操作系統(tǒng)課件：第一章 導(dǎo)論

第一章

導(dǎo)論第1章:導(dǎo)論操作系統(tǒng)做什么計算機(jī)系統(tǒng)組織計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)操作進(jìn)程管理內(nèi)存管理存儲管理保護(hù)盒安全分布式系統(tǒng)專用系統(tǒng)計算環(huán)境本章目標(biāo)提供對操作系統(tǒng)主要部件的瀏覽提供基本的計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的概述操作系統(tǒng)是什么?管理計算機(jī)硬件的程序，在計算機(jī)用戶和計算機(jī)硬件之間充當(dāng)中介。操作系統(tǒng)的目標(biāo):運(yùn)行用戶程序---核心目標(biāo)更方便地解決用戶問題，使計算機(jī)系統(tǒng)方便地使用以一種高效的方式使用計算機(jī)硬件。計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)可以分為四個部分硬件(Hardware)

–提供基本的計算資源CPU,memory,I/Odevices操作系統(tǒng)(OperatingSystem)控制和協(xié)調(diào)各用戶的應(yīng)用程序?qū)τ布氖褂脩?yīng)用程序(Applicationprograms)

–規(guī)定了用戶按何種方式使用系統(tǒng)資源字處理程序,編譯器,網(wǎng)絡(luò)瀏覽器,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),視頻游戲用戶(Users)人,機(jī)器,其他計算機(jī)計算機(jī)系統(tǒng)的4個部分操作系統(tǒng)定義OS是資源分配器管理所有資源面對沖突的資源請求，決定如何分配資源，以便系統(tǒng)能有效而公平地運(yùn)行OS是控制程序管理用戶程序的運(yùn)行以防止計算機(jī)資源的錯誤使用或使用不當(dāng)操作系統(tǒng)定義(Cont.)沒有一個可廣泛接受的操作系統(tǒng)定義“當(dāng)你預(yù)定一個“操作系統(tǒng)“時零售商所裝的所有東西”（簡單觀點(diǎn)）包括的特性隨系統(tǒng)不同而變化很大“一直運(yùn)行在計算機(jī)上的程序”稱為內(nèi)核(

kernel).其他程序則為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序計算機(jī)系統(tǒng)組織計算機(jī)系統(tǒng)組織一個或多個CPU,若干通過共同的總線相連的設(shè)備控制器，總線提供對共享內(nèi)存的訪問CPU和設(shè)備控制器可以并發(fā)工作，并競爭內(nèi)存周期系統(tǒng)啟動引導(dǎo)程序(bootstrapprogram)在打開電源或重啟時被裝載通常位于ROM或EPROM中,稱為firmware(固件)初始化系統(tǒng)中的所有部分裝入操作系統(tǒng)內(nèi)核并開始運(yùn)行計算機(jī)系統(tǒng)操作I/O和CPU可以并發(fā)運(yùn)行每個設(shè)備控制器負(fù)責(zé)一種特定類型的設(shè)備每個設(shè)備控制器有一個本地緩沖CPU在內(nèi)存和本地緩沖之間移動數(shù)據(jù)I/O操作則是從設(shè)備到控制器的本地之間執(zhí)行設(shè)備控制器告訴CPU通過調(diào)用中斷來完成操作中斷的常見功能通常中斷(interrupt)通過中斷矢量(interruptvector)把控制傳送給中斷服務(wù)程序，該中斷矢量包含了所有服務(wù)程序的地址中斷體系結(jié)構(gòu)必須保護(hù)被中斷指令的地址當(dāng)另一個中斷正在處理時，剛進(jìn)入的中斷不能作用，以免丟失中斷陷阱(trap)是由于出錯或用戶請求引起的軟件生成的中斷操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動的中斷處理操作系統(tǒng)通過存儲寄存器和程序計數(shù)器而保留了CPU的狀態(tài)確定哪一種中斷發(fā)生了：輪詢矢量化中斷系統(tǒng)對每一類中斷分離代碼段，以確定應(yīng)該采取什么反應(yīng)單個進(jìn)程處理輸出的中斷時間線路存儲結(jié)構(gòu)主存(Mainmemory)-CPU可以直接訪問的唯一大型存儲介質(zhì)二級存儲器(Secondarystorage)-主存的擴(kuò)展提供了非易失的存儲容量磁盤(Magneticdisk)-覆蓋了磁記錄材料的硬金屬或玻璃盤片磁盤表面邏輯劃分了磁道、再劃分為扇面磁盤驅(qū)動器確定設(shè)備和計算機(jī)之間的相互作用存儲層次存儲系統(tǒng)分層組織速度成本易失性緩存(Cache)-把信息復(fù)制進(jìn)較快的存儲系統(tǒng)；主存可看作為二級存儲器的最后一個緩存存儲設(shè)備層次

