操作系统概念第三章：操作系统结构
《操作系统结构》课件
操作系统结构
欢迎来到我们的操作系统结构课程。操作系统是计算机系统中最为重要的软 件之一。
什么是操作系统？
1 定义
操作系统是计算机硬件与应用软件之间的媒介，是一组控制程序。
2 功能
操作系统为用户和其他软件提供了接口，是进行其它任务的基础。
操作系统的层次结构
操作系统的层次结构
操作系统的层次结构是指系统中各种软件和硬件所 组成的层次结构。
操作系统的安全与保护通常通过访问控制列表、统的重要性
操作系统是计算机系统中最为 重要的软件之一，为用户和其 他软件提供了接口。
操系统结构的演变
操作系统的演变从最初的单体 式到现在的微内核操作系统。
操作系统的应用领域
操作系统广泛用于个人电脑、 服务器、嵌入式系统、移动设 备等各种应用领域。
文件系统管理
文件系统管理器是一种Windows 应用程序，它负责管理计算机上 的文件和文件夹。
操作系统的输入输出系统
1
I/O系统的组成
I/O系统是由控制器、设备驱动程序、中断处理程序、逻辑处理程序等组成的。
2
I/O系统的工作原理
I/O系统工作分为polling、中断驱动和DMA等方式。
操作系统的网络管理
进程状态
进程可以分为就绪状态，运 行状态和阻塞状态。
进程管理函数
进程管理函数定义了所有与 进程有关的操作，如创建、 撤销进程；挂起、恢复进程 等。
操作系统的文件系统
文件系统组成
文件目录是文件系统中的基本组 织单元，包括目录和文件两种类 型。
文件系统结构
文件系统结构可以分为单层目录 结构、多层目录结构和文件树结 构。
操作系统的内存管理
1
物理内存管理
操作系统结构设计
美观性
用户界面应该美观，提供良好 的视觉效果。
灵活性
用户界面应该灵活，允许用户 自定义和调整。
用户界面的实现技术
事件驱动编程
通过事件来响应用户的操作 ，如鼠标点击、键盘输入等 。
图形库
使用图形库来创建图形用户 界面，如Qt、GTK等。
语音识别技术
使用语音识别技术来识别用 户的语音输入。
THANKS
文件的存储与访问
总结词
文件存储与访问的方式和机制
详细描述
文件系统提供了多种方式来存储和访问文件。文件可以按顺序或随机方式存储在磁盘、固态硬盘等存 储介质上。文件访问可以通过文件路径、文件名、标识符等方式进行。
文件的共享与安全
总结词
文件共享和安全控制的方法与策略
详细描述
文件系统提供了多种机制来控制文件的共享和安全。通过访问 控制列表（ACL）、用户权限等方式，可以控制不同用户对文 件的访问权限。同时，文件加密、数字签名等技术也可以用于 保护文件的安全。
操作系统结构设计
目录
Contents
• 引言 • 操作系统结构概述 • 进程管理 • 内存管理 • 文件系统 • 设备管理 • 用户界面设计
01
引言
操作系统的定义与重要性
定义
操作系统是计算机系统的核心软件， 负责管理和控制计算机硬件和应用程 序的执行。
重要性
操作系统是计算机系统的基础，提供 了一个稳定、高效、安全的环境，使 得计算机硬件和应用程序能够协调工 作。
结合段式和分页式内存管理，将内存分为多 个段，每个段内部再分页。
内存的交换与回收
交换
将不用的内存数据暂时移出内存，释放空间 给其他进程使用。
回收
第三单元操作系统课件
设备的分配与回收
设备的分配
当用户程序需要使用设备时，操作系 统需要为其分配相应的设备资源。分 配的依据包括设备的类型、数量、使 用时间等。
设备的回收
当用户程序不再需要使用设备时，操 作系统需要将设备回收，以便其他程 序可以使用。回收时需要考虑设备的 状态、使用时间和优先级等因素。
THANKS
感谢观看
调的重要手段，有助于提高系统的可靠性和效率。
进程的优先级与调度
要点一
总结词
优先级决定了进程的执行顺序，调度程序负责按照优先级 进行进程切换。
要点二
详细描述
每个进程都有一个优先级，用于确定其在可执行状态时的 执行顺序。高优先级的进程会优先于低优先级的进程执行 。调度程序负责按照优先级进行进程切换，选择当前可执 行状态中最高优先级的进程执行。调度算法有多种，如先 来先服务、最短作业优先、最短剩余时间优先等。合理的 优先级设置和调度算法选择可以提高系统的性能和响应速 度。
进程的同步与通信
总结词
