1操作系统概述课件

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系统态
系统调用
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操作系统内核
支 持 函 数
单内核模型操作系统有一个统一的内核，完全实行内部调用，因此运行效 率极高。这种结构是基于提高系统的执行效率为其设计理念的。
2. 微内核模式
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微内核模式的基本思想是：把操作系统的内核分为基本功能和非基 本功能两 部分， 内核里只保留基本功能部分，在核心态下运行； 非基本功能部分则从内核剥离下来，让它们以各种服务的形式，在用户态下 运行。 微内核模式也称“客户-服务器”模式。
操作系统
机器指令系统 裸机 CPU 内存、输入输出设备
2. 操作系统是机器的管理者：资源管理的观点
按性质的不同，可把计算机资源分成四类：处理机 （即CPU），存储器，外部设备，程序和数据。前三种 . 属于硬资源，后一种属于软资源。
计算机运行过程中，对硬资源的使用需解决四个问题： (1)记住资源当前状态 (2)制定资源分配策略 (3) 实施资源分配 (4)完成资源回收
存在人们意识不到的大量“操作系统”、 嵌入式系统
加深对使用的OS的理解，有利于深入编程
用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道
编程时借鉴操作系统的设计思想和算法
操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他 领域
选择购买操作系统 我们并不总使用Windows
操作系统涉及的领域
计算机体系结构/硬件 软件设计 程序设计语言 数据结构 算法 网络
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1.2.2 操作系统内核的结构模式 1. 内核
为应用程序提供对计算机硬件安全访问的一部分软件。
直接对硬件操作非常复杂，所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这 些操作。 硬件抽象隐藏了复杂的部分，为应用程序和硬件提供了一套简洁、统一的接 口，使程序设计更为简单
操作系统内核的结构模式：单内核模式和微内核模式
课程目标
不是如何使用或编写操作系统 而是理解操作系统如何工作 OS工作方式 OS内部算法和数据结构 设计OS过程中的问题、解决方案和折 中权衡
如何学习
不能只通过Powerpoint来复习课程 要通过自学、研读参考书掌握内容,分析 典型OS的源代码 充分理解和掌握基本概念、基本原理 区分概念和技术之间的区别和联系 善于发现问题、提出问题 要努力寻求问题的答案
1.2.2 操作系统内核的结构模式
1. 单内核模式
层次：调用系统服务的主程序层，执行系统调用的服务层，以及支持系统调用的底层函 数。后两层就是操作系统的内核。
. 单内核模式也称集中模式或整体模式，整个系统是一个大的模块。 . 单内核模式结构的系统虽是一个大的模块，但可以粗略地划分成三个
应用主程序调用程序入口地址表表目 自带参数的个数 该系统调用处理程序入口地址
核心态
(b)
(c)
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系统调用与过程调用的区别
(1) 一般过程调用，调用者与被调用者都运行在相同的 CPU状态；系统调用时，发出调用命令的调用者运行在 用户态，而被调用的对象则运行在核心态。 (2)一般过程调用，是直接通过转移指令转到被调用的程序； 系统调用时，只能通过软中断指令提供的统一入口，由用户态 进入核心态，然后转向相应的命令处理程序。
1.1 操作系统的定义与功能
1.1.1 操作系统的定义
1. 操作系统是硬机器的扩展：虚拟机的观点 . 未配置任何软件的计算机称为“裸机”。 . 操作系统是在裸机上安装的第一层软件，它把计算机硬件与 . 使用者隔离开。
在裸机上安装了操作系统使功能得以扩展的机器，称为“扩展 机”或“虚拟机”，虚拟机成为了一个向用户提供的新的工作 . 平台。
文件管理
存储管理
文件基本概念 文件目录 文件在磁盘上的组织 文件使用
存储体系 页式存储管理 段式存储管理 段页式 虚拟存储技术
第1章 操作系统概述
1.1 操作系统的定义与功能
1.1.1 操作系统的定义 1.1.2 操作系统的功能
1.4 硬件支撑环境
1.4.1 计算机硬件的基本构成 1.4.2 中断
1.2 操作系统的接口与内核模式
1.2.1 操作系统的两种接口
2. 程序接口：系统调用命令
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操作系统预先编了很多功能子程序，称“系统功能调用”程 序，简称“系统调用”。
用户在程序里调用它们，以便得到操作系统提供的各种功能 服务。在用户程序中调用这些系统调用提供的功能，称为系 统调用命令。
. 为了能使CPU从用户态变换成核心态，达到调 . 用有关操作系统功能程序的目的，需要通过一条名
