1、第8章操學習目標u 了解操的發展歷史、操的分類、操的體系結構、常用主流操、操的新發展。u 掌握操概念、操的功能、操的一些基本概念及組成。u 操(Operating System)是建立在機上的第一層軟件系統，屬于計算機的系統軟件。沒有操計算機將無法正常工作。，整個2計算機科學導論8.1操操概念的一些基本概念8.1.1u 要理解操的概念，首先要清楚兩點：Ø 操屬于軟件，它是最接近于硬件的第一層軟件。Ø 一臺計算機，首先必須為它安裝操夠正常工作。，計算機才能u “操就是合理管理并計算機系統內各種軟、硬件，并能夠合理組織工作流程、方便用戶使用的程序的集合”。Ø 例如：W

2、indows，Unix，Linux等3計算機科學導論8.1.1現代操u 1并發操的一些基本概念通常都有著一些共同的基本概念。Ø 并發通常指多個任務可以在同一個時間段內同時執行，即多個任務在宏觀上并行，微觀上仍然串行(對于單CPU系統而言)。而并行則指的是多個任務真正意義上的同時執行u 2操內核Ø (1) 處理機的工作狀態。通常除了系統中非常簡單的CPU之外，多數CPU都有兩個工作模式，分別稱為Ø (2) 操稱為操模式和用戶模式。內核。操在態下運行的部分內核。通常，內核應該具有的基本功管理、I/O管理和文件能有處理機調度、。4計算機科學導論8.1.1u 3進程和線程

3、Ø 進程(Process)指的是程序的一次執行。操的一些基本概念Ø 在操中，進程是分配的最小。如果系統不支持線程，那么進程同時也是處理機調度的基本u 4死鎖。Ø 當多個進程在系統中運行時，如果對于這些的使用不加限制或規范，就可能引起系統中所有進程集合中的進程都無法執行完成，它們都在等待本進程集合中的進程相應的，這些進程就處于死鎖狀態。5計算機科學導論8.1.1操的一些基本概念ABØ 一個簡單的例子， 可以通過它來理解死鎖的概念設有兩個進程A、B，為了完成各自的應用它們都需要使用打印機和 CD刻錄機。假設系統首先已經將打印機分配給了進程A，CD刻錄機分配給

4、了進程B，并且兩個進程都已經開始執行，用實箭頭分別指向這兩分配；如果A在執行過程中，還要請求使用CD刻個進程表示這樣的錄機才能最終完成它的應用，而B在執行中也要請求使用打印機才能結束，用虛箭頭表示這樣的請求。運行結果是，A、B進程都會在某個時刻無法繼續執行完成，A因為要使用B已經擁有的CD刻錄機而無法得到，處于一個阻塞等待狀態；而B也會因為要使用已經分配給A的打印機處于阻塞等待狀態；最終，進程 A、B誰都無法執行完成，處于一個永遠等待的狀態，這就是死鎖。6計算機科學導論CD 刻錄機打印機8.1.1u 5地址空間每臺計算機都配備有一定大小的物理內存，這些物理內存由一些連續的物理單元組成，為這些物

5、理單元分別編址， 就是內存的物理地址。任何程序要得以執行，就必須到物理地址空間。每個進程也有它的地 址空間，通常稱為邏輯地址空間或虛地 址空間，指的是進程的邏輯地址的集合， 這個地址的開始值通常為0，一直到某個操的一些基本概念最大值 232-1 。這個最大值的地址結構有關，例如，如果采用32位地址結構，這個最大值就是。一個進程的虛空間通常有的布局。7計算機科學導論到操內核用戶棧空閑區堆數據段程序段8.1.1u 6I/O設備操的一些基本概念Ø 操Øu 7.通常將I/O設備分為兩類：字符設備和塊設備。設備狀態，設備分配，緩沖功能，設備文件管理性功能。Ø 邏輯結構，物理

6、結構，存取方式，方便的操作，目錄管理， 安全，可靠性，共享等。表 示目錄8計算機科學導論表 示文件8.1.1u 8安全Ø 隨著計算機技術應用的普及以及與發展。操的一些基本概念的不斷結合、Ø本身已經成為一門重要的學科，引起了廣泛的關注和研究。u 9shellØ shell實際上是操令解釋器，同時，它也是命令級的用戶接口。同時其本身也是一種高級編程語言，它有變量和程序結構。Ø 系統管理員通常編寫一些shell 理和維護，通過執行shell來方便地對系統進行管程序，用戶能夠簡單并且迅速地開始一系列復雜的任務或者執行一個重復的程序。9計算機科學導論8.1.2操的

