現(xiàn)代操作系統(tǒng)課件

1、現(xiàn)代操作系統(tǒng),計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),吳桂軍 參考書目:湯子瀛等著.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 西安電子科技大學(xué)出版社,現(xiàn)代操作系統(tǒng),2,第一章 引論,本章要點(diǎn) 操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程及基本操作系統(tǒng)類型和新型操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的功能和特征,現(xiàn)代操作系統(tǒng),3,1.1 操作系統(tǒng)的基本概念 1.1.1 操作系統(tǒng)的定義,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,現(xiàn)代操作系統(tǒng),4,引入操作系統(tǒng)主要可完成以下兩個(gè)方面的工作： (1) 方便用戶使用。 操作系統(tǒng)應(yīng)該提供給用戶一個(gè)良好的界面，用戶不必了解硬件和其它軟件的細(xì)節(jié)，就可以方便地使用計(jì)算機(jī)。 (2) 充分利用資源。 操作系統(tǒng)應(yīng)該最大限度地發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的使用效率，合理地組織工作流

2、程，使得計(jì)算機(jī)資源能為多用戶共享。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),5,定義：操作系統(tǒng)是為了方便用戶和提高計(jì)算機(jī)的利用率，對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行組織和管理的程序集合。 用戶 廣義的概念，包括一般用戶和軟件開發(fā)人員等； 資源包括處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備等硬件資源和程序與數(shù)據(jù)等軟件資源。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),6,1.1.2 操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用 1.對(duì)外職能用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口 必須為用戶提供良好的界面，使用戶能夠感覺計(jì)算機(jī)是可用而且易用的。 2.對(duì)內(nèi)職能組織和管理計(jì)算機(jī)資源，充分發(fā)揮資源的效能，提高利用率,現(xiàn)代操作系統(tǒng),7,1.1.3 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn) 1.用戶觀點(diǎn) 2.資源管理的觀點(diǎn) 計(jì)算機(jī)資源按性質(zhì)

3、分四類:CPU、內(nèi)存、處部設(shè)備、信息文件 對(duì)于操作系統(tǒng)來說，資源管理要做如下工作： (1) 對(duì)資源使用情況進(jìn)行登記，這是資源管理的依據(jù)。 (2) 決定分配策略。 (3) 提供分配與回收算法。 3.進(jìn)程觀點(diǎn) 進(jìn)程分析計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)在處理過程中的基本對(duì)象，是系統(tǒng)中的活動(dòng)實(shí)體。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),8,圖1-2 資源分配與釋放過程,現(xiàn)代操作系統(tǒng),9,現(xiàn)代操作系統(tǒng),10,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 一方面操作隨著充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件性能的要求不斷發(fā)展,另一方面它也促進(jìn)了計(jì)算機(jī)硬件種類的擴(kuò)充,使計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),功能越來越強(qiáng)大. 1.2.1 問題的提出 1.速度問題 人工操作速度和處理機(jī)計(jì)算速度嚴(yán)重不匹配 2

4、.作業(yè)差異 3.CPU與外部設(shè)備的充分利用,現(xiàn)代操作系統(tǒng),11,1.2.3 解決辦法 1.減少人工干預(yù) 批處理技術(shù) 作業(yè)執(zhí)行序列、監(jiān)督或管理程序、自動(dòng)轉(zhuǎn)換 聯(lián)機(jī)批處理方式 2.改善速度匹配 脫機(jī)批處理技術(shù),衛(wèi)星機(jī),輸入/出設(shè)備,1.2.3 解決辦法 1.減少人工干預(yù) 批處理技術(shù) 作業(yè)執(zhí)行序列、監(jiān)督或管理程序、自動(dòng)轉(zhuǎn)換 聯(lián)機(jī)批處理方式 2.改善速度匹配 脫機(jī)批處理技術(shù),現(xiàn)代操作系統(tǒng),12,3.實(shí)現(xiàn)多道程序系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：以中央處理器為中心主存為中心 中斷技術(shù)和通道技術(shù) 通過軟件技術(shù)使CPU和I/O設(shè)備并行工作多道程序系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng)是指允許多個(gè)相互獨(dú)立的程序同時(shí)存在于內(nèi)存中，而且處于同時(shí)運(yùn)行的

