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1、操作系统原理,principles of operating systems,2007年8月,孟静制作 版权所有,2,作者申明,本版内容的著作权为作者所有。因为教学目的使用本版内容时，请注明所用资料来自本网站或由本作者发送，并保留作者版权标记“ 2007 孟静制作 版权所有”。将本版内容用于其他目的前，须征得作者同意。,2007年8月,孟静制作 版权所有,3,使用说明,请注意充分利用各张胶片中的和 ，从而在相关胶片间快速跳换。 有时胶片备注视图中会有内容，请注意。,2007年8月,孟静制作 版权所有,4,操作系统原理,第一章 概论 第二章 CPU管理 第三章 内存管理 第四章 文件系统 第五章
2、 设备管理 第六章 进程通信 第七章 分布式、并行和网络操作系统 第八章 性能和设计,第七章 分布式操作系统,7.1 分布式系统概述 7.2 并行操作系统 7.3 网络操作系统 7.4 分布式操作系统 7.5 机群与网格操作系统 7.6 嵌入式操作系统,2007年8月,孟静制作 版权所有,6,章首引言:两极趋势,计算机类型的变化:微小化和网络化 计算机应用模式的变化: 终端/主机模式 客户机/服务器(Client/Server)结构 客户机/网络结构,客户机/虚拟环境结构 软件及其开放方式的变化:嵌入式OS和分布式OS,2007年8月,孟静制作 版权所有,7,7.1 分布式系统概述,什么是分布
3、式系统: 狭义:单一系统映像 广义:多计算机(处理器) 为什么需要分布式系统（作用，优点） 性能价格比 很多应用是分布的 更高的可靠性 扩充性好 更好的共享、通讯和灵活性 分布式系统的弱点：软件；安全 分布式系统的结构,2007年8月,孟静制作 版权所有,8,分布式系统的结构,互连网络：总线，交叉开关，多级，星型，环，树，网格，超立方体，混合型网络等 通信方式：共享内存，消息传递。,2007年8月,孟静制作 版权所有,9,7.2 并行操作系统,并行计算机的作用、特点和常见品牌 并行操作系统的类型：主从式，浮动式，对称式 并行操作系统的实现机制的特点 进程调度：选择哪个CPU 文件系统,2007
4、年8月,孟静制作 版权所有,10,7.3 网络操作系统,2007年8月,孟静制作 版权所有,11,7.1 分布式系统概述,7.1.1分布式系统与集中式系统比较 7.1.2分布式系统与独立PC比较 7.1.3缺点 7.1.4 按硬件分类 7.1.5 按软件分类,2007年8月,孟静制作 版权所有,12,7.1.1 分布式系统与集中式系统比较,性能价格比 绝对性能 符合许多分布式应用的实际 可靠性 可扩充性(表7.1),2007年8月,孟静制作 版权所有,13,7.1.2分布式系统与独立PC比较,数据共享 改善人与人间的通讯能力 更好的灵活性(表8.2),2007年8月,孟静制作 版权所有,14,
5、7.1.3缺点,软件问题 通信网络 数据安(表.3),2007年8月,孟静制作 版权所有,15,7.1.4 按硬件分类,7.1.4.1 分类 7.1.4.2 总线型多处理机 7.1.4.3 开关型多处理机 7.1.4.4 总线型多计算机SISD 7.1.4.5 开关型多计算机,2007年8月,孟静制作 版权所有,16,7.1.4.1 分类 (Flynn分类法),SIMD(阵列处理机) MISD(脉动阵列机、宏观流水方式的多机系统) MIMD 多计算机 多处理机 其他分类法(网络结构、耦合程度)(图7.1),2007年8月,孟静制作 版权所有,17,7.1.4.2 总线型多处理机(图7.2),一
6、致性概念 存在问题 总线带宽饱和，性能下降 解决办法： 高速缓冲存储器（命中率） 总线侦听,2007年8月,孟静制作 版权所有,18,7.1.4.3 开关型多处理机(图7.3),开关 交叉开关 Omega开关网络 层次式 总结: 总线型、交叉开关型、多级互连网络型、NUMA结构 昂贵、难设计,2007年8月,孟静制作 版权所有,19,7.1.4.4 总线型多计算机(图7.4),2007年8月,孟静制作 版权所有,20,7.1.4.5 开关型多计算机(图7.5),2007年8月,孟静制作 版权所有,21,7.1.5 按软件分类,7.3.1 网络OS和NFS 7.3.2 真正的分布式操作系统 7.