7、基本組成Ø 現代操一般由用戶接口、進程管理、管理、。I/O設備管理、文件管理5個部分組成，操用戶接口I/O 設備管理管理進程管理文件管理10計算機科學導論8.1.1操的一些基本概念u 1用戶接口Ø 操通常都提供兩類用戶接口：命令接口(如shell命令)和程序接口(也稱系統調用，大多數系統以函數形 式提供給用戶使用)。Ø 編程通過系統調用請求系統，它就像是一個黑。系統調用的過程匣子，向用戶。了系統內部的陷入11計算機科學導論系統調用用戶空間空間8.1.1u 2進程管理Ø (1) 進程的描述。進程是程序的一次執行，它是一個動態的概念。Ø (2) 進

8、程的狀態及轉換。進程一般有3個最基本的狀態：運行態、就緒態、阻塞態操的一些基本概念運行態就緒態阻塞態Ø (3) 進程和調度。可以暫且將進程調度看作是處理機調度。12計算機科學導論8.1.2操的基本組成Ø (4) 進程間通信。進程與進程之間往往有著不同的劃分為兩類：進程之間需要共享系統內的某些，通常把這些而的進程之間的約束。（例兩個進程都要使用系統打印機，如果打印機先分配給了其中一個進程，另外一個進程就只有等待前面那個進程該進程間的是運行在系統內的進程，它們需要互相發送消息、相互等待、相互合作，即進程之間有著直接的相互影響。(例一批數據需要按順序分別計算并打印輸出，兩個進程計

9、算進程和打印進程共同完成)13計算機科學導論8.1.2操的基本組成u 3管理管理方式主要有單一分區、多分區、分段頁等多種不同的方式。頁、分Ø (1) 單一分區管理方式整個內存除了操只分配給一個進程使用。外，其余的內存空間Ø (2) 多分區內存除操管理方式。多分區管理方式將之外的空間劃分成多個分區。(a) 單一分區14計算機科學導論(b) 多分區進程 1進程 2進程 3操用戶進程操8.1.2操的基本組成Ø (3) 分頁動態分區管理方式管理雖然可以在一定程度上實現虛擬存儲，但是，仍然有它的局限性：有時需要在內、外存之間交換多個進程，這一操開銷非常大。另外，可用分區的大

10、小仍然會限制一個進程能否運行。高 00進程空間物理空間15計算機科學導論8.1.2操的基本組成Ø(4) 分段管理方式這種管理方式將進程的虛空間按照邏輯性來加以劃分，可以分為程序段、數據段、堆棧段等，然后利用動態分區管理的方式進行內存管理，只不過內存分配的對象不再是整個進程，而是進程的一個段。Ø(5) 段頁管理方式段頁式的管理方式將分頁與分段兩種方式相結合。16計算機科學導論8.1.2u 5I/O設備管理Ø (1) 中斷。當設備完成了輸入/輸出后，會通過中斷操的基本組成器向CPU發出硬件中斷，這些硬件中斷都事先有固定的編號，稱為中斷號。每個硬件中斷都有相應的中斷服務

11、程序。中斷器CPU中斷響應產生中斷外設中斷請求總線17計算機科學導論8.1.2操的基本組成u (2) I/O軟件。ØI/O軟件通常組織成的層次結構。Ø 中斷處理程序。Ø 設備驅動程序。Ø 設備無關軟件層。Ø 用戶層I/O軟件。18計算機科學導論用戶層 I/O 軟件設備無關軟件層設備驅動程序中斷處理程序8.1.2操的基本組成u 5文件管理Ø文件是保存信息的一種主要形式，通常把操中進行文件管理的部分(1) 文件命名。(2) 文件屬性。(3) 文件操作。(4) 文件邏輯結構。文件系統。ØØØØ無結構的

12、字節序列，如源程序文件、目標代碼文件；有結構的的信息式文件，通常指一個具有特定意義。ØØØ(5) 文件的存取方式。順序存取隨機存取。(6) 文件的物理結構。常見的文件物理結構有3種：連續文件、引文件。文件、索19計算機科學導論8.1.2 連續文件開銷比較大、浪費操的基本組成空間文件有利于文件的動態變化，只適合采用順序存取方式，存 取效率不高。 索引文件方便了文件的存取、適應于經常變化的文件，但文件很大時索引表也會變得很龐大。(7) 文件目錄管理。 路徑名。一種是絕對路徑名，如/usr/jone/tail.c或usrjonetail.c另一種是相對路徑。 目錄的操作

13、這些常用的操作有創建、刪除、打開、關閉、讀、重命ØØØ名、取消等。20計算機科學導論8.1.3操在計算機系統中的地位Ø 計算機系統通常可以劃分成的層次結構。Ø 第一層為機硬件，第二層到第四層都可以稱為軟件層，其中，第二層和第三層為系統軟件層，第二層即為操層。21計算機科學導論應用系統飛機票預定系統Web瀏覽器編譯程序編輯程序DBMS操物理設備8.1.4操的啟動u操的啟動是由引導完成，這個程序通常放在基本輸入/輸出系統中。u操動步驟如下：Ø (1) 系統加電，處理器復位，查找含有計算機啟動指令的BIOS。Ø (2) BIOS執

