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1、 第一章 操作系统概述本次课主要内容： 1、 OS的基本功能 2、 OS的硬件环境 3、 OS的性能指标 4、 OS的服务方式 5、 Linux系统的特点和组成将对操作系统的上述各种需求总结如下：1、进程管理，包括CPU调度、作业调度等。 2、进程之间的同步和通信。 3、设备驱动程序和设备管理程序。 4、中断处理。 5、内存管理，尤其是虚拟内存管理。 6、文件系统和磁盘管理。 7、网络协议。 8、系统安全。 9、命令解释语言，包括GUI。 10、系统程序，如编译器、文件管理器等。进程和线程管理(CPU管理)存储管理文件管理 设备管理工作管理(用户接口)操作系统主要功能处理机管理目标：完成处理机
2、资源的分配调度等功能（处理机调度的单位可为进程或线程）n进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等 主动改变进程的状态n进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资 源共享；交换信息能力弱n进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作 ；交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进n进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理 机资源和提高系统性能；未必是进程控制操作所引起 （可能是时间片轮转、I/O操作）n同一类型内的公平性、高效率（吞吐量大）、作业周 转时间等存储管理n存储分配与回收n存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如 ：访问合法性检查、甚至要防止从“垃圾“中窃取其他 进程
3、的信息n地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地 址的映射n内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存 利用率、扩大进程的内存空间管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的 存储空间、方便进程并发运行设备管理n设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设 备的操作。n设备独立性：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于 物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的 内容（如FAX Modem作为Windows上的打印机设备）n设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源n虚拟设备：设备由多个进程共享，每个进程如同 独占n缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用
4、率 （单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）设备管理的目标：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率文件管理n文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高 空间利用率和读写性能n目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如 文件名）、单一副本赋予多文件名n文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题 。系统设口令、用户分类、文件权限n软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和 拆除等目标：解决软件资源的存储、共享、保密和保护工作管理操作系统向上提供两种接口n系统命令：供用户用于组织和控制自己的作 业运行。命令行、菜单式或GUI（联机）；命令 脚本（脱机）n编程接口：供用户程序和系统程序调用操作 系统功
5、能。系统调用和高级语言库函数目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口操作系统分类n批处理系统n多道程序系统n分时系统n个人机操作系统n多处理器操作系统n网络操作系统n分布式操作系统n集群系统n实时操作系统n嵌入式操作系统n智能卡操作系统上述各通用操作系统的相同点： 都是在完成操作系统的基本功能，实现主要功能是 相同的。 不同点： 处于的历史阶段不同，追求的主要需求不同 设计操作系统的原则： 在不同时期，不同的应用领域，人们对操作系统的 需求是不同的，有些甚至是矛盾的。因此在设计操作 系统时，需要根据具体的应用领域，对这些需求作出 适当的取舍。操作系统的基本类型根据OS在用户面前的使用环境和功
6、能特征 的不同，一般分为三种基本类型：n 多道成批系统n 分时系统n 实时系统。 注意：多道成批处理系统、分时系统和实时 系统是三种的操作系统类型。对于一个实际的操 作系统，可能兼有各种操作系统的功能。操作系统的硬件环境讨论操作系统对运行硬件环境的要求讨论操作系统设计者考虑的硬件问 题操作系统运行的硬件环境组成:n中央处理器（CPU）n存储系统n中断机制nI/O系统n时钟以及时钟队列n其他任何系统软件都是硬件功能的延伸 操作系统直接依赖于硬件条件 OS的硬件环境以较分散的形式同各种管 理相结合实现操作系统时必须理解的n 计算机基本结构n 操作系统管理的重要资源简单的个人计算机中的部件Monit
7、orBus处理器由运算器、控制器、一系列的 寄存器以及高速缓存构成n运算器实现指令中的算术和逻辑运算， 是计算机计算的核心n控制器负责控制程序运行的流程，包括 取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等 等一、中央处理器（CPU）n寄存器是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数 据、地址以及指令信息的存储设备在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度n高速缓存处于CPU和物理内存之间一般由控制器中的内存管理单元（MMU： Memory Management Unit）管理访问速度快于内存，低于寄存器利用程序局部性原理使得高速指令处理和低速 内存访问得以匹配，从而提高CPU的效率指令执行的基本过程
8、两个步骤：n先从存储器中每次读取一条指令n然后执行这条指令 一个单条指令处理过程称为一个指令周期 程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成 仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止n每个指令周期开始时，依据在程序计数 器中的指令地址从存储器中取一条指令n在取指完成后根据指令类别自动将程序 计数器的值变成下条指令的地址，自增1n取到的指令放在指令寄存器中n处理器解释并执行所要求的动作指令执行的基本过程5类指令n访问存储器指令：处理器和存储器间数据传送nI/O指令：处理器和I/O模块间数据传送和命令发送n算术逻辑指令（数据处理指令）：执行数据算术和逻辑操作n控制转移指令：指定一个新的指令的执
