軟件工程 - 長春理工大學精品課

1、操作系統(tǒng) Operating System,課 程 簡 介,課程名稱：操作系統(tǒng)（ Operating System ）教 材：《計算機操作系統(tǒng)》劉福巖等 《計算機操作系統(tǒng)》湯子贏等教學方式：授課（ 48）+上機實習（16）考試類別：考試參考教材：1、現(xiàn)代操作系統(tǒng)，陳向群等譯，機械工業(yè)出版社2、操作系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，王鵬等譯，電子工業(yè)出版社3、計算機操作系統(tǒng)教程， 張

2、堯?qū)W、史美林，清華大學出版社,教學目的,通過對本章的講解使學生了解本課程的整體介紹 理解操作系統(tǒng)的概念，功能、作用、分類，特征，以及結構設計,本章重點：,1、熟悉操作系統(tǒng)作用和定義，了解操作系統(tǒng)的歷史。 2、了解二類計算機硬件系統(tǒng)結構，熟悉現(xiàn)代操作系統(tǒng)的硬件基礎——通道和中斷。 3、熟練掌握多道程序設計技術的概念，掌握批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)及實時系統(tǒng)三種操作系統(tǒng)基本類型，了解微機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)。 4、掌握

3、操作系統(tǒng)并發(fā)性、共享性、虛擬性和異步性等特征，了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)特征，熟悉操作系統(tǒng)功能。,本章難點：,“多道程序系統(tǒng)”的功能實現(xiàn)“分時操作系統(tǒng)”的功能實現(xiàn)真正理解操作系統(tǒng)的主要特征,第1章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標和作用 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1.3 操作系統(tǒng)的功能和主要特征1.4 操作系統(tǒng)的機制和策略1.5 操作系統(tǒng)的體系結構 1.6 典型操作系統(tǒng)簡介,本章學習目標,掌握操作系統(tǒng)的概念及作用了解操作系統(tǒng)

4、的發(fā)展過程掌握操作系統(tǒng)的特征與功能牢記多道程序設計的概念理解操作系統(tǒng)的模型,1·1 操作系統(tǒng)的目標和作用,1.存儲程序計算機的組成,1.1.1 馮.諾依曼結構的計算機,(1) 概念和模型過于復雜，用戶編程十分困難 在裸機基礎上通過軟件構造一個概念和模型相對簡單，更容易理解和進行程序設計的虛擬機，可以認為這個虛擬機就是操作系統(tǒng)，如磁盤管理。和裸機提供的概念和模型相比，操作系統(tǒng)構造和提供的概念和模型要簡單得多，用戶也

5、更容易編程和使用。(2)性能不高 裸機提供的概念和模型過于復雜，用戶直接對裸機編制的程序，程序運行時效率往往非常低，其原因在于直接對裸機編程，用戶往往不能充分利用裸機提供的資源，特別是不能最大限度的開發(fā)系統(tǒng)的并行性。如多道程序技術。,2.直接使用裸機的困難,示例,1.現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的組成,1.1.2 操作系統(tǒng)的作用,2.操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位,緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境）,(1)從資源管理的觀

6、點—OS作為資源管理器： OS的首要任務是管理計算機系統(tǒng)中硬件與軟件資源，使其得到充分而有效的利用：1）跟蹤資源狀態(tài)：時刻掌握計算機系統(tǒng)中資源的使用情況。2）分配資源：處理對資源的使用請求，協(xié)調(diào)沖突，確定資源分配算法。3）回收資源：回收用戶釋放的資源，以便下次重新分配。 4）保護資源：負責對系統(tǒng)資源的保護，避免受破壞。,3.操作系統(tǒng)的作用(體現(xiàn)在三個方面),操作系統(tǒng)作為資源管理器的觀點是目前人們對操作系統(tǒng)認識的一個主要

7、觀點，根據(jù)此觀點，人們將計算機資源劃分為四大類： 1）處理機 2）存儲器 3）I/O設備 4）信息（程序與數(shù)據(jù)） 相應可將操作系統(tǒng)分為四類管理器： 1）處理機管理 2）存儲管理 3）設備管理 4）信息管理（文件系統(tǒng)）,(2)從軟件分層、擴允機器的觀點—虛擬機：提供硬件的高層界面(虛擬機),取消硬件限制1）操作系統(tǒng)提供無限的內(nèi)存、無限

8、的CPU2）擴充機器，功能更強大，使用更方便【虛擬機】：使用戶和程序員在不必涉及和了解硬件工作細節(jié)的情況下能方便的使用計算機，而為用戶所提供的一個等價的擴展計算機，稱為虛擬計算機。,(3)從服務用戶的觀點—OS用戶與裸機間接口：操作系統(tǒng)為方便用戶使用計算機提供了二級訪問接口：1）命令接口:命令行。 2）調(diào)用接口:形式上類似于過程調(diào)用，在應用編程中使用。 3）圖形接口：圖形用戶界面GUI，方便用戶使用。編程更為容

9、易，軟件可移植性增強；使用更為方便。,1.操作系統(tǒng)的目標有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點）：管理和分配硬件、軟件資源，合理地組織計算機的工作流程方便性（用戶的觀點）提供良好的、一致的用戶接口，彌補硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別可擴充性與開放性（開放的觀點）：硬件類型和規(guī)模、操作系統(tǒng)本身的功能和管理策略、多個系統(tǒng)間的資源共享和互操作。,1.1.3 操作系統(tǒng)的目標與定義,2.操作系統(tǒng)的定義,操作系統(tǒng)是控制和管理計算機系統(tǒng)的硬件和

