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1,本课程内容,第1章 操作系统概述第2章 进程与线程第3章 处理机调度第4章 进程同步与死锁第5章 存储管理第6章 文件管理第7章 设备管理第8章 操作系统的安全性(课程设计),2023/9/26,2,第1章 操作系统概述,问题：你知道哪些操作系统？,3,1.1 操作系统的概念,1.OS的基本概念2.OS的主要特性3.OS的主要功能,4,5,1.操作系统的基本概念,（1）层次模型是叠加在硬件上的第一层软件，是其他软件和硬件之间的接口作用与地位（2）目标方便性有效性扩展性开放性（3）定义操作系统是一种系统软件:管理系统资源 合理组织计算机工作流程 改善人机界面 提供各种服务，为用户使用计算机提 供良好运行环境,6,（4）作用,OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为计算机系统资源的管理者OS用作裸机的扩充机器,7,2.操作系统的特性,并发性(concurrence)共享性(sharing)虚拟性(virtual)不确定性(nondetermistic),8,操作系统的特征（续）,（1）并发性（concurrency）并发：内存中的多个进程宏观上同时执行，但微观上 是串行的（因为单CPU）改进资源的利用率 并行（parallel）：与并发相似，但多指硬件支持,9,操作系统特征（续）,（2）资源的使用共享性（sharing）互斥共享（临界资源如打印机、磁带机）同步共享（如可重入代码，磁盘文件）,10,（3）设备的虚拟性（Virtual）一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时间或分空间。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,操作系统特征（续）,操作系统中实现的虚拟有:虚CPU 虚存储器 虚设备,11,（4）不确定性每一程序运行速度不可预知且难以重现并发程序运行结果可能不确定硬件和软件的中断的发生不可预测,操作系统特征（续）,12,处理机管理（CPU，多道程序设计，进程，线程）存储管理（内存，内存分配，虚拟扩充内存）设备管理（I/O，隐藏物理细节，与CPU并行工作）文件管理（软资源，文件组织、存取控制和保护）用户接口（命令，系统调用）网络与通信管理（资源共享、数据通信）,3.操作系统的主要功能,13,1.2 操作系统的发展过程与分类,1.OS发展过程2.手工操作系统3.批处理操作系统4.分时操作系统5.实时操作系统6.桌面操作系统7.网络操作系统8.分布式操作系统9.嵌入式操作系统,14,1.操作系统发展过程,动力:人的需求+计算机本身发展的推动 硬件 体系结构 软件要求,15,1.操作系统发展过程,OS发展阶段:第一代（1946-1955年）：电子管时代，无操作系统 第二代（1955-1965年）：晶体管时代，批处理系统 第三代（1965-1980年）：集成电路时代，多道程序设计 第四代（1980年-至今）：大规模和超大规模集成电路时代，分 时系统。现代计算机正朝着巨型、微 型、并行、分布、网络和智能化几个 方面发展,手工阶段（无操作系统）-批处理操作系统-多道程序系统-分时操作系统-实时操作系统-网络操作系统-分布式操作系统-嵌入式操作系统,16,1.操作系统发展过程,操作系统的分类根据应用领域来划分桌面操作系统、服务器操作系统、主机操作系统、嵌入式操作系统根据所支持的用户数目来划分单用户（MSDOS、OS/2)、多用户系统（UNIX、Windows)根据源码开放程度来划分开源操作系统（Linux)和不开源操作系统（Windows)根据硬件结构来划分网络操作系统（Netware、Windows NT、OS/2 warp)、分布式系统)、多媒体系统根据作业处理方式来划分批处理系统(MVX、DOS/VSE)、分时系统（Linux、UNIX、XENIX）、实时系统（VRTX、RTOS,RT WINDOWS),17,2.手工操作,工作方式 用户：既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；计算机的工作特点 用户独占全机：资源利用率低；CPU等待用户：手工装入纸带或卡片；手工卸取纸带或卡片缺点 计算机的有效机时严重浪费；效率低。,18,2.手工操作,提高效率的途径 专门的操作员，批处理，脱机输入输出,联机方式,脱机方式,19,3.批处理操作系统,单道批处理操作系统批处理系统中的作业的组成用户程序数据作业说明书（作业控制语言）单道批处理系统(simple batch processing)利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理内存始终保持一道作业单道批作业工作方式有联机和脱机两种批处理方式,20,21,3.批处理操作系统,批处理特点成批进入，成批处理，成批离开。用户自己不能干预自己作业的运行，一旦发现作业错误不能及时改正，并延长开发软件时间，所以适用于成熟的程序缺点用户交互性差，调试程序困难（无交互手段：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改)作业平均周转时间长(短作业的周转时间显著增长),22,3.批处理操作系统,多道程序系统引入单道资源利用率不高解决办法多道程序设计技术多道程序设计（multiprogramming）概念指在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用 特点多道宏观上并行微观上串行,23,3.