操作系统汤子英课件第一张.ppt

计算机操作系统,任课教师：周广禄工作单位：计算机科学与技术学院 信息安全教研室办公地点：研究院北楼523、522 多媒体技术研究所联系方式：,参考书：自己动手写操作系统 于渊著 电子工业出版社 操作系统试题精选与答题技巧,操作系统把丑陋的硬件转变为美丽的抽象,认识操作系统,认识操作系统,不同角度看到的操作系统,操作系统,认识操作系统,操作系统是配置在计算机硬件上的第一层,打开计算机，首先跳入眼帘的是什么？要拷贝一个文件，具体的拷贝操作是谁完成的？你需要知道文件存放在何处吗？柱面、磁道、扇区描述什么？数据的搬动过程怎样进行繁琐留给自己，简单留给用户 操作系统穿上华丽的外衣图形界面操作系统穿上朴素的外衣字符界面,认识操作系统从使用者的角度看,拷贝命令的C语言实现片断,inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);dol=read(inf,buf,4096);write(outf,buf,l);while(l);close(outf);close(inf);,认识操作系统从程序开发者的角度看,作业：编写一个小程序实现C盘某一文件拷贝到D盘。,认识操作系统从所处位置看,操作系统是其它所有用户程序运行的基础。,#includemain()printf(“Hello worldn”),用户告诉操作系统执行test程序 操作系统通过文件名找到该程序 检查其类型,检查程序首部，找出代码和数据存放的地址文件系统找到第一个磁盘块 操作系统建立程序的执行环境 操作系统把程序从磁盘装入内存，并跳到程序开始处执行,该程序的执行过程简述如下:,操作系统检查字符串的位置是否正确 操作系统找到字符串被送往的设备 操作系统将字符串送往输出设备窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）显示器发射电子束。你在屏幕上看到Hello world。,认识操作系统从程序执行看,认识操作系统定义,1、操作系统（OS）定义：是管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件。,操作系统是计算机系统中的一个（大型系统软件），它管理和控制计算机系统中的(软硬件资源)。,1.1.2 操作系统的作用,1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。,图 1-1 OS作为接口的示意图,用户可以通过以下三种方式使用计算机(了解)：(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机(远程网络控制)。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。,2.OS作为计算机系统资源的管理者OS的主要功能为：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。可见，OS确是计算机系统资源的管理者。(简答：操作系统及其功能.或在计算机上配置操作系统的目的有哪几方面？),3.OS实现了对计算机资源的抽象 对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。,结论：操作系统的作用是管理计算机硬件资源和软件资源的软件。,1.1.3 操作系统引导过程及硬件支持,1、基本输入/输出系统 存放在ROM中的基本输入/输出系统(BIOS)程序主要用于计算机开机时执行系统各部分的自检，建立操作系统需要使用的各种配置表，对处理器和系统其余部分进行初始化，并为DOS等操作系统提供硬件设备接口服务。注意：BIOS仅用于加电时的初始阶段，在操作系统初始化后进入运行阶段时并不使用BIOS中 的功能！,2、引导过程-加电后，将操作系统调入内存并使OS管理计算机的过程。1)加电2)启动BIOS引导程序：系统置初值，例如指令计数器指向ROM中的引导程序开始位置，然后开始执行存储在ROM中的BIOS程序。在PC机上开机或者按复位按钮时，CPU会自动把代码寄存器CS设置为0 xF000，段基址为0 xFFFF0000，段长度为64KB，而IP被设置为0 xFFF0.此时CPU代码指针指向0 xFFFFFFF0，即4G空间最后一个64KB的最后16B处，而这里正是系统ROM BIOS的存放位置。,3)开机自检 ROM中有自检代码，是计算机对系统重要部件测试！自检过程将首先检查显卡，如果计算机发出蜂鸣声，并且屏幕上没有出现BIOS信息，表明显卡可能出现故障；然后测试RAM，计算机向RAM的每一个地址写入数据然后读出，看数据是否正确，并显示检测到的RAM数量。遇到故障自检会停止，并显示错误信息。随后检查键盘，会看到指示灯闪亮；最后测试驱动器，可以看到驱动器的指示灯闪烁，并可以听到驱动器转动的声音。,4）加载操作系统：自检成功完成后，计算机将按照ROM中的后继指令加载操作系统，将OS文件从磁盘读入内存中。5)检查配置文件并对OS初始化6)等待登录和操作命令：OS自身初始化后，将在控制台显示登录界面，等待用户输入登录信息，成功登陆后，将接受用户命令，为用户服务。,1.2 操作系统的发展过程,无操作系统的计算机系统,单道批处理系统,多道批处理系统,分时系统,实时系统,多处理机系统,网络系统,分布式系统,个人计算机系统,1.2.1 无操作系统的计算机系统,1.人工操作方式 从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员完成穿孔、输入，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。缺点：(1)用户独占全机。(2)CPU等待人工操作。,2.人工操作方式的特点,特点:用户独占全机；CPU等待人工操作；独占性；串行性。缺点:计算机的有效机时严重浪费；效率低。,3.脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式,图 1-2 脱机I/O示意图,在采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出都是在外围计算机的控制下完成的，即它们是脱离主机进行的，故称之为脱机输入输出操作。