北方工业大学 计算机操作系统 第二讲概述

11.4操作系统的特征并发(concurrency)共享(sharing)虚拟(virtual)异步性(asynchronism)2并发(concurrency)在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。3共享(sharing)互斥共享（如CPU）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。同时访问（磁盘文件）多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。4虚拟(virtual)CPU－－每个用户（进程）的虚处理机存储器－－每个进程都占有的地址空间（指令＋数据＋堆栈）显示设备－－多窗口或虚拟终端(virtualterminal)一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体－－分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。5异步性(asynchronism)进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，时走时停，不可预知每个进程的运行推进快慢结果相同：无论快慢，应该结果相同－－通过进程互斥和同步手段来保证难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）性能保证：实时系统与分时系统相似，但通过资源预留以保证性能61.5操作系统的功能1.5.1处理机管理1.5.2存储管理1.5.3设备管理1.5.4信息管理1.5.5用户接口71.5.1处理机管理进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等；进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；－－交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。81.5.2存储管理存储空间的分配与回收存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从垃圾中窃取其他进程的信息；地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射；内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间；管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。91.5.3设备管理设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的中断请求。设备独立性：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容。设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。虚拟设备(virtualdevice)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率；101.5.4信息管理（文件系统管理）文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。目录管理：解决信息检索问题。文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令哪个用户、用户分类哪个用户组、文件权限针对用户或用户组的读写权软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等解决软件资源的存储、共享、保密和保护。111.5.5用户接口命令接口：供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI联机；命令脚本脱机编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数；目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口：121.6计算机硬件简介1.6.1计算机的基本硬件元素1.6.2与OS相关的几种主要寄存器1.6.3存储器的访问速度1.6.4指令的执行与中断1.6.5操作系统的启动131.6.1计算机的基本硬件元素PCIRMARMBRI/OARI/OBR处理器I/O控制器缓冲I/O控制程序…数据…内存外部设备PC:程序计数器IR:指令寄存器MAR:内存地址寄存器MBR:内存缓冲寄存器I/OAR：I/O地址寄存器I/OBR:I/O缓冲寄存器141.6.1计算机的基本硬件元素处理器单处理器/多处理器存储器内存外存I/O控制控制、暂存外设与内存之间的信息交换外部设备数字式模拟式总线计算机各部件通信线路151.6.2与OS相关的几种主要寄存器数据寄存器地址寄存器条件码寄存器：标志寄存器程序计数器：下一周期被执行指令的地址指令寄存器：待执行指令程序状态字：系统状态，例如是否允许中断中断现场保护寄存器过程调用用堆栈：调用名、参数、返回地址161.6.3存储器的访问速度光盘、磁带硬盘硬盘缓存内存高速缓存寄存器容量大小访问速度171.6.4指令的执行与中断指令的执行从内存读入下一条指令（程序计数器PC）执行当前指令（指令寄存器IR）执行周期一条指令的读入和执行过程开始读入下一条指令执行当前指令结束181.6.4指令的执行与中断中断处理机暂停正在执行的程序，转去处理紧急事件。处理完毕再返回原处继续执行，这一过程称为中断。开始读入下一条指令执行当前指令结束是否允许中断检查中断位读入中断处理指令YN191.6.5操作系统的启动操作系统启动过程启动电源硬件产生中断信号触发CPU中一段指令执行发现外存中操作系统引导区的位置引导区中的代码被导入内存并执行操作系统程序加载到内存、初始化硬件提供界面和服务201.7算法的描述begin…endrepeat…until条件while条件do…odIf条件then…else…fi211.8操作系统的结构1.8.1整体或模块结构1.8.2分层结构或虚拟机1.8.3客户/服务器模型或微内核结构随着操作系统的发展，功能越强，OS自身代码量越大－－采用良好的结构：有利于保证正确性以及自身修改和扩充。