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1、第一章 简介,操作系统 Operating System,本章主题,操作系统安装位置 操作系统的功能 操作系统的结构 需要操作系统吗? 硬件接口 操作系统的接口,摩尔定理,芯片中的晶体管和电阻器的数量每年会翻番,现代信息社会,能耗问题,Layers and Views of a Computer System计算机系统的分层结构,Computer Hardware 硬件,Operating-System操作系统,Utilities工具软件编辑/编译/汇编软件,Application Programs应用软件,计算机软件 Software,编译程序 操作系统 解释程序 系统软件 语言处理系统 汇
2、编程序 常用的例行程序 库连接程序等 计算机软件 连接编译程序 诊断排错程序 应用软件 ：火车售票系统、超市管理系统 裸机：没有配置任何软件的计算机 软件是在硬件基础之上对硬件的性能加以扩充和完善,操作系统定义,操作系统是计算机的第一个软件，管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源、合理地组织计算机工作流程，以便有效利用这个资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩充的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口作用。,软件代码量不断增加,Operating System操作系统,A program that controls the execution of application program
3、s用于控制应用程序的执行的程序 An interface between the user and hardware用户与硬件间的接口 Masks the details of the hardware屏蔽硬件的细节,Services Provided by the Operating System操作系统提供的服务-1,Program creation 程序开发 editors and debuggers (编辑和调试) Program execution 程序执行 Access to I/O devices 外设存取 Controlled access to files 文件取存控制 Sy
4、stem access 系统访问,Error detection and response错误检测与响应 internal and external hardware errors内/外硬件错误 memory error内存错误 device failure设备错误 software errors软件错误 arithmetic overflow算法溢出 access forbidden memory locations 越权内存访问 operating system cannot grant request of application操作系统不允许的应用请求,Services Provide
5、d by the Operating System操作系统提供的服务-2,Accounting 计帐 collect statistics 信息统计 monitor performance 性能监控 used to anticipate future enhancements 用于后期系统扩展 used for billing users 向用户收费,Services Provided by the Operating System操作系统提供的服务-3,操作系统的功能,资源管理器 管理计算机系统的硬件资源 虚拟计算机 实现计算机的软件方面的功能,Hardware Resource计算机的硬件
6、资源,Processor,.,.,.,.,.,.,Computer System,I/O Controller,Processor,I/O Controller,I/O Controller,Memory,Operating System Software,Programs and Data,O/S,Programs,Data,1.扩充(转化) 从一个现存的资源创建一个新资源 隐藏硬件接口细节。 如虚拟打印机，提供一台硬件打印机的基本功能，由操作系统处理难以使用的硬件接口细节。 显示设备,Resource Manage 资源管理,2.多路技术 从一个资源创建几个资源的映射 SPOOLING方法
7、(联机的即时外围设备操作) 时分多路与空分多路 3.调度 决定哪个程序得到哪个资源及体何时得到,Resource Manage 资源管理,Virtual Computer 虚拟计算机,一个裸机在每加上一层软件后，就变成了一个功能更强的机器，我们把这种“功能更强的机器”称之为“虚拟机” 如果是多用户的操作系统，那么经过扩充后，一个实际的处理器就可以扩充成多个虚拟机，使得每一个用户都拥有一个处理机,虚拟计算机,时分复用/空分复用,虚拟计算机的组成,虚拟处理器 OS禁止了物理处理器中的一些指令(特权指令) 。 系统模式和用户模式(不允许使用特权指令) 虚拟主存 虚拟辅助存储器 虚拟I/O,操作系统不
8、是必须的,微波炉 来电显示的电话机 . 但操作系统的任务都由相应代码承担,80C51单片机,硬件接口,中断 改变处理器执行指令顺序的事件,被打断的程序可以在将来某个时候继续执行 内部中断 与 外部中断 中断的响应与处理 中断源、中断向量表 PSW 程序状态字寄存器 程序基本状态 中断码 中断屏蔽位,. . . .,Int 2 入口地址,Int 4 入口地址,INT2处理程序,INT4处理程序,中断向量表,00000,FFFFF,4 3 2 1 0,内存,CPU寄存器构成,PSW,中断屏蔽寄存器,通用寄存器AX,通用寄存器BX,通用寄存器CX,通用寄存器DX,包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存