进程同步是协调并发进程的行为，防止发生与时间有关的错误；进程通信是实现并发进 程间的信息交换。
详细描述
进程同步是操作系统的一种机制，用于协调并发进程的行为，确保它们能够按照一定的 顺序和规则执行，避免发生与时间有关的错误。进程通信是实现并发进程间信息交换的 一种手段，通过消息传递、共享内存等方式实现。进程同步和通信是实现并发控制和协
进程的创建与终止
总结词
进程可以通过系统调用、作业调度等方式创建，也可 以因为完成、异常、资源不足等原因终止。
详细描述
进程的创建可以通过系统调用或作业调度实现。系统调 用提供了一组接口，允许用户程序请求操作系统为其创 建一个新进程。作业调度则根据一定的策略选择一个或 多个作业，为其分配必要的资源并创建进程。进程的终 止原因有多种，如正常结束、异常结束、资源不足等。 当进程完成其任务或异常结束时，操作系统会回收其占 用的资源并销毁该进程。当系统资源不足时，操作系统 可能会选择终止某些进程以释放资源。
操作系统结构
1.2操作系统结构设计操作系统是一种大型、复杂的并发系统，为了研制操作系统，首先必须研究它的结构，力求设计出结构良好的程序。
操作系统的结构设计有两层含义：一是研究操作系统的整体结构，由程序的构成成分组成操作系统程序的构造过程和方法；二是研究操作系统程序的局部结构，包括数据结构和控制结构。
采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统。
本节将在讨论操作系统构件之后，全面介绍各种操作系统的构造方法。
1.2.1 操作系统的组件通常把组成操作系统程序的基本单位称作操作系统的构件。
剖析现代操作系统，构成操作系统的基本单位除内核之外，主要还有进程、线程、类程和管程。
1．内核现代操作系统中大都采用了进程的概念，为了解决系统的并发性、共享性和随机性，并使进程能协调地工作，单靠计算机硬件提供的功能是十分不够的。
例如，进程调度工作目前就不能用硬件来实现；而进程自己调度自己也是困难的。
所以，系统必须有一个软件部分能对硬件处理器及有关资源进行首次改造，以便给进程的执行提供良好运行环境，这个部分就是操作系统的内核。
由于操作系统设计的目标和环境不同，内核的大小和功能有很大差别。
有些设计希望把内核做得尽量小仅具有极少的必需功能，称为微内核（microkernel），其他功能都在核外实现，通过微内核提供的消息传递机制完成其余功能模块间的联系；有些设计则希望内核具有较多的功能，虽然其内部也可划分成层次或模块，但运行时是一个大二进制映像，模块间的联系可通过函数或过程调用实现，称为单内核（monolithic kernel）。
操作系统的一个基本问题就是内核的功能设计。
微内核结构是现代操作系统的特征之一，这种方法把内核和核外服务程序的开发分离，可为特定应用程序或运行环境要求定制服务程序，具有较好的可伸缩性，简化了实现，提供了灵活性，很适合分布式系统的构造。
一般而言，内核必须提供以下3个方面的功能。
（1）中断处理。
中断处理是内核中最基本的功能，也是操作系统赖以活动的基础，为了缩短屏蔽中断的时间，增加系统内的并发性，通常它仅仅进行有限的、简短的处理，其余任务交给在内核之外的特殊用户态进程完成。
第三章 计算机操作系统
3.3 进程管理
信号量的使用：
• • • 必须置一次且只能置一次初值 初值不能为负数 只能执行Down、Up操作
用Down、Up操作解决进程间互斥问题
进程 P1 进程 P2 进程 P3 Down(S) Down(S) Down(S) Up(S) Up(S) Up(S)
互斥区
用信号量实现互斥
S的初始值为1 进程 P Down(s) {对共享内存操作} up(s) 进程 Q Down(s) {对共享内存操作} up(s)
3.3 进程管理 3.3.6 进程的同步与互斥
进程的同步就是指相互协作的进程不断调整它们之间的相 对速度，以实现共同有序地推进。 换句话说,在操作系统中，允许多个进程并发运行。然而， 有些进程之间本身存在某种联系，它们在系统中需要一种协作， 以保证进程能正确有序地执行并维护数据的一致性。
例:A、B两进程同步工作如下图（A进程负责从键盘读数据到缓冲区，B进程从缓冲 区取数据并计算。 A进程
• Linux内核源代码情景分析
– 毛德操，胡希明 浙大出版社
• 莱昂斯unix源代码