I/O結(jié)構(gòu)開始I/O之后，僅當(dāng)I/O完成之后控制才返回用戶程序等待指令空轉(zhuǎn)CPU，直至下一個中斷等待循環(huán)每一時刻最多一個I/O請求，無并行I/O處理在I/O開始之后，不等I/O完成控制就返回用戶程序系統(tǒng)調(diào)用(Systemcall)

-請求操作系統(tǒng)允許用戶等待I/O完成設(shè)備狀態(tài)表(Device-statustable)包括每個I/O設(shè)備的類型、地址和狀態(tài)操作系統(tǒng)引用設(shè)備狀態(tài)表以確定設(shè)備狀態(tài)并修改表入口加入中斷兩種I/O方法Synchronous同步Asynchronous異步設(shè)備狀態(tài)表直接內(nèi)存訪問(DMA)結(jié)構(gòu)用于高速I/O設(shè)備能夠以接近存儲器的速率傳送信息無須CPU的介入，設(shè)備控制器直接把數(shù)據(jù)塊從緩沖區(qū)存儲傳送到主存每數(shù)據(jù)塊(block)只要一個中斷，而不是每個字節(jié)一個中斷計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)單處理器系統(tǒng)一個CPU一個CPU一個Core多核處理器系統(tǒng)一個CPU一個CPU多個核，一個核即一個處理器多處理器系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：增加吞吐量，規(guī)模經(jīng)濟(jì)，增加可靠性非對稱多處理（ASMP）對稱多處理（SMP）集群系統(tǒng)多處理器系統(tǒng)有多個緊密通信的處理器，也稱為并行系統(tǒng)(ParallelSystem)或緊耦合系統(tǒng)(TightlyCoupledSystem)。多個處理器共享計算機(jī)總線、時間、內(nèi)存和外設(shè)等。多處理器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：增加吞吐量節(jié)省資金增加可靠性功能退化(gracefuldegradation)容錯系統(tǒng)(faulttolerant)多處理器系統(tǒng)（續(xù)）對稱多處理(SymmetricMultiprocessing,SMP)每個處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)的相同副本許多進(jìn)程可以立即運(yùn)行不會降低性能多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持SMP非對稱多處理(AsymmetricMultiprocessing)每個處理器賦予一個特定任務(wù)；主處理器為從處理器調(diào)度和分配作業(yè)常用在非常大的系統(tǒng)中對稱對處理體系結(jié)構(gòu)集群系統(tǒng)由兩個或多個獨(dú)立的系統(tǒng)耦合起來，共享數(shù)據(jù)。提供高可用性。非對稱集群(AsymmetricClustering)：一臺機(jī)器運(yùn)行應(yīng)用程序，而其他機(jī)器處于熱備份模式。對稱集群(SymmetricClustering)：多個主機(jī)都運(yùn)行應(yīng)用程序。集群系統(tǒng)簡單批處理系統(tǒng)自動作業(yè)調(diào)度-自動從一個運(yùn)行完的作業(yè)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行下一個作業(yè)常駐監(jiān)控程序（monitor）控制作業(yè)傳輸調(diào)度作業(yè)運(yùn)行單道程序運(yùn)行最早操作系統(tǒng)簡單批處理內(nèi)存映像cardsIBM1401IBM7094IBM1401TapesCardreaderPrinter操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多道程序設(shè)計需要考慮有效性單個用戶通常不能總是使得CPU和I/O設(shè)備在所有時間內(nèi)都忙碌多道程序設(shè)計通過組織作業(yè)（代碼或數(shù)據(jù)）使CPU總有一個作業(yè)可執(zhí)行內(nèi)存中保存系統(tǒng)中所有作業(yè)的子集通過作業(yè)調(diào)度(jobscheduling)選中一個作業(yè)并運(yùn)行

