北京交通大学XXXX-XXXX操作系统2729.pptx

主讲教师：翟高寿翟高寿（副教授）联系电话：010-51683610(办)电子邮件：制作人：翟高寿翟高寿制作单位：北京交通大学计算机学院北京交通大学计算机学院操作系统操作系统3/9/20231北京交通大学计算机学院翟高寿教学目标教学目标全面、系统地介绍计算机操作全面、系统地介绍计算机操作系统的体系结构、实现机理及系统的体系结构、实现机理及相关方法和技术，培养广大学相关方法和技术，培养广大学生在系统软件开发方面的理论生在系统软件开发方面的理论基础及技术素养。基础及技术素养。3/9/20232北京交通大学计算机学院翟高寿主要相关课程主要相关课程先修课程：数据结构数据结构 接口技术、计算机组成原理接口技术、计算机组成原理 汇编语言程序设计汇编语言程序设计 C C语言程序设计语言程序设计并行/后续课程：计算机体系结构、操作系统实践计算机体系结构、操作系统实践3/9/20233北京交通大学计算机学院翟高寿&教材计算机操作系统 汤子瀛 哲凤屏 汤小丹 西安电子科技大学出版社&参考教材计算机操作系统教程 张尧学 史美林 清华大学出版社操作系统教程 陈向群 杨芙清 北京大学出版社Windows操作系统原理 尤晋元 史美林 陈向群 机械工业出版社操作系统基础 屠立德 屠祁 清华大学出版社操作系统教程 孙仲秀 高等教育出版社操作系统教程-原理和实例分析 孟静 高等教育出版社Applied Operating System Concept Abrahan Silberschatz 高等教育出版社The Design of The Unix Operating System Manrice J.Bach 人民邮电出版社现代操作系统 陈向群等译 机械工业出版社3/9/20234北京交通大学计算机学院翟高寿教材内容删减说明教材内容删减说明q第三章第三章 处理机调度与死锁处理机调度与死锁3.3 实时调度实时调度3.4 多处理机系统中的调度多处理机系统中的调度q第五章第五章 设备管理设备管理5.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理q第八章第八章 网络操作系统网络操作系统q第九章第九章 系统安全性系统安全性3/9/20235北京交通大学计算机学院翟高寿课程主要内容及教学安排课程主要内容及教学安排q操作系统引论（10学时）q处理机管理（18学时）q存储管理（12学时）q设备管理（8学时）q文件系统（8学时）q操作系统设计实例（8学时）3/9/20236北京交通大学计算机学院翟高寿第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 什么是操作系统1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展1.6 操作系统的功能与特征1.7 操作系统的结构设计3/9/20237北京交通大学计算机学院翟高寿1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统的地位和目标1.1.2 操作系统的作用1.1.3 操作系统的组成及层次模型1.1.4 操作系统的定义1.1.5 操作系统举例3/9/20238北京交通大学计算机学院翟高寿计算机系统的组成计算机系统(层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑程序/汇编程序/编译程序/数据库管理系统操作系统3/9/20239北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统在计算机系统中的地位3/9/202310北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的设计目标q方便性提供用户接口，使计算机系统更方便使用q有效性通过有效管理和分配软、硬件资源及合理组织计算机工作流程来改善资源利用率、提高系统吞吐量q可扩充性计算机硬件和体系结构的迅猛发展及其所对应的更高的功能和性能要求q开放性不同厂家与不同类型的计算机及其设备的网络化集成和协同工作，实现应用程序可移植性和互操作性3/9/202311北京交通大学计算机学院翟高寿1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统的地位和目标1.1.2 操作系统的作用1.1.3 操作系统的组成及层次模型1.1.4 操作系统的定义1.1.5 操作系统举例3/9/202312北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的作用(1)用户与计算机硬件系统之间的接口q命令方式（操作系统外壳）面向一般用户命令行/菜单式/命令脚本式/图形用户接口q系统调用方式（操作系统内核）面向程序开发人员形式上类似于过程调用，编制程序中使用3/9/202313北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的作用(2)计算机系统资源的管理者q管理对象处理器、存储器、外围设备以及信息（数据和软件）q管理内容资源的分配、回收和访问操作记录资源的当前状态（数量和使用情况）、相应管理策略（共享、保护及用户权限）3/9/202314北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的作用(3)用作扩充机器（或虚拟机）q在裸机上添加处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、作业管理、图形化用户接口等功能，使计算机系统功能显著增强、使用更为方便3/9/202315北京交通大学计算机学院翟高寿1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统的地位和目标1.1.2 