操作系統(tǒng)

1、課程操作系統(tǒng)部分--主要內(nèi)容安排,1 操作系統(tǒng)引論2 進(jìn)程描述與控制3 存儲管理4 進(jìn)程同步與通信5 進(jìn)程調(diào)度與死鎖6 設(shè)備管理7 文件管理,第1章 操作系統(tǒng)引論,1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概觀計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)的工作原理OS的地位、目標(biāo)和作用1.2 OS的發(fā)展簡史與趨勢1.3 OS的主要功能、特征與分類1.4 研究OS的主要觀點(diǎn)和方法,,補(bǔ)充部分必要的微機(jī)原理知識,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

2、組成,一種簡明計(jì)算機(jī)組成模型（示意圖）,8259A引腳,8086CPU引腳,Intel8086：16位CPU, 16位寄存器,16位數(shù)據(jù)總線， 20位地址總線，具有1MB的尋址能力。,8086內(nèi)部結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,8086的存儲器組織模型(1),FFFFFh,00000h,8086的存儲器組織模型(2),8086的存儲器組織模型(3),堆棧段(stack segment)的組織模型,堆棧是在存

3、儲器中開辟的、用來暫時保存數(shù)據(jù)的一個區(qū)域（段）。堆棧段的基址SS指示，段中當(dāng)前單元位置（棧頂）由SP指示，棧底地址值通常用BP保存 。棧底設(shè)在內(nèi)存高地址，每壓棧1次(存入一個字)，SP=SP-2,即雖壓棧的進(jìn)行，堆棧地址由高向低增長?？諚r，SP恰好在棧底，即棧頂與棧底重合。壓棧指令：push reg|內(nèi)存單元地址|立即數(shù)出棧是壓棧的反操作，指令為：pop xxx壓棧與出棧指令要匹配對應(yīng)，且總是后進(jìn)先出。,,馮?諾依曼計(jì)算

4、機(jī)工作模型,諾依曼計(jì)算機(jī)工作模型或存儲程序工作模型存儲器用來容納程序和數(shù)據(jù)；程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。指令按順序、轉(zhuǎn)跳和循環(huán)三種基本方式組織。機(jī)器一起動，就能按照程序指定的邏輯順序把指令從存儲器中讀出來逐條解釋執(zhí)行，自動完成程序所描述的處理工作。指令指針（CS:IP）指示當(dāng)前執(zhí)行指令，執(zhí)行完成指針會自動調(diào)整到下一條指令。當(dāng)前指令指針指向的內(nèi)存中程序，被認(rèn)為擁有機(jī)器控制權(quán)。任何計(jì)算機(jī)都擁有自己的一套基本

5、指令系統(tǒng)，高級語言程序最終需經(jīng)專門的編譯程序，翻譯為基本機(jī)器指令。,8086指令系統(tǒng),數(shù)據(jù)傳送指令MOV, PUSH/POP, IN/OUT, STOSB…算術(shù)運(yùn)算指令A(yù)DD,SUB,INC,DEC,MUL,DIV,….邏輯和移位運(yùn)算指令A(yù)ND,OR,XOR,NOT, TEST, SAL,SHL,… 字符串運(yùn)算指令Movs,cmps,lods/lodsb/lodsw,stosb,….控制轉(zhuǎn)移指令jmp,call/re

6、t/retf, loop,int/iret/iretd, jc/jnc, jz/jnz, jae/jnae,…處理器控制指令sti/cli, std/cld,hlt, clc/cmc/stc,…,中斷與異常機(jī)制,程序執(zhí)行過程中的強(qiáng)制轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序中斷: 硬中斷(8259A) 和 軟中斷(執(zhí)行指令： int n)異常：執(zhí)行某條指令出現(xiàn)了異常，如被0除、NMI、溢出…硬中斷是異步、隨機(jī)事件；而軟中斷與異常是同步事件；