當(dāng)該作業(yè)必須等待時(如等待I/O),OS切換到另一個作業(yè)分時系統(tǒng)(或多任務(wù))是多道程序設(shè)計的延伸，雖然CPU還是通過在作業(yè)之間的切換來執(zhí)行多個作業(yè)，但由于切換頻率很高，用戶可以在程序運(yùn)行期間與之進(jìn)行交互響應(yīng)時間<1second每個用戶至少有一個程序在內(nèi)存中運(yùn)行進(jìn)程(process)如果同一時間多個作業(yè)都準(zhǔn)備運(yùn)行CPU調(diào)度(CPUscheduling)如果進(jìn)程不適合內(nèi)存，需要通過交換(swapping)來換入或換出來運(yùn)行虛擬內(nèi)存(Virtualmemory)允許運(yùn)行的進(jìn)程不完全在內(nèi)存中多道程序系統(tǒng)的內(nèi)存分布多道程序和單道程序運(yùn)行例子操作系統(tǒng)操作由硬件中斷驅(qū)動軟件錯誤或特別請求產(chǎn)生異常或陷阱除數(shù)為零,完成操作系統(tǒng)服務(wù)等其他進(jìn)程的問題，包括死循環(huán)，一個程序可能修改另一個程序，或操作系統(tǒng)本身雙重模式的操作允許OS保護(hù)自身和其他的系統(tǒng)部件用戶模式(Usermode)和內(nèi)核模式(kernelmode)

由硬件提供模式位提供了區(qū)分系統(tǒng)正在運(yùn)行用戶代碼或內(nèi)核代碼的能力一些指令被指定為特權(quán)指令，只能運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)系統(tǒng)調(diào)用切換運(yùn)行模式到內(nèi)核模式，并將調(diào)用結(jié)果返回給用戶雙重模式操作（續(xù)）狀態(tài)位(Modebit)添入計算機(jī)硬件，指示正確的狀態(tài)：管態(tài)（0）或用戶態(tài)（1）當(dāng)中斷或錯誤出現(xiàn)，硬件切換至管態(tài)特權(quán)指令(Privilegedinstructions)只能在管態(tài)下使用