操作系统的作用1.1.3 操作系统的组成及层次模型1.1.4 操作系统的定义1.1.5 操作系统举例3/9/202316北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的组成及层次模型用户接口用户接口（命令接口、程序接口、图形用户接口）对对象进行操纵和管理的软件集合对对象进行操纵和管理的软件集合（处理机/存储器/设备/文件/作业管理软件）操作系统对象操作系统对象（处理机、存储器、设备、文件和作业）3/9/202317北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统层次模型细化操作系统层次模型细化3/9/202318北京交通大学计算机学院翟高寿1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统的地位和目标1.1.2 操作系统的作用1.1.3 操作系统的组成及层次模型1.1.4 操作系统的定义1.1.5 操作系统举例3/9/202319北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的定义q操作系统是最基本的系统软件，是一组有效管理和控制计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度以组织和控制系统工作流程，并方便用户使用计算机的程序的集合。3/9/202320北京交通大学计算机学院翟高寿1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统的地位和目标1.1.2 操作系统的作用1.1.3 操作系统的组成及层次模型1.1.4 操作系统的定义1.1.5 操作系统举例3/9/202321北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统举例qMS DOSqWindows（NT、9X、200X、Vista）qUNIX（Solaris）qLinux（RedHat、RedFlag）qNovell Netware3/9/202322北京交通大学计算机学院翟高寿1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统的地位和目标1.1.2 操作系统的作用1.1.3 操作系统的组成及层次模型1.1.4 操作系统的定义1.1.5 操作系统举例3/9/202323北京交通大学计算机学院翟高寿作业题作业题q1.1 什么是操作系统？用自己的话谈谈你对操作系统概念的认识与理解。3/9/202324北京交通大学计算机学院翟高寿第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 什么是操作系统1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展1.6 操作系统的功能与特征1.7 操作系统的结构设计3/9/202325北京交通大学计算机学院翟高寿计算机系统体系结构3/9/202326北京交通大学计算机学院翟高寿计算机系统硬件组成3/9/202327北京交通大学计算机学院翟高寿内存系统Memory Systemsq主存Main MemoryRAM&ROM实际地址空间实际地址空间real address spaceA.或称作物理地址空间，按字节编址BytesB.RAMROMC.保留用于设备或以后它用q高速缓冲Cache Memories因内存寻址访问效率和局部性原理局部性原理而引入由硬件管理，对软件不可见?3/9/202328北京交通大学计算机学院翟高寿高速缓存Cache Memoriesq关联存储器及置换（淘汰）算法3/9/202329北京交通大学计算机学院翟高寿输入输出系统组织方式3/9/202330北京交通大学计算机学院翟高寿用户指令集体系结构User ISAq寄存器架构通用寄存器、特定类型寄存器（如浮点数）专用寄存器（PC、链接/栈指针/条件码/循环计数寄存器）q内存架构逻辑逻辑/虚拟地址空间虚拟地址空间A.线性编址 eg.0 x0000 0000 0 x8000 0000 0 xFFFF FFFF B.