10、軟件資源，合理的組織計算機工作流程以及方便用戶使用的程序和數(shù)據(jù)的集合。 設置操作系統(tǒng)的目的就是提高計算機系統(tǒng)的效率，增強系統(tǒng)的處理能力，充分發(fā)揮系統(tǒng)的利用率，方便用戶使用。,1·2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程,操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力是用戶的需求，并隨著計算機硬件技術、軟件技術的發(fā)展而不斷發(fā)展完善。 1）提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計算機發(fā)展的初期，計算機系統(tǒng)昂貴，用作集中計算 2）方便用戶：用戶上機

11、、調(diào)試程序，分散計算時的事務處理和非專業(yè)用戶。 3）硬件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存、新硬件、新技術的出現(xiàn)等。 4）計算機體系結構的不斷發(fā)展。,1·2 OS的發(fā)展史—手工,1、手工操作 （1946 ~ 50年代，電子管時代）【特點】：計算機資源昂貴 ，沒有操作系統(tǒng)【工作方式】：用戶：用戶既是程序員、操作員，還是計算機專業(yè)人員；編程語言：為機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；【計算機的

12、工作特點】：用戶獨占全機：用戶獨占計算機所有資源，資源利用率低；CPU等待用戶：計算前，手工裝入紙帶或卡片；計算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低；【主要矛盾】：計算機處理能力的提高，手工操作的低效率用戶獨占全機的所有資源；,圖例,手工時期的操作,聯(lián)機批處理,1·2 OS的發(fā)展史—單道,2、單道批處理系統(tǒng)（ 50年代末 ~ 60年代中，晶體管）【特點】： 利用磁帶把若干個作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列

13、，每個批作業(yè)由一個專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動依次處理?？墒褂脜R編語言開發(fā)。【批處理中的作業(yè)的組成】：用戶程序數(shù)據(jù)作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言）【批處理】：供一次加載的磁帶或磁盤，通常由若干個作業(yè)組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶）,1·2 OS的發(fā)展史—單道,批處理方式可分為聯(lián)機批處理和脫機批處理。1）聯(lián)機批處理用戶提交作業(yè)：以紙帶或卡片為介質(zhì)；操作員合成批作業(yè)：結果為磁帶介質(zhì)；批作業(yè)處理

14、：對批作業(yè)中的每個作業(yè)進行相同的處理：從磁帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動執(zhí)行；執(zhí)行結果輸出?！敬嬖诘膯栴}】： 慢速的輸入輸出處理仍直接由主機來完成。輸入輸出時，CPU處于等待狀態(tài)。,1·2 OS的發(fā)展史—單道,2）脫機批處理,系統(tǒng)庫,1·2 OS的發(fā)展史—單道,2）脫機批處理 利用衛(wèi)星機完成輸入輸出功能。主機與衛(wèi)星機可并行工作。衛(wèi)星機：完成面向用戶

15、的輸入輸出（紙帶或卡片），中間結果暫存在磁帶或磁盤上。作業(yè)控制命令由監(jiān)督程序(monitor)來執(zhí)行，完成如裝入程序、編譯、運行等操作?！緝?yōu)點】：同一批內(nèi)各作業(yè)的自動依次更替，改善了主機CPU和I/O設備的使用效率，提高了吞吐量?！救秉c】：磁帶或磁盤需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類，監(jiān)督程序易遭到用戶程序的破壞（由人工干預才可恢復）。,1·2 OS的發(fā)展史—單道,【單道批處理的特征】：自動性:磁帶上一批作業(yè)能自動逐個依次

16、運行對I/O為主的作業(yè)，CPU空閑； 順序性:作業(yè)順序進入內(nèi)存,執(zhí)行與完成的順序和調(diào)入的順序完全相同。單道性:內(nèi)存中僅有一道程序,只有該程序完成或發(fā)生異常時,才調(diào)入后繼程序進入內(nèi)存運行【單道批處理的主要問題】： 一個用戶獨占全部資源CPU負責計算，也負責傳輸,CPU與外設速度不匹配。 CPU與I/O串行資源利用率仍然很低。,中斷技術和通道技術,60年代硬件兩個重大進展：中斷技術和通道技術 1）

17、中斷：指CPU在收到外部中斷信號后，停止原來工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，完畢后回到原來斷點繼續(xù)工作。 【中斷處理過程】：中斷請求，中斷響應，中斷點（暫停當前任務并保存現(xiàn)場），中斷處理例程，中斷返回（恢復中斷點的現(xiàn)場并繼續(xù)原有任務。 【中斷分類】：硬件中斷（分為硬件故障中斷、I/O中斷和外部中斷）與軟件中斷（可分為程序中斷 和訪管中斷）。,中斷的處理過程,,中斷技術和通道技術,2）通道(又稱為I/O處理機)：實際上是一臺功能單一、

18、結構簡單的I/O處理機，它單獨與CPU，并直接控制外部設備，與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸。 通道有專用的I/O處理器，可與CPU并行工作。通道具有自己的指令（通道指令），可編程實現(xiàn)各種復雜的I/O處理?？蓪崿F(xiàn) I/O聯(lián)機處理 【CPU與通道的通訊】：CPU與通道之間為主（CPU）從關系（通道），采用通道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：CPU向通道發(fā)出I/O指令；通道執(zhí)行通道程序進行I/O操作；I/O完成或出錯時，以中斷方式請求CPU處理。,單通道

