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1、WindowsWindows操作系统操作系统 核心技术核心技术参考教材n尤晋元等，Windows操作系统原理，机械工业出 版社，2001nDavid A. Solomon, Windows NT 技术内幕，清华 大学出版社，1999年7月本课程内容n含盖操作系统原理课程的全部理论内容以 及Windows 2000/XP操作系统构成的各个 方面n10讲的内容依次是：n第1讲 操作系统概述n第2讲 Windows 2000XP 的体系结构n第3讲 进程管理n第4讲 存储管理n第5讲 文件系统n第6讲 I/O系统n第7讲 网络n第8讲 windows安全n第9讲 应用程序设计n第10讲 驱动程序设计
2、操作系统概述n发展与分类n计算机系统结构与特点n n定义定义 按人的要求接收、存储信息，自动进行按人的要求接收、存储信息，自动进行 数据处理和计算，并输出结果的机器系统。数据处理和计算，并输出结果的机器系统。n n特点特点n n计算、判断、存储、精确、快速、通用、易用、联计算、判断、存储、精确、快速、通用、易用、联 网网n n组成组成n n硬件、软件硬件、软件计算机系统概观计算机系统 (层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统n n计算机组织计算机组织n指运算器、存储器、控制器、I/O部件间的相互连 接n作为计算机系统结构的逻辑和物理实现，任务是提 高性价比，
3、实现计算机在指令级的功能和特性；n计算机系统结构 从程序设计人员角度看到的计算 机属性，处于机器语言级；n n存储程序原理存储程序原理 是了解计算机组织的关键是了解计算机组织的关键n基于此构造的计算机称为存储程序计算机（冯.诺伊 曼机）n基本点：指令驱动， 即程序由指令组成，并和数据 一起存放在计算机存储器中n地位：紧贴硬件之上，其它软件之下，是其他 软件的共同环境n定义：系统软件，程序模块的集合，资源管理 和用户接口功能应用用户应用开发人员操作系统 开发人员计算机硬件操作系统系统工具用户应用操作系统概念操作系统特征n并发性 多程序同时推进n单CPU环境 用户程序之间、用户程序与操作系统之 间
4、n多CPU环境 宏观、微观并发 n分布式环境 多计算机并存n共享性n系统的各种资源共享n随机性n运行状态不确定n要求操作系统设计与实现要充分考虑各种可能操作系统作用nOS是计算机硬件、软件资源的管理者n管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（ 数据和软件）；n管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况） 、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（ 包括用户权限）。nOS是用户使用系统硬件、软件的接口n系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形 用户接口GUI）；n系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程 中使用）。nOS是扩展机(extended machine)/虚拟机(virtu
5、al machine)。n在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（ 针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）；n合理组织工作流程：作业管理、进程管理。n几项重要功能n进程管理n主要是对处理器进行管理n解决处理器实施分配调度策略；n协调多道程序间的关系n存储管理n管理内存资源n内外存结合实现虚拟存储器，解决内存不够问题n文件管理n信息资源以文件方式存放在外存n方便、安全的访问n作业管理 为用户提供使用机器的手段n设备管理 管理所有I/O设备及其支持设备引入操作系统的目标n有效性（系统管理人员的观点）n管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工 作流程n方便性（用户的观点）n提供良好的、
6、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型 和数量差别n可扩充性（开放的观点）n硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略 、多个系统之间的资源共享和互操作 操作系统历史n主要讨论操作系统的外部特征 n发展动力n提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期， 计算机系统昂贵，用作集中计算n方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务 处理和非专业用户（商业和办公、家庭）n器件的发展：CPU的位宽度（指令和数据）、快速外 存n手工操作n集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；n用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员 ；n编程语言：为机器语言；n输入输出：纸带或卡片；n工作特点n用户独占全机
7、：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；nCPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后， 手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；n提高效率的途径n专门的操作员，批处理n批处理系统n利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个 批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处 理。可使用汇编语言开发。n批处理中的作业的组成：用户程序、数据、作业说明 书（作业控制语言）n监督程序发展为执行系统(executive system)，常驻内 存n主要问题nCPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。n对计算为主的作业，外设空闲；n对I/O为主的作业，CPU空闲；n多道批处
8、理系统n利用多道批处理提高资源的利用率。n多道批处理的运行特征n多道：内存中同时存放几个作业；n宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；n微观上串行运行：各作业交替使用CPU；n优点：n资源利用率高：CPU和内存利用率较高；n作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；n缺点：n用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不 利于调试和修改；n作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；n分时系统n“分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台计算 机。多个程序分时共享硬件和软件资源。n多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而 允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同