批处理操作系统,多道批处理系统(multiprogramming system)在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理 系统。内存驻留多个不同的作业当一个作业等待I/O时，另一个作业可以使用CPU内存中多个作业需要硬件进行保护以避免信息被窃取或攻击优点如下：提高了资源的利用率改进了系统的吞吐量充分发挥了系统的并行性，使CPU与I/O并行工作,24,3.批处理操作系统,多道程序系统中需解决技术问题并发运行的程序的同步和互斥机制覆盖技术、对换技术和虚拟存储技术等内存管理技术内存保护的要求应注意两点：可能延长单个程序的执行时间并行工作道数与系统效率不成正比,25,多道程序举例,设有两道程序按A、B的优先次序运行，其内部计算和I/O操作的时间如下：程序A使用30 ms CPU后使用40msI/OA，最后使用20msCPU程序B使用60 ms CPU后使用20msI/OB，最后使用30msCPU(1)试画出按多道程序运行的时间关系图。(2)完成两道程序共花多少时间？它比单道运行节省 多少时间？,26,多道程序举例（续1）,分析:本题是关于多道程序设计的计算题。通过计算，可以更好的理解为什么要引入多道程序设计。解(1)多道程序运行的并发执行时间关系图如下：,27,多道程序举例（续2）,(2)按单道程序运行时需花时间为：30 ms+40ms+20ms+60 ms+20ms+30ms=200 ms两道程序并发运行共花时间为：30 ms+40ms+20ms+20 ms+30ms=140 ms所以完成两道程序并发运行共花140ms，它比单道运行节省60ms时间。,28,4.分时操作系统（time-sharing system）,70年代中期至今,引入成功案例一群计算机迷 在贝尔实验室开发出UNIX初衷：可以在一台无人使用的DEC PDP-7 小型计算机上玩星际探险游戏Ken Thompson，Dennis Ritchie(肯 汤普森 丹尼斯 里奇)1983年图灵奖获得者 1999年4月 美国国家技术金奖,29,4.分时操作系统（续）,工作方式 分时是指多个用户分享使用同一台计算机,多个程序分时共享硬件和软件资源。为用户提供交互命令；采用分时方法为多个终端用户服务；分时方法是将CPU时间划为若干时间片；分时系统以时间片为单位，轮流为各用户服务。,30,4.分时操作系统（续）,时间片（time slice）操作系统将CPU的时间划分成若干个片段,称为 时间片操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务每次服务一个时间片(其特点是利用人的错，使人感觉不到),31,4.分时操作系统（续）,分时操作系统特点多路性（同时性）交互性 独占性（独立性）及时性 响应时间，影响响应时间的因素,32,4.分时操作系统（续）,分时系统与批处理系统结合 原则：分时优先，批处理在后“前台”：需频繁交互的作业“后台”：时间性要求不强的作业分时操作系统与批处理操作系统区别共性：都基于多道程序设计技术不同点：（1）追求目标不同（2）适应的作业性质不同（3）作业控制的方式不同,33,5.实时操作系统(Real Time Operating System),实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高 任务的类型：周期性实时任务：非周期性实时任务：截止时间(deadline)，开始截止时间（最晚开始时间）和完成截止时间（最晚完成时间）分类：第一类：实时过程控制 第二类：实时信息处理,34,5.实时操作系统（续）,实时系统的主要功能实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期高可靠性和安全性：容错能力（如故障自动复位）和冗余备份（双机，关键部件）特征实时性可靠性和安全性,35,5.实时操作系统（续）,实时系统与批处理系统和分时系统的区别专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余（如双机系统）事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式：接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。,36,分时，批处理，实时的比较,37,操作系统的形成,中断技术和通道技术的出现使得硬件资源具有了较强的并行工作能力，实现多道程序系统已无问题。随着磁盘的问世，相继出现了多道批处理操作系统和分时操作系统、实时操作系统，到这个时候标志着操作系统正式形成。多道批处理、分时和实时等功能结合在一起，构造出多功能的通用操作系统。,38,6.桌面(个人)操作系统,针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。个人计算机(Personal Computer Operating System)操作系统的特征 应用领域：事务处理、个人娱乐，系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。常用的个人计算机操作系统 单用户单任务：MS DOS 单用户多任务：OS/2,MS Windows 3.x,Windows 95,Windows NT,Windows 2000 Professional。