3.1 操作系统概念及构成 3.1.1 操作系统的概念
操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同 时它又是用户与计算机硬件的接口。
没有操作系 统，应用软 件如同空中 楼阁，无法 运行。
用户 系统程序和应用程序 操 作 系 统 硬 件 层
用信号量实现互斥解决竞争问题
x, y初始值为10
进程 P: x=x+1 P0. DOWN( S )
S的初始值为1
进程 Q: y=y-1 Q0. DOWN( S )
P1. MOV R0, X
P2. INC R0 P3. MOV X, R0 P4. UP( S ) 此时x=11, y=9
操作系统概念重点内容总结
操作系统概念重点内容总结第一章导论1、操作系统的功能作用：（1）作用：操作系统是控制和管理计算机系统各种硬件和软件资源，有效地组织多道程序运行的系统软件，使用户与计算机之间的接口。
（2）功能：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、用户接口。
2、操作系统的发展过程：（1）手工操作时期：人工干涉，用户独占。
（2）早期批处理时期：出现了完成作业自动转换工作的程序叫监督程序，包括早期联机批处理、早期脱机批处理。
（3）多道批处理系统：在存中同时存放多道程序在管理程序的控制下交替执行，用户独占。
（4）分时系统：用户与主机交互。
（5）实时系统：具有专用性及时性。
（6）现代操作系统（网络操作系统和分布式操作系统）：有网络地址，提供网络服务，实现资源共享。
第二章计算机系统结构1、计算机系统在硬件方面的保护：（1）双重模式操作：用户模式、监督程序模式，双重模式操作为人们提供了保护操作系统和用户程序不受错误用户程序影响的手段。
（2）I/O保护：定义所有I/O指令为特权指令，所以用户不能直接发出I/O指令，必须通过操作系统来进行。
（3）存保护：对中断向量和中断服务程序进行保护，使用基址寄存器和界限寄存器。
（4）CPU保护：使用定时器防止用户程序运行时间过长，操作系统在将控制权交给用户之前，应确保设置好定时器，以便产生中断。
第三章操作系统结构1、操作系统的基本组成：进程管理、存管理、文件管理、输入/输出系统管理、二级存储管理、联网、保护系统、命令解释系统。
2、系统调用的含义：系统调用提供了进程与操作系统之间的接口。
分为五类：进程控制、文件管理、设备管理、信息维护、通信。
3、操作系统设计所采用的结构：（1）简单结构：以较小、简单且功能有限的系统形式启动，但后来渐渐超过了其原来的围，由于运行所用的硬件有限，它被编写成利用最小的空间提供最多的功能。
（2）分层方法：优点：模块化，简化了调试和系统验证（灵活性强）；缺点：涉及对层的仔细认真的定义的困难，效率较差（3）微核：优点：便于操作系统扩充，便于移植；缺点：关于哪些服务应保留在核，而哪些服务应在用户空间实现，并没有定论。
操作系统结构
操作系统结构操作系统结构1.引言1.1 概述1.2 目的1.3 背景2.操作系统概念2.1 定义2.2 功能和特点2.3 发展历程3.操作系统组成3.1 内核3.1.1 进程管理子系统3.1.2 内存管理子系统3.1.3 文件系统3.1.4 设备驱动程序3.2 用户界面3.2.1 命令行界面3.2.2 图形用户界面4.进程管理4.1 进程调度4.1.1 调度算法4.1.2 进程优先级 4.2 进程同步4.2.1 互斥量4.2.2 信号量4.2.3 临界区4.3 进程通信4.3.1 管道4.3.2 消息队列4.3.3 共享内存5.内存管理5.1 虚拟内存5.1.1 分页5.1.2 分段5.1.3 段页式5.2 内存分配与回收5.2.1 连续内存分配 5.2.2 非连续内存分配5.2.3 内存回收算法6.文件系统6.1 文件概念6.1.1 文件类型6.1.2 文件属性6.2 文件系统结构6.2.1 单级目录6.2.2 多级目录6.2.3 索引节点6.2.4 文件存储方式7.设备管理7.1 设备分类7.1.1 输入设备7.1.2 输出设备7.1.3 存储设备7.2 设备驱动程序7.2.1 设备控制块7.2.2 设备队列7.2.3 设备中断处理8.用户界面8.1 命令行界面8.1.1 常用命令8.1.2 命令解析器8.2 图形用户界面8.2.1 窗口管理8.2.2 鼠标和键盘事件处理附件:附件1、示例代码附件2、数据模型法律名词及注释:1.操作系统：计算机系统中的软件，负责管理和控制计算机硬件资源以及为上层应用程序提供服务。