9、的 用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输 入后程序暂停，等待下一次用户输入时走时停n前台和后台程序分时：后台程序不占用终端输入输出 ，不与用户交互现在的图形用户界面(GUI)，除当 前交互的程序(输入焦点)之外，其他程序均作为后台n通常按时间片(time slice)分配：各个程序在CPU上执 行的轮换时间。批处理： 交互性差提高对CPU利用率；分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商业和办公事务 处理缩短响应时间n用高级语言书写OSnUnixn特色不兼容，一直困难。n可移植OS标准出现：POSIX、SVID、XPGn通用OSn面向个人应用nWINDOWS, LINU
10、Xn两大发展方向：宏观、微观n宏观：大规模，分布式n微观：嵌入式操作系统分类n批处理(Batch Processing Operation System)n分时(Time Sharing Operating System)n实时 (Real Time Operating System)n多处理 (Multi-processor Operating System)n嵌入式 (Embedded OS)n个人计算机OS (Personal OS)nNOS(Network Operating System)n分布式OS(Distributed OS)批处理系统中作业处理及状态单道(uniprogram
11、ming)和多道批处理的比较多道程序系统和多处理系统(multiprocessing system)的区别： 前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。分时系统的特征多路性：多个用户同时工作。多路性：多个用户同时工作。 共享系统资源，提高了资源利用率。 节省维护开支，可靠性高：笨终端至今仍在使用。 促进了计算机的普遍应用，提高资源利用率：远地用户 通过终端（较便宜）联机使用。 独立性：各用户独立操作，互不干扰。独立性：各用户独立操作，互不干扰。 交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调 试和修改程序的效率：缩短了周转时间。
12、试和修改程序的效率：缩短了周转时间。分时系统的主要问题及时接受输入：多个及时接受输入：多个I/OI/O端口，设立多路缓冲区端口，设立多路缓冲区 及时响应：及时响应： 提高对换速度（快速外存）、 限制用户数目、 缩短时间片（可能引起对换次数增多，开销增大，程序 总运行时间增大） 减少对换信息量：减少对换信息量： 可重入代码(re-entrant code)； 请求页式存储管理：只对换部分程序实时系统的特征实时系统的特征 实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管 理功能； 过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期 ； 过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。 高度可靠
13、性和安全性：容错能力（如故障自动复位）和冗余 备份（双机，关键部件）；实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的 领域，其主要特征是实时性和可靠性。实时操作系统实时系统与批处理系统和分时系统的区别专用系统：专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统 通常是通用系统。通常是通用系统。 实时控制：实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的 迅速响应，具有较强的中断处理机构。迅速响应，具有较强的中断处理机构。 高可靠性：高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具实时系统用于控制
14、重要过程，要求高度可靠，具 有较高冗余。如双机系统。有较高冗余。如双机系统。 事件驱动和队列驱动：事件驱动和队列驱动：实时系统的实时系统的工作方式工作方式：接受外部消息：接受外部消息 ，分析消息，调用相应处理程序进行处理。，分析消息，调用相应处理程序进行处理。 可与可与通用系统通用系统结合成通用实时系统结合成通用实时系统：实时处理前台作业，批：实时处理前台作业，批 处理为后台作业。处理为后台作业。多处理操作系统n非对称式多处理(Asymmetric Multiprocessing, ASMP)：又称主从模式(Master-slave mode)。n主处理器：只有一个，运行OS。管理整个系统的资
15、源 ，为从处理器分配任务；n从处理器：可有多个，执行应用程序或I/O处理。n特点：不同性质任务的负载不均，可靠性不够高，不 易移植（通常要求硬件也是“非对称“）。n对称式多处理(Symmetric Multiprocessing, SMP)nOS交替在各个处理器上执行。任务负载较为平均，性 能调节容易“傻瓜式“对称多处理机与非对称多处理机的比较网络操作系统在通用操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服在通用操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服 务功能的操作系统务功能的操作系统网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资 源共享，提供网络用户所
16、需各种服务的软件和相关规程源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程 的集合的集合网络功能与操作系统的结合程度是网络操作系统的网络功能与操作系统的结合程度是网络操作系统的重重 要性能指标要性能指标 早期作法是通用操作系统附加网络软件，过渡到网早期作法是通用操作系统附加网络软件，过渡到网 络功能成为操作系统的有机组成部分络功能成为操作系统的有机组成部分 区别：区别：网络功能的强弱、使用是否方便网络功能的强弱、使用是否方便例nMS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000nUNIX: BSD, SCO UNIX, AIX, Solaris, LinuxnNOS: Novell NetwarenRTOS: VxWorks, pSoS, Nucleus研究操作系统的几种观点n软件观点 n外在特性： 命令集、界面n内在特性：具有一般软件不具备的特殊结构n资源管理观点 n分配、回收、竞争、保护n进程观点n将操