分段编址 eg.0#15#分段基址 段寄存器值q用户指令 运算型内存存取指令、分支跳转指令整数算术、逻辑及移位指令浮点指令分段256MB虚存252B3/9/202331北京交通大学计算机学院翟高寿应用程序(用户级)3#级用户模式特权级别与环结构q用户模式、特权/超级/系统模式系统模式(a)扩展级2#级(b)系统服务1#级内核0#级3/9/202332北京交通大学计算机学院翟高寿系统指令集体系结构System ISAq系统寄存器架构系统时钟寄存器、陷入与中断寄存器陷入与中断屏蔽寄存器、页/段表指针寄存器q处理器资源管理支持系统调用/返回指令、中断定时器及设置机制q内存资源管理支持虚拟地址空间到物理地址空间的映射（页表&TLB）qI/O资源管理支持I/O设备寻址与I/O指令q陷入与中断陷入与中断3/9/202333北京交通大学计算机学院翟高寿陷入与中断q陷入指令执行时因异常情况（如运算溢出、缺页、违规内存访问、非法操作码等）产生的控制迁移副效应 陷入流程（异常异常异常异常设置陷入寄存器设置陷入寄存器设置陷入寄存器设置陷入寄存器查看陷入屏蔽查看陷入屏蔽查看陷入屏蔽查看陷入屏蔽寄存器裁决寄存器裁决寄存器裁决寄存器裁决终止终止终止终止“陷入陷入陷入陷入”指令并置处理器准确状指令并置处理器准确状指令并置处理器准确状指令并置处理器准确状态态态态保存程序计数及各寄存器值保存程序计数及各寄存器值保存程序计数及各寄存器值保存程序计数及各寄存器值处理器置特权模处理器置特权模处理器置特权模处理器置特权模式并交操作系统控制权式并交操作系统控制权式并交操作系统控制权式并交操作系统控制权操作系统保存未被硬件保存的“陷入”进程的关键状态信息，经分析转特定异常陷入处理例程，待完成返回后恢复现场和转原“陷入”进程“异常”指令处继续执行）另“系统调用”式陷入（访管指令int 21H/int 0 x80）q中断由相对于当前执行进程的外部事件（如I/O操作、定时）引起，与特定指令执行无关流程?3/9/202334北京交通大学计算机学院翟高寿IA-32体系结构举例说明q系统寄存器架构标志寄存器EFLAGS（通用标志、系统标志）内存管理寄存器GDTR、IDTR、LDTR、TR控制寄存器CR0、CR1、CR2、CR3q保护模式内存管理内存寻址（分段寻址技术；逻辑地址14+32）地址变换（分段段选择符段描述符+分页）内存保护（全局/局部描述符表、特权级）q中断和异常处理中断向量与中断描述符表、中断源与异常源q任务管理（任务状态段）任务切换与过程调用不同！3/9/202335北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统其它硬件基础举例说明q内存地址空间布局、基本输入输出系统BIOSqCMOS存储器与实时时钟RTqI/O端口寻址和访问控制方式主要使用独立编址方式，部分使用统一编址方式q中断控制器Intel 8259A、定时计数器Intel 8254qDMA控制器Intel 8237A、键盘控制器Intel 8042q串行控制卡RS-232标准q显示卡MDA/CGA/EGA/VGAq软盘控制器和硬盘控制器3/9/202336北京交通大学计算机学院翟高寿作业题作业题q1.2 设想由你自己负责组织一个项目团队来构建操作系统，你应当要求项目成员事先学习和掌握哪些硬件基础知识？并给出你对相关知识的理解与总结。3/9/202337北京交通大学计算机学院翟高寿第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 什么是操作系统1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展1.6 操作系统的功能与特征1.7 操作系统的结构设计3/9/202338北京交通大学计算机学院翟高寿1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.3.1 操作系统接口分类1.3.2 联机命令接口1.3.3 图形用户接口1.3.4 系统调用3/9/202339北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统接口分类q基于接口表现形式划分用户接口A.命令接口（具体可分为联/脱机命令接口）B.图形用户接口（图形化操作界面）程序接口（方便用户程序访问系统资源，由一组系统调用组成）q基于接口使用者类型划分本地用户接口网络用户接口3/9/202340北京交通大学计算机学院翟高寿1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.3.1 操作系统接口分类1.3.2 联机命令接口1.3.3 图形用户接口1.3.4 系统调用3/9/202341北京交通大学计算机学院翟高寿联机命令接口构成q一组联机命令q键盘终端处理程序q命令解释程序3/9/202342北京交通大学计算机学院翟高寿联机命令及分类q联机命令格式 q联机命令类型系统访问类磁盘操作类、文件操作类、目录操作类通信类输入输出重定向、管道连接、过滤命令批处理命令Linux常用操作命令?3/9/202343北京交通大学计算机学院翟高寿键盘终端处理程序q基本功能I.接收用户从终端输入的字符面向字符/行方式II.管理字符缓冲，以暂存所接收的字符专用缓冲区、公用缓冲池方式III.将用户键入字符回送屏幕显示硬件/软件实现方式IV.提供屏幕编辑（编辑键）V.特殊字符处理（中断/停止或恢复上卷）3/9/202344北京交通大学计算机学院翟高寿命令解释程序工作流程命令解释程序工作流程 系统启动显示命令提示符命令合法否？接收命令行输入内部命令？执行执行exec系统调用装入命系统调用装入命令处理程序并予以执行令处理程序并予以执行是系统初始化是基于命令识别特定方法转向执行对应命令处理程序外部命令？