19、I/O系統(tǒng),,通道的四級連接，三級控制（CPU->通道->控制器->設備）,【多道程序設計原理】：在計算機內(nèi)存中同時存放幾道相互獨立的程序，它們在管理程序的控制下相互穿插地運行，共享CPU和外設等資源。采用多道程序設計技術的批處理系統(tǒng)稱為多道批處理系統(tǒng)。 1）多道程序設計的實現(xiàn) 存儲保護與重定位。在多道程序設計環(huán)境中，幾道程序共享同一內(nèi)存，硬件必須提供必要的手段保證各道程序之間不互相侵犯。處理機管理和調(diào)度。多

20、道程序共享同一個處理機，因此存在處理機的調(diào)度問題。資源的管理和調(diào)度。多道程序共享資源，同樣存在著資源的分配問題。,1·2 OS的發(fā)展史—多道,1·2 OS的發(fā)展史—多道,2）多道程序設計的特征多道。同時存在兩道或兩道以上的程序處于執(zhí)行的開始點和結束點中間。宏觀并行。都處于運行狀態(tài)，但都未運行完；微觀串行。各作業(yè)交替使用CPU。 3）多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點：資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高；作業(yè)吞吐

21、量大：單位時間內(nèi)完成工作總量大；用戶交互性差：整個作業(yè)完成后或中間出錯時，才與用戶交互，不利于調(diào)試和修改；作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間（從作業(yè)提交到完成的這段時間）顯著增長；,單道和多道批處理的比較,多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(Multi-Processing System)的區(qū)別：前者指多個程序同時在內(nèi)存中交替運行，后者指多個處理器。,多道批處理系統(tǒng)的資源利用,多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征是基于各作業(yè)對系統(tǒng)資源的需求差異

22、得到的。 例如：有3個作業(yè)A、B、C，分別為計算、檢索和打印作業(yè)，單道運行時間分別為5分、15分和10分鐘。它們可并行在15分鐘內(nèi)完成3個作業(yè)。各資源在單道、多道環(huán)境下的利用效率是多少？,4）多道批處理系統(tǒng)的核心技術：作業(yè)調(diào)度：作業(yè)的現(xiàn)場保存和恢復資源共享：資源的競爭和同步——互斥機制內(nèi)存使用：提高內(nèi)存使用效率（為當前由CPU執(zhí)行的程序提供足夠的內(nèi)存）——覆蓋(overlay)，交換(swap)和虛擬存儲(virtual m

23、emory)內(nèi)存保護：系統(tǒng)存儲區(qū)和各應用程序存儲區(qū)不可沖突，即存儲保護文件非順序存放、隨機存取。,出現(xiàn)了：作業(yè)管理、處理機管理、存儲管理、設備管理、文件系統(tǒng)管理(file system),1·2 OS的發(fā)展史—多道,課堂練習1.1,操作系統(tǒng)是一種 A ，在操作系統(tǒng)中采用多道程序設計方式能提高CPU和外部設備的 B 。一般來說，為了實現(xiàn)多道程序設計，計算機需要有 C 。A: (1)通用軟件； (2)系統(tǒng)軟件；

24、 (3)應用軟件； (4)軟件包。B: (1)利用效率； (2)可靠性； (3)穩(wěn)定性； (4)兼容性。C：(1)更大的內(nèi)存； (2)更快的外部設備； (3)更快的CPU； (4)更先進的終端；,答案：A(2),B(1),C(1),1·2 OS的發(fā)展史—分時,4、分時操作系統(tǒng) （70年代中期至今，大規(guī)模集成電路）【分時】：兩個或兩個以上的事件按時間劃分輪流的使

25、用計算機系統(tǒng)的某一資源。 【分時系統(tǒng)】：多個用戶分時（分時的時間單位稱為時間片，通常為幾十毫秒）地使用同一計算機系統(tǒng)稱為分時系統(tǒng)。主要采用時鐘和中斷技術。 1）分時系統(tǒng)實現(xiàn)方法：系統(tǒng)配置多路卡及時接受各終端輸入命令和數(shù)據(jù)。及時處理，不允許某作業(yè)長期占用處理機, 將響應周期分為很短的時間片,在該周期內(nèi)每個作業(yè)輪流執(zhí)行一次(占一個時間片)。每個作業(yè)可以及時接收用戶的命令和數(shù)據(jù), 并能及時得到處理。,分時系統(tǒng)的結構示意圖,,1

26、3;2 OS的發(fā)展史—分時,2）分時系統(tǒng)的特點：同時性或多路性：多用戶同時操作、使用計算機獨占性：各終端用戶感覺到自己獨占了計算機；及時性：用戶的請求能在較短時間內(nèi)響應；交互性：用戶能與計算機進行人—機對話。 3）調(diào)進和調(diào)出（Roll-in / Roll-out）調(diào)進/調(diào)出是實現(xiàn)分時系統(tǒng)的一種主要方式，包括：主存—后援存儲器方式：簡單分時系統(tǒng)所采用，特點：內(nèi)存只存放一個當前執(zhí)行作業(yè)，其他放在外存上。多流調(diào)入調(diào)出方式：基于

27、多道程序技術，特點主存中同時存放一個當前執(zhí)行作業(yè)和多個后備作業(yè)。,1·2 OS的發(fā)展史—分時,4）分時系統(tǒng)的響應時間 響應時間為用戶發(fā)出一條指令到系統(tǒng)處理完這條指令并做出回答所需要的時間。是衡量分時系統(tǒng)性能好壞的一條重要標志，但具體的響應時間與系統(tǒng)的用戶個數(shù)及時間片大小有關。響應時間T與時間片q和用戶個數(shù)n之間的關系為T=n q 。 【注意】：分時系統(tǒng)在輪轉(zhuǎn)處理多個終端用戶的請

