第一讲绪论(partII).ppt

第一讲第一讲 绪论绪论（part II）中国科学技术大学计算机系中国科学技术大学计算机系 陈香兰陈香兰Fall 2013内容提要内容提要v操作系统的定义、设计目标、作用和层次模型v操作系统的发展动力和发展过程v操作系操作系统的特征、主要功能和服的特征、主要功能和服务v操作系操作系统的抽象模型和体系的抽象模型和体系结构构内容提要内容提要v操作系统的定义、设计目标、作用和层次模型v操作系统的发展动力和发展过程v操作系操作系统的特征、主要功能和服的特征、主要功能和服务v操作系统的抽象模型和体系结构操作系统的特征操作系统的特征一、并发：v并行 vs.并发并行并行是指两或多个事件在同一时刻发生。并并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。v程序 vs.进程程序：程序：静态实体；进程程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。是动态实体。引入线程后，独立运行的单位变为线程。v共享系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用互斥共享 VS.同时访问l l互斥共享互斥共享互斥共享互斥共享：一段：一段：一段：一段时间时间只允只允只允只允许许一个一个一个一个进进程程程程访问该资访问该资源源源源l l同同同同时访问时访问：微：微：微：微观观上仍是互斥的上仍是互斥的上仍是互斥的上仍是互斥的临界界资源：源：在一段时间内只允许一个进程访问的资源v并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。v虚拟通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。v异步运行进度不可预知。操作系统的主要功能操作系统的主要功能v处理机管理v存储器管理v设备管理v信息（文件）管理v人机接口处理机管理处理机管理v多道多道多道多道环环境下，境下，境下，境下，处处理机的运行及分配都是以理机的运行及分配都是以理机的运行及分配都是以理机的运行及分配都是以进进程程程程为为单单位，因此位，因此位，因此位，因此处处理机管理可理机管理可理机管理可理机管理可归结为进归结为进程管理。程管理。程管理。程管理。v一、一、一、一、进进程控制程控制程控制程控制创创建建建建/撤消撤消撤消撤消进进程程程程迁移迁移迁移迁移进进程状程状程状程状态态一般由一般由一般由一般由进进程控制原程控制原程控制原程控制原语语完成完成完成完成v二、二、二、二、进进程同步程同步程同步程同步为为使多个使多个使多个使多个进进程有条不紊地运行，程有条不紊地运行，程有条不紊地运行，程有条不紊地运行，应应建立同步机制。建立同步机制。建立同步机制。建立同步机制。包括包括包括包括进进程互斥程互斥程互斥程互斥/同步，次序同步，次序同步，次序同步，次序协调协调。v三、三、三、三、进进程通信程通信程通信程通信源于源于源于源于进进程合作，如：程合作，如：程合作，如：程合作，如：输输入入入入进进程、程、程、程、计计算算算算进进程、打印程、打印程、打印程、打印进进程程程程相互相互相互相互间间有信息有信息有信息有信息传递传递类类型：型：型：型：l l直接通信：直接通信：直接通信：直接通信：进进程程程程A A A A发发messagemessagemessagemessage，进进程程程程B B B B收收收收messagemessagemessagemessage间间接通信：接通信：接通信：接通信：l l进进程程程程A A A A发发messagemessagemessagemessage到中到中到中到中间实间实体（如体（如体（如体（如mailboxmailboxmailboxmailbox），），），），进进程程程程B B B B从中从中从中从中间实间实体收体收体收体收messagemessagemessagemessagev四、作四、作四、作四、作业业与与与与进进程程程程调调度度度度作作作作业调业调度：度：度：度：l l为为作作作作业业分配必要分配必要分配必要分配必要资资源，源，源，源，调调入内存建立入内存建立入内存建立入内存建立进进程，并使程，并使程，并使程，并使之之之之进进入就入就入就入就绪队绪队列。