多用户多任务：UNIX(SCO UNIX,Solaris x86,Linux,FreeBSD),39,7.网络操作系统(NOS,Network Operating System),基于计算机网络 在各种计算机操作系统上 按网络体系结构协议标准开发的软件包括网络管理，通信，安全，资源共享和各种网络应用目标：是相互通信及资源共享,40,7.网络操作系统（续）,网络操作系统主要有两种工作模式：客户机-服务器（Client/Server，C/S）模式 对等（Peer-to-Peer）模式。,41,7.网络操作系统（续）,通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输网络资源管理：协调各用户使用网络服务：文件和设备共享，信息发布网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等,42,8.分布式操作系统(Distributed Network Operating System),分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中式系统）分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载,43,8.分布式操作系统（续）,分布式操作系统与网络操作系统的主要区别分布性：分布式操作系统是驻留在系统的各个结点上，而网络操作系统的控制功能大部分是集中在服务器上。并行性：分布式操作系统可将一个用户的多个任务分配到多个计算机上并行执行；而网络环境下，每个用户的一任务只能在本机处理。透明性：分布式系统能隐藏自己内部的物理位置、并发控制、系统故障等实现细节来使用系统；而网络操作系统的透明性不如分布式操作系统。计算机之间的通信需要IP地址。共享性：分布式系统中，所有站点的软、硬件资源均可供系统中所有用户共享，并能以透明的方式使用它们；而网络操作系统共享的资源多是设置在服务器中。健壮性：分布式系统任何结点的故障不会对系统造成太大的影响，可以通过容错技术实现系统的重构；而网络操作系统的控制功能大部分集中在服务器中，服务器会成为单点故障，它一出故障，就会影响整个系统的可靠性。,44,NOS与DOS比较：,45,9.嵌入式操作系统,什么是嵌入式系统？嵌入式系统一般指非 PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于 PC 中 BIOS 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。,46,9.嵌入式操作系统（续）,嵌入式操作系统（Embedded Operating System）运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件 具有某些实时系统的特征 但有限制条件：大小、内存、能源例子 PalmOS，Windows CE，Linux OS,47,1.3 操作系统运行环境,讨论操作系统对运行硬件环境的要求 讨论操作系统设计者考虑的硬件问题1.计算机系统结构 2.启动计算机2.对OS支持最主要的硬件 3.层次化的存储体系结构,48,1.计算机系统结构,49,2.启动计算机,初始化程序或引导程序（bootstrap program）BIOS芯片作用。芯片中通常包含四种软件：微机的启动标识、标准设备驱动程序、自动检测程序和256个中断服务程序。接通电源，装入设备驱动程序运行自动检测程序 读入中断服务程序 启动操作系统,50,特权指令：OS要求硬件必须为其提供特殊的指令，这些指令是涉及到系统安全性的指令。硬件一出厂有一个指令系统，其中有一小部分为OS提供的特权。处理机状态（管态，核心态）（目态，用户态）：用来标识当前CPU的状态。通过CPU状态来确定当前用户是谁，从而检查指令是否合法，若管态则什么指令都可以，若目态则不能执行特权指令（根据状态位来检查指令的合法性）存储保护机构（包括地址变换机构将虚地址转换成实地址）：由硬件来实现,3.对OS支持的硬件保护,51,4.层次化的存储体系结构,容量、速度和成本三个目标不可能同时达到最优，要作权衡存取速度快，价格就越高容量大，价格越低，同时存取速度也越慢解决方案：采用层次化的存储体系结构当沿着层次下降时,存储器价格将下降，容量将增大当沿着层次下降时,存储器访问速度将变慢，处理器的访问频率也将下降,52,存储层次结构,53,54,1.4 操作系统与用户的接口,1.用户与操作系统的接口2.系统调用,55,1.用户与操作系统的接口,(1)作业级接口联机接口（交互式）脱机接口（批处理）(2)程序级接口 系统为用户在程序一级提供有关服务而设置 由一组系统调用命令组成用汇编语言：在程序中直接用系统调用命令用高级语言：可在编程时使用过程调用语句,56,2.系统调用,系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口由特殊的机器指令实现一系统调用指令(访管指令).利用系统调用，动态请求和释放系统资源系统调用只能由汇编语言直接访问 每个操作系统都提供几百种系统调用,包括设备管理文件管理等,57,2.系统调用（续）,系统调用的例子汇编程序例子：读写硬盘文件内容MOVE DX，OFFSETBUFFMOVE CX，BYTEMOVE BX，HANDLEMOVE AH，3FHINT 21H,58,59,操作系统是一个十分复杂的大型软件。为了控制该软件的复杂性，在开发OS时，先后引入了分解、模块化、抽象和隐蔽等方法。开发方法的不断发展，促进了OS结构的更新换代。