28、求時，在調(diào)入/調(diào)出上增加了許多時間消耗，其中主要是主存與后援存儲器之間的信息交換時間。因此為改善響應時間需要：加快主存與后援存儲器之間的對換速度;減少對換的信息量。 現(xiàn)在的許多操作系統(tǒng)都具有分時處理的功能，在分時系統(tǒng)的基礎上，操作系統(tǒng)的發(fā)展開始分化，如實時系統(tǒng)、通用系統(tǒng)、個人系統(tǒng)等。,課堂練習1.2,分時系統(tǒng)中，為使多個用戶能夠同時與系統(tǒng)交互，最關鍵的問題是 A ，當用戶數(shù)目為100時，為保證響應不超過2秒；此時的時間片最大應

29、為 B 。A： (1)計算機具有足夠的運行速度； (2)內(nèi)存容量應足夠大； (3)系統(tǒng)能及時地接收多個用戶輸入； (4)能在一短的時間內(nèi)，使所有用戶程序都能運行； (5)能快速進行內(nèi)外存對換。B： (1)10ms； (2)20ms； (3)50ms； (4)100ms； (5)200ms。,答案：A(4),B(2),1·2 OS的發(fā)展史—實時,5、實

30、時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng)主要用于過程控制、事務處理等有實時要求的領域，其主要特征是實時性和可靠性。 1）實時系統(tǒng)的分類：實時控制：要求與被控制的變化速度相比，其反應速度足夠快；工作安全可靠；需要人工干預時，操作簡便。如生產(chǎn)過程控制，宇航自動控制等。實時信息處理系統(tǒng)：要求計算機能夠在容許的延遲時間內(nèi)，響應外部的事件請求，完成對該事件的處理，并控制所有的實時設備和實時任務協(xié)調(diào)運行。如飛機訂票系統(tǒng), 期貨、股票交

31、易系統(tǒng)等。,1·2 OS的發(fā)展史—實時,2）實時系統(tǒng)的特征： 實時系統(tǒng)具有專用性、種類多、用途各異等特點，其一個基本特征是事件驅(qū)動，即接收到某些外部信息后，由系統(tǒng)選擇某一程序去執(zhí)行，完成相應的實時任務。實時時鐘管理。向系統(tǒng)提供日期、時刻以及定時任務（每間隔一固定時間循環(huán)執(zhí)行）和延遲任務（推遲一段時間后執(zhí)行）進行控制的信號。中斷管理。實時系統(tǒng)必須有效和高速的完成各種中斷處理。系統(tǒng)容錯管理。高可靠性一直是實時系統(tǒng)的

32、設計目標。,1·2 OS的發(fā)展史—實時,多重任務管理。實時系統(tǒng)的物理過程具有并發(fā)性的特點，因此實時系統(tǒng)應具備多重任務處理的能力，且強調(diào)任務調(diào)度與轉(zhuǎn)換的高效性。系統(tǒng)生成能力。實時系統(tǒng)大多是專用性的系統(tǒng)，其種類與規(guī)模相差較大，因此，要求實時操作系統(tǒng)應具有較強的生成能力，以便根據(jù)需要裁剪或補貼系統(tǒng)功能，使之與應用系統(tǒng)相適應。 目前的操作系統(tǒng)，通常具有分時、實時和批處理功能，又稱作通用操作系統(tǒng)?？蛇m用于計算、事務處理等

33、多種領域，能運行在多種硬件平臺上，如 UNIX系統(tǒng)、Windows NT等?！ㄓ没?、小型化,分時系統(tǒng)與實時系統(tǒng)的比較,1）系統(tǒng)的設計目標不同。分時系統(tǒng)是提供一種隨時可供多個用戶使用的通用型很強的操作系統(tǒng)，而實時操作系統(tǒng)大多數(shù)是具有特殊用途的專用系統(tǒng)。 2）交互性的強弱。分時具有較強的對話與交互能力，而實時系統(tǒng)交互性很弱。 3）響應時間的長短。分時只要能滿足一般用戶能接受的等待時間即可，而實時系統(tǒng)的響應時間要求嚴格。 4）

34、另外其均具備多路性、獨立性、及時性、交互性、可靠性，只是實時系統(tǒng)對系統(tǒng)的及時性和可靠性要求更高。,1·2 OS的發(fā)展史—網(wǎng)絡,6、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（NOS,Network Operating System） 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎上提供網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡服務功能的操作系統(tǒng)。,1·2 OS的發(fā)展史—網(wǎng)絡,【計算機網(wǎng)絡基本概念】1）計算機網(wǎng)絡：計算機網(wǎng)絡是計算機技術與通信技術相結合的產(chǎn)物,是互連起

35、來的計算機的集合.2）計算機網(wǎng)絡產(chǎn)生的背景：微電子技術的發(fā)展與進步；計算機的應用社會化；通信技術的進步和普及。3）特征： 資源共享性；獨立自主性4）微機網(wǎng)絡：微型機技術的巨大進展, 微機網(wǎng)絡也隨之崛起，并獲得高速的發(fā)展，巳成為計算機網(wǎng)絡中最活躍的一個分枝。,1·2 OS的發(fā)展史—網(wǎng)絡,【網(wǎng)絡的構成】：1）主機(HOST)：主機是組成網(wǎng)絡的獨立自主的計算機系統(tǒng)，用于運行用戶程序(即應用程序)。2)子網(wǎng)（通信子網(wǎng)) :

