4301第一章 操作系统概述1

操作系统(OperatingSystems)参考文献A.Silberschatz,P.Galvin,OperatingSystemConcepts,6thedition,Wiley,高等教育出版社,2002.系统，完善，国外大学多选用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A.S.Tanenbaum.ModernOperatingSystems,PrenticeHall,机械工业出版社,2002.国内用的比较多WilliamStalling,OperatingSystems,InternalsandDesignPrinciples,3rdEdition,PrenticeHall,清华大学出版社,1998.另一本比较权威的教材参考文献H.M.Deitel,P.J.Deitel,D.R.Choffnes.OperatingSystems,3rdedition,施平安等译,清华大学出版社,2007.很完整，篇幅很长（1331页）孙钟秀等，操作系统教程，第3版，高等教育出版社，2003.8国内代表性教材参考文献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,要求了解硬件体系结构,指令系统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.第一章操作系统概述操作系统的概念操作系统的历史操作系统的特性操作系统的类型操作系统的运行环境操作系统的界面形式操作系统的运行机理研究操作系统的几种观点1.1操作系统概念操作系统地位操作系统作用操作系统定义Whatisoperatingsystem?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管理系统中软件硬件资源CPU内存设备文件为用户(应用程序)提供良好的服务(界面)APIGUI,行式命令JCL(JobControlLanguage)1.1.3操作系统定义操作系统是位于硬件层(HAL)之上，所有其它软件层之下的一个系统软件，是管理系统中各种软硬件资源，方便用户使用计算机系统的程序集合。Operatingsupervisormonitoringprogram1.2操作系统的历史操作系统的产生手工操作阶段成批处理阶段执行系统阶段操作系统的完善多道批处理系统分时系统实时处理系统通用操作系统操作系统的发展网络操作系统分布式操作系统多处理机操作系统单用户操作系统面向对象操作系统嵌入式操作系统智能卡操作系统1.3操作系统特性并发性多个程序在宏观上同时向前推进并发(concurrent)vs.并行(parallel)共享性多个程序共用系统中的各种软硬件资源在操作系统的协调和控制下异步行（随机性）多个程序以不可预知的速度向前推进虚拟性把一个实的CPU改造为多个虚的CPU内存+外存→虚存独占设备+共享设备→虚拟设备1.4操作系统类型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)作业（Job)：程序+数据+说明书（JCL编写）结果：程序运行结果+记帐信息主机输入井输出井输出机输入机作业结果SPOOLing输入作业调度（1）作业调度（2）SPOOLing输出1.4.1多道批处理系统（off-line）1.4.1多道批处理系统(cont.)输入井作用缓冲(速度匹配作用)实现作业调度(jobscheduling)输出井作用缓冲(速度匹配作用)Buffering:处理数据到达与离开速度不一致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(eg.计算型+IO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）TimeSharingOSHAL终端终端终端…...1.4.2分时操作系统(Cont.)特点：多路性：一个主机与多个终端相连；交互性：以对话的方式为用户服务；独占性：每个终端用户仿佛拥有一台虚拟机。典型系统：Multics(MIT)UNIX1.4.3实时操作系统实时控制工业控制，军事控制，医疗控制，…….实时信息处理航班定票，联机情报检索，…….实时控制HALRealTimeOS被控对象A/DD/At1t2t2-t1:responsetime实时信息处理HALRealTimeOS….终端终端终端通常为远程终端特点：（1）响应及时（promptresponse）（2）可靠性高（highreliability）1.4.4通用操作系统(multi-purposeOS)同时具有：分时、实时、批处理功能。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)（eg.GCOS-8）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(NetworkOS)NOS3host3NOS2host2Printer建立在宿主操作系统之上，提供网络通讯、网络资源共享、网络服务的软件包。NOS1host1网络操作系统的目标相互通讯资源共享（信息，设备）提供网络服务databaseserverftpservere-mailservertelnetserveretc.NoTransparentview1.4.7分布式操作系统(DistributedOS)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CPU内存CPUCPU…1.4.7分布式操作系统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DOShost3DOShost2DOShost11.4.7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内存,CPU可靠性透明性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具有公共内存的多CPU系统对称多处理机系统(SMP-symmetricmulti-processor)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嵌入在掌上电脑、通讯设备、车载系统、信息家电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(基本内存管理,CPU管理,通讯程序),适应范围广,可靠性高效率低例子：WinCE.NET（维纳斯）PalmOSHOPEN（女娲）1.4.10智能卡操作系统智能卡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操作系统运行环境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IO保护1.5.1定时装置绝对时钟：记载实际时间，不发中断。间隔时钟：定时发生中断，一般间隔单位为“毫秒”。间隔时钟是实现多道程序的基础—保证操作系统获得控制权。其它中断也进入操作系统，但是否发生，何时发生没有保障。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，IO，…….非特权指令（non-privilegedinstruction）所有程序可用(不影响系统状态)取数，四则运算，……1.5.4处理机状态及状态转换处理机状态系统态（systemmode）(管态，核态)用户态（usermode)(目态，常态)状态转换管态目态(置程序状态字,特权指令)目态管态(中断，trap)Dualmodeoperation例子：IBM360/370PSW状态位（0，1）ModernPCnowsupport4modes:R0（权限最强）R1R2R3（权限最弱）OnlyR0,R3areused,now1.5.5地址映射机构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防止应用程序侵犯操作系统空间;侵犯其它用戶空间.地址检查越界检查;越权检查（对共享区域）.1.5.7中断装置发现并响应中断的硬件机构当前（PSW，PC）系统栈中断向量（PSW，PC）寄存器1.5.8通道与DMA通道：负责IO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CDWDMA？没有独立指令系统简单块传输Anyotherdifference?1.5.9IO保护定义所有IO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（CommandLanguage）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、连接装配、执行）一般对应子进程资源描述语句内存需求