列。列。列。进进程程程程调调度：度：度：度：l l从就从就从就从就绪队绪队列中列中列中列中选选出出出出进进程，分配程，分配程，分配程，分配CPUCPUCPUCPU，使之运行。，使之运行。，使之运行。，使之运行。调调度算法：度算法：度算法：度算法：l lFCFSFCFSFCFSFCFS、优优先先先先权权等等等等存储管理存储管理v目的：方便用目的：方便用目的：方便用目的：方便用户户使用，且提高存使用，且提高存使用，且提高存使用，且提高存贮贮器利用率器利用率器利用率器利用率v一、内存分配一、内存分配一、内存分配一、内存分配静静静静态态分配：分配：分配：分配：动态动态分配：作分配：作分配：作分配：作业业在内存中可移在内存中可移在内存中可移在内存中可移动动需内存分配的数据需内存分配的数据需内存分配的数据需内存分配的数据结结构及内存分配和回收功能构及内存分配和回收功能构及内存分配和回收功能构及内存分配和回收功能v二、内存保二、内存保二、内存保二、内存保护护例：例：例：例：设设置上、下界寄存器，每条指令置上、下界寄存器，每条指令置上、下界寄存器，每条指令置上、下界寄存器，每条指令进进行越界行越界行越界行越界检查检查（一般是硬件（一般是硬件（一般是硬件（一般是硬件实现实现）v三、地址映射三、地址映射三、地址映射三、地址映射地址范地址范地址范地址范围围地址地址地址地址逻辑逻辑空空空空间间逻辑逻辑地址（相地址（相地址（相地址（相对对地址）地址）地址）地址）物理空物理空物理空物理空间间物理地址（物理地址（物理地址（物理地址（绝对绝对地址）地址）地址）地址）v四、内存四、内存扩充充利用虚存技利用虚存技利用虚存技利用虚存技术术，从，从，从，从逻辑逻辑上上上上扩扩充内存容量充内存容量充内存容量充内存容量系系系系统应统应有：有：有：有：请请求求求求调调入入入入/置置置置换换功能以支持虚存技功能以支持虚存技功能以支持虚存技功能以支持虚存技术术设备管理功能v任任任任务务：提高：提高：提高：提高I/OI/OI/OI/O利用率和速度，方便用利用率和速度，方便用利用率和速度，方便用利用率和速度，方便用户户v一、一、一、一、缓缓冲管理冲管理冲管理冲管理缓缓冲区：用来解决冲区：用来解决冲区：用来解决冲区：用来解决CPUCPUCPUCPUI/OI/OI/OI/O矛盾，如：矛盾，如：矛盾，如：矛盾，如：CPUCPUCPUCPU快快快快则应则应多多多多创创建建建建缓缓冲区。冲区。冲区。冲区。v二、二、二、二、设备设备分配分配分配分配包括：包括：包括：包括：设备设备，设备设备控制器，控制器，控制器，控制器，I/OI/OI/OI/O通信的分配和回收通信的分配和回收通信的分配和回收通信的分配和回收v三、三、三、三、设备处设备处理理理理指控制指控制指控制指控制设备进设备进行行行行实际实际的操作，包括的操作，包括的操作，包括的操作，包括读读、写等以及向、写等以及向、写等以及向、写等以及向CPUCPUCPUCPU发发中断。中断。中断。中断。设备处设备处理理理理/驱动驱动程序程序程序程序应应能根据用能根据用能根据用能根据用户户的的的的I/OI/OI/OI/O请请求，自求，自求，自求，自动动地地地地构成通道程序。构成通道程序。构成通道程序。构成通道程序。