9、器,代码段寄存器 CS,数据段寄存器 DS,堆栈段寄存器 SS,程序计数器 PC,堆栈指针 SP,.,指令寄存器 IR,Instruction Cycle with Interrupts!中断的指令周期,CPU checks for interrupts after each instruction If no interrupts, then fetch the next instruction for the current program If an interrupt is pending, then suspend(挂起) execution of the current progr
10、am, and execute the interrupt handler(中断处理),Interrupt Handler中断处理,决定由哪一段程序来处理中断 CPU转入该程序执行 中断处理结束时应能将控制交回被中断程序以便从断点继续执行 中断可在任何时刻产生 因此:必须保存当前程序状态 (content of PC + PSW + registers + .),Interrupts improve CPU usage中断提高CPU的效率,I/O pgm prepares the I/O module and issues the I/O command (eg: to printer) I/
11、O pgm branches(分支) to user pgm User code gets executed during I/O operation (eg: printing): no waiting程序继续执行 User pgm gets interrupted (x) when I/O operation is done and branches to interrupt handler to examine status of I/O moduleI/O操作结束时产生中断,中断当前程序运行转入中断处理程序检测I/O状态 恢复运行用户程序,Classes of Interrupts中断
12、类型,I/O中断 signals normal completion of operation or error Program Exception 程序异常中断 Overflows溢出 try to execute illegal instruction执行非法指令 reference outside users memory space内存空间超界访问 时针中断Timer preempts a pgm to perform another task Hardware failure (eg: memory parity error)硬件故障中断(如内存奇偶校验错误),硬件中断和软件中断,硬
13、件中断又可分为硬件故障中断、输入输出中断和外部中断。 软件中断又可分为程序中断（例如定点操作数溢出、地址越界、虚存管理中缺页等）和访管中断。访管中断是用户程序在运行中请求操作系统为其提供服务而执行一条“访管指令”所引起的中断，又称软件中断。在PDP-11机上访管指令是tarp指令，在86机上访管指令是INT指令。访管中断是进程所期待的，它是自愿性的中断，又称自愿中断，其它几种中断不是运行进程所期望的，它属于强迫性中断事件。,Multiple interrupts: sequential order多级中断:顺序处理,Disable interrupts during an interrupt
14、Interrupts remain pending until the processor enables interrupts After interrupt handler routine completes, the processor checks for additional interrupts,Multiple Interrupts: priorities多级中断:优先级,Higher priority interrupts cause lower-priority interrupts to wait Causes a lower-priority interrupt hand
15、ler to be interrupted Example: when input arrives from communication line, it needs to be absorbed quickly to make room for more input,操作系统的接口,由操作系统提供系统调用命令 作业级接口，它提供一组键盘命令，供用户组织和控制自己的作业运行。 程序级接口，它提供一组系统调用，即OS中某个模块功能，供用户程序和其它程序调用。（例MS-DOS） 系统调用会产生一个中断，使操作系统得以控制处理器，并由操作系统提供相应的服务。,系统调用的例子,CreateProces
16、s Exit Wait Send Receive,Create Open Read Write Lseek Close Delete,操作系统的发展历史,无操作系统（40年代未50年代初） 简单的批处理系统（50年代中50年代未） 多道程序设计共享系统（60年代初60年代中） 分时系统.,1.无操作系统,这时的计算机操作是由程序员采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统。 计算速度慢（几千次每秒），没有操作系统甚至没有任何软件 用户独占计算机，完全手工操作 纸带（卡片） 输入机 计算机打印输出结果取走纸带 用户顺序使用计算机,2.简单的批处理系统 Simple Batch System,它是为了减少人工操作时间和作业转换时间提高CPU利用率而设计的。系统自动成批处理作业，这是初级单道批处理系统。 程序员反自己的作业提交给计算机操作员,由操作员将作业用一台廉价的计算机组织
