1.6 操作系统结构设计
北京交通大学操作系统讲义
现代操作系统
陈向群等译
机械工业出版社
7/15/2021
北京交通大学操作系统
教材内容删减说明
第三章 处理机调度与死锁
➢ 3.3 实时调度 ➢ 3.4 多处理机系统中的调度
第五章 设备管理
➢ 5.6 磁盘存储器管理
第八章 网络操作系统 第九章 系统安全性
7/15/2021
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课程主要内容及教学安排
保护模式内存管理
➢ 内存寻址（分段寻址技术；逻辑地址14+32） ➢ 地址变换（分段[段选择符→段描述符] + 分页） ➢ 内存保护（全局/局部描述符表、特权级）
中断和异常处理
➢ 中断向量与中断描述符表、中断源与异常源
任务管理（任务状态段） 任务切换与过程调用不同！
7/15/2021
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1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
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操作系统的作用(1) 用户与计算机硬件系统之间的接口
命令方式（操作系统外壳）
➢ 面向一般用户 ➢ 命令行/菜单式/命令脚本式/图形用户接口
操作系统其它硬件基础举例说明
内存地址空间布局、基本输入输出系统BIOS CMOS存储器与实时时钟RT I/O端口寻址和访问控制方式
➢ 主要使用独立编址方式，部分使用统一编址方式
中断控制器Intel 8259A、定时计数器Intel 8254 DMA控制器Intel 8237A、键盘控制器Intel 8042 串行控制卡RS-232标准 显示卡MDA/CGA/EGA/VGA 软盘控制器和硬盘控制器
02325计算机系统结构
02325计算机系统结构计算机系统结构第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路思路1.3.1软硬件取舍的基本原则软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性植性1.4.1统一高级语言统一高级语言1.4.2采用系列机采用系列机1.4.3模拟与仿真模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类算机系统的分类1.6.1并行性概念并行性概念1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类计算机系统的分类第2章数据表示与指令系统章数据表示与指令系统2.1数据表示数据表示2.1.1数据表示与数据结构数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择处理方法的选择2.2寻址方式寻址方式2.2.1寻址方式分析寻址方式分析2.2.2逻辑地址与主存物理地址逻辑地址与主存物理地址 2.3指令格式的优化设计指令格式的优化设计2.3.1操作码的优化操作码的优化2.3.2指令字格式的优化指令字格式的优化2.4按CISC方向发展与改进指令系统系统2.4.1面向目标程序优化实现改进2.4.2面向高级语言优化实现改进2.4.3面向操作系统优化实现改进2.5按RISC方向发展与改进指令系统系统2.5.1 RISC的提出的提出2.5.2设计RISC的原则的原则2.5.3设计RISC结构用的基本技术2.5.4 RISC技术的发展技术的发展第3章总线、中断与输入输出系统中断与输入输出系统 3.1输入输出系统的基本概念输入输出系统的基本概念3.2总线设计总线设计3.2.1总线的类型总线的类型3.2.2总线的控制方式总线的控制方式3.2.3总线的通讯技术总线的通讯技术3.2.4数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数3.3中断系统中断系统3.3.1中断的分类和分级中断的分类和分级3.3.2中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机通道处理机 3.4.1工作原理工作原理3.4.2通道流量的分析通道流量的分析第4章存储体系章存储体系4.1存储体系概念与并行主存系统4.1.1发展存储体系的必要性发展存储体系的必要性4.1.2并行主存系统频宽的分析并行主存系统频宽的分析4.1.3存储体系的形成与分支存储体系的形成与分支4.1.4存储体系的性能参数存储体系的性能参数4.2虚拟存储器虚拟存储器4.2.1不同的虚拟存储管理方式不同的虚拟存储管理方式4.2.2页式虚拟存储器的构成页式虚拟存储器的构成4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题4.3高速缓冲高速缓冲(Cache)(Cache)(Cache)存储器存储器存储器4.3.1基本结构基本结构4.3.2地址的映象与变换地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现替换算法的实现4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析性能分析第5章重叠、流水和向量处理机章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠基本思想和一次重叠5.1.2相关处理相关处理5.2流水方式流水方式5.2.1基本概念基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机理机5.3.1向量的流水处理向量的流水处理5.3.2向量流水处理机向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机超标量处理机5.4.2超长指令字超长指令字(VLIW)(VLIW)(VLIW)处理机处理机处理机5.4.3超流水线处理机超流水线处理机第6章阵列处理机章阵列处理机6.1阵列处理机原理阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法阵列处理机的并行算法6.2.1 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3 SIMD计算机的互连网络计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数函数6.3.2基本的单级互连网络基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例并行处理机举例6.5.1 