四川大学计算机操作系统课件OSCH操作系统引论.ppt
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教师姓名:
赵成萍邮箱:
日期:
2012.9,教材“计算机操作系统V3”,汤小丹等著,西电,2007参考资料“计算机操作系统”,孙雅如等著,西电,2003“操作系统原理”,屠祈等著,清华“操作系统教程”,孙钟秀主编,高等教育,2003,SichuanUniversityEI,学习方法学习任务分散在平时,在理解、训练的基础上掌握知识。
课堂、教材以及参考资料相结合。
适当的作业习题训练。
SichuanUniversityEI,为什么学习操作系统非专业观点操作系统的学习、研发与否关系到整个国家的经济、技术和政治等等事务。
SichuanUniversityEI,为什么学些OS专业观点-OS包括了所有软件设计实现问题:
资源共享管理安全和身份验证灵活性,健壮性友好界面设计,SichuanUniversityEI,SichuanUniversityEI,学习OS的目的对操作系统的基本概念、基本结构及运行环境有深入的认识,对操作系统这一课程有比较全面的把握。
深入到操作系统内部,理解并掌握操作系统的基本原理、设计方法和实现技术了解操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想,具有透过变化看趋势、透过技术抓原理、把握学科发展脉搏的基本素质,为其今后在相关领域开展工作打下坚实基础。
第一章操作系统引论Chapter1OSInstruction,教学目的和要求:
使学生建立起OS的基本概念。
要求理解多道程序设计技术,了解OS的引入和发展、分层式结构和微内核结构,掌握操作系统的基本概念,功能和特征。
重点难点:
多道程序设计技术,OS的基本概念、功能和特征。
SichuanUniversityEI,教学内容,教学内容,操作系统的目标与作用,操作系统的特征及主要功能,操作系统的结构设计,操作系统的发展历程,1.操作系统的定义,计算机系统组成,硬件,CPU存储器I/O设备,方便用户使用充分利用资源,基本概念,1.操作系统的定义,操作系统是为了方便用户和提高计算机的利用率,而对计算机资源进行组织和管理的程序集合。
用户:
一般用户和软件开发人员等。
资源:
处理器,存储器,输入输出设备等硬件资源和程序与数据等软件资源。
基本概念,2.1配置OS系统的目标,方便性(方便用户使用)有效性(保证资源的充分利用)可扩充性技术的发展要求OS采用层次化结构,以便于增加新的功能层次和模块,并能修改老的功能层次和模块开放性OS的应用环境:
单机环境网络环境不同厂商的计算机及设备经网络集成开放性:
遵循世界标准规范,目标与作用,2.2OS的作用,从用户的观点:
对外职能OS提供用户与计算机之间的接口,目标与作用,2.2OS的作用,从资源管理观点看对内职能OS可以视作是计算机系统资源的管理者组织和管理计算机资源,充分发挥资源的效能,提高利用率。
处理器管理存储器管理I/O设备管理文件管理,目标与作用,2.2OS的作用,OS用作扩充机器通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。
3.OS的发展,无操作系统的计算机系统批处理系统分时系统实时系统新型操作系统,OS的发展,3.0OS系统发展的主要动力,不断提高计算机资源利用率批处理系统方便用户上机、调试程序人机交互的分时OS器件的不断更新换代8163264计算机体系结构的不断发展单处理机OS多处理机OS网络OS,3.1无操作系统的计算机系统,人工操作方式(19451955),纸带输入机,主机,纸带,程序,数据,用户独占全机CPU等待人工操作,OS的发展,严重的降低了计算机资源的利用率,Programmer,Programmer,结果,3.1无操作系统的计算机系统,CPU速度提高与I/O设备速度缓慢的矛盾;通道技术、缓冲技术没有很好地解决上述矛盾脱机输入/输出技术,3.1无操作系统的计算机系统,脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式(20世纪50年代末),输入设备,纸带,外围机,程序,数据,磁盘,程序,数据,磁盘,主机,程序,数据,磁盘,程序,数据,外围机,磁盘,程序,数据,程序,数据,输出设备,减少了CPU的空闲时间提高I/O速度,OS的发展,3.2批处理系统,单道批处理系统为了提高系统的利用率,让系统连续运行,减少空闲时间。
以脱机方式将成批作业输入到磁带上。
系统中配备监督程序(Monitor)。
在Monitor的控制之下使这批作业能够一个接一个地连续处理。
