2012級講義第1-8章操作系統(tǒng)概論

1、操作系統(tǒng)北京大學(xué)計算中心 付中南 第1章 導(dǎo)論1.1 操作系統(tǒng)做什么1.2 計算機系統(tǒng)組織1.3 計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.5 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.6 操作系統(tǒng)操作1.7 進程管理1.8 內(nèi)存管理1.9 存儲管理第1章 導(dǎo)論1.1 操作系統(tǒng)做什么操作系統(tǒng)是幾乎所有計算機系統(tǒng)的一個重要部分。計算機系統(tǒng)可以大致分為4個組成部分：計算機硬件、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序和用戶等。在計算機系統(tǒng)的操作過程中，操作系統(tǒng)提供了正確使用這些資源的方法。為了更加全面地理解操作系統(tǒng)所擔當?shù)慕巧?，接下來從兩個視角探索操作系統(tǒng)：用戶視角和系統(tǒng)視角。第1章 導(dǎo)論1.1 操作系統(tǒng)做什么1.1.1 用戶

2、視角計算機的用戶觀點因使用接口的不同而不同。絕大多數(shù)用戶面對的是一臺由顯示器、鍵盤、鼠標和主機組成的PC。這類系統(tǒng)設(shè)計是為了讓單個用戶單獨使用其資源，其目的是優(yōu)化用戶所進行的工作。對于這種情況，操作系統(tǒng)的設(shè)計目的是為了用戶使用方便，性能是次要的，而且不在乎資源使用率。第1章 導(dǎo)論1.1 操作系統(tǒng)做什么1.1.1 用戶視角在某些情況下，用戶坐在與大型機或小型機相連的終端前，其他用戶通過其他終端訪問同一臺計算機。這些用戶共享資源并可交換信息。這時操作系統(tǒng)設(shè)計為資源使用做了優(yōu)化：確保所有的CPU時間、內(nèi)存和I/O都能得到充分使用，并且確保沒有用戶使用超出其權(quán)限的資源。第1章 導(dǎo)論1.1 操作系統(tǒng)做什

3、么1.1.1 用戶視角在另一些情況下，用戶坐在工作站前，工作站與其他工作站和服務(wù)器相連。這些用戶不但可以使用專用的資源，而且可以使用共享資源，如果網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器等。因此，這類操作系統(tǒng)的設(shè)計目的是個人使用性能和資源利用率的折中。第1章 導(dǎo)論1.1 操作系統(tǒng)做什么1.1.2 系統(tǒng)視角從計算機的角度來看，操作系統(tǒng)是與硬件最為密切的程序。我們可以將操作系統(tǒng)看做資源分配器。操作系統(tǒng)管理計算機資源并決定如何為各個程序和用戶分配資源，以便計算機系統(tǒng)能有效而公平地運行。第1章 概述1.1 操作系統(tǒng)做什么1.1.3 定義操作系統(tǒng)一般來說，目前沒有一個關(guān)于操作系統(tǒng)的十分完整的定義。操作系統(tǒng)之所以存在，是因為它們提供

4、了解決創(chuàng)建可用的計算機系統(tǒng)問題的合理途徑。一個比較比較公認的定義是，操作系統(tǒng)是一直運行在計算機上的程序（通常稱為內(nèi)核），其他程序則為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。第1章 概述1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.1 計算機系統(tǒng)操作現(xiàn)代通用計算機系統(tǒng)由一個或多個CPU和若干設(shè)備控制器通過共同的總線相連而成，該總線提供了對共享內(nèi)存的訪問。每個設(shè)備控制器負責(zé)一種特定類型的設(shè)備。CPU與設(shè)備控制器可以并發(fā)工作，并競爭內(nèi)存周期。為了確保對共享內(nèi)存的有序訪問，需要內(nèi)存控制器來協(xié)調(diào)對內(nèi)存的訪問。第1章 導(dǎo)論1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.1 計算機系統(tǒng)操作內(nèi)存CPU磁盤控制器USB控制器顯卡磁盤顯示器鼠標鍵盤打印機第1章 導(dǎo)論