7、3.3 多处理机分时系统,2007年8月,孟静制作 版权所有,22,7.1.5.1 网络OS和NFS,松散耦合软件 例:局域网连接的一组工作站 alogin machine(工作站 远程终端) logout 远程拷贝: rcp machine1:file1 machine2:file2 全局共享文件系统(图7.6,7.7) NFS(下页),2007年8月,孟静制作 版权所有,23,NFS,设计和实现目标:Sun公司UNIX工作站 NFS结构(参见图7.7) 服务器输出目录 客户及安装目录 NFS协议 处理安装问题协议 (shell) 文件和目录的访问协议 NFS实现(图7.8) v 结点的使用
8、方式 快速缓存技术(改善:定时计数器、最近修改时间),2007年8月,孟静制作 版权所有,24,7.1.5.2 真正的分布式操作系统,紧密耦合软件(分时系统) 分布式系统是一种让用户把一组不含共享存储器的机器看成是单台计算机的软件(单一系统映象) 虚拟单处理机 分布式系统的特征 (1) 单一的全局进程间通信机制 (2) 全局保护机制 (3) 进程管理在任何地方一样,2007年8月,孟静制作 版权所有,25,7.1.5.3 多处理机分时系统,单一运行队列(图7.9) 文件系统的组织 统一的文件cache (表7.4),2007年8月,孟静制作 版权所有,26,7.4 分布式操作系统,7.4.1
9、透明性 7.4.2 可靠性 7.4.3 高性能 7.4.4 伸缩性 7.4.5 分布式文件系统,2007年8月,孟静制作 版权所有,27,7.4.1 透明性,1.层次 对用户隐藏 对程序员隐藏 2.透明性 位置透明性 迁移透明性 重复透明性 并行透明性,2007年8月,孟静制作 版权所有,28,7.4.2 灵活性(第一版图7.10),单体内核(好处:性能) 微内核(目标:小) 一种进程间的通讯机制 一些存储器管理功能 有限的低级进程管理和调度功能 低级输入输出 微核系统好处:模块化好,实现、安装、调试方便,2007年8月,孟静制作 版权所有,29,7.4.3 可靠性,可用性 安全性 容错,20
10、07年8月,孟静制作 版权所有,30,7.4.4 性能,并行度、通信量折衷：计算粒度 容错的影响,2007年8月,孟静制作 版权所有,31,7.4.5 伸缩性,(第一版表7.6) 集中式算法 分布式算法(特点) 没有一台机器具有关于整个系统的完整信息 机器只据本地信息作决策 单个机器故障不会导致整个算法失败 不能隐含有关存在全局时钟的假设,2007年8月,孟静制作 版权所有,32,7.4.6 Mach技术,7.4.6.1 Mach的历史 7.4.6.2 Mach的目标 7.4.6.3 Mach的微内核 7.4.6.4 Mach上的BSD UNIX服务器,2007年8月,孟静制作 版权所有,33
11、,7.4.6.1 Mach的历史,RIG(Rochester Intelligent Gateway) Accent CMU OSF,2007年8月,孟静制作 版权所有,34,7.4.6.2 Mach的目标,1.提供一个建立其他操作系统的基础 2.支持巨大地址空间 3.允许对网络资源的透明访问 4.同时在系统中和应用中开发并行性 5.可以移植到大量机器上,2007年8月,孟静制作 版权所有,35,7.4.6.3 Mach的微内核,(图8.13) 服务:进程管理、存储管理、通信和I/O服务 核心管理的对象： 进程 线程 存储器对象 端口 消息,2007年8月,孟静制作 版权所有,36,7.4.6
12、.4 Mach上的BSD UNIX服务器,优点： (1)系统分为处理资源管理部分、处理系统调用部分 (2)可移植性 (3)实时操作 (4)定时操作 (5)安全保护,2007年8月,孟静制作 版权所有,37,7.4.5 分布式文件系统,文件服务与文件服务器(进程) 两部分 目录服务 真正的文件服务,2007年8月,孟静制作 版权所有,38,7.4.5 分布式文件系统,7.4.5.1 文件服务接口 7.4.5.2 目录服务接口 7.4.5.3 文件共享语义,2007年8月,孟静制作 版权所有,39,7.4.5.1 文件服务接口,能力和访问控制表 文件服务类型(第一版图7.11) 上送/下装模型(读
13、写文件) 远程访问模型,2007年8月,孟静制作 版权所有,40,7.4.5.2 目录服务接口,服务: 创建和删除目录 文件命名换名 移动文件等 定义字符集和语法 创建向任一目录的链接或指针(第一版图7.12),2007年8月,孟静制作 版权所有,41,文件设计的关键问题,1.机器或进程间目录层次是否必须严格相同?(参见第一版图7.7) 2.是否存在全局根目录?,2007年8月,孟静制作 版权所有,42,1.命名的透明性 位置独立性 三种命名方法: 机器名+路径 远程文件系统安装到本地 单一名字空间 2.两级命名 供用户使用(符号) 供系统使用(二进制名:本地i结点、能力),2007年8月,孟
14、静制作 版权所有,43,7.4.5.3 文件共享语义,1.文件可修改 避免用户共享问题 一旦修改立即将cache中的文件传回服务器 不要求读操作看到所有先前的写操作的结果 (会晤语义) 放弃共享文件指针的问题 2.文件不可更改(读、创建) 3.事务,2007年8月,孟静制作 版权所有,44,7.5 机群与网格操作系统,单一登录点 单一资源管理 单一内存映像 单一进程空间 单一文件系统 单一I/O空间,2007年8月,孟静制作 版权所有,45,7.6 嵌入式操作系统,微型化 高质量、高可靠性 专业化 实时性 可剪裁性,2007年8月,孟静制作 版权所有,46,7.7 小结,潜在优点和缺点 多CPU软件类型 设计中的问题 线程的地位 分布式文件系统 MACH,