5、過程中。各道程序輪流占用CPU，交替執(zhí)行。 問題：如何共享資源、如何互斥和同步、如何提 高內(nèi)存使用率、如何證程序安全,現(xiàn)代操作系統(tǒng),13,圖1-3 CPU與I/O并行圖,現(xiàn)代操作系統(tǒng),14,1.2.3 基本操作系統(tǒng)類型 1.批處理系統(tǒng) 用戶不能直接干預(yù)作業(yè)的運(yùn)行過程 作業(yè)提交之前用作業(yè)控制語(yǔ)言編制成作業(yè)說明書或作業(yè)控制卡,與程序和數(shù)據(jù)一起提交給系統(tǒng) 引入多道程序后,批處理系統(tǒng)有以下特征: (1) 多道性 (2) 無序性 (3) 調(diào)度性：作業(yè)從提交到運(yùn)行完成需要經(jīng)過兩次調(diào)度，即作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度。作業(yè)調(diào)度是指按照一定作業(yè)調(diào)度算法，從后備作業(yè)隊(duì)列中選擇一個(gè)或幾個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。進(jìn)程調(diào)度是指按照一定進(jìn)

6、程調(diào)度算法，從在內(nèi)存的進(jìn)程中選擇一個(gè)進(jìn)程，將處理機(jī)分配給它，使之執(zhí)行。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),15,批處理系統(tǒng)，特別是多道批處理系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是資源利用率高和系統(tǒng)吞吐量大。 批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： (1) 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開始，直到作業(yè)完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。在批處理系統(tǒng)中，由于作業(yè)需要排隊(duì)來依次進(jìn)行處理，因而作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。 (2) 無交互能力。在作業(yè)提交后，用戶不能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，不便于對(duì)作業(yè)的控制。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),16,2分時(shí)系統(tǒng) 分時(shí)就是多個(gè)用戶對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行時(shí)間上的分享。,微觀上，每個(gè)用戶作業(yè)輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片；宏觀上，多個(gè)

7、用戶同時(shí)工作，共享系統(tǒng)資源。,分時(shí)系統(tǒng)作為多道程序系統(tǒng)的一個(gè)典型代表，集中體現(xiàn)了多道程序系統(tǒng)的一些技術(shù)特征，成為當(dāng)今的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)主流,現(xiàn)代操作系統(tǒng),17,3實(shí)時(shí)系統(tǒng) “實(shí)時(shí)”是指系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)發(fā)生的外部事件(一般為一些隨機(jī)事件)，并以足夠快的速度完成對(duì)事件的處理。 為了保證程序可靠運(yùn)行，系統(tǒng)應(yīng)提供安全措施，比如多級(jí)容錯(cuò)、硬件冗余等，避免因發(fā)生錯(cuò)誤或丟失信息而造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)相對(duì)于其它操作系統(tǒng)來說，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的及時(shí)響應(yīng)以及系統(tǒng)的可靠性。 兩種類型：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),18,1.2.4 新型操作系統(tǒng) 1微機(jī)操作系統(tǒng) MS-DOS、Wind

8、ows、OS/2、UNIX、Linux 單用戶單任務(wù)、單用戶多任務(wù)、多用戶多任務(wù) 2多處理機(jī)操作系統(tǒng) 從硬件結(jié)構(gòu)上分：緊密耦合型和松散耦合型 多處理機(jī)系統(tǒng)所配置的操作系統(tǒng)分：對(duì)稱式和非對(duì)稱式（又稱為主從式）的,現(xiàn)代操作系統(tǒng),19,3網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 如同在單機(jī)上安裝操作系統(tǒng)可以方便用戶合理組織與管理計(jì)算機(jī)資源一樣，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上覆蓋一層網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)之后，用戶可以方便地使用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)用戶通信和資源共享，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。 從功能上講，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)在內(nèi)的諸方面功能的一個(gè)系統(tǒng)軟件。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),20,4分布式操作系統(tǒng) 分布式處理

9、系統(tǒng)是指由多個(gè)分散的處理單元經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)的連接而形成的，且可以實(shí)現(xiàn)分布處理的系統(tǒng)。 處理單元 自治性 協(xié)調(diào) 實(shí)現(xiàn)資源管理 動(dòng)態(tài)地分配任務(wù) 能并行地運(yùn)行分布式程序。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),21,1.3 操作系統(tǒng)的特征與功能 1.3.1 操作系統(tǒng)的特征 1并發(fā)（Concurrence） 并發(fā)與并行的區(qū)別 程序與進(jìn)程 2共享（Sharing） 是指內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用系統(tǒng)中的資源。 資源共享的兩種方式 并發(fā)與共享的關(guān)系 3虛擬（Virtual） 4異步性（Asynchronism）,現(xiàn)代操作系統(tǒng),22,從兩個(gè)不同的角度（1.1.1）討論操作系統(tǒng)的功能： 1. 資源管理 協(xié)調(diào)、管理計(jì)算機(jī)的軟、硬件資