是否否否3/9/202345北京交通大学计算机学院翟高寿1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.3.1 操作系统接口分类1.3.2 联机命令接口1.3.3 图形用户接口1.3.4 系统调用3/9/202346北京交通大学计算机学院翟高寿图形用户接口元素及操作q桌面、图标、鼠标指针q窗口、标题栏、菜单栏、工具栏q菜单菜单条弹出式菜单下拉式菜单q对话框3/9/202347北京交通大学计算机学院翟高寿图形用户接口特点q基于图形元素来表示功能，方便用户操纵和触发对应功能q同屏多窗口与并发进程相对应q支持即时交互，鼠标点击和键盘输入并举q操作直观，不必死记命令行参数，传递信息量大3/9/202348北京交通大学计算机学院翟高寿图形用户接口实现及运行机制q面向对象程序设计方法q消息产生、传递及处理消息作为窗口的输入，如用户操作、其它窗口或系统发出的请求或通知消息由各窗口自己的窗口过程进行处理q事件驱动模式3/9/202349北京交通大学计算机学院翟高寿1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.3.1 操作系统接口分类1.3.2 联机命令接口1.3.3 图形用户接口1.3.4 系统调用3/9/202350北京交通大学计算机学院翟高寿系统调用的基本概念q定义v系统过程系统服务系统调用命令q与普通过程调用的区别运行在不同的系统状态软中断进入机制返回及重新调度问题嵌套调用嵌套调用3/9/202351北京交通大学计算机学院翟高寿系统调用举例说明q简单用户程序例子v从一个文件读取数据，再将它们拷贝到另一文件中q系统调用分析源数据文件打开目标数据文件创建文件数据读入到缓冲缓冲数据写出到文件程序正常结束3/9/202352北京交通大学计算机学院翟高寿系统调用举例说明#include void main(int argc,char*argv)int fdOld,fdNew;int count;char buffer2048;fdOld=open(argv1,O_RDONLY);fdNew=creat(argv2,0666);while(count=read(fdOld,buffer,sizeof(buffer)write(fdNew,buffer,count);exit(0);3/9/202353北京交通大学计算机学院翟高寿直接进行系统调用的前提准备#define _LIBRARY_#include _syscall3(long,open,const char*,filename,int,flags,int mode);_syscall3(long,creat,const char*,filename,int,flags,int mode);_syscall3(ssize_t,read,unsigned,fd,char*,buf,size_t,count);_syscall3(ssize_t,write,unsigned,fd,char*,buf,size_t,count);_syscall1(int,exit,long,flag);注意：1、系统调用号_NR_zgs的分配在include/asm-i386/unistd.h2、系统调用号与系统调用之间的联系建立在系统调用表中，即arch/i386/kernel/entry.S中描述的sys_call_table3/9/202354北京交通大学计算机学院翟高寿系统调用的类型q进程控制进程的创建、结束、等待子进程结束进程属性设置与获取执行一个文件（进程映像替换）q文件操纵文件的创建、打开、关闭、读/写q进程通信连接打开与关闭、消息发送与接收q系统信息维护时间设置与获取、文件访问/修改时间设置3/9/202355北京交通大学计算机学院翟高寿系统调用的实现I.设置系统调用号和参数系统调用号（指定寄存器/内存单元）参数（直接寄存器、间接参数表指针）qUNIX(CHMK命令)/DOS(INT21软中断)II.系统调用命令的一般性处理将处理机状态由用户态转为系统态保护CPU现场，将PSW、PC、系统调用号、用户栈用户栈指针、通用寄存器等压入堆栈用户定义参数送至指定位置III.分析系统调用类型，转相应处理子程序q中断和陷入向量表中断和陷入向量表（入口地址、PSW）3/9/202356北京交通大学计算机学院翟高寿混合编程要领q汇编语言源程序调用C函数模块按逆向顺序把C函数模块参数压入栈中call _CModuleName|jmp _CModuleName清除先前压入栈中的C函数模块参数qC语言程序嵌入汇编指令举例说明#define _syscall1(type,name,atype,a)type name(atype a)long _res;_asm_ volatile(int$0 x80:=a(_res):0(_NR_#name),b(long)(a);if(_res=0)return(type)_res;errno=-_res;return-1;3/9/202357北京交通大学计算机学院翟高寿1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.3.1 操作系统接口分类1.3.2 联机命令接口1.3.3 图形用户接口1.3.4 系统调用3/9/202358北京交通大学计算机学院翟高寿作业题作业题q1.3 试阐述程序接口与用户交互接口（即命令接口和图形化接口）之间的关系？