5、1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.1 計算機系統(tǒng)操作事件的發(fā)生通常通過硬件或軟件中斷來表示。硬件可隨時通過系統(tǒng)總線向CPU發(fā)出信號以觸發(fā)中斷。軟件通過執(zhí)行特別操作如系統(tǒng)調(diào)用，也能觸發(fā)中斷。當CPU中斷時，它暫停正在做的事情并立即轉(zhuǎn)到固定的位置去繼續(xù)執(zhí)行。該固定位置通常是中斷服務(wù)程序開始位置的地址。中斷服務(wù)程序開始執(zhí)行，執(zhí)行完畢后，CPU重新執(zhí)行被中斷的計算。中斷體系結(jié)構(gòu)保存被中斷指令的地址。處理中斷后，保存的返回地址會裝入程序計數(shù)器，被中斷的計算可以重新開始。第1章 導(dǎo)論1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.2 存儲結(jié)構(gòu)計算機程序必須在內(nèi)存（RAM）中以便運行。內(nèi)存是處理器可以直接訪問的唯一的大容量存儲區(qū)

6、域。一個典型的指令執(zhí)行周期首先從內(nèi)存中獲取指令并保存在指令寄存器中。接著，指令被解碼，并可能導(dǎo)致從內(nèi)存中獲取操作數(shù)或?qū)⒉僮鲾?shù)保存在內(nèi)部寄存器中。在指令完成對操作數(shù)的執(zhí)行后，其結(jié)果可以存回到內(nèi)存。第1章 導(dǎo)論1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.2 存儲結(jié)構(gòu)理想情況下，程序和數(shù)據(jù)都永久駐留在內(nèi)存中。由于以下原因，這是不可能的：內(nèi)存太小，不能永久存儲所有需要的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是易失性存儲設(shè)備，當?shù)綦姇r會失去所有內(nèi)容。因此，絕大多數(shù)計算機系統(tǒng)都提供輔存以作為內(nèi)存的擴充。對輔存的要求是它要能夠永久地存儲大量的數(shù)據(jù)。最為常用的輔存設(shè)備是磁盤，它能存儲程序和數(shù)據(jù)。第1章 導(dǎo)論1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.2 存儲

7、結(jié)構(gòu)寄存器高速緩存主存磁盤第1章 導(dǎo)論1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.3 I/O結(jié)構(gòu)在計算機中，存儲器只是眾多I/O設(shè)備中的一種，操作系統(tǒng)大部分代碼用來進行I/O管理，這既是因為它對系統(tǒng)可靠性和性能十分重要，也是因為設(shè)備變化的特性?，F(xiàn)代計算機由設(shè)備控制器負責(zé)控制特定類型的設(shè)備。設(shè)備控制器維護一定量的本地緩沖存儲和一組特定用途的寄存器，負責(zé)在其所控制的外部設(shè)備與本地緩沖存儲之間進行數(shù)據(jù)傳遞。第1章 導(dǎo)論1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.3 I/O結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)為每個設(shè)備控制器提供一個設(shè)備驅(qū)動程序。這些設(shè)備驅(qū)動程序驅(qū)動設(shè)備控制器并向操作系統(tǒng)其它部分提供設(shè)備的統(tǒng)一接口。要開始I/O操作，設(shè)備驅(qū)動程序首先將適

8、當?shù)募拇嫫餮b載到設(shè)備控制器中。然后設(shè)備控制器檢查寄存器中的內(nèi)容后決定采取什么樣的操作。數(shù)據(jù)傳輸完成后，控制器會通過中斷通知設(shè)備驅(qū)動程序它已完成操作。最后，設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⑾到y(tǒng)控制權(quán)交回給操作系統(tǒng)。第1章 導(dǎo)論1.2 計算機系統(tǒng)組織1.2.3 I/O結(jié)構(gòu)上述I/O中斷驅(qū)動適合移動少量數(shù)據(jù)，但對大塊的數(shù)據(jù)移動，如磁盤I/O，就會帶來超載問題。DMA（direct memory access）就是為了解決這個問題而設(shè)計的。在為這種I/O設(shè)備設(shè)置好緩沖、指針和計數(shù)器之后，設(shè)備控制器能在本地緩沖和內(nèi)存之間傳送一整塊數(shù)據(jù)，并且無需CPU的干預(yù)。每塊只產(chǎn)生一個中斷，來告知設(shè)備驅(qū)動程序操作已完成。第1章 導(dǎo)論1