10、源，提高其利用率。 2. 用戶角度 為用戶提供使用計(jì)算機(jī)的環(huán)境和服務(wù)。,計(jì)算機(jī)四大類資源,C P U 內(nèi) 存 外 設(shè) 信息文件,處理機(jī)管理,存儲(chǔ)器管理,設(shè)備管理,文件管理,用戶接口,1.3.2 操作系統(tǒng)的功能,現(xiàn)代操作系統(tǒng),23,1處理機(jī)管理的功能 進(jìn)程管理和作業(yè)管理 1) 進(jìn)程控制 2) 進(jìn)程同步 3) 進(jìn)程通信 4) 調(diào)度 作業(yè)調(diào)度作業(yè)具有使用CPU的權(quán)力 進(jìn)程調(diào)度真正獲得CPU,最重要內(nèi)容！ 第2章,現(xiàn)代操作系統(tǒng),24,2存儲(chǔ)器管理的功能 1) 內(nèi)存分配 內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配足夠完整運(yùn)行的內(nèi)存空間，而且要提高存儲(chǔ)器的利用率。 內(nèi)存分配的機(jī)制中應(yīng)具有以下結(jié)構(gòu)和功能： 內(nèi)存分配

11、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況，作為內(nèi)存分配的依據(jù)。 內(nèi)存分配功能：系統(tǒng)按照一定的內(nèi)存分配算法為用戶程序分配內(nèi)存空間。 內(nèi)存回收功能：系統(tǒng)對(duì)用戶不再需要的內(nèi)存根據(jù)釋放請(qǐng)求進(jìn)行回收。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),25,2) 內(nèi)存保護(hù) 內(nèi)存保護(hù)是指通過設(shè)置內(nèi)存保護(hù)機(jī)制來確保每道用戶程序都在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行，不能訪問操作系統(tǒng)存放在系統(tǒng)區(qū)中的程序和數(shù)據(jù)，也不允許訪問非共享的其它用戶程序內(nèi)存區(qū)。 3) 地址變換 用戶應(yīng)用程序（源程序）經(jīng)編譯、鏈接而形成的可裝入程序，它所形成的邏輯單元編號(hào)（即邏輯地址）與裝入內(nèi)存后具體的內(nèi)存存儲(chǔ)單元編號(hào)（即物理地址）之間的對(duì)應(yīng)變換，需借助于相應(yīng)的地址變換硬件機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，以

12、保證程序在執(zhí)行過程中可以在正確的內(nèi)存單元訪問所需的指令或數(shù)據(jù)。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),26,4) 內(nèi)存擴(kuò)充 大型文件系統(tǒng) 虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 邏輯擴(kuò)充 請(qǐng)求調(diào)入功能。允許在僅裝入一部分用戶程序和數(shù)據(jù)的情況下，啟動(dòng)該進(jìn)程運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)繼續(xù)運(yùn)行時(shí)所需的程序和數(shù)據(jù)尚未裝入內(nèi)存時(shí)，可向OS發(fā)出請(qǐng)求，由OS將所需部分調(diào)入內(nèi)存，以便繼續(xù)運(yùn)行。 對(duì)換功能。若內(nèi)存中已無足夠的空間來裝入需要調(diào)入的部分時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)將內(nèi)存中的一部分暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)調(diào)至磁盤上，以便騰出內(nèi)存空間，然后再將所需部分調(diào)入內(nèi)存。 以上是第3章將要講述內(nèi)容。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),27,3設(shè)備管理的功能 設(shè)備管理是指根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求分配相應(yīng)的I/

13、O設(shè)備，控制I/O操作過程，達(dá)到提高I/O速度和設(shè)備利用率的目的。設(shè)備管理具體包括以下內(nèi)容。 1) 緩沖管理 緩沖管理的基本任務(wù)是管理好各種類型的緩沖區(qū)，以緩和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最終達(dá)到提高CPU和I/O設(shè)備利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量的目的。最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制，以及可供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩沖池機(jī)制。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),28,2) 設(shè)備分配 設(shè)備分配的基本任務(wù)是根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，為其分配所需的設(shè)備，其中包括可能需要的相應(yīng)的控制器和通道。 需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)設(shè)備表、設(shè)備控制表、控制器控制表、通道控制表等 3) 設(shè)備處理 設(shè)備處理程序又

14、稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其基本任務(wù)通常是實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作，并能接收由設(shè)備控制器發(fā)來的中斷請(qǐng)求，給予及時(shí)的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),29,4) 設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備 設(shè)備獨(dú)立性是指應(yīng)用程序使用的邏輯設(shè)備名獨(dú)立于具體的物理設(shè)備，以使用戶編制的程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無關(guān)。 虛擬設(shè)備就是虛擬技術(shù)在設(shè)備管理中的一種具體應(yīng)用。 以上是第4章將要講述內(nèi)容。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),30,4文件管理的功能 文件管理是指對(duì)存儲(chǔ)在磁盤或磁帶上的文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。 文件管理具體包括：對(duì)文件存儲(chǔ)空間的管理，目錄管