脱机I/O方式的主要优点如下：（1）减少了CPU的空闲时间。（2)提高I/O速度。,卡片,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,1.2.2 单道批处理系统,1）单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程,图 1-3 单道批处理系统的处理流程,编译,链接,2）单道批处理系统的特征 单道批处理系统是最早出现于50年代的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系统的主要特征如下：(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。,1.2.3 多道批处理系统,1）多道程序设计的基本概念单道批处理缺点：在单道批处理，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源。多道批处理引入：提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。多道批处理用户所提交的作业先存在外存并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。,在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：提高CPU的利用率。可提高内存和I/O设备利用率。增加系统吞吐量。,图 1-4 单道和多道程序运行情况,t2-t3空闲,t7-t8空闲,2）多道批处理系统的特征,多道性。(2)无序性。(3)调度性。,3）多道批处理系统的优缺点(略),1.2.4 分时系统,1）分时系统(Time-Sharing System)的产生 分时系统是以多道程序设计技术为基础的交互式系统。分时系统。具有(1)分时性；(2)独立性；(3)及时性；(4)交互性；四个基本特征。,2）分时系统结构图,分时系统是指，在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机。,主机,用户1,用户2,用户n,常见的有：Windows、LINUX、UNIXLinux是一个（多用户多任务）的分时系统。,1.2.5 实时系统,也出现在60年代，所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。常见的有：windows CE、Vs Works（应用于手机、医疗器械通信等场合）*实时系统侧重的是及时性，而非提高系统资源利用率！,传感装置,计算机系统,记录仪,A,阀门,测量信号,控制信号,化学反应堆的控制,1.2.6 个人计算机操作系统,70年代，微处理器技术的发展促进了个人计算机的发展。这样的用户每次只允许一个用户使用，称为“单用户操作系统”。,1.2.7 网络操作系统,由于个人计算机功能有限，为了满足大规模的计算机应用，可以把若干台个人计算机用通信线路连接起来构成网络。为计算机网络配置的操作系统称为网络操作系统，主要功能是实现各台计算机的通信以及网络中各种资源的共享。,分布式计算机系统是由多台计算机组成的一种特殊的计算机网络，网络中各计算机没有主次之分；网络中任意两台计算机可以通过通信交换信息；网络中的资源为所有用户共享。,1.2.8 分布式操作系统,90年代是分布式计算机的年代，每个计算问题可以分成若干子问题，可由网络中多处理器执行。,随着新一代计算机的研制，还开展了智能操作系统的研究。近年来随着开放系统的兴起和发展，适合开放系统的操作系统已成为一个重要的研究课题。开放系统的特点是符合国际标准、具有可扩性、可移植性。未来的操作系统：网格计算操作系统(用户不用关心哪台机器去运算，任务送上网即可。类似于生活中的电网)。可能面世。或称Internet操作系统。,可以说没有严格意义上的特定操作系统。,1.3 操作系统的基本特性,并发、共享、虚拟、异步性,1.3.1 并发(Concurrence),1）并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；倘若在计算机系统中有多个处理机，处理多个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。(银河计算机)(并行性是发展目标)2）并发性#是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。,3）实现并发工作的基本思想：将程序分解为更小的单位进行运行，程序是静止的，不能运行。,5）进程的概念#：是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个活动实体。,4）为使系统能并发执行，系统必须为每个程序建立进程。,可以把静止的火车比作程序，运行的列车比作进程，列车中的人和物看作程序执行时的数据集。,7）线程：通常把进程作为分配资源的基本单位。线程作为独立运行的基本单位，线程比进程更小。（注：引入线程的OS中）,8）线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对他的调度所付出的开销就会小很多，更好的提高多个进程并发执行速度。,由于进程调度开销资源较大，所以引入线程（Threads）,6）程序并发执行过程：不同的进程交替使用相同的资源。,线程与进程的含义是什么？有什么区别？简单的说，你每启动一个程序，就启动了一个进程。在Windows 3.x下，进程是最小运行单位。在Windows 95/NT下，每个进程还可以启动几个线程，比如每下载一个文件可以单独开一个线程。在Windows 95/NT下，线程是最小单位。WINDOWS的多任务特性使得线程之间独立运行，但是它们彼此共享虚拟空间，也就是共用变量，线程有可能会同时操作一片内存。,1.3.2 共享(Sharing)1）共享的概念：是指系统中的资源，可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。,2）进程对资源共享的方式目前主要有以下两种:互斥共享、同时共享,A、互斥共享：当某一进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程进行访问。