9、.3 計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.3.1 單處理器系統(tǒng)絕大多數(shù)系統(tǒng)采用單處理器。在單處理器系統(tǒng)中，有一個主CPU能夠執(zhí)行一個通用指令集，包括來自用戶進程的指令。絕大多數(shù)的單處理器系統(tǒng)還包括其他特定目的的處理器，它們可能以專用設(shè)備處理器的形式出現(xiàn)。第1章 導(dǎo)論1.3 計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.3.2 多處理器系統(tǒng)多處理器的重要性日益突出，有三個主要優(yōu)點：增加吞吐量：通過增加處理器的數(shù)量，能在更短的時間內(nèi)做更多的事情。規(guī)模經(jīng)濟：多處理器系統(tǒng)比單處理器系統(tǒng)能節(jié)省資金，因為它們能共享外設(shè)、大容量存儲和電源供給。增加可靠性：將功能分布在多個處理器上，那么單個處理器的失靈不會導(dǎo)致系統(tǒng)停止，只會使它變慢。第1章 導(dǎo)論

10、1.3 計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.3.2 多處理器系統(tǒng)現(xiàn)在使用的多處理器系統(tǒng)主要有兩種類型：非對稱多處理和對稱多處理。非對稱多處理中有一個主處理器控制系統(tǒng)，其他處理器向主處理器要任務(wù)或完成預(yù)定義的任務(wù)。對稱處理中每個處理器都要完成操作系統(tǒng)中的所有任務(wù)。第1章 導(dǎo)論1.3 計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.3.3 集群系統(tǒng)多CPU系統(tǒng)的另一種類型是集群系統(tǒng)。與多處理器不同，它是由兩個或多個獨立的系統(tǒng)耦合起來的。集群系統(tǒng)可以是對稱的，也可以是非對稱的。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.1 順序處理（手工操作）階段早期的計算機（20世紀40年代50年代），程序員直接與計算機硬件打交道，沒有操作系統(tǒng)。計

11、算機由CPU、主存、輸入設(shè)備、打印機和操作開關(guān)組成。使用機器代碼編寫程序，通過輸入設(shè)備裝入計算機，然后通過操作開關(guān)啟動程序運行。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.2 簡單的批處理系統(tǒng)早期計算機造價昂貴，且人工調(diào)度和編排作業(yè)的方式浪費了大量的計算機時間。因此，要使計算機得到充分利用，必須改進使用方式，從而產(chǎn)生了操作系的概念。簡單批處理模式使用一種監(jiān)控程序軟件。用戶不再直接與計算機打交道，而是將自己的作業(yè)交給機房的操作員，操作員將多個程序放在輸入設(shè)備上由監(jiān)控程序自動控制輸入設(shè)備。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.3 多道成批處理系統(tǒng)多道程序設(shè)計進入20世紀60年代中后期

12、，計算機硬件技術(shù)有了巨大的發(fā)展，產(chǎn)生了硬件通道、中斷和緩沖技術(shù)。通道、中斷的出現(xiàn)，使計算機在組織結(jié)構(gòu)上發(fā)生重大變革，原先以CPU為中心的體系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢?nèi)存為中心。通道，是一種比CPU速度慢、價格較便宜的硬件。專門用于控制輸入/輸出設(shè)備的I/O處理機。通道和中斷的出現(xiàn)使CPU擺脫了對慢速設(shè)備的控制，從而提高系統(tǒng)的處理效率。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.3 多道成批處理系統(tǒng)多道程序設(shè)計的技術(shù)實現(xiàn)存儲器的分配和存儲保護處理機的管理和調(diào)度系統(tǒng)其它資源的管理和調(diào)度第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.4 分時系統(tǒng)批處理系統(tǒng)使用多道程序技術(shù)后，提高了機器的利用效率。但這樣的

13、系統(tǒng)仍存在以下兩個問題：不能直接控制作業(yè)運行。作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間太長。分時系統(tǒng)提供了多個用戶通過交互方式分享使用同一臺計算機的環(huán)境。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.4 分時系統(tǒng)分時是指多個用戶分時使用CPU的時間。將CPU的單位時間劃分成若干個時間段，每個時間段稱為一個時間片。時間片輪流把CPU分配給各聯(lián)機用戶使用，每個用戶都能在很短時間內(nèi)得到計算機的服務(wù)，彼此感覺不到別的用戶存在，好像整個系統(tǒng)為他獨占。這樣的系統(tǒng)叫做分時系統(tǒng)。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.4 分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)的特點：同時性。若干終端用戶可以同時使用一臺計算機。獨立性。各用戶之間彼此獨立地占有一臺