15、理，文件的讀、寫管理以及文件的共享與保護(hù)等功能。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),31,1) 文件存儲(chǔ)空間的管理 由文件系統(tǒng)對(duì)諸多文件在存儲(chǔ)空間的占用情況進(jìn)行記錄，以供分配和回收空間時(shí)參考。分配和回收是以提高存儲(chǔ)空間的利用率為目標(biāo)的。 2) 目錄管理 主要任務(wù)是為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)方便的按名存取；文件共享；快速的目錄查詢手段 3) 文件的讀、寫管理和存取控制 該功能規(guī)定文件讀、寫的具體方式，以提高讀寫效率。為了保障文件系統(tǒng)的安全，應(yīng)對(duì)文件存取施加限制措施，保證各個(gè)用戶以適當(dāng)?shù)臋?quán)限來使用文件系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)的安全性要求。 以上是第5章將要講述內(nèi)容。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),32,5. 用戶接口 為了方便用戶使用計(jì)算機(jī)

16、，操作系統(tǒng)向用戶提供了更易理解和進(jìn)行工作的命令接口、程序接口和圖形接口。這些接口對(duì)于不同層次、不同水平的用戶提供了快速、高效訪問計(jì)算機(jī)的手段，對(duì)于計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展起到了非常重要的促進(jìn)作用。 將在第2章簡(jiǎn)述。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),33,1.4 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般觀點(diǎn)? 1.4.1 整體式系統(tǒng) 一種非模塊化的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu) 一系列的過程 明確定義的接口 隨意調(diào)用 操作系統(tǒng)與外部程序有統(tǒng)一的接口，即一組系統(tǒng)調(diào)用命令 系統(tǒng)態(tài)（管態(tài)） 、用戶態(tài)（目態(tài)）,現(xiàn)代操作系統(tǒng),34,整體式系統(tǒng)基本的結(jié)構(gòu)關(guān)系： (1) 一個(gè)主過程，它接受和解釋系統(tǒng)調(diào)用命令，并調(diào)用相應(yīng)的過程 (2) 一組執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的服務(wù)

17、過程，每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都有對(duì)應(yīng)的服務(wù)過程。 (3) 一組支持服務(wù)過程的實(shí)用過程，每個(gè)實(shí)用過程完成若干個(gè)服務(wù)過程所必須執(zhí)行的公共事務(wù)。 MS-DOS 早期的UNIX采用這種結(jié)構(gòu),所設(shè)計(jì)出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。這一方面會(huì)使所編制出的程序錯(cuò)誤很多，給調(diào)試工作帶來很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。,現(xiàn)代操作系統(tǒng),35,1.4.2 模塊層次式系統(tǒng) 一種模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 把操作系統(tǒng)劃分成若干模塊 按這些模塊的控制或服務(wù)關(guān)系進(jìn)行分層 每層包含一個(gè)或若干個(gè)模塊 層間調(diào)用 不可反向 兩種基本方法：自底向上法和自頂向下法,現(xiàn)代操作系統(tǒng),36,性質(zhì)： (1) Ai所提

18、供的資源和功能構(gòu)成了建立Ai+1的全部基礎(chǔ)（單向依賴關(guān)系）。 (2) 從Ai擴(kuò)充到Ai+1時(shí)，并不一定是Ai的全部功能都同時(shí)被擴(kuò)充了，Ai的那些未經(jīng)擴(kuò)充的功能被看成是延續(xù)到Ai+1中去，故Ai+1中有一些功能等同于Ai的功能，在建立Ai+2時(shí)，把它看成是Ai+1的功能。 (3) 在定義Ai+1的新資源時(shí)所用到的Ai的資源，在Ai+1中不應(yīng)再出現(xiàn)。 (4) 頂層An的正確性可通過逐步證明以下的每一級(jí)虛擬機(jī)Ai的正確性來得到證實(shí)。,圖1-5 自底向上分層設(shè)計(jì),現(xiàn)代操作系統(tǒng),37,2自頂向下（Top-down）法 與自底向上法相反，自頂向下法是從目標(biāo)系統(tǒng)An出發(fā)，過渡到宿主系統(tǒng)A0的。為了實(shí)現(xiàn)An，設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)奶摂M機(jī)An-1，使得An能在An-1上實(shí)現(xiàn)。但An-1本身還無法獨(dú)立運(yùn)行，因此再設(shè)計(jì)一個(gè)新的虛擬機(jī)An-2來實(shí)現(xiàn)An-1。如此重復(fù)，便產(chǎn)生虛擬機(jī)序列An，An-1，A1，A1能在A0上獨(dú)立運(yùn)行