管態(tài)用戶態(tài)中斷設(shè)置用戶模式用戶模式到內(nèi)核模式的轉(zhuǎn)換定時器防止用戶程序陷入死循環(huán)或進(jìn)程過度消耗資源在給定時間后設(shè)置中斷操作系統(tǒng)遞減計數(shù)器當(dāng)計數(shù)器為0時，產(chǎn)生中斷在調(diào)度進(jìn)程前設(shè)置好計數(shù)器，來重新得到控制權(quán)或者終止超過所賦予時間的進(jìn)程進(jìn)程管理進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序，是系統(tǒng)工作的單元。程序是被動的實(shí)體，進(jìn)程是活動的實(shí)體。進(jìn)程需要一定的資源CPU,內(nèi)存,I/O,文件初始化數(shù)據(jù)進(jìn)程終止時需要回收任何可用資源單線程進(jìn)程有一個程序計數(shù)器，用于指示下一條運(yùn)行指令的位置進(jìn)程順序執(zhí)行指令，直到進(jìn)程終止多線程進(jìn)程每個線程有一個程序計數(shù)器通常系統(tǒng)有多個進(jìn)程，一些用戶進(jìn)程，一些操作系統(tǒng)進(jìn)程，并發(fā)運(yùn)行在一個或多個CPU上通過在進(jìn)程/線程間復(fù)用CPU來實(shí)現(xiàn)并發(fā)進(jìn)程管理活動操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)下述與進(jìn)程管理有關(guān)的活動：創(chuàng)建和刪除用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程掛起和重啟進(jìn)程提供進(jìn)程同步機(jī)制提供進(jìn)程通信機(jī)制提供死鎖處理機(jī)制內(nèi)存管理CPU處理前后的所有數(shù)據(jù)都在內(nèi)存需要執(zhí)行的所有指令都在內(nèi)存內(nèi)存管理決定在內(nèi)存里的是什么為優(yōu)化CPU的使用率和計算機(jī)對用戶的響應(yīng)速度內(nèi)存管理活動記錄內(nèi)存的哪些部分正在被使用及被誰使用決定哪些進(jìn)程和數(shù)據(jù)可以裝入或移出內(nèi)存根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間存儲管理OS提供統(tǒng)一的邏輯信息存儲觀點(diǎn)把存儲設(shè)備的物理屬性抽象成邏輯存儲單元–文件每種介質(zhì)都由一個設(shè)備來控制(如,磁盤驅(qū)動,磁帶驅(qū)動)有各自特點(diǎn)，屬性包括訪問速度、容量、數(shù)據(jù)傳輸率和訪問方法(順序或隨機(jī))文件系統(tǒng)管理文件通常組成目錄大部分系統(tǒng)中訪問控制決定什么人可以訪問什么文件管理活動包括創(chuàng)建和刪除文件和目錄提供操作文件和目錄的原語將文件映射到二級存儲上在穩(wěn)定存儲介質(zhì)上備份文件大容量存儲管理通常磁盤保存不能存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)或必須長期保存的數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)墓芾硎侵陵P(guān)重要的計算機(jī)操作的最終速度與硬盤子系統(tǒng)的速度和管理算法有關(guān)操作系統(tǒng)的活動空閑空間管理存儲空間分配磁盤調(diào)度一些存儲不需要快速三級存儲包括了光盤，磁帶仍然必須管理好介質(zhì)格式包括WORM(一次寫、多次讀)和RW(讀-寫)高速緩存(Caching)重要概念之一,在計算機(jī)中的很多級別中存在(硬件、操作系統(tǒng)、軟件)信息使用時，被臨時從慢速設(shè)備復(fù)制到更快的存儲系統(tǒng)中更快的存儲系統(tǒng)(高速緩存)首先檢查信息是否在高速緩存中如果是，直接使用高速緩存中的信息(快速)否則，將數(shù)據(jù)拷貝到高速緩存再使用高速緩存容量小于被緩存的存儲系統(tǒng)高速緩存管理的設(shè)計很重要高速緩存大小和置換策略選擇不同級別存儲器的性能存儲層次之間的信息移動可以是顯式的，也可以是隱式的I/O系統(tǒng)OS的目的之一在于對用戶隱藏具體硬件設(shè)備的特性I/O子系統(tǒng)負(fù)責(zé)：一個包括緩沖、高速緩存和假脫機(jī)的內(nèi)存管理部分通用設(shè)備驅(qū)動器接口特定硬件設(shè)備的驅(qū)動程序保護(hù)和安全保護(hù)

–控制進(jìn)程或用戶對計算機(jī)系統(tǒng)資源訪問的機(jī)制安全

–防止系統(tǒng)不受外部或內(nèi)部攻擊范圍很廣，包括病毒和蠕蟲、拒絕服務(wù)攻擊、身份偷竊、服務(wù)偷竊系統(tǒng)通常首先區(qū)分所有用戶，來決定誰該做什么用戶標(biāo)識(userIDs)包括名字和相關(guān)數(shù)字，每個用戶一個用戶標(biāo)識與所有該用戶的文件和進(jìn)程相關(guān)聯(lián)組標(biāo)識(groupID)允許一組用戶被定義和控制管理，也跟每個進(jìn)程和文件相關(guān)聯(lián)升級特權(quán)允許用戶更改有效ID以擁有更多權(quán)力計算環(huán)境傳統(tǒng)計算隨著時間的推移而模糊辦公環(huán)境一些聯(lián)網(wǎng)的PC，終端與提供批處理和分時的大型機(jī)或小型機(jī)相連現(xiàn)在門戶網(wǎng)站(portal)允許網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)訪問相同的資源家庭網(wǎng)絡(luò)以前是單一的系統(tǒng)，通過調(diào)制解調(diào)器相連現(xiàn)在使用防火墻相連計算環(huán)境(續(xù))客戶-服務(wù)器計算智能PC機(jī)取代了啞終端許多中心系統(tǒng)成為服務(wù)器，響應(yīng)由客戶機(jī)產(chǎn)生的請求計算服務(wù)器系統(tǒng)Compute-server

提供一個接口，接收客戶端的請求服務(wù)(如數(shù)據(jù)庫服務(wù)器)文件服務(wù)器系統(tǒng)

提供給客戶端接口來存儲和檢索文件對等（P2P）計算分布式系統(tǒng)的另一種模式P2P不區(qū)分客戶機(jī)和服務(wù)器所有節(jié)點(diǎn)都是對等的每一個都可作