2.进程：正在计算机系统中运行的一个程序实例，也是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。
3.内核：操作系统的核心部分，负责管理系统的基本功能和资源。
4.文件系统：操作系统用于管理和组织计算机存储设备上文件的一种机制。
5.设备驱动程序：操作系统中的软件模块，用于控制和管理硬件设备。
6.虚拟内存：操作系统中的一种技术，将物理内存和硬盘空间结合使用，扩大可用内存的容量。
操作系统的组成部分课件
03 内存管理
内存的分配与回收
内存的分配
操作系统负责将内存空间分配给各个程序，以便它们能够存储数据和代码。分配方式包括静态分配和 动态分配。
内存的回收
当程序完成其任务或不再需要内存时，操作系统负责回收这些内存，以便重新分配给其他程序使用。
内存的交换与覆盖
内存交换
文件锁定
对于共享文件，文件系统提供锁定机制以防止多个用户同时修改造成数据冲突。
文件的备份与恢复
数据备份
01
定期对重要文件进行备份，以防止数据丢失或损坏。
数据恢复
02
当数据出现问题时，通过备份数据进行恢复，保证数据的可用
性。
增量备份与差异备份
03
根据需要选择不同的备份策略，以减少备份时间和空间占用。
CLI 的优点是高效、灵活，适合于编程和系统管理。缺点是不适合初学者 ，需要一定的学习曲线。
图形用户界面
1
图形用户界面（GUI）是一种基于图形的用户界 面，用户通过点击图形元素来与操作系统交互。
2
GUI 使用窗口、图标、菜单和对话框等图形元素 来展示信息和提供操作选项。
3
GUI 的优点是直观、易于使用，适合于普通用户 。缺点是相对于 CLI 来说不够高效。
05 设备管理
设备的分类与识别
设备分类
根据设备类型、功能和用途，将设备分为不同的类别，如输入设备、输出设备、存储设备等。
设备识别
通过设备标识符（如设备名称、型号、序列号等）来识别和管理设备。
设备的分配与使用
设备分配
根据系统需求和资源限制，将设备分配 给用户或应用程序使用。
VS
设备使用
提供用户接口和应用程序编程接口（API ），使用户和应用程序能够与设备进行交 互。
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设备管理：请求设备，释放设备，读、写、重 定位设备等
信息维护：读取时间或日期、设置时间或日期 等
通信：创建、删除通信连接，发送、接收消息， 传递状态信息等
15
MS-DOS执行状态
16
运行多个程序的UNIX
17
通信模型
18
3.4 系统程序
理和其他操作系统功能。
系统程序
23
UNIX系统结构图
24
分层方法
操作系统分成若干层，每层建立在较低层之上。 最底层（层0）是硬件，最高层（层N）是用户 接口
分层法的主要优点是模块化。选择了分层，这 样每层只能利用较低层的功能（或操作）和服 务。
分层法的主要困难涉及到对层的仔细认真的定 义
内存是可以被CPU和I/O设备所共同快速访问的数据的 仓库
内存是易失性的存储设备。在系统失败的情况下，内 存将会丢失其内容。
OS负责以下与内存管理相关的活动
记录内存的哪部分正在被使用及被谁使用 当内存空间可用时，决定哪些进程可以装入内存 根据需要分配和释放内存空间
5
3.1.3 文件管理
3
3.1.1 进程管理
进程指的是运行着的程序
进程需要一定的资源来完成任务，包括CPU时 间，内存，文件和I/O设备
OS负责以下与进程管理有关的活动
创建和删除用户进程和系统进程 悬挂（暂停）和继续进程 提供进程同步机制 提供进程通信机制 提供死锁处理机制
4
3.1.2 内存管理
内存是一字节或字的一个大的阵列，每个字或字节都 有自己的地址。
用来接收与解释控制语句的程序有不同的名称
命令行解释器 外壳(Shell, in UNIX)
11
3.2 操作系统服务
程序执行 I/O操作 文件系统操作 通信 错误检测 资源分配 统计 保护
12
3.口
这些调用通常以汇编语言指令的形式提供 有些语言（如C, C++和Perl）已经取代了汇编语言而直