OS的发展,3.2批处理系统,单道批处理系统(监督程序),自动性顺序性单道性,OS的发展,3.2批处理系统,用户程序,监督程序,I/O操作,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t,I/O中断请求,I/O完成,结束中断,I/O中断请求,启动I/O,结束中断,I/O完成,启动I/O,CPU利用率低,OS的发展,自动性,顺序性,单道性,3.2批处理系统,多道批处理系统(调度队列,调度算法),OS的发展,3.2批处理系统,程序A,程序B,程序C,程序D,调度程序,程序AI/O请求,程序BI/O请求,程序CI/O请求,程序DI/O请求,程序AI/O完成,程序A再被调度,程序A完成,程序CI/O完成,程序BI/O完成,C再被调度,OS的发展,好处:
提高CPU、内存和I/O设备利用率,增加系统吞吐量,3.2批处理系统,多道批处理系统的特征多道性资源利用率高,吞吐量大无序性调度性(二次调度作业、进程)多道批处理系统的缺点平均周转时间长无交互能力,OS的发展,3.2批处理系统多道批处理,多道批处理需要处理的问题处理机管理问题(处理机共享)内存管理问题(多道作业各得其所)I/O设备管理问题(设备共享)文件管理问题(大量程序和数据)作业管理问题(不同类型的作业权衡),3.3分时系统满足用户需求,背景人机交互(边调边改)共享主机(昂贵)便于用户上机(远程控制)分时系统,用户如何与自己的作业交互,及时接收、及时处理,OS的发展,3.3分时系统,要求作业应直接进入内存(人机交互)不允许一个作业长期占用处理机(时间片)分时系统特征多路性(同时性)独立性(各个终端用户相互独立,互不干扰)及时性(人所能接受的等待时间来确定)交互性(数据处理服务,资源共享服务),OS的发展,3.4实时系统,应用需求实时控制实时信息处理实时系统在响应时间上有很严格的要求硬实时系统:
高速缓存或者ROM中软实时系统:
优先级保证实时性,OS的发展,3.4实时系统,特征多路性(多路现场信息采集,多个对象或执行机构进行控制)独立性(对信息的采集和对对象的控制彼此独立)及时性(以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定)交互性(仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序)可靠性(多级容错技术),OS的发展,3.5新型操作系统,微机操作系统(配置在微型计算机上的OS)多处理机操作系统网络操作系统(支持各种网络协议)分布式操作系统(多个分散的处理单元经互联网络连接,实现分布处理)集群操作系统(由多台计算机构成的集群),OS的发展,微软公司Windows操作系统产品线,OS的发展,WindowsVista(2007),Windows7(2009),微软公司Windows操作系统产品线,OS的发展,微软公司Windows操作系统产品线,OS的发展,微软公司Windows操作系统产品线,OS的发展,微软公司Windows操作系统产品线,OS的发展,微软公司Windows操作系统产品线,OS的发展,微软公司Windows操作系统产品线,2010-08-30,UNIX发展简图,OS的发展,UNIX发展阶段,初始发展阶段丰富发展阶段UNIX的完善阶段,UNIX发展阶段,初始发展阶段从1969年KeThompson在AT&T贝尔实验室创造了Unix操作系统,刚开始运行在一台DECPDP-7计算机上,只在实验室内部使用并完善它,这个阶段Unix从版本1发展到了版本6。
使用C语言对Unix的源代码重新改写。
丰富发展阶段UNIX的完善阶段,UNIX发展阶段,初始发展阶段丰富发展阶段一方面AT&T继续发展内部使用的Unix版本7,同时也发展了一个对外发行的版本,但改用System加罗马字母作版本号来称呼它。
SystemIII和SystemV都是相当重要的Unix版本。
其中以加州大学伯克利分校的BSD版本最为著名,从4.2BSD中也派生出了多种商业Unix版本比如Solaris、HP-UX、IRIX、AIX、SCO等等。
UNIX的完善阶段,UNIX发展阶段,初始发展阶段丰富发展阶段UNIX的完善阶段从90年代开始到现在。
FreeBSDLinux,Linux和FreeBSDLinux由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生LinusTorvalds,在从1990年底到1991年的几个月中,为了自己的操作系统课程学习和后来上网使用而陆续编写的。
在2001年初LinuxWorld大会前夕推出了Linux2.4内核,现在推出了Linux7.0。
FreeBSD是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校开发的支持POSIX标准的免费操作系统,它基于4.4BSD。
OS的发展,国内OS发展概况,自由版Linux:
红旗,Turbo、BluePointCOSIX:
1999年中软总公司与康柏公司签署联合开发的64为UNIX-COSIX协议嵌入式OSHopen(女娲计划):
从V1.0发展至V3.0,主要应用于移动通信、掌上电脑、数字电视、机顶盒、汽车电子等。
操作系统的发展方向,从规模上看,操作系统向着大型和微型的两个不同的方向发展着。