36、 是將入網(wǎng)主機連接起來的實體。子網(wǎng)的任務是在入網(wǎng)主機之間傳遞信息,以提供通信服務.,3）協(xié)議（protocol）：網(wǎng)絡計算機在互相通信時為能正確進行并相互理解通信內(nèi)容需遵循的約定。如TCP/IP等。,1·2 OS的發(fā)展史—網(wǎng)絡,【網(wǎng)絡操作系統(tǒng) 】 : 在通常的操作系統(tǒng)中增加了實現(xiàn)網(wǎng)絡低層協(xié)議（一般到傳送層）功能和網(wǎng)絡設備管理功能的操作系統(tǒng)。如UNIX、LINUX, WINDOWS NT都是網(wǎng)絡操作系統(tǒng)?！揪W(wǎng)絡OS功能】

37、: 高效、可靠的網(wǎng)絡通信 對網(wǎng)絡中共享資源（在LAN中有硬盤、打印機等）有效的管理 提供電子郵件、文件傳輸、共享硬盤、打印機等服務 網(wǎng)絡安全管理 提供互操作能力,1·2 OS的發(fā)展史—分布,7、分布式操作系統(tǒng)（Distributed Operating System） 1）分布式計算機系統(tǒng)是以計算機網(wǎng)絡為基礎的計算機系統(tǒng)，包含多臺處理機，每臺處理機完成系統(tǒng)中指定的一部分功能。 從硬件上講，它與計算機局域網(wǎng)沒有任何區(qū)

38、別，關鍵是軟件?！咎卣鳌浚阂杂嬎銠C網(wǎng)絡為基礎；處理上的分布，即功能和任務的分布。所有系統(tǒng)任務可在系統(tǒng)中任何處理機上運行，自動實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務分配并自動調(diào)度各處理機的工作負載。堅強性(強壯性) 高可靠性,2）分布式操作系統(tǒng)的特點 分布式和集中式操作系統(tǒng)的主要區(qū)別在于通訊、資源管理和系統(tǒng)結構三個方面。分布式主要特點是：系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性。各系統(tǒng)內(nèi)結點自治，且信息傳播需要時間，很

39、難及時和準確把握系統(tǒng)的狀態(tài)信息。控制機構的復雜性。不存在主從關系或?qū)哟侮P系，增加了控制的復雜性。通訊開銷引起性能下降。 3）分布式OS的功能： (1) 進程遷移 (2) 分布式同步 (3) 任務分配 (4) 資源管理,1·2 OS的發(fā)展史—分布,網(wǎng)絡和分布式的區(qū)別,1) 分布式系統(tǒng)的各個計算機之間處于平等 地位無主從關系；網(wǎng)絡有一些主從關系2) 分布式系統(tǒng)資源為所有用戶共享；而網(wǎng)絡有限制地

40、共享。3) 分布式系統(tǒng)中一項任務可分給若干處理單元相互協(xié)作共同完成，而網(wǎng)絡往往是各司其責,1·2 OS的發(fā)展史—多處理機,8、多處理操作系統(tǒng)（Multi-processor Operating System） 多處理機系統(tǒng)是由多臺處理器組成的計算機系統(tǒng)。多處理操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了提高計算機系統(tǒng)性能和可靠性。提高性能有兩條途徑：提高各個組成部分的速度、或增大處理的并行程度。1975年前后，出現(xiàn)多處理機系統(tǒng)(mult

41、i-processor)?！径嗵幚頇C系統(tǒng)的特點】：增加系統(tǒng)的吞吐量：N個處理器加速比達不到N倍（額外的調(diào)度開銷，算法的并行化）提高系統(tǒng)可靠性：故障時系統(tǒng)降級運行,【多處理機系統(tǒng)的類型】：緊密耦合：各處理機之間通過快速總線或開關陣列相連，共享內(nèi)存，整體系統(tǒng)由一個統(tǒng)一的OS管理（一個OS核心）。松散耦合：各處理機帶有各自的存儲器、I/O設備和操作系統(tǒng)，通過通道或通信線路相連。每個處理機上獨立運行OS。,1·2 OS的發(fā)

42、展史—多處理機,【多處理操作系統(tǒng)的類型】：非對稱式多處理：又稱主從模式。主處理器：只有一個，運行OS。管理整個系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務；從處理器：可有多個，執(zhí)行應用程序或I/O處理。特點：不同性質(zhì)任務的負載不均，可靠性不夠高，不易移植（通常要求硬件也是"非對稱"）。對稱式多處理：OS交替在各個處理器上執(zhí)行。任務負載較為平均，性能調(diào)節(jié)容易。,1·2 OS的發(fā)展史—多處理機,課堂練習1.3,在設

43、計分時操作系統(tǒng)時，首先要考慮的是 A ；在設計實時操作系統(tǒng)時，首先要考慮的是 B ；在設計批處理系統(tǒng)時，首先要考慮的是 C 。A、B、C： (1)靈活性和可適應性； (2)交互性和響應時間； (3)周轉(zhuǎn)時間和系統(tǒng)吞吐量； (4)實時性和可靠性。,答案：A(2),B(4),C(3),課堂練習1.4,為了提高計算機的處理機和外部設備的利用率，把多個程序同時放入主存，在宏觀上并行運行是 A ；把一個程序劃分成若干個同