v四、四、四、四、设备设备独立性和虚独立性和虚独立性和虚独立性和虚拟设备拟设备独立性，即独立性，即独立性，即独立性，即programprogramprogramprogram与与与与设备设备无关性，使无关性，使无关性，使无关性，使programprogramprogramprogram易于重易于重易于重易于重定向，增加了可移植性。定向，增加了可移植性。定向，增加了可移植性。定向，增加了可移植性。虚虚虚虚拟设备拟设备文件管理的功能vv任任任任务务：方便用：方便用：方便用：方便用户户，提供安全性，提供安全性，提供安全性，提供安全性vv一、文件存一、文件存一、文件存一、文件存贮贮空空空空间间的管理的管理的管理的管理例：文件系例：文件系例：文件系例：文件系统统根据文件根据文件根据文件根据文件长长度自度自度自度自动动分配分配分配分配连续连续或离散的扇或离散的扇或离散的扇或离散的扇区，并提供区，并提供区，并提供区，并提供“一一一一句柄句柄句柄句柄”表示表示表示表示该该文件。文件。文件。文件。vv二、目二、目二、目二、目录录管理管理管理管理使用使用使用使用户户按名存取，提高速度。按名存取，提高速度。按名存取，提高速度。按名存取，提高速度。vv三、文件的三、文件的三、文件的三、文件的读读、写管理和存取控制（即保、写管理和存取控制（即保、写管理和存取控制（即保、写管理和存取控制（即保护护）用户接口vv一、命令接口一、命令接口一、命令接口一、命令接口由一由一由一由一组组“命令命令命令命令”集集集集组组成，分成，分成，分成，分为联为联机和脱机用机和脱机用机和脱机用机和脱机用户户接口接口接口接口1.1.1.1.联联机用机用机用机用户户接口接口接口接口l l由一由一由一由一组键盘组键盘操作命令及命令解操作命令及命令解操作命令及命令解操作命令及命令解释释程序所程序所程序所程序所组组成成成成2.2.2.2.脱机（批脱机（批脱机（批脱机（批处处理用理用理用理用户户接口）接口）接口）接口）l l用用用用JCLJCLJCLJCL写作写作写作写作业说业说明明明明书书v二、程序接口二、程序接口二、程序接口二、程序接口系系系系统调统调用用用用高高高高级语级语言的言的言的言的库库函数函数函数函数v三、三、三、三、图图形接口形接口形接口形接口如如如如 winwinwinwin的的的的copycopycopycopy文件，采用文件，采用文件，采用文件，采用“拖拖拖拖”来完成，生来完成，生来完成，生来完成，生动动，不需，不需，不需，不需记忆记忆 操作系统提供的服务v操作系操作系统的各种功能，最的各种功能，最终要封装成要封装成“服服务”的形式提供的形式提供给用用户v一、操作系一、操作系统的公共服的公共服务类型型装装装装载载并运行程序并运行程序并运行程序并运行程序提供各种提供各种提供各种提供各种I/OI/OI/OI/O操作操作操作操作提供文件系提供文件系提供文件系提供文件系统统及文件操作及文件操作及文件操作及文件操作提供通信服提供通信服提供通信服提供通信服务务提供差提供差提供差提供差错检测错检测服服服服务务v二、操作系二、操作系二、操作系二、操作系统统提供服提供服提供服提供服务务的最基本方式的最基本方式的最基本方式的最基本方式系系系系统调统调用用用用v三、系三、系三、系三、系统调统调用的用的用的用的类类型型型型进进程控制程控制程控制程控制类类文件操作文件操作文件操作文件操作类类设备设备管理管理管理管理类类通信通信通信通信类类，例如消息，例如消息，例如消息，例如消息传传送机制送机制送机制送机制信息信息信息信息维护类维护类，例如日期信息、系，例如日期信息、系，例如日期信息、系，例如日期信息、系统统信息等信息等信息等信息等内容提要内容提要v操作系统的定义、设计目标、作用和层次模型v操作系统的发展动力和发展过程v操作系统的特征、主要功能和服务v操作系操作系统的抽象模型和体系的抽象模型和体系结构构传统操作系统的抽象模型传统操作系统的抽象模型v传统的进程模型v线程模型进程模型进程模型v进程这一术语，最初是在20世纪60年代初期，在麻省理工学院（MIT）的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360系统中引入的 