14、終端工作，互不干擾。交互性。所謂交互性是指用戶從終端鍵盤上輸入各種控制作業(yè)的命令，系統(tǒng)響應(yīng)和處理這些命令，且將處理結(jié)果輸出顯示。用戶可根據(jù)系統(tǒng)顯示結(jié)果繼續(xù)輸入。及時性。用戶的請求能在較短時間內(nèi)得到響應(yīng)。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.5 實時系統(tǒng)實時，是指計算機對隨機發(fā)送外部事件能夠做出及時的響應(yīng)和處理。實時系統(tǒng)不同于作業(yè)處理系統(tǒng)。作業(yè)處理系統(tǒng)以作業(yè)為處理對象；而實時系統(tǒng)以數(shù)據(jù)或信息作為處理對象，既不接收用戶作業(yè)，也沒有作業(yè)的概念，只有幾個有外部事件觸發(fā)的任務(wù)。第1章 導(dǎo)論1.4 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4.5 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)具有的主要特點實時性可靠性可確定性第1章 導(dǎo)論1.

15、5 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)最重要的一點是要有多道程序處理能力。單個用戶通常不能總是使得CPU和I/O設(shè)備都忙。多道程序設(shè)計通過組織作業(yè)使CPU總有一個作業(yè)在執(zhí)行，從而提高了CPU的利用率。多道程序系統(tǒng)提供了一個可以充分使用各種系統(tǒng)資源的環(huán)境，但是它們沒有提供與計算機系統(tǒng)直接交互的能力。第1章 導(dǎo)論1.5 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分時系統(tǒng)是多道程序設(shè)計的延伸。在分時系統(tǒng)中，CPU還是通過在作業(yè)之間切換來執(zhí)行多個作業(yè)，但由于切換頻率很高，用戶可以在程序運行期間與之進行交互。分時操作系統(tǒng)允許許多用戶同時共享計算機。由于分時系統(tǒng)的每個動作或命令都比較短，因而每個用戶只要少量的CPU時間。隨著系統(tǒng)從一個用戶快速切換到

16、另一個用戶，每個用戶會感到整個系統(tǒng)只為自己所用。第1章 導(dǎo)論1.5 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分時和多道程序設(shè)計需要在存儲器中同時保存有幾個作業(yè)。通常由于主存較小而不能容納太多作業(yè)，所以這些作業(yè)剛開始存儲在磁盤的作業(yè)池中。該池由所有駐留在磁盤中需要等待分配內(nèi)存的作業(yè)組成。如果多個作業(yè)需要進入內(nèi)存但又沒有足夠的內(nèi)存，那么系統(tǒng)必須在這些作業(yè)中做出選擇。這樣的決策被稱為作業(yè)調(diào)度。如果有多個任務(wù)需要同時執(zhí)行，系統(tǒng)必須做出選擇，這種選擇稱為CPU調(diào)度。第1章 導(dǎo)論1.6 操作系統(tǒng)操作現(xiàn)代操作系統(tǒng)是由中斷驅(qū)動的。如果沒有進程要執(zhí)行，沒有I/O設(shè)備要服務(wù)，也沒有用戶請求要響應(yīng)，操作系統(tǒng)將會靜待某事件的發(fā)生。由于操作系統(tǒng)和

17、用戶共享了計算機系統(tǒng)的硬件和軟件，必須保證用戶程序出錯時僅影響該程序自身。如果沒有保護機制來處理這些錯誤，計算機一次只能執(zhí)行一個進程。操作系統(tǒng)的合理設(shè)計必須確保錯誤程序不會造成其他程序的執(zhí)行錯誤。第1章 導(dǎo)論1.6 操作系統(tǒng)操作雙重模式操作為了確保操作系統(tǒng)的正常執(zhí)行，必須區(qū)分操作系統(tǒng)代碼和用戶代碼的執(zhí)行。許多操作系統(tǒng)所采取的方法是提供硬件支持以允許區(qū)分各種執(zhí)行模式。至少需要兩種獨立的操作模式：用戶模式（user mode）和內(nèi)核模式（kernel mode)在計算機硬件中增加一個名為模式位的位狀態(tài)標記，值為0時表示系統(tǒng)當前運行在內(nèi)核模式，值為1時表示系統(tǒng)當前運行在用戶模式。第1章 導(dǎo)論1.6

