北京工業(yè)大學(xué)操作系統(tǒng)課OS1

對應(yīng)教材第一章第二章操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的地位研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)操作系統(tǒng)概念流行的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的地位操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)的定義很多……操作系統(tǒng)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行的程序，并充當(dāng)應(yīng)用程序和硬件間的接口。操作系統(tǒng)（OperatingSystem）是最基本的系統(tǒng)軟件。它控制計(jì)算機(jī)的所有資源；并提供應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)。研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)系統(tǒng)觀點(diǎn)：作為資源管理器的操作系統(tǒng)用戶觀點(diǎn)：作為擴(kuò)展機(jī)的操作系統(tǒng)作為資源管理器的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要任務(wù)滿足資源使用請求記錄資源使用情況協(xié)調(diào)各個(gè)程序和用戶對資源使用請求的沖突。硬件資源處理器管理存儲器管理I/O設(shè)備管理信息資源文件管理資源作為擴(kuò)展機(jī)的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的作用是為用戶提供一臺等價(jià)的擴(kuò)展機(jī)（ExtendedMachine），或稱為虛擬機(jī)，它比底層編程更容易編程。操作系統(tǒng)的目標(biāo)方便用戶讓計(jì)算機(jī)高效執(zhí)行？無操作系統(tǒng)時(shí)代單道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)其他操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)發(fā)展歷史無操作系統(tǒng)單道批處理多道批處理分時(shí)系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的發(fā)展是隨計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展而發(fā)展的無操作系統(tǒng)時(shí)代第一代計(jì)算機(jī)（1945-1955）第一臺計(jì)算機(jī)ENIAC使用真空管和插件板無任何軟件和操作系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)第二代計(jì)算機(jī)（1955-1965）目標(biāo)：減少機(jī)時(shí)的浪費(fèi)作業(yè)（Job）：指程序或程序集作業(yè)控制語言用來控制作業(yè)的執(zhí)行。主要用于科學(xué)與工程計(jì)算FMSFORTRANMonitorSystemFORTRAN監(jiān)控系統(tǒng)IBSYSIBM為7094配備的操作系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)的問題？CPU利用率低內(nèi)存利用率低安全？多道批處理系統(tǒng)第三代計(jì)算機(jī)（1965-1980）基地址寄存器和界限寄存器多道程序設(shè)計(jì)Multiprogramming多道批處理系統(tǒng)的問題？π的第一百萬位是多少？寫個(gè)Hello

World程序試一試……響應(yīng)時(shí)間不確定不同調(diào)度算法不同結(jié)果交互式應(yīng)用和批處理應(yīng)用對響應(yīng)時(shí)間有不同的需求分時(shí)系統(tǒng)每個(gè)用戶擁有一個(gè)終端n個(gè)用戶同時(shí)申請任務(wù)，給每個(gè)用戶1/n有效的處理器速度PhysicalMachineTerminal…CommandCommandCommandResultResultResultTimeSharingMultitasking實(shí)時(shí)系統(tǒng)對處理器操作或者數(shù)據(jù)流動有嚴(yán)格的要求時(shí)使用。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)保證關(guān)鍵任務(wù)按時(shí)完成軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級高于其他任務(wù)的優(yōu)先級，并在完成之前保證它的最高優(yōu)先級其他操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)多處理器系統(tǒng)桌面系統(tǒng)群集系統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能用戶與操作系統(tǒng)的接口操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能處理器管理的功能存儲管理的功能設(shè)備管理的功能文件管理的功能用戶接口硬件資源處理器管理存儲器管理I/O設(shè)備管理信息資源文件管理資源用戶與操作系統(tǒng)的接口命令接口由一組鍵盤操作命令和命令解釋程序組成DOS程序接口為了用戶程序訪問系統(tǒng)資源而設(shè)用戶程序獲取操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑系統(tǒng)調(diào)用WindowsAPI圖形用戶接口(GUI)操作系統(tǒng)的基本特征并發(fā)(concurrence)并行：兩個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)刻發(fā)生并發(fā)：兩個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)間間隔發(fā)生共享(sharing)互斥的共享方式同時(shí)訪問方式虛擬(virtual)異步性(asynchronism)內(nèi)存中程序何時(shí)執(zhí)行、何時(shí)暫停、需要多少時(shí)間完成都是不可知的整體式系統(tǒng)層次式結(jié)構(gòu)C/S結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)早期的操作系統(tǒng)使用整體式系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是一系列過程的集合，只要需要就可以相互調(diào)用。整體式結(jié)構(gòu)例子1MS-DOS最初由幾個(gè)人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)利用最小空間提供最多的功能沒有被仔細(xì)地劃分模塊整體式結(jié)構(gòu)例子2傳統(tǒng)UNIX受到硬件的限制分成內(nèi)核和系統(tǒng)程序內(nèi)核又分為接口和設(shè)備驅(qū)動新版的UNIX可以更好地使用高級硬件層次式結(jié)構(gòu)層次式系統(tǒng)的各種功能可以劃分為幾個(gè)層次，每個(gè)層次建立在下面的層次之上。優(yōu)點(diǎn)：模塊化缺點(diǎn)：對層的定義并且相對效率差層次式結(jié)構(gòu)例子OS/2使用數(shù)量更少而功能更多的分層設(shè)計(jì)提供了絕大多數(shù)模塊化代碼的優(yōu)點(diǎn)避免了分層定義和交互的困難問題C/S結(jié)構(gòu)把原本屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能放到內(nèi)核的外部，使內(nèi)核成為一個(gè)微內(nèi)核。操作系統(tǒng)的微內(nèi)核之外的進(jìn)程是服務(wù)器進(jìn)程；而用戶進(jìn)程是客戶進(jìn)程。微內(nèi)核實(shí)現(xiàn)消息的傳遞優(yōu)點(diǎn)易于維護(hù)易于擴(kuò)充適用于分布式系統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)例子WindowsNT虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)監(jiān)控器運(yùn)行在硬件系統(tǒng)上，提供多道程序的功能，并為上一層提供虛擬機(jī)。虛擬機(jī)是硬件的完全拷貝，包括真實(shí)機(jī)器中的內(nèi)核模式、用戶模式、I/O、中斷等。優(yōu)點(diǎn)提供了安全層允許進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)而不必中斷正常的系統(tǒng)操作虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)例子一套硬件上同時(shí)運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)Windows和UNIXJava虛擬機(jī)JVM（Java虛擬機(jī)）可以在各種硬件之上解釋執(zhí)行Java編譯程序程序狀態(tài)字中斷系統(tǒng)CPU狀態(tài)/模式系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字處于CPU，用于包含狀態(tài)信息用于比較指令的條件碼CPU優(yōu)先級模式（用戶模式/核心模式）其它控制位CPU狀態(tài)/模式系統(tǒng)模式：執(zhí)行操作系統(tǒng)任務(wù),也稱為管態(tài)Kernel