v现代操作系统都以进程（Process）为单位来分配包括处理机、内存、I/O等在内的各种资源，以实现对计算机系统的并发控制机制。v围绕进程而展开的工作主要包括进程管理、进程控制、进程同步、进程间通信以及进程调度等 v进程的地址空间地址空间中的代码、数据和堆栈等内容决定了一个进程所能执行的任务v进程描述符及其上下文包括程序指针、堆栈指针以及其他硬件寄存器决定了一个进程的当前执行情况。v进程调度调度是操作系统实现处理机并发控制的关键。调度中最能体现进程模型本质的核心功能是进程切程切换调度算法仅仅被用来决定在什么时机、切换到哪个进程上。最常见的调度算法包括l时间片轮转调度、l基于优先级的可抢占或不可抢占调度l一些实时调度算法l等等 v进程间通信机制用于进程之间交换信息也是进程之间进行通信的唯一途径。就模型而言，进程之间实现通信必须有进程调度机制的介入。常见的进程间通信机制包括l信号、l信号量、l管道、l消息队列、l套接字。线程模型线程模型 v线程模型从进程模型发展而来。将进程的执行上下文从进程描述符中分离出来，就得到了线程的概念。v线程是指令在进程地址空间中的执行轨迹 在线程模型中，进程可以是单线程的，也可以是多线程的。传统进程模型中的进程可以看成是单线程的。v任何一个线程都属于某个进程。v根据是否跨越进程边界，进程/线程在管理、控制、同步、通信和调度上有了两个层次，即进程内部和进程之间。v通常，现代操作系统在大多数情况下仍然是不区分这两种情况的v例外：进程内部的线程之间可以通过进程地址空间直接共享某些数据，而不必采用传统的进程间通信机制。操作系统的体系结构v软软件体系件体系结结构（构（Software ArchitectureSoftware Architecture）对软对软件系件系统统的构造具有指的构造具有指导导性的作用。性的作用。vBassBass在在20032003年关于年关于软软件体系件体系结结构的定构的定义义：“软软件体系件体系结结构是一种系构是一种系统结统结构，构，该结该结构包括构包括软软件元件元素、元素的外部可素、元素的外部可视视属性、元素之属性、元素之间间的关系的关系”。v因此，因此，OSOS体系体系结结构包含如下几个方面：构包含如下几个方面：OSOS的功能模的功能模块块是如何是如何组组成的，即采用什么成的，即采用什么样样的的软软件件元素？元素？OSOS的功能模的功能模块块的哪些信息的哪些信息/属性是相互可属性是相互可见见的？的？OSOS的功能模的功能模块块之之间间是如何互操作的？是如何互操作的？操作系统体系结构的发展历程操作系统体系结构的发展历程v无无无无结结构，或者构，或者构，或者构，或者说简单结说简单结构构构构v单单一内核一内核一内核一内核结结构构构构v模模模模块块化化化化结结构构构构v层层次式次式次式次式v微内核和第二代微内核微内核和第二代微内核微内核和第二代微内核微内核和第二代微内核v混合内核混合内核混合内核混合内核v外核外核外核外核简单结构的操作系统简单结构的操作系统v操作系操作系统发统发展初期展初期受到硬件性能、受到硬件性能、软软件水平的限制件水平的限制没有清晰的体系没有清晰的体系结结构构v操操作作系系统统功功能能模模块块和和用用户户应应用用程程序序混混杂杂在在一一起起，在在同同一一个个地地址址空空间间上上运运行行，模模块块之之间间可可以以相相互互任任意意调调用，用，v例例如如：MS-DOSMS-DOS、早早期期的的UNIXUNIX系系统统以以及及一一些些早早期期的的或者小型的嵌入式系或者小型的嵌入式系统统。