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3.软件 软件是相对于硬件而言的，它是计算机程序、过程、规则 和相关文档资料的总称。
4.计算机软件的分类 应用软件：为解决某类需要或某个特定问题而编制的程序，它涉 及计算机应用的各个领域； 系统软件：对计算机系统的资源实施管理、控制，为其他程序的 运行提供支持和服务的软件。 5.操作系统的定义 操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算 机工作流程以及方便用户使用计算机的一个大型系统软件。
《操作系统》
操作系统课程介绍
48+8学时 主干课、考试课 作业 出勤 成绩组成： 期末考试+实验成绩+作业+出勤
参考教材
计算机操作系统教程 徐甲同、陆丽娜、谷建华 西安电子科技大学出版社
计算机操作系统 汤子瀛等 西安电子科技大学出版社
操作系统— 内核与设计原理（4ed） William Stallings 电子工业出版社
3. 设备管理 记住各类设备的使用状态，按各自不同的性能特点进行分配和回收。
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为各类设备提供相应的设备驱动程序、启动程序、初始化程序以 . 及控制程序等，保证输入/输出操作的顺利完成。 . 采用缓冲技术，提高CPU与外设、外设与外设之间操作的并行程度。 . . 根据不同的设备特点，制定优化策略，使对设备的使用更趋合理和有效。 . 用户在编制程序时，不应直接使用真实的设备名，以利于设备分配的灵活 性和处理外部设备的故障。这是所谓的“设备无关性”，或称“设备独 立”。
1.2 操作系统的接口与内核模式
1.2.1 操作系统的两种接口
. CPU指令系统中的指令分为两类：操作系统和用户都能使用的指令，称为“非特 权指令”；只能由操作系统使用的指令，称为“特权指令”。 . CPU有两种工作状态：核心态和用户态。 . . CPU处于“核心态”：CPU可以执行包括特权指令在内的一切机器指令 。 . CPU处于“用户态”：CPU只能执行非特权指令。如果在用户态下发现取到了一
多道程序设计 进程基本概念 进程管理 进程同步互斥 进程间通信 死锁
操作系统定义 系统资源 OS特征 OS分类 硬件运行环境 OS结构设计
进程管理
设备分类 设备独立性 I/O的实现方式 缓冲技术 虚设备技术 磁盘调度
基本概念
调度层次 作业调度 作业调度算法 进程调度算法
设备管理
操作 系统
处理机管理
write (fd, buf, count)
trap
功能号 fd
104404 目标程序
Trap中断 处理程序 C语言源程序
系统调用 处理程序入口表
参数
buf count
3
write (fd, buf, count) 编译程序 用户态 104404 (trap 04) 3 4 查 入 5 口 表 write入口 write 处理程序
为什么学习操作系统
关于学习操作系统的争议:
世界上只需要很少的操作系统设计/实现者 Windows 系列垄断不易改变
赞成学习操作系统的理由:
需要总体上掌握系统设计 操作系统包括了所有软件设计/实现问题
资源共享/管理 友好界面设计 安全和身份验证 灵活性，健壮性
赞成学习操作系统的理由(续)
设计操作系统，或者修改现有的系统
1.2 操作系统的接口与内核模式
1.2.1 操作系统的两种接口 1.2.2 操作系统内核的结构模式
1.4.3 存储器的结构
1.5 Linux操作系统的诞生
1.5.1 操作系统的发展简史 1.5.2 Linux操作系统的诞生
1.3 操作系统的基本分类
1.3.1 批处理系统
1.3.2 分时系统
1.3.3 实时系统 1.3.4 网络系统
程序A 运行 A 时间 等待 运行 A 等待
. 制定内存的分配策略。 . 必须对程序指令中的地址加以调整，以保证程序能够得到正确的运行。 这是存储管理中所谓的“地址重定位”问题。 . 实施内存的具体分配和回收。 . 建立安全机制，既要确保内存中各独立作业程序的安全、互不侵扰，又 要允许不同作业程序能够共享一些系统或用户的程序。 随着计算机应用的发展，涉及的问题越来越复杂，需要的内存量越来越 大。受内存容量和价格条件的限制，存储管理必须借助辅助存储器来解决 “内存”的扩充问题，使“作业程序比内存大时，也能正确运行”。这是存 储管理中的“虚拟存储器”技术。 .
将“虚拟”概念扩充，就可得到一台台虚拟机，后一台虚拟机 建立在前一台虚拟机的基础之上，并具有更加强大的功能。
用户
应用软件
用户
用户 功 能 扩 展 方 向
财务管理系统、航空订票系统、地理信息系统、CAD系统 人事管理系统、银行税务系统、铁路订票系统
系统软件
命令解释程序、语言编译程序、汇编程序 数据库管理系统、网络软件等
条特权指令，中央处理机就会拒绝执行，并产生“非法操作”中断。 CPU是在核心态还是在用户态，硬件会自动设置与识别：当CPU的控制权移到执行操 作系统程序时，硬件就会把CPU工作的方式设置成核心态；当操作系统选择用户程序占 用处理机时，CPU的工作方式就会由核心态转换成为用户态。
1. 特权指令、核心态、用户态
1.1.2 操作系统的功能
1. 处理机管理
. 记住每个作业程序的状态，需要对CPU重新进行调度时，就