng)界面形式(Cont.)系統(tǒng)調(diào)用命令（OSAPI）高級語言形式fd=open(f