并给出你对系统调用实现机制及处理过程的完整理解与总结。3/9/202359北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统实践实验1q编程和替换Linux命令解释程序ShellI.自己选取和设计一组联机命令，可通过调用系统内核过程加以实现或仅仅在屏幕上显示命令自身（算是虚化实现），至少一条命令如文件拷贝的处理牵涉到系统调用；II.设计和构建命令解释程序并替换原Linux命令解释程序Shell启动系统和运行测试；III.撰写实验报告，阐述实验目的、实验目标、实验步骤、技术难点及解决方案、关键数据结构和算法流程、测试方案与过程及运行效果、结论与体会等。3/9/202360北京交通大学计算机学院翟高寿第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 什么是操作系统1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展1.6 操作系统的功能与特征1.7 操作系统的结构设计3/9/202361北京交通大学计算机学院翟高寿DOS系统结构3/9/202362北京交通大学计算机学院翟高寿引导扇区与系统启动引导扇区与系统启动q系统启动过程机器加电=BIOS加电自检(0FFFF:0000)进行硬件检测=读入启动盘引导扇区(0:0:1)512字节到内存0000:7C00处=检查内存0000:7DFE7DFF是否为0 x55AA=跳转至0000:7C00执行引导记录程序q引导扇区末两个字节为0 x55AAq引导程序编制基础开发工具GCC引导代码必须编译成plain binary file类型且为512Bgcc -c boot.cld boot.o -o boot.bin -oformat binary-Ttext 0 x100000Linux载入位置载入位置3/9/202363北京交通大学计算机学院翟高寿最简单的引导程序最简单的引导程序q汇编程序代码MinBoot.asmhang:jmp hangtimes 510 ($-$)db 0dw 0 xAA55Hq程序汇编nasm MinBoot.asm -o MinBoot.binq将二进制文件MinBoot.bin内容拷贝到引导扇区3/9/202364北京交通大学计算机学院翟高寿二次装载引导程序设计二次装载引导程序设计q二次装载含义1.由BIOS将引导记录载入内存执行2.由引导记录将操作系统内核载入内存q软驱复位与读取BIOS之INT 13H功能调用q字符串显示BIOS之INT 10H功能调用3/9/202365北京交通大学计算机学院翟高寿二次装载引导程序二次装载引导程序之之引导程序设计引导程序设计ORG 0jmp 07C0h:startstart:mov ax,csmov ds,axmov es,axreset:mov ax,0mov dl,0int 13hjc resetread:mov ax,1000hmov es,axmov bx,0mov ah,2mov al,5mov ch,0mov cl,2 mov dh,0mov dl,0 int 13hjc readjmp 1000h:0000times 510-($-$)db 0dw 0 xAA55h软驱软驱0:0:2起起五个扇区读五个扇区读入到入到ES:BX3/9/202366北京交通大学计算机学院翟高寿二次装载引导程序二次装载引导程序之之内核内核程序设计程序设计ORG 0jmp start2msg db Kernal!,$0start2:mov ax,csmov ds,axmov es,axmov si,msgprint:lodsbcmp al,0je hangupmov ah,0Ehmov bx,7int 10hjmp printhangup:jmp hanguptimes 510-($-$)db 0dw 0 xAA55hDS:SI=AL3/9/202367北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统实践实验2q利用C和汇编混合编程实现最简操作系统I.实现二次装入引导过程；II.以嵌入式汇编指令实现的C程序内核可非常简单（注意可执行程序格式）；III.撰写实验报告，阐述实验目的、实验目标、实验步骤、技术难点及解决方案、关键数据结构和算法流程、测试方案与过程及运行效果、结论与体会等。