这种资源称为临界资源或独占资源,如打印机；B、同时共享：允许在一段时间内由多个进程同时访问，如磁盘设备。,并发和共享是操作系统两个最基本的特征。,1.3.3 虚拟(Virtual)操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存(设置：我的电脑、属性、高级、性能选项)、虚拟外部设备(虚拟光驱、盘符D：等)和虚拟信道等。,OS中采用的2种虚拟技术为：时分复用技术空分复用技术,在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。此时，虽然只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。亦即，利用多道程序设计技术，把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚拟处理机，我们把用户所感觉到的CPU称为虚拟处理器。(掌握),1）时分复用技术 利用该技术可以实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源利用率。,虚拟设备技术：将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备。如虚拟打印机。,2）空分复用技术 利用该技术可以实现虚拟磁盘技术、虚拟存储器技术等，以提高存储空间利用率。虚拟磁盘技术：一个硬盘划分为1、2、3、4四个卷，分别安装在C、D、E、F四个逻辑驱动器上，成为四个虚拟磁盘。虚拟存储器技术：一个100M的程序可以运行在20M的内存空间。,多道程序设计：现代操作系统一般都采用多道程序设计技术，其基本思想是在主存中同时存放多个用户的作业，使之同时处于运行状态而共享系统资源。多个程序同时进入主存并行执行。,在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然，如果n是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1/n。,1.3.4 异步性(Asynchronism),在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是“一气呵成，而是以“走走停停”的方式运行；多道程序环境下程序的执行，是以异步方式进行的；每个程序在何时执行，多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定和不可预知的。进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。,1、操作系统的主要性能参数有()、()。,响应时间,可靠性,2、Windows98是一个（单用户多任务）得操作系统。,3、当前作为自由软件的操作系统是a、Windows b、UNIX C、Linux d、OS/2,从资源管理观点看，操作系统具有五大功能：(1)处理机管理；(2)存储器管理；(3)设备管理；(4)文件管理；(6)用户接口管理。,1.4 操作系统的主要功能,1）进程控制：当用户作业要运行时，应为之建立一个或多个进程，并为它分配除处理机以外的所有资源，将它放入进程就绪队列。当进程运行完成时，立即撤消该进程，以便及时释放其所占有的资源。进程控制的基本功能:就是创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。,1.4.1 处理机管理功能,作业后备队列,进程就绪队列,外存,内存,作业调度,一些,处理器(CPU),2）进程同步：所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调。进程有两种协调方式：进程互斥方式；进程同步方式。最基本的进程同步方式是使诸进程以互斥方式访问临界资源。,3）进程通信：对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为进程通信。例如，有三个相互合作的进程，它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算，并把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把计算结果打印出来。试着用C语言来编写一个简单的进程通信的程序。,4）进程调度：进程调度是指按一定算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进程设置运行现场，并使之投入运行。当一个正在执行的进程已经完成，或因某事件而无法继续执行时，系统应进行进程调度，重新分配处理机。,注意：获得处理机执行的前提条件是进入内存，并在进程就绪队列中。,进程调度,正常,处理器(CPU),进程就绪队列,内存,阻塞队列,结束,一个,1.4.2 存储器管理功能(#),1)内存分配(#),内存分配的主要任务（掌握）是为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”；提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间；允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要#。OS在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式。在静态分配方式中，每个作业的内存空间是在作业装入时确定的；,2)内存保护(#)内存保护的主要任务，是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰#。为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行，必须设置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。另一种越界检查都由硬件实现。当然，对发生越界后的处理，还须与软件配合来完成。,3）地址映射：将逻辑地址空间转换为物理地址空间，地址映射功能可使用户不必过问物理存储空间的分配细节，从而为用户编程提供了方便。