创建和删除文件 创建和删除目录 提供操作文件和目录的原语 将文件映射到二级存储器（辅存）上 在稳定（非易失的）存储媒介上备份文件
6
3.1.4 I/O系统管理
操作系统的目标之一是为用户隐藏特定硬件设 备的特质。只有设备驱动程序才知道被指定的 设备的特质。
I/O系统由如下部分组成：
包括缓冲器、高速缓存和脱机打印的内存管理 部分
接用于系统编程
向操作系统传递参数通常用三种方法
通过寄存器来传递参数 参数数量可能会比寄存器多
将参数存放在内存的块或表中，并将块的地址作为参数 传递给寄存器 指针
将参数放在堆栈中，并通过操作系统弹出堆栈 不限制所传递参数的数量或长度
13
参数作为表传递
14
系统调用的类型
进程控制：结束，中止，装入，执行，创建、 终止进程等
操作系统概念
第三章：操作系统结构
本章主要内容
本章将从用户角度、程序员角度和操作系统设计人员 角度来分别研究操作系统的三个方面。
1. 系统组成 2. 操作系统服务 3. 系统调用 4. 系统程序 5. 系统结构 6. 虚拟机 7. 系统设计与实现 8. 系统生成
2
3.1 系统组成
进程管理 内存管理 文件管理 输入/输出系统管理 二级存储管理 联网 保护系统 命令解释系统
分层法与其他方法相比其效率稍差。
25
一种操作系统层次结构图
26
OS/2层次结构
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微内核系统结构
这种方法将所有非基本部分从内核中移走，并将它们 当做系统级程序和用户级程序来实现，用这种方法来 构建操作系统
用户模块之间采用消息传递的方式进行通信 优点
微内核易于扩展 易于提升OS至一个新的体系结构 更可靠（内核模式中运行的代码更少） 更安全
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MS-DOS系统结构
MS-DOS － 利用最小的空间提供最多的功能
没有被划分成模块 尽管MS-DOS拥有一些结构，但它的接口和功
能层次并没有很好的分离开来。
21
MS-DOS层次结构
22
UNIX系统结构
UNIX － 最初受到硬件功能的限制，它由两个 独立的部分组成
内核
▪ 包括系统调用接口之下和物理 硬件之上的所有部分 ▪ 内核通过系统调用提供文件系统、CPU调度、内存管
空闲空间管理 存储空间分配 硬盘调度
8
3.1.6 联网（分布式系统）
分布式系统是一组不共享内存、外设和时钟的 处理器的集合。
这些处理器都有各自的内存和时钟
系统中的处理器通过通信网络相连 通信双方需采用相同的协议 分布式系统使得用户能够访问多个系统资源 对共享资源的访问可以使计算加速、功能加强、
提供数据可用性以及增强可靠性
9
3.1.7 保护系统
保护是控制程序、进程或用户访问由计算机系 统定义的资源的机制。
这种保护机制必须能够：
区分已授权的和未授权的使用 提供一定的方法以规定所有要进行的控制 提供加强控制的方法
10
3.1.8 命令解释系统
许多命令通过控制语句交给操作系统
进程创建和管理 I/O处理 二级存储管理 内存管理 文件系统访问 保护 联网
为了便于使用计算机系统，操作系统提供了统一的逻 辑信息存储观点。操作系统对存储设备的物理属性进 行了抽象，定义了逻辑存储单元即文件。操作系统将 文件映射到物理媒介上，并通过对这些存储设备访问 这些文件。
文件是由其创建者定义的一组相关信息的集合。
通常，文件表示程序（源程序和目标程序）和数据
OS负责以下有关文件管理的活动：
系统程序提供了一个方便的环境，以开发程序和执行 程序。它们可分为以下几类：
文件管理 状态信息 文件修改 程序语言支持 程序装入和执行 通信 应用程序
绝大多数用户所看到的操作系统是由系统程序而不是 实际系统调用定义的。
19
3.5 系统结构
简单结构
DOS UNIX
分层方法 微内核
一个通用设备驱动程序的接口 用于特定硬件设备的驱动程序
7
3.1.5 二级存储管理
由于内存太小而不能容纳所有数据和程序，再 加上掉电后它会失去所拥有的数据，计算机系 统必须提供二级存储器，以备份内存。
许多现代计算机系统采用磁盘作为主要在线存 储媒介来存储程序和数据。
OS负责下列有关硬盘管理的活动