3/9/202368北京交通大学计算机学院翟高寿第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 什么是操作系统1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展1.6 操作系统的功能与特征1.7 操作系统的结构设计3/9/202369北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202370北京交通大学计算机学院翟高寿推动操作系统发展的主要动力q不断提高计算机资源利用率和系统性能的需要q改善和方便用户使用计算机的需要q适应器件不断更新换代的需要q适应计算机体系结构不断发展变化的需要3/9/202371北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202372北京交通大学计算机学院翟高寿人工操作方式q1946 50年代中期q计算机资源昂贵、集中计算q工作方式用户：同时兼有程序员/操作员双重身份输入输出：纸带或卡片编程语言：机器语言q工作特点用户独占全部资源，资源利用率低计算前后，CPU因等待人工操作而空闲3/9/202373北京交通大学计算机学院翟高寿史前速度矛盾及缓和途径q人机矛盾人工操作方式与资源利用率之间的矛盾伴随CPU速度提高、系统规模的扩大而日趋严重qCPU与I/O设备间矛盾CPU速度迅速提高而I/O设备速度提高缓慢q缓和途径通道技术、中断技术、缓冲技术脱机输入输出技术专门的操作员及批处理技术3/9/202374北京交通大学计算机学院翟高寿脱机输入输出技术输入设备外围机Input磁带主机(处理机/内存)Output磁带外围机Output磁带输出设备Input磁带3/9/202375北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202376北京交通大学计算机学院翟高寿单道批处理系统q为解决人机矛盾和CPU与I/O设备速率不匹配的矛盾而形成，也即其旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量q把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统所配置的监督程序的控制下使这批作业能一个接一个地自动依次连续处理。q系统对作业的处理成批进行，但在内存中始终之保存着一道作业3/9/202377北京交通大学计算机学院翟高寿单道批处理系统的处理流程还有作业？把下一道作业的源程序转换为目标程序源程序有错？装配目标程序运行目标程序开始停止是是否否3/9/202378北京交通大学计算机学院翟高寿单道批处理系统的特征q自动性磁带上的一批作业能自动地逐个依次执行，而无需人工干预q顺序性磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业完成地顺序与它们进入内存的顺序完全一致q单道性监督程序每次仅从磁带上调入一道程序进入内存运行，仅当该程序完成或发生异常情况时，才调入其后继程序进入内存运行3/9/202379北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202380北京交通大学计算机学院翟高寿多道程序设计基本概念q单道批处理系统缺陷系统资源空闲问题q多道程序设计技术作业后备队列/作业调度算法/系统资源共享包括CPU、内存和I/O设备在内的系统资源利用率的提高系统吞吐量增加3/9/202381北京交通大学计算机学院翟高寿多道程序运行情况 3/9/202382北京交通大学计算机学院翟高寿多道批处理系统作业处理过程3/9/202383北京交通大学计算机学院翟高寿多道批处理系统特征q多道性内存中同时驻留多道程序，并允许并发执行q无序性多个作业完成的先后次序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系q调度性作业调度进程调度3/9/202384北京交通大学计算机学院翟高寿多道批处理系统优缺点q优点系统资源利用率高系统吞吐量大q缺点：作业平均周转时间长，特别对短作业不公平无交互能力，不利于程序调试和修改3/9/202385北京交通大学计算机学院翟高寿多道批处理系统需求分析q处理机管理问题多道程序之间应如何分配被它们共享的处理机，使正确运行且提高处理机利用率；分配与回收q内存管理问题内存分配与保护qI/O设备管理问题设备共享、分配及利用率提高q文件管理问题文件组织方便用户使用、数据安全性及一致性保证q作业管理问题作业调度及系统工作流程组织3/9/202386北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202387北京交通大学计算机学院翟高寿分时系统的产生q人机交互程序修改与调试、直接控制q共享主机19世纪60年代计算机十分昂贵q便于用户上机通过自己终端直接将作业传送到机器上进行处理，并能对自己的作业进行控制q分时系统概念一台主机、多个终端、多用户同时以交互方式使用计算机3/9/202388北京交通大学计算机学院翟高寿分时系统实现中的关键问题q及时接收用户输入命令和数据配置多路卡及设置多路缓冲区q及时处理使所有用户作业都直接进入内存在不长的时间内就能使每个作业都运行一次3/9/202389北京交通大学计算机学院翟高寿分时系统的实现方法q作业应直接进入内存这与批处理系统用户作业先进入磁盘然后在调入内存不同q时间片轮转策略时间片q实现方式单道分时系统具有前台和后台的分时系统多道分时系统3/9/202390北京交通大学计算机学院翟高寿分时系统的特征q多路性宏观上多个用户同时工作和共享系统资源微观上每个用户作业轮流运行一个时间片q独立性各用户在各自终端上独立操作，互不干扰q及时性响应时间q交互性用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话3/9/202391北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202392北京交通大学计算机学院翟高寿实时系统q实时系统的引入实时控制系统实时信息处理系统q实时系统的概念指系统能及时或即时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行q实时任务的类型按任务执行是否呈现周期性来划分根据对截止时间的要求来划分3/9/202393北京交通大学计算机学院翟高寿实时系统与分时系统的比较q 