22操作系统的设计原则可维护性：容易修改与否称为可维护性；有三种可能的维护：改错性维护：改正已发现的错误；适应性维护：修改软件，使之适应新的运行环境（硬件环境和软件环境）；如：操作系统的移植。完善性维护：增加新功能；可靠性：可靠性包括两方面：正确性：正确实现所要求的功能和性能；稳健性：对意外（故障和误操作）作出适当的处理；可理解性：易于理解，以方便测试、维护和交流；性能：有效地使用系统资源；尽可能快地响应用户请求；231.8.1整体或模块结构monolithicsystemormodularsystem模块结构的特点：模块由众多服务过程（模块）组成，可以随意调用其他模块中的服务过程优点：具有一定灵活性，在运行中的高效率缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理；模块之间的依赖关系（功能调用关系）复杂（调用深度和方向），降低了模块之间的相对独立性－－不利于修改整个系统按功能进行设计和模块划分。系统是一个单一的、庞大的的软件系统。这种结构思想来源于服务功能观点，而不是资源管理的观点。241.8.2分层结构或虚拟机从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变为有序性。系统每加一层，就构成一个比原来功能更强的虚拟机。有利于系统的维护性和可靠性。25分层结构的特点优点：功能明确，调用关系清晰（高层对低层单向依赖），有利于保证设计和实现的正确性低层和高层可分别实现（便于扩充）；高层错误不会影响到低层；避免递归调用缺点：降低了运行效率各系统对具体划分多少层次有不同的看法。26分层原则被调用功能在低层：如文件系统管理－－设备管理－－设备驱动程序活跃功能在低层：提高运行效率资源管理的公用模块放在最低层：如缓冲区队列、堆栈操作存储器管理放在次低层：便于利用虚拟存储功能最低层的硬件抽象层：与机器特点紧密相关的软件放在最低层。资源分配策略放在最外层，便于修改或适应不同环境271.8.3客户/服务器模型或微内核结构微内核(micro-kernel)：将更多操作系统功能放在核心之外，作为独立的服务进程运行；服务进程客户进程（系统客户和应用客户）－－需支持多进程本地过程调用：一种进程之间请求-应答式的消息传递机制。消息：是一定格式的数据结构。①发起调用，送出请求消息②请求消息到达并进行处理③送出回答消息④整理回答消息，返回结果；如：对文件create,read,write把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的服务进程，等待客户提出请求；而系统内核只实现操作系统的基本功能(如：虚拟存储、消息传递)。28微内核模式的特点优点：良好的扩充性：只需添加支持新功能的服务进程即可可靠性好：调用关系明确，执行转移不易混乱便于网络服务，实现分布式处理。缺点：消息传递比直接调用效率要低一些(但可以通过提高硬件性能来补偿)291.9常用的操作系统1.7.1MSDOS1.7.2MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows20001.7.3UNIX301.9.1MSDOSIBMPC,CPU8088/8086,BIOS，单用户单任务，简单分层结构，16位31MSDOS的结构DOSBIOS(BasicInput/OutputSystem)：由一组与硬件相关的设备驱动程序组成，实现基本的输入/输出功能；DOS核心：提供一套独立于硬件的系统功能：内存管理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟等；命令处理程序：对用户命令进行分析和执行；BIOS(基本输入/输出系统)DOS核心命令处理程序BIOS(基本输入/输出系统)DOS核心命令处理程序32MSDOS的特点字符用户界面。作业管理：命令行，批处理程序（BAT文件），菜单式。编程时通过软中断调用(int21h)来使用系统功能。不区分用户。准多任务：通过内存驻留程序TSR来实现，通过时钟中断或键盘中断热键来激活其他任务。不支持虚拟存储，没有存储保护。采用段式内存管理，可直接访问的最大地址空间为1MB。其余的内存只能通过作为扩展内存(XMS)或扩充内存(EMS)来使用。XMS是段式分配，通过内存数据搬移来使用XMS区域EMS是页式分配，通过页面的映射来使用EMS区域或者用支持保护方式的编程工具文件系统为FAT格式（磁盘卷，多级目录，文件名8+3个字符；分区容量最大为2GB）；有文件属性，没有区分用户的访问权限保护。设备驱动程序在系统起动时加载。分为字符设备和块设备。331.9.2MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000CPU80386，单用户多任务（分时系统），16位/16和32位混合/32位34Windows2000的特点支持对称多处理机真正的32位操作系统：除16位应用的支持代码，没有16位代码完全的代码可重入：同一段代码可由多个应用同时访问；图形用户界面GUI（和字符用户界面）。抢先式多任务和多线程。支持动态链接。虚拟存储：段页式(有存储保护)。兼容16位Windows应用：文件系统：NTFS，支持安全控制设备驱动程序：VxD(virtualdriver)。可移植：适用于多种硬件平台。容错能力。面向对象特性：用对象来表示所有资源。351.9.3UNIX多用户多任务，16/32/64位，BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）36Bell实验室早期UNIX和C加州大学伯克利分校BSD4At&T的系统VHP-UXAIXSolarisSCOUNIXLinux37硬件硬件层硬件控制字符设备设备驱动程序块设备缓冲区管理文件子系统系统调用接口函数库内核层用户程序进程通信进程调度存储管理进程控制子系统传统的UNIX结构38UNIX系统的特点字符用户界面和图形用户界面GUI(XWindow)。抢先式多任务，多线程。支持动态链接。支持对称