44、時執(zhí)行的程序模塊的設計方法是 B ；多個用戶在終端設備上的交互方式輸入、排錯和控制其程序的運行是 C ；由多個計算機組成的一個系統(tǒng)，這些計算機之間可以通信來交換信息，互相之間無主次之分，它們共享系統(tǒng)資源，程序由系統(tǒng)中的全部或部分計算機協(xié)同執(zhí)行，管理上述計算機系統(tǒng)的操作系統(tǒng)是 D ；有一類操作系統(tǒng)的系統(tǒng)響應時間的重要性超過系統(tǒng)資源的利用率，它被廣泛地應用于衛(wèi)星控制、飛機訂票業(yè)務等領域是 E 。A—E：①分時OS ②實時OS ③批處

45、理系統(tǒng) ④網(wǎng)絡OS⑤分布式OS ⑥單用戶OS ⑦多重程序設計 ⑧多道程序設計 ⑨并發(fā)程序設計,答案：A(8),B(9),C(1),D(5),E(2),1·3 OS的功能和主要特征,1.操作系統(tǒng)的功能 操作系統(tǒng)的主要任務是對系統(tǒng)中的軟件、硬件實施有效的管理，以提高系統(tǒng)資源（主要包括處理機、主存儲器和外存儲器、文件系統(tǒng)）的利用率。主要功能如下： (1)處理機管

46、理： (2)存儲管理 (3)設備管理 (4)信息管理 (5)用戶接口,1·3 OS的功能和主要特征,(1)處理機管理： 可歸結為進程管理，包括以下方面 進程控制。創(chuàng)建進程，撤銷進程，控制進程的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。進程調(diào)度。從就緒的進程隊列中選擇一進程并把處理機分配給它，設置現(xiàn)場并是指投入運行。進程同步。設置進程同步信息，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各進程的運行。進程通訊。負責進程間的信息交換。,1·3 OS的功

47、能和主要特征,(2)存儲管理： 為多道程序的運行提供良好的環(huán)境，并提高利用率，包括以下方面：地址重定位。實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。存儲分配。為每道程序分配內(nèi)存空間，并在作業(yè)結束后收回其所占用內(nèi)存。存儲保護。保證每道程序之間不能互相侵犯，尤其是不能侵犯操作系統(tǒng)。存儲擴充。通過建立虛擬存儲系統(tǒng)來實現(xiàn)內(nèi)存邏輯上的擴充。,1·3 OS的功能和主要特征,(3)設備管理： 設備管理的主要目標是方便的設備使用

48、、提高CPU與I/O設備利用率。主要包括：緩沖管理：設立I/O緩沖區(qū)，并對緩沖區(qū)進行有效管理。設備分配：按一定策略和設備使用情況，分配并回收設備。設備處理：即設備驅(qū)動程序，實現(xiàn)CPU和設備控制器之間的通訊等。設備獨立性和虛擬設備：獨立性指應用程序獨立于物理設備，使用戶編程與實際使用的設備無關，增強了可移植性。虛擬設備指將低速的設備改造為高速的共享設備。,1·3 OS的功能和主要特征,(4)信息管理（文件系統(tǒng)管理）：

49、 對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理，解決文件資源的存儲、共享、保密和保護。包括以下方面：目錄管理：為每一文件建立目錄項，并對目錄實施有效的組織與管理。文件的讀寫管理和存取控制：解決信息安全問題。系統(tǒng)設口令“哪個用戶”、用戶分類“哪個用戶組”、文件權限“針對用戶或用戶組的讀寫權”。文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能。軟件管理：軟件的版本、相互依賴關系、安裝和拆除等。,1·3 OS的功能和主要

50、特征,(5)用戶接口 目標是提供一個友好的用戶訪問操作系統(tǒng)的接口。操作系統(tǒng)提供三種接口：命令接口：亦稱為作業(yè)控制機接口，分為聯(lián)機命令和脫機命令接口。供用戶用于組織和控制自己的作業(yè)運行。命令行；命令腳本“脫機”。程序接口：用戶獲得操作系統(tǒng)服務的唯一途徑。供用戶程序和系統(tǒng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用和高級語言庫函數(shù)。圖形接口：圖形用戶界面GUI，方便用戶使用。如窗口、菜單等。,1·3 OS的功能和主要特征,2.現(xiàn)

51、代操作系統(tǒng)的主要特征 設置操作系統(tǒng)的目的就是提高計算機系統(tǒng)的效率，增強系統(tǒng)的處理能力，充分發(fā)揮系統(tǒng)的利用率，方便用戶使用。因此現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍采用以多道程序設計為基礎的并行操作技術。主要特征如下： (1)并發(fā)性(concurrency) (2)共享性(sharing) (3)虛擬性(virtual) (4)異步性(asynchronism),1·3 OS的功能和主要特征,(1)并發(fā)性(concurr

52、ency) 多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)系統(tǒng)，各進程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過程的管理。并行(parallel)是指在同一時刻發(fā)生。在多道程序處理時，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下） 。程序的靜態(tài)實體是可執(zhí)行文件，而動態(tài)實體是進程（或稱作任務），并發(fā)指的是進程。,1·3 OS的功能和主要特征,(2)共享性(sharing) 多個進程共享有限的計

53、算機系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進行合理分配和使用。資源在一個時間段內(nèi)交替被多個進程所用?；コ夤蚕矸绞剑ㄈ缫纛l設備），資源分配后到釋放前，不能被其他進程所用。同時訪問方式，（如可重入代碼，磁盤文件）。資源分配難以達到最優(yōu)化,1·3 OS的功能和主要特征,(3)虛擬性(virtual) 一個物理實體映射為若干個對應的邏輯實體（分時或分空間）。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。 CPU—

