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第02章操作系统概述第1页，本讲稿共44页2什么是操作系统？什么是操作系统？定义一：定义一：利用一个或多个处理器的硬件资源利用一个或多个处理器的硬件资源为系统用户提供一组服务为系统用户提供一组服务管理辅助存储器（管理辅助存储器（secondary memory）和输入和输入/输输出设备（出设备（I/O devices）定义二：定义二：控制应用程序执行的程序控制应用程序执行的程序充当应用程序和计算机硬件之间的接口充当应用程序和计算机硬件之间的接口第2页，本讲稿共44页2.1 操作系统的目标和功能方便作为用户/计算机接口的OS使计算机更易于使用。有效作为资源管理器的OS允许以更有效的方式使用计算机系统资源。可扩展性OS需要可扩展性允许在不妨碍服务的前提下，能有效地开发、测试和引入新的系统功能。3第3页，本讲稿共44页2.1.1 作为用户/计算机接口的OS实用工具：实现了在创建程序、管理文件和控制I/O设备中经常使用的功能。不关心计算机硬件的细节，把计算机系统看作是一组应用程序。程序员开发，用一种程序设计语言描述。为程序员屏蔽了硬件的细节，并为程序员使用系统提供了方便的接口。中介4第4页，本讲稿共44页操作系统提供的服务：程序开发：应用程序开发工具（编译器、调试器等），帮助程序员开发程序。非核心部分。程序运行：内存空间分配，指令、数据加载，I/O设备初始化，系统调度等归OS处理、调度。I/O设备访问：不同设备访问指令不一致，OS提供统一接口，屏蔽细节，使用简单读写即可。文件访问控制：细节屏蔽，权限控制系统访问：资源和数据的保护（访问和完整性），资源竞争冲突（死锁）等。2.1.1 作为用户/计算机接口的OS5第5页，本讲稿共44页操作系统提供的服务：错误检测和响应内部和外部硬件错误存储器错误设备失败或故障软件错误算术溢出视图访问被禁止的存储器单元OS无法确认应用程序请求等提供响应以清除错误条件，使其对正在运行的应用程序影响最小。（终止运行、重试操作或发送错误报告）2.1.1 作为用户/计算机接口的OS6第6页，本讲稿共44页操作系统提供的服务：审计收集使用统计信息监控性能用于预计和评估记帐（多用户系统）2.1.1 作为用户/计算机接口的OS7第7页，本讲稿共44页2.1.2 作为资源管理器的OS计算机是一组资源资源用于数据移动、存储和处理需要对资源的使用进行控制OS负责资源的管理和控制OS与其它软件一样，也是由处理器执行的一段程序或一组程序。区别在于程序的意图。OS经常会释放控制，而且需要依赖处理器才能恢复控制。图：由OS管理的主要资源8第8页，本讲稿共44页内核，包含最常用的功能。最重要的资源。9第9页，本讲稿共44页2.1.3 OS需要可扩展性原因：硬件升级和新硬件的出现新的服务纠正错误：OS自己的错误，可能产生新错误。10第10页，本讲稿共44页2.2 操作系统的发展没有OS，程序员直接与硬件打交道。机器在控制台上运行（指示灯、触发器、输入设备和打印机灯）预约调度（用户预约时间内空闲或无法完成）准备工作：程序作业：往内存加载编译器、源代码，保存编译好的文件，加载目标程序和公用函数并链接。安装或拆卸磁带、准备卡片等，每个用户重复，出错重新开始。用户顺序访问计算机，调度和准备浪费了时间。2.2.1 串行处理11第11页，本讲稿共44页2.2.2 简单批处理系统监控程序的软件用户不再直接访问计算机，把卡片或磁带中的作业提交给计算机操作员组织成批处理作业监控程序控制用户程序的执行顺序。用户程序执行完成后返回监控程序。监控程序自动调用下一个用户程序监控程序完成调度、错误处理等遇到错误控制权返回监控程序作业控制语言（JCL）特殊的编程语言给监控程序提供指令，用于确定使用哪个编译器确定使用哪些数据12第12页，本讲稿共44页考虑了其它硬件功能：内存保护用户程序不能访问监控程序内存区域。定时器防止一个作业独占系统。特权指令：只能监控程序执行中断用户模式和内核模式：用户程序在用户模式下运行，不能访问被保护的内存区域和执行特权指令。监控程序在内核模式下运行，可能可访问被保护的内存区域，并可执行特权指令。用户程序和监控程序交替运行，自动作业调度，串行，I/O速度慢，处理器利用率不高。2.2.2 简单批处理系统13第13页，本讲稿共44页2.2.3 多道程序批处理系统96在等待处理器必须等待I/O结束后才能继续执行下一指令。