操作系统-1绪论(2)

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1、1.4 操作系统的特征和功能1.4.1 操作系统的特征 1.4.2 操作系统的服务返回1.4.1 操作系统的特征 并发(concurrency) 共享(sharing) 虚拟(virtual) 异步性(asynchronism)并发(concurrency) 在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交 替执行（在单处理器情况下）。 程序的静态实体是可执行文件，而动态实体 是进程（或称作任务），并发指的是进程。多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并 发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。 操作系统要完成这些并发过程的管理。并行 (parallel)是指在同一时刻发生。共享(sharing

2、) 互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释 放前，不能被其他进程所用。 同时访问（如可重入代码，磁盘文件） 资源分配难以达到最优化多个进程共享有限的计算机系统资源。操 作系统要对系统资源进行合理分配和使用 。资源在一个时间段内交替被多个进程所 用。虚拟(virtual) CPU每个用户（进程）的“虚处理机“ 存储器每个进程都占有的地址空间（指 令数据堆栈） 显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal)一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体 分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的 重要手段，可提高资源利用率。异步性(asynchronism) 进程的运行速度不可预知：分时系统

3、中，多个进 程并发执行，“时走时停“，不可预知每个进程的 运行推进快慢 判据：无论快慢，应该结果相同通过进程互 斥和同步手段来保证 难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行 中的错误） 性能保证：实时系统与分时系统相似，但通过资 源预留以保证性能也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；1.4.2 操作系统的服务 服务类型 程序执行和终止（包括分配和回收资源） I/O操作 文件系统操作 通信：本机内，计算机之间（通常通信服务的 使用者为进程，而不是笼统说“主机“） 配置管理：硬件、OS本身、其他软件 差错检测 服务提供方式：系统命令和系统调用1.4.3操作系统的功能1.4.3.1

4、处理机管 理 1.4.3.2 存储管理 1.4.3.3 设备管理 1.4.3.4 信息管理 1.4.3.5 用户接口返回1.4.3.1 处理机管理 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 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 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 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） 同一类型内的公平性、高效率（吞吐量大）、作业周转时间等完成处理机资源的分配调度等功能。

5、处理机调度的单位可为 进程或线程。1.4.3.2 存储管理 存储分配与回收 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 他进程的信息； 地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地 址的映射； 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。1.4.3.3 设备管理 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。还需处理外设的IRQ。 设备独立性(device independence)：提供统一的I/O设 备接口，使应用程序独立于物

6、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）。 设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。 虚拟设备(virtual device)：设备由多个进程共享，每个进程 如同独占。 缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的 利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与I/O 设备利用率；1.4.3.4 信息管理 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。 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 文件的读写管理和存取控制

7、：解决信息安全问题 。系统设口令“哪个用户“、用户分类“哪个用户组“ 、文件权限“针对用户或用户组的读写权“ 软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和 拆除等解决软件资源的存储、共享、保密和保护。1.4.3.5用户接口 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“ 编程接口：供用户程序和系统程序调用操作 系统功能。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。操作系统向上提供两种接口：1.5操作系统的硬件环境构成计算机的基本硬件元素有4种：处理器、存储 器、I/O控制与总线、外部设备等，操作系统在硬 件之上软件之

8、下，直接与硬件打交道CPU 中断 通道 地址映射机制 存储保护设施1.5.1CPU CPU状态 CPU状态的转换CPU指令系统两类指令 特权指令：允许操作系统使用,不允许 一般用户使用 (如修改程序状态字;设置中断屏蔽；启动 I/O设备;清内存;设置时钟；停机等) 非特权指令：一般用户可用的CPU状态：在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令 的权限而设置 PSW (Program Status Word ) 一个或一组寄存器: 条件码、状态信息位 允许中断位 管理(OS)/用户态位CPU状态：管态(特态，系统态)：能执行指令全集(包括特 权，非特权指令),具有改变CPU状态的能力, 操作

9、系统在管态下运行目态(普态)：只能执行非特权指令,用户程序在 目态下运行.(如果在目态下用户执行了特态 指令,则产生中断,由操作系统得到控制权,而 特权指令被停止.)（这两种状态时可转换的）CPU状态的转换目态-管态 其转换的唯一途径是通过中断 管态-目态 可用设置PSW(修改程序状态字)可实现1.5.2中断 特点: 中断系统的概念中断概述中断是现代计算机系统中基本设施之一，它起着 通讯联络作用，协调系统对各种外部事件的响 应和处理。中断是实现多道程序的必要条件。引入中断的目的 解决主机与外设的并行工作问题 提高可靠性 实现多机联系 实现实时控制中断定义：CPU对系统发生的某个事件作出的一种反

10、应：CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转 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) 中断是自动处理的中断系统的概念中断由软硬件协同处理中断装置：指发现中断,响应中断的硬件中断处理程序：由软件来完成中断系统=中断装置+中断处理程序1.5.3通道引入通道的目的为了使CPU从I/O事务中解脱出来,同时为了提高CPU与设备、设备与设备之 间的并行度通道定义：独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工 作的处理机，对外部设备实现统一管理，代 替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输 入/输出操作可和CPU并行操作1.5.