54、—每個用戶（進程）的“虛處理機”。存儲器——每個進程都占有的地址空間（指令＋數(shù)據(jù)＋堆棧）。顯示設備——多窗口或虛擬終端如虛擬光驅(qū)，虛擬機（VMWare， Virtual PC等）,1·3 OS的功能和主要特征,(4)異步性(asynchronism) 異步性也稱不確定性，指進程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間及執(zhí)行結果的不確定性：程序執(zhí)行結果不確定，不可再現(xiàn)。相同輸入與環(huán)境下多次運行結果不同。多道程序設計環(huán)境下，程序

55、按異步方式運行。多個進程并發(fā)執(zhí)行，“時走時?！?，不可預知每個進程的運行推進快慢，引發(fā)執(zhí)行順序與時間的不確定。,1.4 操作系統(tǒng)的機制和策略,1.操作系統(tǒng)界面 兩個界面：程序界面和操作界面。2.核心態(tài)和用戶態(tài) (1)核心態(tài)（管態(tài)、系統(tǒng)態(tài)）與用戶態(tài)（目態(tài)、非系統(tǒng)態(tài)）。 (2)特權指令與非特權指令：只能在核心態(tài)下處理機才能夠執(zhí)行的指令稱為特權指令，其它的指令稱為非特權指令。 (3) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換：訪管指令指訪問核心態(tài)下的程序指令。

56、在奔騰處理機中通過軟中斷指令實現(xiàn)處理機的狀態(tài)從用戶態(tài)向核心態(tài)的切換，通過中斷返回指令實現(xiàn)從核心態(tài)向用戶態(tài)的切換。3.特權指令特權指令為了實現(xiàn)保護，防止某些用戶執(zhí)行一些惡意的操作。典型的特權指令如下：(1) 輸入/輸出指令(2) 開關中斷指令：(3) 停機指令： (4) 訪問特殊功能寄存器：,中斷和異常：如果由于當前正在執(zhí)行指令的原因而引起處理機暫停執(zhí)行當前程序，稱為異常。異常是由處理機所執(zhí)行的程序本身引起的，一般用于操作系統(tǒng)

57、實現(xiàn)某些機制。而如果不是由于當前正在執(zhí)行的指令的原因而引起處理機暫停執(zhí)行當前程序，稱為中斷。中斷一般用于輸入/輸出時外設請求處理機對其進行處理。異常的產(chǎn)生的原因：（1）應用程序執(zhí)行的指令在邏輯上就是錯誤的，例如應用程序執(zhí)行了非法指令（引起非法指令異常）、又如在用戶態(tài)下執(zhí)行了特權指令（引起保護異常）等；（2）當前執(zhí)行的程序是正確的，但是由于某些原因，應用程序當前執(zhí)行的指令無法執(zhí)行，解決了這些原因以后，應用程序也就能夠繼續(xù)執(zhí)行了，而這

58、些原因一般是能夠解決的。如存儲訪問失效異常屬于第二類異常?？苫謴彤惓５漠a(chǎn)生和處理是實現(xiàn)操作系統(tǒng)時很重要的一種機制，許多操作系統(tǒng)功能都是通過可恢復異常實現(xiàn)的。,4.可恢復異常和指令重啟動,5.操作系統(tǒng)機制和策略,6.操作系統(tǒng)內(nèi)核系統(tǒng)必須有一個部分能對硬件處理器及有關資源進行首次改造，以便給進程的執(zhí)行提供良好運行環(huán)境，這個部分就是操作系統(tǒng)的內(nèi)核。內(nèi)核結構有微內(nèi)核和單內(nèi)核之分。內(nèi)核必須提供以下三方面功能：設計內(nèi)核要少而精

59、(1) 中斷處理。中斷處理要簡單 (2) 短程調(diào)度。調(diào)度算法要有效 (3) 原語管理。原語應靈活有力，數(shù)量適當內(nèi)核的執(zhí)行有以下屬性： (1)內(nèi)核是由中斷驅(qū)動的。 (2)內(nèi)核的執(zhí)行是連續(xù)的。 (3)內(nèi)核在屏蔽中斷狀態(tài)下執(zhí)行。 (4)內(nèi)核可以使用特權指令。,操作系統(tǒng)中各個部分的功能、作用及其相互關系，稱為操作系統(tǒng)機制。機制問題也就是總體結構問題，或者說總體

60、框架問題。確定了操作系統(tǒng)機制以后，具體到每一部分如何實現(xiàn)，就需要一定的算法，這些算法屬于操作系統(tǒng)策略的問題。,內(nèi)核的作用：是操作系統(tǒng)對裸機的第一次改造，內(nèi)核和裸機組成了一臺沒有中斷虛擬機。虛擬機的特點： (1) 虛擬機為每個進程提供了一臺虛擬處理器，每個進程就好象在各自的私有處理器上順序地推進，實現(xiàn)了多個進程的并發(fā)執(zhí)行。 (2) 虛擬機為進程提供了功能較強的指令系統(tǒng)，即它們能夠使用機器非特權指令，系統(tǒng)調(diào)用和原語所組成的新

61、的指令系統(tǒng)。,7.核外抽象(1)進程：運行中的程序(2)線程:在一個多線程環(huán)境中，進程是系統(tǒng)進行保護和資源分配的單位，而線程則是進程中一條執(zhí)行路徑，每個進程中允許有多個并行執(zhí)行的路徑，而線程才是系統(tǒng)進行調(diào)度的單位。,(3) 管程,管程是管理共享資源的程序(一種同步機制)，對管程的調(diào)用表示對共享資源的請求與釋放。管程與進程的區(qū)別：管程定義的是公用數(shù)據(jù)結構，而進程則是私有數(shù)據(jù)結構；管程把共享變量上的同步操作集中起來，而臨界區(qū)卻分散在

