windows操作系統(tǒng)原理ppt.ppt

1、第一章 操作系統(tǒng)概述,操作系統(tǒng)的概念 操作系統(tǒng)的歷史 操縱系統(tǒng)的特性 操作系統(tǒng)的類型 操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境 操作系統(tǒng)的界面形式 操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理,1.1 操作系統(tǒng)概念,操作系統(tǒng)地位 操作系統(tǒng)作用 操作系統(tǒng)定義,What is operating system?,1.1.1 操作系統(tǒng)地位,硬件抽象層（HAL）之上 所有其它軟件層之下,硬件（HAL）,OS,其它系統(tǒng)軟件層,應(yīng)用軟件層,運(yùn)行視圖,系統(tǒng)庫(kù)(lib)可調(diào)用操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令 應(yīng)用程序可以調(diào)用lib和操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令,硬件(HAL),操作系統(tǒng),系統(tǒng)庫(kù),應(yīng)用程序,機(jī)器指令,系統(tǒng)調(diào)用,庫(kù)調(diào)用,1.1.2 操作系統(tǒng)的作用,管理系統(tǒng)中軟

2、件硬件資源 CPU 內(nèi)存 設(shè)備 文件 為用戶(應(yīng)用程序)提供良好的服務(wù)(界面) API GUI,1.1.3 操作系統(tǒng)定義,操作系統(tǒng)是位于硬件層(HAL)之上，所有其它軟件層之下的一個(gè)系統(tǒng)軟件，是管理系統(tǒng)中各種軟硬件資源，方便用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序集合。,Operating supervisor monitoring program,1.2 操作系統(tǒng)的歷史,操作系統(tǒng)的產(chǎn)生 手工操作階段 成批處理階段 執(zhí)行系統(tǒng)階段 操作系統(tǒng)的完善 多道批處理系統(tǒng) 分時(shí)系統(tǒng) 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng) 通用操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)的發(fā)展 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng) 多處理機(jī)操作系統(tǒng) 單用戶操作系統(tǒng) 面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)

3、 智能卡操作系統(tǒng),Evolution,1.3 操作系統(tǒng)特性,程序并發(fā)性 多個(gè)程序在宏觀上同時(shí)向前推進(jìn) 并發(fā)(concurrent) vs. 并行 (parallel) 資源共享性 多個(gè)程序共用系統(tǒng)中的各種軟硬件資源 在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制下,1.4 操作系統(tǒng)類型,多道批處理操作系統(tǒng)(batch processing system) 分時(shí)操作系統(tǒng)(time-sharing system) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real time system) 通用操作系統(tǒng)(multi-purpose system) 單用戶操作系統(tǒng)(single user system) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(network operatin

4、g system) 分布式操作系統(tǒng)(distributed operating system) 多處理機(jī)操作系統(tǒng)(multi-processor system) 嵌入式操作系統(tǒng)(embedded operating system) 智能卡操作系統(tǒng)(smart-card operating system),作業(yè)（Job)：程序+數(shù)據(jù)+說明書（JCL編寫） 結(jié)果：程序運(yùn)行結(jié)果+記帳信息,1.4.1 多道批處理系統(tǒng)（off-line）,1.4.1 多道批處理系統(tǒng)(cont.),輸入井作用 緩沖(速度匹配作用) 實(shí)現(xiàn)作業(yè)調(diào)度(job scheduling) 輸出井作用 緩沖(速度匹配作用),Buffe

5、ring: 處理數(shù)據(jù)到達(dá)與離開 速度不一致,1.4.1 多道批處理系統(tǒng)(Cont.),主機(jī)中作業(yè)合理搭配 目標(biāo)1：提高資源利用率(eg. 計(jì)算型+IO型) 目標(biāo)2：提高吞吐量(throughput) 特點(diǎn) 多道：系統(tǒng)中同時(shí)容納多個(gè)作業(yè) 成批：作業(yè)分批進(jìn)入系統(tǒng),分時(shí)處理 終端請(qǐng)求,界面1：交互式命令語(yǔ)言(eg. shell, command) 界面2：圖形用戶界面(GUI),1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)（On-line）,Time Sharing OS,HAL,終端,終端,終端,.,1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)(Cont.),特點(diǎn)： 多路性：一個(gè)主機(jī)與多個(gè)終端相連； 交互性：以對(duì)話的方式為用戶服務(wù)； 獨(dú)