MPP位平面阵列处理机位平面阵列处理机6.5.2 CM连接机连接机第7章多处理机章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式机间互连形式7.3程序并行性程序并行性7.3.1并行算法并行算法7.3.2程序并行性的分析程序并行性的分析7.3.3并行程序设计语言并行程序设计语言7.4多处理机的性能多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析性能模型与分析7.5多处理机的操作系统多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统浮动型操作系统第8章其它计算机结构章其它计算机结构8.1脉动阵列机脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统机群系统8.3数据流机数据流机8.3.1数据驱动的概念数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题数据流机器存在的问题8.4归约机归约机8.5智能机智能机8.5.1智能信息处理与智能机智能信息处理与智能机8.5.2智能机的结构和机器语言智能机的结构和机器语言★翻译和解释的区别和联系？区别：区别：翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，解释解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。
1.android发展历程简介
android（Google公司开发的操作系统）Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。
尚未有统一中文名称，中国大陆地区较多人使用“安卓”或“安致”。
Android操作系统最初由Andy Rubin开发，主要支持手机。
2005年8月由Google收购注资。
2007年11月，Google与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟共同研发改良Android系统。
随后Google以Apache 开源许可证的授权方式，发布了Android的源代码。
第一部Android智能手机发布于2008年10月。
Android逐渐扩展到平板电脑及其他领域上，如电视、数码相机、游戏机等。
2011年第一季度，Android在全球的市场份额首次超过塞班系统，跃居全球第一。
2013年的第四季度，Android平台手机的全球市场份额已经达到78.1%。
[1] 2013年09月24日谷歌开发的操作系统Android在迎来了5岁生日，全世界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。
2014第一季度Android平台已占所有移动广告流量来源的42.8%，首度超越iOS。
但运营收入不及iOS。
编程语言C/C++（底层）Java等（应用层）系统家族类Unix,Linux源码模式自由及开放源代码软件内核类型宏内核(Linux内核)软件许可Apache License、GPL等1系统简介编辑Android一词的本义指“机器人”，同时也是Google于2007年11月5日Android logo相关图片(36张)宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。
Android一词最早出现于法国作家利尔亚当（Auguste Villiers de l'Isle-Adam）在1886年发表的科幻小说《未来夏娃》（L'ève future）中。
计算机文化基础(1.6 计算机系统的组成)
系统并管理其资源 的程序组成。 主要功能包括：启动计算机，存储、加载和执 行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序 语言翻译成机器语言等。 系统软件可以看作用户与计算机的接口，它为 应用软件和用户提供了控制、访问硬件的手段。
操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、服 务程序。由一
（5）输出设备
主要功能是将计算机处理后的各 种内部格式的信息转换成人们能 识别的形式（如文字、图形、图 像和声音等）。
显示器：显示器由监视器和显示 适配卡组成，是最常用的输出设备。 打印机：打印机也是计算机中最 常用的输出设备。按输出方式可分为 击打式和非击打式，击打式以针式打 印机为主要代表，非击打式以激光打 印机和喷墨打印机为主流。
（1）运算器（ALU ）
运算器是计算机的核心部件，主要负责对 信息的加工处理。运算器不断地从存储器中 得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、 除及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存 储器中，整个过程在控制器的指挥下有条不 紊地进行。 运算器主要由一个加法器、若干个寄存器 和一些控制线路组成。
（2）控制器（CU）
外存储器（也称辅助存储器） 用于存放暂时不用的数据和程序 ，使用时调入内存。属于永久性 存储器。 常用的外存储器有：硬盘、软 盘、光盘和数据备份设备(如磁 带机、光磁驱动器和活动硬盘) 等
（外）存储器
硬盘
硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成；读写硬 盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮 在盘面上而不接触盘面；硬盘容量视具体类型而 定。硬盘多固定在机箱内部，防尘性能好、可靠 性高，对环境要求不高，但不便携带。
冯.诺依曼 ——电子计算机之父：
美籍匈牙利数学家
主要贡献： 与同事研制人类第二台计算 机EDVAC 提出“存储程序”概念 奠定了现代计算机体系结构 和工作原理
CH1操作系统概论
二、共享性
三、虚拟性
四、异步性
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一、并发与并行
并发：Concurrence 是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 并行：Parallel 是指两个或多个事件在同一时刻发生。 单处理机系统中采用多道程序技术后，可以实现硬 件之间的并行操作和程序之间的并发执行。