逻辑地址：目标程序中的地址都是相对于起始地址计算的；其称为“逻辑地址”或“相对地址”。物理地址：由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。,4）内存扩充 存储器管理中的内存扩充任务，并非是去扩大物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。内存扩充机制有下述功能：(1)请求调入功能(只装入一部分，随用随装)。(2)置换功能(内存不够用时，替换掉暂时不用的)。,1.传统操作系统的结构第一代：无结构OS；第二代：模块化结构OS；第三代：分层式结构的OS；2.现代结构的OS：微内核(Micro Kelnel)结构的OSWindows2000/XP 操作系统，也采用了微内核结构。,1.5 OS结构设计,3.微内核技术微内核技术的引入,所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般的OS(程序)不同，它更小更精炼，它不仅运行在核心态，而且开机后常驻内存。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。在微内核OS结构中，通常都采用了客户/服务器模式。,2)微内核的基本功能 微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如：(1)进程(线程)管理。(2)低级存储器管理。(3)中断和陷入处理。,将OS中最基本的部分放入内核中，而把OS的绝大部分功能放在微内核外面的一组服务器（进程）中实现。,讲究效率的单模块操作系统,进程管理,内存管理,设备管理,文件管理,模块之间可以互相调用的单模块结构,讲究效率的单模块操作系统,模块之间直接调用函数，除了函数调用的开销外，没有额外开销。庞大的操作系统有数以千计的函数复杂的调用关系势必导致操作系统维护的困难,优、缺点,追求简洁的微内核操作系统,内核与各个服务器之间通过通信机制进行交互，这使得微内核结构的效率大大折扣。内核发出请求，服务器做出应答为各个服务器模块的相对独立性，使得其维护相对容易,优、缺点,历史悠久的Unix,在MULTICS（1969）的肩上研制者Ken Thompson和Dennis M.Ritchie Unix的诞生还伴有C语言呱呱落地Unix是现代操作系统的代表：安全、可靠、强大的计算能力,自由而奔放的黑马Linux,诞生于学生之手成长于Internet 壮大于自由而开放的文化,Linux之父-Linus Torvalds,芬兰、赫尔辛基大学、1990起始于写两个进程 然后写驱动程序、文件系统、任务切换程序，从而形成一个操作系统邹形,Linux得以流行的原因之一 遵循POSIX标准,POSIX 表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface）POSIX是在Unix标准化过程中出现的产物。POSIX 1003.1标准定义了一个最小的Unix操作系统接口 任何操作系统只有符合这一标准，才有可能运行Unix程序,Linux的肥沃土壤GNU,GNU 是 GNU Is Not Unix 的递归缩写，是自由软件基金会的一个项目。GNU 项目产品包括 emacs 编辑器、著名的 GNU C 和 Gcc编译器等，这些软件叫做GNU软件。GNU 软件和派生工作均适用 GNU 通用公共许可证，即 GPL（General Public License）Linux的开发使用了众多的GUN工具,GPL开源软件的法律,GPL 允许软件作者拥有软件版权 但GPL规定授予其他任何人以合法复制、发行和修改软件的权利。,Linux系统或发布版,符合 POSIX 标准的操作系统内核、Shell 和外围工具。C 语言编译器和其他开发工具及函数库 X Window 窗口系统 各种应用软件，包括字处理软件、图象处理软件等。,开放与协作的开发模式,世界各地软件爱好者集体智慧的结晶 提供源代码，遵守GPL。经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定性好。开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造性。,Linux内核,Linus领导下的开发小组开发出的系统内核 是所有Linux 发布版本的核心 内核开发人员一般在百人以上，任何自由程序员都可以提交自己的修改工作。采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误报告有大量的用户进行测试，正式发布的代码质量高,整个系统的核心内核,硬件,系统调用接口,应用程序进程1,应用程序进程2,应用程序进程3,Linux内核,用户进程,内核子系统,系统调用,整个系统的核心内核,用户进程运行在Linux内核之上的一个庞大软件集合。系统调用内核的出口，用户程序通过它使用内核提供的功能。Linux内核操作系统的灵魂，负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等等。硬件包括了Linux安装时需要的所有可能的物理设备。例如，CPU、内存、硬盘、网络硬件等等。,内核子系统,内核子系统,进程调度控制着进程对CPU的访问。内存管理允许多个进程安全地共享主内存区域 虚拟文件系统隐藏各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口。网络提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持。进程间通信(IPC)支持进程间各种通信机制，包括共享内存、消息队列及管道等。,Linux内核版本树,0.01Linux（第一版）,0.13版|产品化版本实验版本 的拷贝)1.0.X(修改)1.1.X(增加新功能，进行测试)1.1.95(成为1.2.0),内核源代码结构,Linux内核源代码分析工具,Linux超文本交叉代码检索工具 http:/Windows平台下的源代码阅读工具Source Insight,“内核之旅”网站,电子杂志栏目是关于内核研究和学习的资料 第一期“走入Linux世界”涉猎了操作系统的来龙去脉后与大家携手步入Linux世界。下载代码，亲手搭建实验系统。,