6、占性：每個(gè)終端用戶仿佛擁有一臺(tái)虛擬機(jī)。 典型系統(tǒng)： Multics (MIT) UNIX,1.4.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),實(shí)時(shí)控制 工業(yè)控制，軍事控制，醫(yī)療控制，. 實(shí)時(shí)信息處理 航班定票，聯(lián)機(jī)情報(bào)檢索，.,實(shí)時(shí)控制,HAL,Real Time OS,被控對(duì)象,A/D,D/A,t1,t2,t2-t1: response time,實(shí)時(shí)信息處理,HAL,Real Time OS,.,終端,終端,終端,通常為遠(yuǎn)程終端,特點(diǎn)： （1）響應(yīng)及時(shí)（prompt response） （2）可靠性高（high reliability）,1.4.4 通用操作系統(tǒng)(multi-purpose OS),同時(shí)具有：分時(shí)、

7、實(shí)時(shí)、批處理功能。 目標(biāo)： 提高處理能力; 擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。 常見模式: 分時(shí)(前臺(tái))+批處理(后臺(tái))（eg. GCOS-8） 實(shí)時(shí)(前臺(tái))+批處理(后臺(tái)),Foreground/Background System,1.4.5 單用戶操作系統(tǒng),同一時(shí)刻僅有一個(gè)用戶使用的系統(tǒng) 應(yīng)用領(lǐng)域： 臺(tái)式機(jī)，筆記本，. 特點(diǎn)： 單用戶，多進(jìn)程，多線程,不同的程序，不同的進(jìn)程； 相同的程序, 不同的線程,1.4.6 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),DOS3,host3,NOS2,host2,Printer,建立在宿主操作系統(tǒng)之上，提供網(wǎng)絡(luò)通訊、網(wǎng)絡(luò)資源共享、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的軟件包。,NOS1,host1,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的目標(biāo),相互通訊

8、資源共享（信息，設(shè)備） 提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù) database server ftp server e-mail server telnet server etc.,No Transparent view,1.4.7 分布式操作系統(tǒng),緊耦合：(tightly coupled) 由多機(jī)系統(tǒng)發(fā)展而來（多CPU） 有公共內(nèi)存 多處理機(jī)操作系統(tǒng),1.4.7 分布式操作系統(tǒng),松散耦合：(loosely coupled) 由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來（多Host) 無公共內(nèi)存，無公共時(shí)鐘,DOS,host3,DOS,host2,DOS,host1,1.4.7 分布式操作系統(tǒng)(Cont.),分布式操作系統(tǒng)特征: 統(tǒng)一的操作

9、系統(tǒng) 資源的進(jìn)一步共享 可靠性 透明性,1.4.7 分布式操作系統(tǒng)(Cont.),目標(biāo)：進(jìn)一步共享資源，使負(fù)載均衡，計(jì)算加速。 CPU 內(nèi)存 途徑：遷移（migration） 作業(yè)遷移 進(jìn)程遷移（線程一般隨同進(jìn)程遷移） 例子： Solaris MC,1.4.8 多處理機(jī)操作系統(tǒng),多處理機(jī)系統(tǒng) 具有公共內(nèi)存的多CPU系統(tǒng) 對(duì)稱多處理機(jī)系統(tǒng)(SMP) 沒有主從關(guān)系的多處理機(jī)系統(tǒng) 多處理機(jī)操作系統(tǒng) 有效管理和使用多個(gè)CPU的操作系統(tǒng) 復(fù)雜性：多個(gè)主動(dòng)體（CPUs) 例子： UNIX, Linux, Windows,1.4.9 嵌入式操作系統(tǒng),嵌入在掌上電腦、通訊設(shè)備、車載系統(tǒng)、信息家電等非計(jì)算機(jī)類設(shè)

10、施上的操作系統(tǒng)。 特點(diǎn)：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)（Micro-kernel），許多操作系統(tǒng)功能以應(yīng)用程序模式運(yùn)行。 例子： Win CE .NET（維納斯） PalmOS HOPEN（女媧）,Embeded world,1.4.10 智能卡操作系統(tǒng),智能卡 CPU芯片 ROM 面向Java的智能卡 JVM解釋程序 下載Java applet并執(zhí)行 SC-OS 支持多個(gè)applet并發(fā)執(zhí)行 必要的資源管理,1.5 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境,定時(shí)裝置 系統(tǒng)棧 特權(quán)指令與非特權(quán)指令 處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換 地址映射機(jī)構(gòu) 存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施 中斷裝置 通道與DMA控制器 IO保護(hù),1.5.1 定時(shí)裝置,絕對(duì)時(shí)鐘：記載實(shí)際時(shí)間，不發(fā)