大型OS:
分布式操作系统和集群操作系统(适应计算平台向异构、网络化演变)微型OS嵌入式操作系统(掌上电脑、微型家用电器等),4.OS的基本特性,并发(Concurrence)共享(Sharing)虚拟(Virtual)异步性(Asynchronism),基本特性,4.OS的基本特征并发,并行性多个事件同一时刻发生并发性多个事件在同一时间间隔内发生,进程,线程,基本特性,4.OS的基本特征共享,OS中,共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
共享方式互斥共享方式(一段时间内只允许一个进程访问)同时访问方式(一段时间内由多个进程同时访问),基本特性,4.OS的基本特征,共享与并发,最基本的条件二者互为存在条件,4.OS的基本特征虚拟,OS中虚拟:
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。
虚拟处理机虚拟内存虚拟外部设备虚拟信道,基本特性,4.OS的基本特征异步性,资源等因素限制进程走走停停进程以不可预知的速度向前推进异步性只要保证结果的重现性允许异步存在,基本特性,5.操作系统的主要功能,处理机管理功能存储器管理功能设备管理功能文件管理功能用户接口,进程控制进程同步进程通信调度(作业和进程),内存分配内存保护地址变换内存扩充,缓冲管理设备分配设备处理设备独立性和虚拟设备,文件存储空间管理目录管理文件的读写管理和保护,命令接口程序接口图形接口,主要功能,2010-08-30,6.操作系统的结构设计,OS结构经历了四代无结构(整体式)系统模块式结构模块层次式结构微内核OS结构,传统OS结构,现代OS结构,结构设计,6.1无结构(整体式)操作系统,注意力:
功能实现和高效率,缺乏首尾一致的设计思想。
OS:
一组过程的集合,过程之间可以相互调用,内部不存在任何结构。
操作系统,系统调用命令,用户,结构设计,6.1无结构(整体式)操作系统,整体式操作系统简单结构模型,主过程(接受和解释系统命令,并调用相应的过程),服务过程(执行系统调用的服务过程),共用过程(支持服务过程的实用过程),MS/DOS、早期UNIX,结构设计,6.2模块化OS结构(1960),“分解”与”模块化”原则OS按其功能结构划分为若干个具有一定独立性和大小的模块,并规定好个模块之间的接口。
结构设计,6.2模块化OS结构(1960),关键问题模块的划分模块之间的接口模块独立性,6.2模块化OS结构,优点提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。
增强了OS的可适应性。
加速了OS的开发过程。
结构设计,6.2模块化OS结构,缺点对模块的划分及对接口的规定不精确。
各模块设计齐头并进,造成各种决定的无序性,与决策的确定必须是顺序的相矛盾。
结构设计,6.3模块分层式OS结构,分层式结构设计的基本原则(有序分层):
每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务,这样可使系统的调试和验证变得容易层与层之间单向依赖,高层依赖低层,且仅依赖其紧邻的低层。
6.3模块分层式OS结构,自底向上自顶向下,An,An,A0,A1,A2,An,An,A0,A1,A2,结构设计,6.3模块分层式OS结构,层次设置程序嵌套(被调用的置于底层)运行频率(经常活跃的置于底层)公用模块(公用模块设在低层)用户接口(置于最高层),6.3模块分层式OS结构,优点模块化,逐层递推、信息隐蔽错误容易定位易保证系统的正确性、易扩充和易维护。
困难各模块需要精心分析,确保相关模块之间正确的依赖关系分层结构的系统性能比较低,结构设计,6.4微内核OS结构(1990),微内核OS能有效地支持多处理机运行,适用于分布式系统环境。
微内核技术发展的同时,C/S技术、OO技术也迅速发展微内核OS结构:
以微内核为核心,以C/S为基础,并采用了OO的程序设计方法的特征。
结构设计,6.4.1客户/服务器模型,C/S系统主要由客户机、服务器、网络系统三部分组成,6.4.1客户/服务器模型,C/S系统主要由客户机、服务器、网络系统三部分组成客户机:
LAN中的多台自主的工作站,具有一定的处理能力,客户进程在其上运行,平时处理本地业务,也可发送一个消息给服务器,以请求某项服务。
6.4.1客户/服务器模型,C/S系统主要由客户机、服务器、网络系统三部分组成服务器:
一台较大规模的机器,在其上驻留有网络文件系统或数据库系统等,它能为网上所有的用户提供一种或者多种服务。
平时处于工作状态,被动等待客户提出请求并为其服务。
6.4.1客户/服务器模型,C/S系统主要由客户机、服务器、网络系统三部分组成网络系统:
用于连接所有客户机和服务器,实现它们之间通信和网络资源共享的系统。
6.4.1客户/服务器模型,C/S模式的优点:
数据分布处理与存储便于集中管理灵活性和可扩充性易于改变应用软件,结构设计,C/S模式的缺点:
不可靠性易造成瓶颈,6.4.2面向对象的程序设计技术,原则抽象和隐蔽。
对象现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象。
对象实例对象中的具体事物。
6.4.2面向对象的程序设计技术,优点可修改性和可扩充性;通过重用提高产品质量和生产率;正确性和可靠性。
6.4.3微内核技术,引入VLSICPU多处理器OS要求变高,功能复杂,规模膨胀OS开发、维护、移植困难。
为了减少复杂性、增强OS的可扩展性和可维护性而产生了微内核技术。
结构设计,6.4.3微内核技术,微内核结构OS的特征足够小的内核基于C/S模式应用“机制与策略分离”原理采用面向对象技术,6.4.3微内核技术_内核,内核,就是指精心设计的,能实现现代OS最基本的核心功能部分。
微内核并不是一个完整的OS,是构建通用OS提供的一个重要基础。
实现与硬件紧密相关的处理;运行在核心态,且开机后常驻内存。
负责C/S之间的通信。
结构设计,6.4.3微内核技术_基于C/S模式,OS最基本的放在内核中OS的绝大部分功能都放在微内核外部的一组服务器(进程)中实现。
服务器进程一般运行在用户态。
C/S之间通过微内核提供的消息机制实现交互。
6.4.3微内核技术_基于C/S模式,6.4.3微内核技术_机制与策略分离,机制:
实现某一功能的具体执行机构。
策略:
在机制的基础上,借助于某些参数和算法来实现该功能的优化,或达到不同的功能目标。
通常,机制处于基层,策略处于高层。
6.4.3微内核的基本功能,微内核所提供的功能,通常都是最基本的功能。
进程(线程)管理低级存储器管理中断和陷入管理I/O设备管理,6.4.3微内核OS的优点,提高了系统的可扩展性微内核OS的许多功能均由相对独立的服务器软件实现。
增强了系统的可靠性微内核严格测试,服务器之间采用消息通信机制。
6.4.3微内核OS的优点,可移植性好与CPU和I/O设备硬件有关代码,均放在内核和内核下面的隐藏层中。
提供了对分布式系统的支持消息通信机制,6.4.3微内核OS存在的问题,运行效率降低(M通信、C/S模式、小内核)当客户对OS提出服务请求时传统OS:
两次切换用户态系统态;系统态用户态微内核OS:
至少需要四次切换,7.教学要求,掌握操作系统概念、目标、作用、特性及主要功能。
了解OS的发展及其设计结构,教学要求,1.操作系统的定义,操作系统是为了方便用户和提高计算机的利用率,而对计算机资源进行组织和管理的程序集合。
用户:
一般用户和软件开发人员等。
资源:
处理器,存储器,输入输出设备等硬件资源和程序与数据等软件资源。
基本概念,2.1配置OS系统的目标,方便性(方便用户使用)有效性(保证资源的充分利用)可扩充性技术的发展要求OS采用层次化结构,以便于增加新的功能层次和模块,并能修改老的功能层次和模块开放性OS的应用环境:
单机环境网络环境不同厂商的计算机及设备经网络集成开放性:
遵循世界标准规范,目标与作用,2.2OS的作用,从用户的观点:
对外职能OS提供用户与计算机之间的接口,目标与作用,2.2OS的作用,从资源管理观点看对内职能OS可以视作是计算机系统资源的管理者组织和管理计算机资源,充分发挥资源的效能,提高利用率。
处理器管理存储器管理I/O设备管理文件管理,目标与作用,2.2OS的作用,OS用作扩充机器通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。
4.OS的基本特性,并发(Concurrence)共享(Sharing)虚拟(Virtual)异步性(Asynchronism),基本特性,4.OS的基本特征并发,并行性多个事件同一时刻发生并发性多个事件在同一时间间隔内发生,进程,线程,基本特性,4.OS的基本特征共享,OS中,共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
共享方式互斥共享方式(一段时间内只允许一个进程访问)同时访问方式(一段时间内由多个进程同时访问),基本特性,4.OS的基本特征,共享与并发,最基本的条件二者互为存在条件,4.OS的基本特征虚拟,OS中虚拟:
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。
虚拟处理机虚拟内存虚拟外部设备虚拟信道,基本特性,4.OS的基本特征异步性,资源等因素限制进程走走停停进程以不可预知的速度向前推进异步性只要保证结果的重现性允许异步存在,基本特性,5.操作系统的主要功能,处理机管理功能存储器管理功能设备管理功能文件管理功能用户接口,进程控制进程同步进程通信调度(作业和进程),内存分配内存保护地址变换内存扩充,缓冲管理设备分配设备处理设备独立性和虚拟设备,文件存储空间管理目录管理文件的读写管理和保护,命令接口程序接口图形接口,主要功能,
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