11、4地址映射机制同时有多个程序在内存， 程序在内存的位置不是固定的而是随机的存储保护设施 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： 多个程序同时在同一台机器上运行，怎 样才能互不侵犯？保护的目的： 防止用户程序破坏OS 防止用户程序互相干扰保护的硬件支持：为了保证软件程序只影响程序的内部，硬 件提供两项功能 地址转换 一对寄存器：基地址寄存器，限长寄存器 两种状态运行地址转换：地址空间： 一个程序可以访问的所有地址限制程序做什么可以通过限制它的访问达 到两种状态运行 操作系统中：可以做任何事（核心态） 用户程序中：限制只能访问属于它自己 的空间（用户态）划分每一地址空间

12、，使其行为不能造成破坏应用程序标准库用户态核心态可移植OS层依赖于机器OS的层硬件 典型UNIX操作系统结构1.6 研究操作系统的几种观点 资源管理的观点： OS是计算机硬件、软件资源的管理 者. 管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软 件）； 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）。 用户界面的观点：提供良好的、一致的用户接口, 方便 用户使用软/硬件系统资源。 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口 GUI）；系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。 进程管理的观点：进程管理贯穿于操作

13、系统始终。1.7 常用的操作系统1 MS DOS 2 MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 3 UNIX 4 LINUX返回1.7.1 UNIX1965年：MIT的Multics，由于规模和进展而没有达到目标； 1969年：AT二是内核。内核是提供支持系统运行的基本功能的一组程序模块，内核是提供支持系统运行的基本功能的一组程序模块， 有了内核的支撑，进程运行环境得到改善，安全性得到有了内核的支撑，进程运行环境得到改善，安全性得到 保证，系统效率就能提高。保证，系统效率就能提高。操作系统的结构设计操作系统体系结构分类 客户服务器

14、及微内核结构客户/服务器及微内核结构的思想 每个进程实现一类服务，称服务器进程(如文 件服务、进程管理服务、存储管理服务、网络 通信服务等)。 它的任务是检查是否有客户提出服务请求，如 果有请求则在满足客户的要求后返回结果，于 是，用户进程与服务器进程形成了C/S关系。操作系统的结构设计操作系统体系结构分类 客户服务器及微内核结构客户/服务器及微内核结构的思想 内核把该消息传给服务器; 服务器执行相应操作，再通过内核用消息把结 果返回给用户。内核只实现极少任务，主要起 信息验证、交换的作用，因而，称微内核 (Microkernel)， 这种结构也就称为客户/服务器与微内核结构 。操作系统的结构

15、设计操作系统体系结构分类 客户服务器及微内核结构1 1） 分层结构内核分层结构内核2 2） 微内核微内核进程管理进程管理硬件硬件存储管理存储管理设备管理设备管理文件管理文件管理作业管理作业管理内内 核核 模模 式式微内核微内核硬件硬件客客 户户 进进 程程安安 全全 服服 务务虚虚 存存 管管 理理 器器文文 件件 服服 务务 器器设设 备备 驱驱 动动 程程 序序用用 户户 模模 式式操作系统的结构设计操作系统体系结构分类 客户服务器及微内核结构微内核结构的优点有:1）一致性接口2）可扩充性3）可移植性4）可靠性操作系统的结构设计实例：Linux2.4的结构分析 Linux是单内核操作系统

16、Mach是微内核操作系统 Windows2000/XP改进的C/S结构操作系统的结构设计实例：Linux2.4的结构分析用户进程用户进程系统调用接口系统调用接口LinuxLinux内核内核硬件硬件操作系统的结构设计实例：Linux2.4的结构分析用户进程用户进程系统调用接口系统调用接口LinuxLinux内核内核硬件硬件是操作系统的灵魂，辅助是操作系统的灵魂，辅助 管理磁盘上的文件，内存管理磁盘上的文件，内存 ，负责启动并运行程序，负责启动并运行程序， 从网络上接收和发送数据从网络上接收和发送数据 包。内核实际上是抽象资包。内核实际上是抽象资 源操作到硬件操作细节之源操作到硬件操作细节之 间的接口间的接口LinuxLinux内核内核操作系统的结构设计实例：Li