7、實(shí)現(xiàn)中斷機(jī)制的要素中斷源；中斷向量表特殊指令：INT xx; IRET/IRETD; 控制8259A專用指令STI/CLI中斷處理過程或步驟保護(hù)現(xiàn)場(標(biāo)志寄存器,CS,IP壓棧;特定寄存器壓棧);根據(jù)中斷源類型，查中斷向量表，獲取中斷處理程序開始地址;長跳轉(zhuǎn)移到中斷處理程序;執(zhí)行IRET，恢復(fù)原被中斷現(xiàn)場。,用匯編語言實(shí)現(xiàn)中斷,; 中斷處理子程序SERVICE PROC

8、FARPUSHAD; 保護(hù)現(xiàn)場PUSH DSSTI; 打開中斷……; 中斷處理程序主體……CLI; 關(guān)閉中斷MOV AL, 20HOUT 20H, AL ; 發(fā)中斷結(jié)束命令POPDS; 恢復(fù)現(xiàn)場POPAIRETSERVICEENDP,32位微處理機(jī)器,Intel808616位CPU, 16位寄存器,16位數(shù)據(jù)總線；20

9、位地址總線，具有1MB的尋址能力。Intel80386從80386開始，Intel家族的CPU進(jìn)入32位時代，具有32位地址總線，尋址能力可達(dá)4GB 。 有實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬8086(V86)三種工作模式。,保護(hù)模式的特點(diǎn),采用了全新的、基于分段和分頁內(nèi)存管理技術(shù)；可尋址4G的內(nèi)存空間；允許使用虛擬存儲。 支持并發(fā)執(zhí)行多任務(wù)；引入特權(quán)級(privilege level/ring)的概念共分四個特權(quán)級，即0級、1級

10、、2級和3級；第0級權(quán)限最大，常被作為系統(tǒng)內(nèi)核代碼段的權(quán)級，具有實(shí)模式下代碼的同等權(quán)限；3級權(quán)限最小，常被作為用戶級代碼段的權(quán)級。,80386的寄存器體系,加載專用指令LGDT mem48LIDT mem48LLDT reg16/mem16LTR reg16/mem16,請求特權(quán)級,=0 描述符在GDT中=1描述符在LDT中,保護(hù)模式下的段描述符,,保護(hù)模式下的段式尋址過程,保護(hù)模式下中斷處理程序的定位過程,操作系統(tǒng)的定義

11、,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個系統(tǒng)軟件；是一些具有如下功能的程序模塊的集合：能有效地組織和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源能合理組織計(jì)算機(jī)的工作流程，控制程序的執(zhí)行；能透明地向用戶提供各種服務(wù)功能，使用戶能夠靈活、方便地使用計(jì)算機(jī)，使整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行。,操作系統(tǒng)的目標(biāo)與作用,操作系統(tǒng)的目標(biāo)（質(zhì)量模型）方便性（方便，易學(xué)、易用）有效性（有效利用和管理各類系統(tǒng)核心資源，提高系統(tǒng)的利用率和吞吐率）可擴(kuò)充性（可修改性，可擴(kuò)展性好）開放性

12、（移植性，互操作性好）操作系統(tǒng)的作用 作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者；作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口；用作擴(kuò)充計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) （應(yīng)如何理解或說明？）操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型一般采用基于特權(quán)級保護(hù)的層次化結(jié)構(gòu)模型,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程（1）,人工操作方式對應(yīng)第一代計(jì)算機(jī)，無OS;用紙帶機(jī)加載程序信息到主存；特點(diǎn)：用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)資源，資源利用率低（CPU要等待人工操作，經(jīng)常空閑） 脫機(jī)輸入輸出技術(shù) 引入目的：解決人機(jī)矛盾

13、，以及CPU與低速I/O設(shè)備間速度不匹配；減少CPU的空閑等待時間。,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程（2）,人工操作方式 脫機(jī)輸入輸出技術(shù)單道批處理系統(tǒng)監(jiān)督程序駐留內(nèi)存；自動加載外部作業(yè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動、不間斷連續(xù)運(yùn)行但當(dāng)當(dāng)前執(zhí)行程序有I/O服務(wù)請求時，CPU仍要空閑特征：自動性、順序性和單道性 多道批處理系統(tǒng),1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程（3）,多道批處理系統(tǒng)多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) 用戶提交作業(yè)先在外存排隊(duì)，然后由作業(yè)調(diào)度程序