多路性q 独立性q 及时性q 交互性q 系统高度可靠3/9/202394北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202395北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的进一步发展q 通用操作系统q 微机操作系统q 多处理机操作系统q 网络操作系统&分布式操作系统q 集群操作系统q 嵌入式操作系统&智能卡操作系统3/9/202396北京交通大学计算机学院翟高寿1.5 操作系统的发展1.5.1 推动操作系统发展的主要动力1.5.2 无操作系统时的计算机系统1.5.3 单道批处理系统1.5.4 多道批处理系统1.5.5 分时系统1.5.6 实时系统1.5.7 操作系统的进一步发展3/9/202397北京交通大学计算机学院翟高寿作业题作业题q1.4 试从多个角度来阐述单道/多道批处理系统与分时系统及实时系统的区别。3/9/202398北京交通大学计算机学院翟高寿第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 什么是操作系统1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展1.6 操作系统的功能与特征1.7 操作系统的结构设计3/9/202399北京交通大学计算机学院翟高寿1.6 操作系统的功能与特征1.6.1 处理机管理功能1.6.2 存储器管理功能1.6.3 设备管理功能1.6.4 文件管理功能1.6.5 操作系统的特征3/9/2023100北京交通大学计算机学院翟高寿处理机调度q作业调度作业后备队列作业选择与资源分配调入内存与建立进程q进程调度就绪进程队列进程选择与处理机分配设置运行现场与启动运行q调度算法先来先服务/优先权高者优先调度算法3/9/2023101北京交通大学计算机学院翟高寿进程控制q主要任务创建进程撤销进程进程状态转换q进程控制机制原语进程&线程3/9/2023102北京交通大学计算机学院翟高寿进程同步q主要任务进程/线程并发执行协调互斥/同步方式临界资源&临界区q进程同步机制开/关锁原语信号量机制管程3/9/2023103北京交通大学计算机学院翟高寿进程通信q主要任务进程（或线程）间信息交换q进程通信方式共享存储器管道方式消息传递系统A.消息缓冲队列B.邮箱3/9/2023104北京交通大学计算机学院翟高寿1.6 操作系统的功能与特征1.6.1 处理机管理功能1.6.2 存储器管理功能1.6.3 设备管理功能1.6.4 文件管理功能1.6.5 操作系统的特征3/9/2023105北京交通大学计算机学院翟高寿内存分配q主要任务使程序各得其所提高存储器利用率适应程序和数据动态增长的需要q内存分配机制内存分配用数据结构内存分配A.连续/离散分配方式B.静态/动态分配方式内存回收3/9/2023106北京交通大学计算机学院翟高寿内存保护q主要任务确保程序间互不干扰存取访问控制q内存保护机制越界检查硬件实现保护方式A.上下限界限寄存器B.页号页表长度C.段号段表长度&段内地址外存地址-读写指针-读写操作文件描述符表和文件表q文件的存取控制防止未经核准的用户存取文件防止冒名顶替存取文件防止以不正确的方式使用文件系统级/用户级/文件级存取控制3/9/2023117北京交通大学计算机学院翟高寿1.6 操作系统的功能与特征1.6.1 处理机管理功能1.6.2 存储器管理功能1.6.3 设备管理功能1.6.4 文件管理功能1.6.5 操作系统的特征3/9/2023118北京交通大学计算机学院翟高寿操作系统的特征q并发并行与并发、程序与进程/线程q共享互斥共享方式、同时访问方式q虚拟虚拟处理机、虚拟内存、虚拟盘、虚拟设备q异步性进程执行顺序与执行时间的不确定性可重入码可重入码3/9/2023119北京交通大学计算机学院翟高寿异步性举例说明 3/9/2023120北京交通大学计算机学院翟高寿作业题作业题q1.5 谈谈你对操作系统应当具备的资源管理功能的认识与理解。为保证资源的有效管理与控制，操作系统于是体现出哪些特征？3/9/2023121北京交通大学计算机学院翟高寿第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 什么是操作系统1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础1.3 操作系统用户接口及系统调用实现1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展1.6 操作系统的功能与特征1.7 操作系统的结构设计3/9/2023122北京交通大学计算机学院翟高寿1.7 操作系统的结构1.7.1 操