9、行起点n处理器控制指令：修改处理器状态，改变处理器工作方式2、特权指令和非特权指令 特权指令：只能由操作系统使用的指令n使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要 区分为特权指令和非特权指令n特权指令一般引起处理器状态的切换n处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操 作系统运行的特权状态（管态）n然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代 码，这一个过程称为陷入CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应 用软件？有赖于处理器状态的标识3、处理器的状态根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将 处理器设置为不同状态 多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态 管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的
10、 特权级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统 态 目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级 别，又称为普通态（普态）、用户态有些系统将处理器状态划分核心状态、管理 状态和用户程序状态（目标状态）三种实例：x86系列处理器（1）n386、486、Pentium系列都支持4个处理器特 权级别（特权环：R0、R1、R2和R3）n从R0到R3特权能力依次降低nR0相当于双状态系统的管态nR3相当于目态nR1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指 令集合具有包含关系：各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制）特权级别之间的转换方式不尽相同 四个级别运行不同类别的程序：nR0-运行操作系统核心代码nR
11、1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程nR2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境nR3-运行各种用户程序现有基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以 及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别实例：x86系列处理器（2）管态和目态的差别处理器处于管态时：n全部指令（包括特权指令）可以执行n可使用所有资源n并具有改变处理器状态的能力 处理器处于目态时：n只有非特权指令能执行特权级别不同，可运行指令集合也不同 特权级别越高，可以运行指令集合越大 高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的CPU状态的转换目态管态 唯一途径 是 中断 管态目态 设置PSW(修改程序
12、状态字) 可 实现二、存储系统支持OS运行硬件环境的一个重要方面：n作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行n多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入内 存操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至 于受到破坏n操作系统本身也要存放在内存中并运行1、存储器的类型半导体存储器 实现 内存存储器芯片的内部组织结构n只读存储器（ROM）n静态存储器（SRAM）n异步动态随机存储器（DRAM）n同步动态随机存储器（SDRAM）双倍数据速率SDRAM（DDR SDRAM）（开放 标准）四倍数据速率SDRAM（QDR SDRAM）存储系统设计三个问题：容量、速度和成本n三个目标不可能同时达到最优，要
13、作权衡n存取速度快，每比特价格高n容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢解决方案：采用层次化的存储体系结构n当沿着层次下降时n每比特的价格将下降，容量将增大n速度将变慢，处理器的访问频率也将下降层次化的存储体系结构存储访问局部性原理提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性 原理n程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦 进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合n对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定 地保持在一个存储器的局部区域处理器主要和存储器的局部打交道 在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会 改变2、设计多级存储的体系结构原则：级别较低存储器比率小于级别较高存储器比
14、率 假设两级存储器：n第I级包含1KB，存取时间为0.1sn第II级包含1MB，存取时间为1s 存取I级中的内容，直接存取 存取II级，首先被转移到I级，然后再存取 假设确定内容所在位置时间可以忽略 若在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，则平 均访问时间为：结果非常接近I级存储的存取时间3、存储分块n存储最小单位:“二进位”，包含信息为0或1n最小编址单位:字节，一个字节包含八个二进位 主流个人电脑n主存:128MB512MB之间n辅助存储器:在20GB70GB 工作站、服务器n主存:512MB 4GB之间n硬盘容量:数百GB 为简化分配和管理，存储器分成块,称一个物理页（ Page）n
15、块的大小：512B、1K、4K、8K4、存储保护设施对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统 及其他程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一多用户，多任务操作系统：OS给每个运行进程分配一个存储区域 问题：n多个程序同时在同一台机器上运行，怎样才能互 不侵犯？n如何处理重定位？三、中断技术中断对于操作系统的重要性就像机器中的驱动齿轮一样所以有人把操作系统称为是由“中断驱动”或者 “（中断）事件驱动”n它使得OS可以捕获用户程序发出的系统功能调 用n及时处理设备的中断请求n防止用户程序中破坏性的活动等等1、中断的概念nCPU对系统发生的某个事件作出的一种反应nCPU暂停正在执行的程序，保留现场后
16、自动 转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回 断点，继续执行被打断的程序特点：1) 中断随机的2) 中断是可恢复 的3) 中断是自动处 理的引入中断的目的n解决主机与外设的 并行工作问题n实现实时控制中断/异常：指系统发生某个异步/同步事件后,处 理机暂停正在执行的程序,转去执行处理该事件程 序的过程中断的引入：为了开发CPU和通道(或设备)之间的 并行操作，当CPU启动通道(或设备)进行输入/输 出后，通道便(或设备)可以独立工作了，CPU也可 以转去做与此次输入/输出不相关的事情，那么通 道(或设备) 输入/输出完成后，还必须告诉CPU继 续输入/输出以后的事情，通道(或设备)通过向 CPU发中断告诉CPU此次输入/输出结束中断的概念异常引入：用于表示CPU执行指令时本身出现算术 溢出、零做除数、取数时的奇偶错，访存指令越 界或就是执行了一条所谓“异常指令”（用于实 现系统调用）等情况，这时中断当前的执行流程 ，转到相应的错误处理程序或异常处理程序注意：最早中断和异常并没有区分，都把它们叫 做中断。随着它们的发生原