单一内核结构单一内核结构单一内核结构单一内核结构v随着硬件平台在性能上、数量上、种类上以及对操作系统的支持上的发展，操作系统的结构有了新的发展系统调用使得操作系统与用户应用程序隔离开来；随着操作系统的功能越来越多、模块之间的调用关系也越来越复杂形成了单一的、体积庞大的操作系统内核v这种结构被称为单一大内核（Monolithic Kernel）结构。用户应用只能通过中断、异常、系统调用的方式使用操作系统提供的服务用户应用程序之间通过进程间通信机制进行通信。模块化结构模块化结构v随着软件开发技术的发展，单一大内核结构的操作系统逐渐采用了模模块化化设计方法方法模块之间定义了很好的以函数调用的形式提供的接口在一定程度上提高了操作系统的可维护性。v常见的例如：UNIX类 层次结构层次结构v为减少OS各模块之间紧密依赖和相互调用的关系，特别是消除循环调用现象，实现有序调用v在层次结构的操作系统内核中，系统由若干层次构成，每一层都建立在其下的一层之上最底层是硬件裸机，最高层则是应用程序。每一层均公布一定的接口给外层访问，每个层次内部的数据和操作对其他层都是不可见的。v根据每一层内部各模块之间是否存在调用关系，层次结构进一步被划分为全序的操作系统，如1968年Dijkstra等开发的THE系统半序的操作系统，如多伦多大学的SUE操作系统。微内核结构微内核结构vRichard Rashid在CMU开发Mach时提出了微内核思想 微内核仅仅提供进程管理、线程管理、内存管理、通信和I/O服务等基本功能其他的功能，诸如文件系统、窗口管理器、WEB服务等都被定义在核外，作为用户态（服务）进程运行进程之间只能基于消息传递机制通信v又称为客户机/服务器结构，后来成为分布式操作系统最常使用的一种结构 v微内核结构的优点：良好的兼容性、扩充性、灵活性、移植性、可靠性和网络支持 v微内核存在一个致命的效率问题：与系统组件之间的基于消息传递的通信效率远低于对单一大内核中相应系统功能原语的调用效率v典型的微内核（又称第一代微内核）有Mach、Minix、QNX等。第二代微内核第二代微内核v解决微内核设计性能问题的一条思路是对微内核的进程间通信机制加以改进以优化其性能。由此产生了第二代微内核系统L4。混合内核混合内核v混合内核是解决微内核设计性能问题的另一个方法即扩大微内核并把一些关键的服务程序和驱动程序重新加入到内核中去，如Windows NT 4.0把图形系统重新加入内核以提高性能。v但这种方法削弱了微内核思想在系统的扩充性、灵活性和可靠性等方面所带来的优点 外核（外核（Exokernel）vExokernel提出了外核的概念，它试图将操作系统接口降低到硬件层在外核结构中，内核只用来负责简单的申请、释放并复用硬件资源，而将内存映射、I/O和复杂的线程包等所有在传统操作系统内核中提供的抽象都转移到用户空间，以库的形式提供，用户程序通过调用库的形式实现对硬件资源的直接访问。v外核结构可以看成是微内核结构的一种极端形式操作系统体系结构小结操作系统体系结构小结从上述OS体系结构的发展过程中可以看出：v除了简单结构以外，操作系统中都存在一个内核内核核外的程序通过中断、异常、系统调用的方式访问内核中提供的服务；内核内部模块之间采用函数调用的形式直接调用（不论接口定义是否良好）；v操作系统提供给核外的程序的抽象是抽象是进程程/线程程包括用户应用和外放到核外运行的操作系统功能模块进程/线程之间通过进程间通信机制进行通信；本课内容回顾本课内容回顾v操作系统的特征、主要功能和服务v操作系统的抽象模型和体系结构作业作业v操作系统最基本的两个特征是什么？v什么是操作系统的体系结构，有哪些？