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多道程序并发执行示意图
程序A请求I/O 程序A 程序B请求I/O 程序B 程序C请求I/O C完成I/O C再次被调度 程序C 调度程序 时间轴t B完成I/O A完成I/O A再次被调度 A完成
微机操作系统、并行操作系统、分布式操作系统、网络操 作系统和嵌入式操作系统等相继产生。
操作系统的使用界面也从字符界面变成了图形界面。操作 系统的结构除了有序分层的模块化结构外，还出现了客户 /服务器加微内核结构等。 DOS、OS/2、Windows和Linux等是这一时期的典型代表。
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1.3
操作系统的基本类型*
23
1．分时的概念与实现
分时：指若干并发程序对CPU时间的共享，通过系统
软件实现。 指多个用户分享使用同一台计算机。两个或多个事 件按时间划分轮流使用计算机系统中的某一资源。 实现分时的基本方法是设立一个时间分享单位——
时间片(time slice)。它是系统规定进程一次使用
处理机的最长时间。时间片的长短可以因不同系统 而异，通常100ms左右。
软件是由计算机硬件执行以完成一定任务的所有程序及 其数据 。
2.软件的分类
分为系统软件和应用软件 其中,系统软件由操作系统、程序设计语言、语言处理程 序、数据库管理系统、网络系统和常用服务系统等组成。 应用软件是指专门为某一应用目的而 的软件系统。 用系统软件编制
软件工程课程设计概要设计与详细设计
精品好资料——————学习推荐淮海工学院计算机工程学院实验报告书课程名：《软件工程》题目：图着色理论在仓库管理系统中的应用——概要设计与详细设计班级：网络122学号：2012122683姓名：叶婷1、实验目的与要求熟悉Visio绘图工具或PowerDesigner系统，并使用Visio或PowerDesigner系统提供的设计绘图工具，如H图、程序流程图、盒图、PAD图等完成软件工程实验项目的概要设计与详细设计文档中的层次图和程序流程图等图形绘制与文档说明。
2、实验内容一、概要设计1.1引言1.1.1编写目的近年来，生产的工业化速度迅速加快，生产的产品数量猛增，给传统的仓库管理方式手工作业带来了很大的负担，今天的仓库作业和库存控制作业已十分多样化，复杂化，靠人工去记忆去处理已十分困难，且出现错误的可能性很大。
如果不能保证正确的进货、验收、质量保证及发货，就会导致浪费时间，产生库存，延迟交货，增加成本，以致失去为客户服务的机会。
本文正是为解决这个问题而作。
本说明书的预期读者为小中型仓库的管理员及客户和采购员。
1.1.2背景本系统是：仓库管理系统。
本项目的任务提出者、开发者都是本人用户：中小型仓库管理员。
软件的计算机网络：任何装有IIS的计算机作为服务器端，其他处在同一网络的计算机作为客户端。
1.1.3定义DFD: Data Flow Diagram 数据流图，它从数据传递和加工角度，以图形方式来表达系统的逻辑功能、数据在系统内部的逻辑流向和逻辑变换过程，是结构化系统分析方法的主要表达工具及用于表示软件模型的一种图示方法。
DD；Data Dictionary 数据字典：是指对数据的数据项、数据结构、数据流、数据存储、处理逻辑、外部实体等进行定义和描述，其目的是对数据流程图中的各个元素做出详细的说明。
1.1.4参考资料1.《软件工程》---钱乐秋，赵文耘，牛军钰编著 ------ 清华大学出版社2.《数据库系统概论》—王珊萨师煊主编 -------高等教育出版社3.《 Java语言程序设计实用教程》董迎红张杰敏编著------ 北京大学出版社4. 可行性研究报告5. 需求分析说明书1.2总体设计1.2.1需求规定本系统软件主要实现的功能是仓库管理员对仓库进行库存的管理，主要包括，对于生产部门送来的货物进行清点，无误后入库，对于销售部门请求的货物进行核实，无误后出库。
上海交大-操作系统
http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter1/11.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter1/12.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter1/13.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter1/14.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter1/14.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter1/16.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter1/17.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter2/21.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter2/22.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter2/23.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter2/24.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter2/25.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter2/26.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter2/27.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/31.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/32.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/33.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/34.