顺序执行例：14第14页，本讲稿共44页2.2.3 多道程序批处理系统15第15页，本讲稿共44页162.2.3 多道程序批处理系统一个程序在等待I/O操作，处理器能转换到另外一个程序多道程序设计（多任务处理），现代OS的主要方案第16页，本讲稿共44页172.2.3 多道程序批处理系统例：计算机用于用户程序的内存为250M，一个磁盘，一个终端，一台打印机。三个作业，其属性为：第17页，本讲稿共44页2.2.3 多道程序批处理系统例资源利用直方图18第18页，本讲稿共44页192.2.3 多道程序批处理系统P45页表2.2中平均响应时间如何算出？需要有内存管理、作业调度等提高了资源利用率用户无法与计算机交互第19页，本讲稿共44页2.2.4 分时系统利用多道程序设计处理器可以同时处理多个作业-同样可以设计处理器处理多个需要交互的作业。分时：多个用户共享处理器时间。多个用户通过终端同时访问系统。OS在每个用户间进行换行、交替执行用户交互。人的反应慢，等同于每个用户一台专用计算机。特点：交互性、多用户同时性、独立性。是一个联机的、多用户交互式的操作系统。20第20页，本讲稿共44页第一个分时系统MIT开发的兼容分时系统（CTSS）2.2.4 分时系统例：4个作业内存需要列表：JOB1:15000JOB2:20000JOB3:5000JOB4:10000处理顺序：JOB1JOB2JOB3JOB1JOB4JOB221第21页，本讲稿共44页2.2.5 实时系统实时系统也是联机的操作系统，是随着计算机应用于实时控制和实时信息处理领域中而发展起来的。特点即时响应高可靠性武器系统的实时控制、银行业务等考虑因素：实时时钟管理（定时处理和延时处理）连续的人机对话过载保护短期过载 缓冲区排队持续性过载 拒绝某些任务丢弃某些任务降低某些任务的服务频率高度可靠性和安全第22页，本讲稿共44页2.2.6 网络操作系统计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互相连接起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。网络操作系统的研制开发是在原来各自计算机操作系统的基础上进行的，按照网络体系结构的各个协议标准进行开发，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务等。第23页，本讲稿共44页2.2.7 分布式操作系统与网络操作系统粗看相同。定义为通过通信网络将物理上分布的具有自治的数据处理系统或计算机系统连接起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。区别网络OS分布式OS有标准协议无标准协议计算机组织松散计算机紧密耦合资源使用不透明资源使用透明第24页，本讲稿共44页2.2.8 云计算操作系统云计算操作系统，又称云计算中心操作系统、云OS，是云计算后台数据中心的整体管理运营系统，它是指构架于服务器、存储、网络等基础硬件资源和单机操作系统、中间件、数据库等基础软件管理海量的基础硬件、软资源之上的云平台综合管理系统。云计算操作系统通常包含以下几个模块：大规模基础软硬件管理、虚拟计算管理、分布式文件系统、业务/资源调度管理、安全管理控制等几大模块组成。第25页，本讲稿共44页2.3 主要的成就五个重要的理论进展：进程内存管理信息保护和安全调度和资源管理系统结构26第26页，本讲稿共44页2.3.1 进程多个定义：一个正在执行的程序计算机中正在运行的程序的一个实例可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体由单一的顺序的执行线索（线程）、一个当前状态和一组相关的系统资源所描述的活动单元。A unit of activity characterized by a single sequential thread of execution,a current state,and an associated set of system resources.27第27页，本讲稿共44页系统中有多个作业、多个活动，对多个资源进行各种协调操作。因此系统软件设计很困难，会产生各类错误。错误难以重现，难以解决。产生错误的原因：不正确的同步：程序等待信号，而信号丢失或收到重复信号。失败的互斥：共享资源。