早期的OS结构，称为传统的OS结构。现代的OS结构，微内核的OS结构。,1.5 操作系统的结构,60,OS是为数众多的一组过程（模块）的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构，因此，这种OS是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。模块独立性差，模块之间缺乏清晰的程序结构。给调试工作带来困难；程序难以阅读和理解，增加了维护人员的负担。,1.无结构操作系统,61,将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的层次与接口，使各模块之间能通过该接口实现交互。,2.模块化OS结构,62,2.模块化OS结构（续）,优点：提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。增强了OS的可适应性。加速了OS的开发过程 缺点：在开始设计OS时，难以对模块及接口精确划分 模块间存在着复杂的依赖关系使OS结构变得不清晰。,63,3.分层式OS结构,在设计方式上，一层一层地自底向上增添软件层，每一层都实现若干功能，最后总能构成一个能满足需要的OS。,64,分层式结构设计的基本原则每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务，这样可使系统的调试和验证都变得容易 层次的设置根据程序嵌套来确定层次 将运行频率高的模块放在最接近硬件层公用模块设置在最低层用户接口模块应设置在OS的最高层，直接提供给用户使用,3.分层式OS结构（续）,65,3.分层式OS结构（续）,66,4.微内核OS结构,(1)微内核技术强内核与微内核 操作系统两种内核组织形式：强内核与微内核强内核结构是基于传统的集中式操作系统的内核结构。系统调用是通过陷入内核实现的，在内核完成所需要的服务，最后返回结果给用户程序。微内核结构是一种新的结构组织形式，它使内核尽可能小，仅提供以下功能：进程间通信机制 某些存储管理 有限的低级进程管理和调度 低级I/O(中断),67,强内核和微内核,4.微内核OS结构（续）,68,微内核与强内核相比具有以下优点：,灵活性 开放性 可扩充性,4.微内核OS结构（续）,微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核。微内核并非是一个完整的OS，而只是为构建通用OS提供一个重要基础。由于在微内核OS结构中，通常都采用了客户/服务器模式，因此OS的大部分功能和服务，都是由若干服务器来提供的，如文件服务器、作业服务器和网络服务器等。,69,(2)客户/服务器模式(Client-Server Model),70,4.微内核OS结构（续）,客户/服务器模式的优点提高了系统的灵活性和可扩充性。提高了OS的可靠性。可运行于分布式系统中。,71,5.面向对象的程序设计技术,面向对象技术(Object-Orientated Programming)是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。所谓对象，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象，而把其中的具体事物称为对象的实例。OS中的各类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念，相应地，便有进程对象、线程对象、存储器对象等,72,5.面向对象的程序设计技术（续）,可修改性和可扩充性。由于隐蔽了表示实体的数据和操作，因而可以改变对象的表示而不会影响其它部分，从而可以方便地改变老的对象和增加新的对象。继承性。继承性是面向对象技术所具有的重要特性。继承性是指子对象可以继承父对象的属性，这样，在创建一个新的对象时，便可减少大量的时空开销。正确性和可靠性。由于对象是构成操作系统的基本单元，可以独立地对它进行测试，这样，比较易于保证其正确性和可靠性，从而比较容易保证整个系统的正确性和可靠性。,73,6.操作系统的标准化,没有标准化 各个操作系统之间不能兼容大量应用软件无法在不同的操作系统平台上通用后果投资增加开发周期加长用户掌握困难，影响推广应用,74,6.操作系统的标准化（续）,操作系统的国际标准POSIX 标准（1003）同时被 X/Open 接纳为操作系统标准其中9945-4（即 POSIX 1003.4）为实时部分操作系统的国家标准GB/T 14246.11995 可移植操作系统界面等同于 POSIX 1003.1操作系统的国家军用标准GJB/Z 2291 军用实时操作系统实现指南,75,课堂练习,1.请从同时性、独立性、及时性、交互性和可靠性方面比较批处理系统、分时系统和实时系统的主要区别。2.从你使用的计算机，说明操作系统怎样为用户提供良好的运行环境？3.操作系统是如何防止用户使用特权指令的？用户以什么方式使用特权指令？,76,4.操作系统为用户程序完成与（）的工作。A硬件无关和应用无关 B硬件相关和应用无关C硬件无关和应用相关 D硬件相关和应用相关分析：本题主要检查学生对操作系统定义的掌握情况。操作系统是管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面，为应用软件提供支持的一种软件。操作系统具有扩充硬件的功能，它把裸机改造成为功能更加完善的虚拟机，为程序提供良好的运行环境，应用程序可以获得远较裸机所能提供的更多的功能的支持。答：本题应选择B。,