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System/Privileged/Supervisormode用戶模式：執(zhí)行用戶任務(wù)，也稱為目態(tài)Usermode區(qū)分兩種模式的原因提供了保護(hù)操作系統(tǒng)和用戶程序不受錯(cuò)誤用戶程序影響的手段特權(quán)指令(PrivilegedInstruction)：可以引起損害的指令如果在用戶模式下執(zhí)行特權(quán)指令則認(rèn)為是非法指令在PSW中用一位來表示模式中斷現(xiàn)代操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動的定義：由外部事件引起的暫停過程，外部事件處理完成后會被恢復(fù)執(zhí)行。中斷類別中斷（interrupt）：由硬件引起的中斷，例如時(shí)鐘中斷陷阱（trap）：是因?yàn)殄e(cuò)誤/用戶程序的特定請求而引起的軟件生成中斷，又稱軟中斷例如系統(tǒng)調(diào)用中斷向量：各種中斷服務(wù)程序的地址。中斷使用堆棧保存被中斷指令的地址利用中斷控制字實(shí)現(xiàn)屏蔽中斷多重中斷順序處理優(yōu)先級（可嵌套）系統(tǒng)調(diào)用用戶對操作系統(tǒng)提出的服務(wù)是由系統(tǒng)調(diào)用（SystemCall）來實(shí)現(xiàn)的，它提供了進(jìn)程與操作系統(tǒng)之間的接口。有的用匯編語言編寫有的用高級語言編寫，直接被高級語言調(diào)用Win32API

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JavaAPI/POSIXAPI分別調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用例子從一個(gè)文件中讀數(shù)據(jù)并寫到另一個(gè)文件中Read/write結(jié)論：簡單的程序也會使用大量的系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)過程系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行時(shí)被視為陷阱（軟中斷）通過中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序（系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序），模式位變成系統(tǒng)模式傳遞參數(shù)通過寄存器傳遞參數(shù)將參數(shù)存放在內(nèi)存的塊或者表中，把塊或表的地址放在寄存器中通過堆棧的壓入和彈出判斷參數(shù)是否合法執(zhí)行返回系統(tǒng)調(diào)用的分類進(jìn)程控制文件管理設(shè)備管理信息維護(hù)通信第一次作業(yè)基礎(chǔ)作業(yè)1.操作系統(tǒng)的兩個(gè)主要目標(biāo)是什么2.多道程序設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？3.監(jiān)督程序模式和用戶模式之間的區(qū)別？4.陷入與中斷之間的區(qū)別？5