11、中斷。 間隔時(shí)鐘：定時(shí)發(fā)生中斷，一般間隔單位為“毫秒”。 間隔時(shí)鐘是實(shí)現(xiàn)多道程序的基礎(chǔ)保證操作系統(tǒng)獲得控制權(quán)。 其它中斷也進(jìn)入操作系統(tǒng)，但是否發(fā)生，何時(shí)發(fā)生沒有保障。,1.5.2 系統(tǒng)棧(system stack),作用 保存中斷現(xiàn)場(chǎng) 保存子程序轉(zhuǎn)移返回點(diǎn)、參數(shù)、局部變量、返回值 位置 操作系統(tǒng)區(qū)域,Stack vs. heap,1.5.3 特權(quán)指令與非特權(quán)指令,特權(quán)指令（privileged instruction） 只有在管態(tài)才能執(zhí)行的指令(影響系統(tǒng)狀態(tài)) 關(guān)中斷，置程序狀態(tài)字，停機(jī)， IO，. 非特權(quán)指令（non-privileged instruction）所有程序可用(不影響系統(tǒng)狀態(tài)

12、) 取數(shù)，四則運(yùn)算，,1.5.4 處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換,處理機(jī)狀態(tài) 系統(tǒng)態(tài)（system mode）(管態(tài)，核態(tài)) 用戶態(tài)（user mode) (目態(tài)，常態(tài)) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換 管態(tài) 目態(tài)(置程序狀態(tài)字) 目態(tài) 管態(tài)(中斷，trap),Dual mode operation,例子：,IBM 360/370 PSW 狀態(tài)位（0，1） Modern PC now support 4 modes: R0（權(quán)限最強(qiáng)） R1 R2 R3（權(quán)限最弱）,Only R0, R3 are used, now,1.5.5 地址映射機(jī)構(gòu),邏輯地址 物理地址 邏輯地址(虛地址)：程序中產(chǎn)生的地址 物理地址(實(shí)地址)：存儲(chǔ)器

13、地址,Address mapping by software is possible, but very inefficient.,1.5.6 存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施,防止應(yīng)用程序 侵犯操作系統(tǒng)空間; 侵犯其它用戶空間. 地址檢查 越界檢查; 越權(quán)檢查（對(duì)共享區(qū)域）.,1.5.7 中斷裝置,發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)中斷的硬件機(jī)構(gòu) 當(dāng)前（PSW，PC）系統(tǒng)棧 中斷向量（PSW，PC）寄存器,1.5.8 通道與DMA,通道：負(fù)責(zé)IO操作的處理機(jī) 通道指令系統(tǒng) 讀寫操作 控制操作 轉(zhuǎn)移操作 通道運(yùn)控部件 通道地址字CAW 通道命令字CCW 通道狀態(tài)字CSW 通道數(shù)據(jù)字CDW,DMA？ 沒有獨(dú)立指令系統(tǒng) 簡(jiǎn)單塊傳輸,Any

14、other difference?,1.5.9 IO保護(hù),定義所有IO指令為特權(quán)指令。 方便使用 防止發(fā)生沖突,1.6 操作系統(tǒng)界面形式,交互終端命令（Command Language） Eg. UNIX shell $命令名 -選項(xiàng) 參數(shù) 圖形界面（GUIGraphic User Interface）,UNIX shell interface,優(yōu)點(diǎn): 縮小核心 不同用戶可以選擇不同界面,UNIX,硬件,1.6 操作系統(tǒng)界面形式(Cont.),作業(yè)控制語(yǔ)言（Job Control Language） 作業(yè)標(biāo)識(shí)語(yǔ)句 用戶標(biāo)識(shí)，作業(yè)標(biāo)識(shí)，帳號(hào) 作業(yè)步語(yǔ)句(編譯、連接裝配、執(zhí)行） 資源描述語(yǔ)句 內(nèi)存

15、需求，計(jì)算時(shí)間，其它資源 Goto語(yǔ)句（正向轉(zhuǎn)移） 作業(yè)控制無循環(huán),1.6 操作系統(tǒng)界面形式(Cont.),系統(tǒng)調(diào)用命令（OS API） 高級(jí)語(yǔ)言形式 fd = open(file_name,mode) 匯編語(yǔ)言形式 準(zhǔn)備參數(shù) trap n 取返回值,如何轉(zhuǎn)換？,1.7 操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理,操作系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理 :,硬件,程序,程序,中斷處理程序切換,中斷,置psw,OS,1.8.1 Linux系統(tǒng),歷史 1991, 0.01版 運(yùn)行于intel80386，僅支持Minix文件系統(tǒng)，支持有限的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，無網(wǎng)絡(luò)支持. 1994 , 1.0版 支持UNIX標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，BSD兼容的socket網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，增強(qiáng)的文件系統(tǒng)，SCSI控制器對(duì)文件的高效訪問，以及其它設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 . 1995 , 1.2版 最后一個(gè)僅在PC平臺(tái)上運(yùn)行的Linux . 1996 , 2.0版 運(yùn)行于多種平臺(tái)，支持對(duì)稱多處理，同時(shí)增強(qiáng)了存儲(chǔ)管理功能，支持核心級(jí)線程，模塊動(dòng)態(tài)連接等可運(yùn)行于Sun Sparc, PowerMac等硬件平臺(tái) .,Linux特點(diǎn)： 源代