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/35.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/36.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/37.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/38.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/39.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/310.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter3/311.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/41.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/42.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/43.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/44.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/45.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/46.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/47.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/48.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter4/49.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/51.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/52.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/53.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/54.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/55.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/56.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/57.htm http://202.204.208.81/computer/x_caozuoxitong/chapter5/58.htm1、引言（9学时）操作系统：两种观点——作为虚拟机和作为资源管理器操作系统的历史：四代计算机和MINIX的历史、第三代计算机（集成电路芯片和多道程序）操作系统的基本概念：进程、文件、外壳操作系统的核心——系统调用操作系统的结构2、进程（15学时）进程的概念、线程的概念进程间的通信：中断、互斥的实现（忙等待、睡眠和唤醒、信号量、管程、消息传递）经典IPC问题：哲学家进餐问题、读者-写者问题、理发师睡觉问题多种进程调度问题：时间片轮转、优先级调度、多级队列和策略驱动，等等 MINIX进程：概述和实现3、输入/输出系统（9学时）I/O的硬件和软件原理死锁：原理、处理一：鸵鸟算法、处理二：检测和恢复、处理三：预防、处理四：死锁避免（银行家算法、资源轨迹图）MINIX I/O系统概述磁盘：硬件和软件时钟、终端的输入和输出、各设备的驱动程序MINIX中的系统任务4、存储器管理（12学时）基本的内存管理：使用位图的内存管理、使用链表的内存管理虚拟存储器：分页技术（页、页表、多级页表）、翻译后援存储器、多级页表各种页面替换算法：第二次机会算法、老化算法、软件模拟LRU分页技术的设计分段技术：纯分段、和分页结合（MULTICS、Intel的Pentium)MINIX内存管理的概述:FORK,EXIT和WAIT系统调用、EXEC系统调用MINIX内存管理的实现5、文件系统（9学时）文件：命名、结构、类型、存取、属性、操作、文件的实现目录：概念和实现磁盘空间管理文件系统的可靠性、文件系统性能、安全性和保护机制MINIX文件系统概述和实现。
第1章 操作系统引论PPT课件
多道批处理系统的好处 ： ➢ 提高CPU的利用率 ；
➢ 提高内存和I/O设备利用率；
➢ 增加系统吞吐量。
多道批处理系统的特征 ：
➢
多道
➢ 无序
➢ 调度性
➢ 宏观上并行
➢ 微观上串行
2020/11/13
操作系统讲义
13
1.3 操作系统的发展过程
3. 多道批处理系统
程序A 程序A I/O请求
程序A
程序B
✓ 操作系统的概念
操作系统（Operating System-OS）是一组控制和 管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行 调度，以及方便用户使用的程序的集合。
2020/11/13
操作系统讲义
5
1.1 操作系统概述
2. 理解操作系统
✓ 下面哪些是操作系统？
UNIX，SQL Server，Word，DOS， WindowsXP， PowerPoint，Linux
1.3 操作系统的发展过程
3. 多道批处理系统
将作业在外存上排成一个队列，称为后备队列，由作业调
度程序按照一定的算法从后备队列中选择若干个（并不是同时）
作业进入内存，形成多道批处理。即指多个作业同时进入内存， 处于运行状态，可并行运行，但在某一时刻，真正在CPU上运 行的只有一个作业，为此引入多道程序设计技术。
❖操作系统有“五大类型”和“五大功能” （批处理，分时，实时，网络，分布； 进程、存储、文件、作业和设备管理）
知识点：
“五大类型”和“五大功能” 的基本知识和应用技能
第一章 操作系统引论
2020/11/13
操作系统讲义
3
主要内容
1.1 操作系统的概述 1.2 操作系统的目标和作用 1.3 操作系统的发展过程 1.4 操作系统的基本特性 1.5 操作系统的主要功能 1.6 操作系统的结构设计