62、每個進程中；管程是為管理共享資源而建立的，進程主要是為實現(xiàn)系統(tǒng)的并發(fā)性而引入的；管程是被欲使用共享資源的進程所調(diào)用的，管程和調(diào)用它的進程不能并行工作，而進程之間能并行工作，并發(fā)性是其固有特性；管程是語言或操作系統(tǒng)的成分，不必創(chuàng)建或撤銷，而進程有生命周期，由創(chuàng)建而產(chǎn)生至撤銷便消亡。,(4) 類程,類程用于管理私有資源，對類程的調(diào)用表示對私有資源的操作。它僅能被進程及起源于同一進程的其它類程或管程嵌套調(diào)用鏈所調(diào)用。其本身也可以調(diào)用其它

63、類程或管程。類程可以看作子程序概念的擴充，但一個類程可以包含多個過程，不像子程序僅僅一個。采用進程、管程、類程實現(xiàn)的操作系統(tǒng)中，進程在執(zhí)行過程中若請求使用共享資源，則可以調(diào)用管程；若要控制私有資源操作，可以調(diào)用類程，這樣便于使用高級程序設計語言來書寫操作系統(tǒng)。1975年，漢森使用這一方法就成功地在PDP 11/45機上實現(xiàn)了：單用戶操作系統(tǒng)Solo、處理小作業(yè)的作業(yè)流系統(tǒng)和過程控制實時調(diào)度系統(tǒng)等三個層次管程結構的操作系統(tǒng)。,8.Pen

64、tium處理機中的特權級,以Pentium處理器為例，介紹操作系統(tǒng)機制和策略的一個具體的例子。在保護模式下，Pentium處理器采用段頁式尋址，共有六個段寄存器：CS、DS、SS、ES、FS、GS。段寄存器中的內(nèi)容包括兩個部分：可見部分和不可見部分，其中可見部分共十六位，其格式如下圖所示：在特權級方面，有4個特權級（Linux和Windows只用了2個）。,特權級的使用：應用程序給出的特權級稱為請求特權級（RPL）全局描述符表和

65、局部描述符表中保存的特權級稱為描述符特權級（DPL）CS段寄存器中的特權級稱為當前特權級（CPL）請求特權級和當前特權級中較低的特權級稱為有效特權級（EPL）。由于較低的特權級數(shù)值較高，所以EPL=max（RPL，CPL）。只有當請求特權級（RPL）低于進程的描述符特權級（DPL）和當前特權級（CPL）時（即RPL<=DPL && RPL<=CPL），對段寄存器的賦值才是有效的，否則應用程序不能訪問段中

66、的數(shù)據(jù)。,示例：Pentium處理器中的段寄存器與段描述符表,全局段描述符表(TI=0),局部段描述符表(TI=1),四級特權級，第0級級別最高（核心態(tài)），第3級級別最低（用戶態(tài)）。,,應用程序在處理機上運行時，當把一個段選擇子裝入CS寄存器時，就會發(fā)生控制轉(zhuǎn)移，控制轉(zhuǎn)移可能影響當前的特權級?？赡艿目刂妻D(zhuǎn)移有下面幾種： (1) 同一特權級的段間轉(zhuǎn)移 (2) 到相同或更高特權級的段間轉(zhuǎn)移（可以改變CPL）。 (3)

67、 到相同或更高特權級的任務內(nèi)的中斷（可以改變CPL）。 (4) 到較低特權級的段間轉(zhuǎn)移（改變?nèi)蝿盏腃PL）。 (5) 任務切換。這里要說明的是，所有的控制轉(zhuǎn)移，都必須服從特權規(guī)則，這些規(guī)則包括： (1) 若控制轉(zhuǎn)移要求特權級發(fā)生變化，則必須通過門。 (2) 若使用JMP指令產(chǎn)生段間控制轉(zhuǎn)移，則只能在同一特權級別中進行。 (3) 若使用CALL指令產(chǎn)生段間控制轉(zhuǎn)移，則可以在同一特權級別內(nèi)，也可以

68、通過門轉(zhuǎn)移到更到的特權級。 (4) 同一任務內(nèi)處理的中斷，遵循與CALL調(diào)用指令相同的規(guī)則。 (5) CPL和指向門選擇器的RPL的級別必須大于或者等于門的DPL（描述符特權級）。 (6) 并不切換任務的返回指令，只能將控制返回到相同和更低的特權級的代碼段。 (7) 任務切換可以由CALL、JMP和INT指令完成，若在任務切換時涉及任務或任務狀態(tài)段，則它們的特權級必須低于或者等于老任務的CPL。,1

69、83;5 操作系統(tǒng)的體系結構,現(xiàn)代操作系統(tǒng)從內(nèi)部結構劃分，通常包含兩部分：一是內(nèi)核；二是核外部分，其余通常是一些實用程序。1、操作系統(tǒng)的內(nèi)核 1）內(nèi)核在操作系統(tǒng)中的地位： OS內(nèi)核是對硬件的首次擴充，是實現(xiàn)操作系統(tǒng)各項功能的基礎。 傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核包括以下功能模塊：進程、線程及其管理存儲管理。I/O管理文件系統(tǒng)。,1·5 操作系統(tǒng)的體系結構,2）強內(nèi)核與微內(nèi)核： 操作系統(tǒng)有兩種內(nèi)核組