18、操作系統(tǒng)操作雙重模式操作user processkerneluser process executingcalls system callreturn from system callexecute system call user modekernel mode第1章 導(dǎo)論1.6 操作系統(tǒng)操作雙重模式操作雙重模式保證操作系統(tǒng)不受用戶破壞，也保證用戶不受其他用戶影響。將可能引起損害的機器指令被設(shè)計成特權(quán)指令，這些指令僅在內(nèi)核模式下可以執(zhí)行，任何用戶在用戶模式下無法直接執(zhí)行這類指令。第1章 導(dǎo)論1.7 進程管理程序在被CPU執(zhí)行前不會做任何事情。正在執(zhí)行中的程序稱為進程。每個進程都需要一定的系統(tǒng)

19、資源，包括CPU時間，內(nèi)存，文件和I/O設(shè)備等來完成它的任務(wù)。這些資源可以在進程被創(chuàng)建時分配給它也可以在進程運行中分配。程序本身并不是進程。進程是系統(tǒng)的工作單元。系統(tǒng)由多個進程組成，其中一些是操作系統(tǒng)進程，其余的是用戶進程。第1章 導(dǎo)論1.7 進程管理操作系統(tǒng)負責(zé)下述與進程管理相關(guān)的活動：創(chuàng)建和刪除用戶進程及系統(tǒng)進程。掛起和重啟進程。提供進程同步機制。提供進程通信機制。提供死鎖處理機制。第1章 導(dǎo)論1.8 內(nèi)存管理內(nèi)存是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)操作的中心。內(nèi)存是一個大的字節(jié)或字的數(shù)組，每個字節(jié)或字都有其自己的地址。CPU在獲取指令時從內(nèi)存中讀取指令，而在獲取數(shù)據(jù)時對內(nèi)存的數(shù)據(jù)進行讀出或?qū)懭搿?nèi)存通常是C

20、PU可以直接尋址和訪問的唯一大容量存儲設(shè)備。第1章 導(dǎo)論1.8 內(nèi)存管理要執(zhí)行一個程序，必須將它裝入內(nèi)存并映射到內(nèi)存的絕對地址。程序在執(zhí)行過程中通過產(chǎn)生絕對地址來訪問程序指令和數(shù)據(jù)。為改善CPU的利用率和計算機對用戶的響應(yīng)速度，通用計算機必須在內(nèi)存中保留多個程序，從而產(chǎn)生對內(nèi)存管理的需要。第1章 導(dǎo)論1.8 內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負責(zé)下列有關(guān)內(nèi)存管理的活動：記錄內(nèi)存的哪部分正在被使用以及被誰使用。當有內(nèi)存空間時，決定哪些進程可以進入內(nèi)存。根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。第1章 導(dǎo)論1.9 存儲管理為了便于使用計算機系統(tǒng)，操作系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的邏輯信息存儲觀點。操作系統(tǒng)對存儲設(shè)備的物理屬性進行了抽象，定義了邏輯存儲單元，即文件。操作系統(tǒng)將文件映射到物理介質(zhì)上，并通過這些存儲介質(zhì)訪問這些文件。第1章 導(dǎo)論1.9 存儲管理1.9.1 文件系統(tǒng)管理文件管理是操作系統(tǒng)最為常見的組成部分。操作系統(tǒng)負責(zé)下列有關(guān)文件管理的活動：創(chuàng)建和刪除文件。創(chuàng)建和刪除目錄來組織文件。提供操作文件和目錄的原語。將文件映射到二級存儲上。在穩(wěn)定存儲介質(zhì)上備份文件。第1章 導(dǎo)論1.9 存儲管理1.9.2 大容量存儲器管理由于內(nèi)存太小不能容納所有數(shù)據(jù)和程序，并且掉電會失去所有數(shù)據(jù)，計算機系統(tǒng)必須提供二級存儲器以備份內(nèi)存。絕大多數(shù)現(xiàn)代計算機采用硬盤作