14、按一定的算法從隊(duì)列中選擇若干作業(yè)載入內(nèi)存，并允許它們并發(fā)（交替）執(zhí)行。引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后，可帶來如下的好處 提高系統(tǒng)(CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備)的利用率;充分發(fā)揮CPU與外設(shè)并行工作的能力；提高系統(tǒng)的吞吐率 特征：多道性、無序性和調(diào)度性優(yōu)缺點(diǎn)及需要解決的問題,分時操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng)形成和發(fā)展的動力 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；共享或充分利用主機(jī)；便于用戶上機(jī) 分時OS實(shí)現(xiàn)要解決的關(guān)鍵問題 及時接受多路卡；每個終端配備可暫存

15、用戶命令的緩沖區(qū)及時處理所有用戶作業(yè)要直接進(jìn)入內(nèi)存；每個用戶（作業(yè)）應(yīng)在較短的時間內(nèi)得到響應(yīng)處理的“時間片”； 分時系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 單道分時處理系統(tǒng) 具有“前臺”和“后臺”的分時系統(tǒng) 支持多道程序設(shè)計(jì)的分時系統(tǒng) 特征 ：多路性、獨(dú)立性和交互性；,實(shí)時操作系統(tǒng),實(shí)時OS的引入目的（主要應(yīng)用領(lǐng)域） 實(shí)時控制 實(shí)時信息處理――要求對信息進(jìn)行及時處理 實(shí)時任務(wù)的類型按是否有周期性劃分；按截止時間要求嚴(yán)格與否劃分（硬、軟

16、任務(wù)）；實(shí)時系統(tǒng)的基本特征 具有多路性、獨(dú)立性、交互性、及時性和可靠性等特征. 分時操作系統(tǒng)和實(shí)時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得OS步入實(shí)用化,可移植操作系統(tǒng)――UNIX革命,UNIX是現(xiàn)代OS的代表， 20世紀(jì)60年代末，由貝爾實(shí)驗(yàn)室首先設(shè)計(jì)完成；隨后整個UNIX用C語言重寫。其源代碼開放。運(yùn)行時具有安全性、可靠性以及強(qiáng)大的計(jì)算能力。UNIX出色的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對后來OS發(fā)展有著廣泛而深入的影響，至今它仍然是OS課程學(xué)習(xí)的重要

17、內(nèi)容。 UNIX新家族系列目前較流行的LINUX、XINUX……Ubuntu : 官方網(wǎng)站http://www.ubuntu.comCygwin : 官方網(wǎng)站http://www.cygwin.com,UNIX系統(tǒng)的特點(diǎn),內(nèi)核和外層有機(jī)結(jié)合。內(nèi)核小、簡潔，常駐內(nèi)存，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行；外層包含非常的實(shí)用程序和豐富的支持軟件－－各種工具容易串接組合?？梢浦残?、可擴(kuò)展性好和安全性好；是一個支持多任務(wù)多用戶系統(tǒng)開放源代碼－－－

18、－－－－－－－－－－－－－－－－－－－WINDOWS多任務(wù)操作環(huán)境圖形化工作環(huán)境和用戶界面，界面友好（?傻瓜機(jī)）屬于準(zhǔn)微內(nèi)核體系，兼顧性能和效率,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，各臺計(jì)算機(jī)配置各自的OS，而網(wǎng)絡(luò)OS把它們有機(jī)聯(lián)系起來，用統(tǒng)一的方法管理整個網(wǎng)絡(luò)中的共享資源。網(wǎng)絡(luò)OS除了具備單機(jī)OS功能外，還應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)通信能力和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。網(wǎng)絡(luò)用戶只有通過網(wǎng)絡(luò)OS才能享受網(wǎng)絡(luò)所提供的各項(xiàng)服務(wù)。,分布式操作系統(tǒng),分布式操作系統(tǒng)是為分