互斥实现一次只允许一个程序访问，互斥失败，多个同时访问，出现问题。不正确的程序操作：一个程序的输出只和输入有关，和其它程序无关。但当程序调度出现问题，重写相同内存区域等造成不可预测的相互干扰。死锁：多个程序同时挂起，相互等待。2.3.1 进程28第28页，本讲稿共44页如何解决？进程是解决问题的基础。进程的组成部分：一段可执行的程序程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓冲区等）程序的执行上下问文上下文是OS用来管理和控制进程所需的内部数据。2.3.1 进程29第29页，本讲稿共44页 进程列表进程存储区基址寄存器界限寄存器进程索引（当前进程）程序计数器：执行进程切换：保存和恢复上下文2.3.1 进程30第30页，本讲稿共44页2.3.2 内存管理OS5个基本的存储器管理功能进程隔离保护独立的进程，防止互相干涉数据和存储空间自动分配和管理动态分配对程序员透明支持模块化程序设计程序员可以定义模块动态地创建、销毁模块改变模块的大小保护和访问控制共享保护共享访问控制长期存储离线保存（文件）31第31页，本讲稿共44页虚存允许程序员以逻辑的角度来访问内存一个进程被写到辅助存储器，另一进程被读入内存进程大小不一，难以有效使用内存分页系统分页系统的虚地址页号页内偏移量虚地址 映射 内存物理地址2.3.2 内存管理32第32页，本讲稿共44页2.3.2 内存管理33第33页，本讲稿共44页虚存寻址2.3.2 内存管理34第34页，本讲稿共44页2.3.3 信息保护和安全涉及对计算机系统的控制和所保存的信息。与操作系统相关的安全和保护问题分类：可用行保护系统不被打断。保密性保证用户无法访问到未授权的数据数据完整性保护数据不被未授权修改认证用户身份的正确认证消息或数据的合法性35第35页，本讲稿共44页2.3.4 调度和资源管理OS的一个关键任务是管理各种可用资源，并调度各种活动进程使用这些资源。资源分配和调度策略应考虑的三个因素：公平性所有竞争某一特定资源的进程具有几乎相等和公平的访问该资源的机会。有差别的响应性区别对待不同的作业类动态决策有效性在矛盾的标准中寻求平衡最大的吞吐量最小的响应时间尽可能多的用户36第36页，本讲稿共44页2.3.4 调度和资源管理用于多道程序设计的一个OS主要组件新作业37第37页，本讲稿共44页2.3.5 系统结构系统是由一系列的层组成的视图每个层执行一个相关的功能子集每个层依赖于下一层来执行更原始的功能每个层为上一层提供服务，并屏蔽服务细节改变一层实现时，不需要改变别的层可以把问题分解成几个更易于处理的子问题13 Shell12 用户进程11 目录10 设备9 文件系统8通信7虚存6本地辅存5原始进程4中断3 过程2 指令集1 电路P55 表2.4 OS设计层次38第38页，本讲稿共44页2.4 现代操作系统的特征微内核体系结构只把一些最基本的功能放在内核中地址空间进程间通信(IPC)基本的调度其它服务由运行在用户模式下的进程提供内核和服务程序分开39第39页，本讲稿共44页多线程进程划分成可以同时运行的多个线程（Thread）线程可分派的单元线程顺序执行，并且是可中断的进程一个或多个线程相关的资源在同一个进程中运行多个线程，在线程间来回切换所涉及的处理器开销要比在不同进程间切换的开销少。2.4 现代操作系统的特征40第40页，本讲稿共44页对称多处理(SMP)硬件上有多个处理器这些处理器共享一个主存储器和I/O设备。所有的处理器都可以执行相同的功能。对成多处理器OS可以调度进程或线程到所有的处理器上运行优势性能：高可用性：只要有一个处理器正常，系统正常运行增量发展：添加额外处理器可扩展性：处理器个数可配置对用户透明2.4 现代操作系统的特征41第41页，本讲稿共44页2.4 现代操作系统的特征单个处理器和多个处理器对比42第42页，本讲稿共44页分布式操作系统一群计算机使用户觉得和使用单机一样2.4 现代操作系统的特征面向对象设计用于给微内核增加模块化的扩展使程序员在不破坏系统完整性下定制操作系统43第43页，本讲稿共44页回顾OS的目标与功能用户/计算机接口的OS作为资源管理器的OSOS的发展串行处理简单批处理系统多道程序批处理系统分时系统实时系统网络OS分布式OS主要成就进程内存管理信息保护和安全调度和资源管理系统结构现代OS特征微内核体系结构多线程对成多处理分布式OS面向对象设计44第44页，本讲稿共44页