19、布計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置的OS。按分布方式，分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常可分為兩類：建立在多處理機(jī)上的緊密耦合分布式系統(tǒng)；建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，松散耦合的操作系統(tǒng)。 與網(wǎng)絡(luò)OS相比，更重于任務(wù)的分布性，即把一個大的任務(wù)分為若干個子任務(wù)，分派到不同的處理站點(diǎn)上去執(zhí)行。有強(qiáng)壯的分布式算法和動態(tài)平衡各站點(diǎn)負(fù)載的能力它是網(wǎng)絡(luò)OS的更高形式，具有強(qiáng)大的生命力。,當(dāng)代OS的兩大發(fā)展方向,微型化方向典型代表：嵌入式的OS，運(yùn)行在嵌入式環(huán)境中。大型化方向

20、典型代表：分布式OS和機(jī)群OS分布式并行機(jī)，由多個連接的CPU組成，在整個系統(tǒng)的控制下可合作執(zhí)行一個共同任務(wù)； 機(jī)群OS則用于由多臺計(jì)算機(jī)松散組成的機(jī)群；最新發(fā)展：云計(jì)算技術(shù)！一種超大規(guī)模、高度虛擬化計(jì)算模型,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,一、處理機(jī)管理（進(jìn)程與線程管理）主要任務(wù)是對CPU的分配和運(yùn)行實(shí)施有效管理具體功能包括進(jìn)程控制：負(fù)責(zé)進(jìn)行的創(chuàng)建、撤銷和狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程同步：對并發(fā)執(zhí)行的多進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)進(jìn)程通信：負(fù)責(zé)完

21、成進(jìn)程間的信息交換進(jìn)程調(diào)度：按一定的算法進(jìn)行CPU分配,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,二、存儲管理主要任務(wù)是對內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充具體功能內(nèi)存分配：按一定的策略為每道程序分配內(nèi)存內(nèi)存保護(hù)：保證各程序在自己的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)運(yùn)行不受其它并發(fā)執(zhí)行程序影響。內(nèi)存擴(kuò)充：為允許大型作業(yè)或多作業(yè)并發(fā)運(yùn)行，必須借助虛擬存儲技術(shù)來獲得更大“虛擬”內(nèi)存,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,三、設(shè)備管理是OS中最龐雜、最瑣碎部分應(yīng)具有的基本功能

22、包括設(shè)備分配：按一定原則對設(shè)備進(jìn)行分配。為使設(shè)備能與主機(jī)并行工作，需大量采用緩沖技術(shù)和虛擬技術(shù)設(shè)備傳輸控制：實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的I/O操作，包括啟動、中斷處理和結(jié)束處理等操作。,1.3 操作系統(tǒng)的主要功能概述,四、文件管理OS中負(fù)責(zé)信息管理部分稱為文件系統(tǒng)主要功能包括：文件的存儲空間管理（分配、回收）目錄管理：目錄是為方便文件管理而采用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能提供“按名存取”功能。文件操作管理：實(shí)現(xiàn)文件的基本操作，包括打開、關(guān)閉、讀

23、、寫等。文件保護(hù)：提供文件安全保護(hù)的有關(guān)功能和設(shè)施。,1.4 研究操作系統(tǒng)的主要觀點(diǎn)與方法,虛擬機(jī)的觀點(diǎn)資源管理的觀點(diǎn)軟件的觀點(diǎn)進(jìn)程的觀點(diǎn),虛擬機(jī)（擴(kuò)展機(jī)）觀點(diǎn),是對OS一種由頂向下的俯視。裝有OS的計(jì)算機(jī)極大地?cái)U(kuò)展了原有計(jì)算機(jī)的功能。把包含由各種硬件、復(fù)雜底層操作細(xì)節(jié)隱藏起來，使得用戶的操作和使用，由復(fù)雜變得簡單，由低級操作變?yōu)楦呒壊僮?，把基本功能擴(kuò)展為多種功能。在裸機(jī)上裝上OS后，對用戶來說好像是得到了一個擴(kuò)展的，使用更