14、行加電自檢，檢測系統各個部件，同時顯示檢測信息。的所有活動。具體的啟22計算機科學導論8.1.4操的啟動Ø(3) 將自檢結果與CMOS(Complementary M-Oxide-Semiconductor，一種特殊的只讀器，其中了計算機的配置信息)配置信息相比較，如果有問題，系統會做出相應的處理。Ø(4) 如果自檢，BIOS就會到外存中分區引導塊進入內存，并執行引導塊程序對操進行引導，操的初始化等工作。進入內存后即接，繼Ø(5) 操根據系統配置信息，執行并啟動一些系統程序，完成整個系統的啟動。23計算機科學導論8.2操的發展Ø 計算機硬件發展與計算機應

15、用相結合的角度，通常把操的發展劃分為手工操作、批處理系統、多道程序系統、現代操等4個階段。24計算機科學導論8.2.1手工操作階段Ø 主要元器件是電子管，CPU運算速度比較慢(只有幾千次/s)。Ø 系統利用率低。Ø 計算機系統的可靠性也低。25計算機科學導論8.2.2批處理系統階段Ø 20世紀50年代中期，出現了晶體管元器件Ø CPU的處理速度得到了提高Ø 計算機系統的可靠性提高Ø 出現了一些早期的程序設計語言，如匯編語言、FORTRAN語言。Ø 提出了批處理系統26計算機科學導論8.2.3多道程序系統階段

16、6; 20世紀60年代出現了集成電路Ø CPU的處理速度有了更大提高工藝Ø 系統的性價比有了很大的提高Ø 人們提出了多道程序設計技術Ø 基本思想：將內存劃分為幾個部分，每一部分稱為一 個內存分區，每個分區中存放不同的作業，這樣CPU的利用率可以得到很大程度的提高。27計算機科學導論8.2.4現代操階段Ø 20世紀80年代起，大規模集成電路得到了進一步發展，硬件成本不斷降低計算機系統的應用 已經又從商業領域擴展到了普通的企業及個人。Ø 具有圖形用戶界面Ø 出現了操操、多處理機系統、分布式也飛速發展。，操28計算機科學導論8.3

17、操原理u 1 進程進程是指程序的一次執行。進程具有以下特征:Ø (1) 動態性進程是進程實體的執行過程，所以，動態性是進程最 基本的特性。Ø (2) 并發性指多個進程實體，共存于內存中，能在一段時間段內 同時執行。Ø (3)性進程是一個能運行的基本。Ø (4) 異步性進程按異步方式運行。Ø (5) 結構特征塊3部分組成進程實體是由程序段、數據進程29計算機科學導論8.3操原理u 2進程的同步與互斥Ø 進程同步是指有協作關系的進程之間不斷地調 整它們之間的相對速度或執行過程，以保證臨界的合理利用和進程的順利執行。Ø 實現互斥的

18、一種軟件是采用鎖機制，即提供一對上鎖(Lock)和開鎖(Unlock)原語，以及一個 鎖變量w或者是鎖位。30計算機科學導論8.3操原理u 3線程Ø 一個進程內部的基本調度稱為線程或輕型線程。5種基本操作來轉換Ø線程的3種基本狀態，線程 的狀態:(1) 派生；(2) 調度；(3) 阻塞；(4) 激活；(5) 結束Ø 線程與進程的比較:(1) 進程是分配的基本。(2) 線程是分配處理機的基本在處理機上運行的是線程。(3) 一個線程只能屬于一個進程，而一個進程可以有多個線程，且至少有一個線程。(4) 線程在執行過程中需要協作同步。不同進程的線程間要利，它與分配無關，即

19、真正用消息通信的實現同步。31計算機科學導論8.4操的分類u 1.批處理操Ø 主要特點是系統吞吐量大、系統利用率較高、平均作業周轉時間(作業從提交到結果輸出的時間)較長，系統無交互力。u 2.分時操Ø 較好的交互性；同時，系統u 3.實時操利用率也得到了很大的提高。Ø 具有驅動的特點，往往是由外部來觸發系統的響應；有實時性和高可靠性的要求。32計算機科學導論8.4操的分類u 4.Ø 組成操的各臺計算機物理分散且高度自治，各計算機都有各自的軟、硬件，系統的主要目的是共享、信息交換和協作。u 5.操Ø 具有普通計算機具有的通常功能，但同時具有實時系

20、統的特征，通常是更小的具有一定硬件功能的系統。33計算機科學導論8.5操的功能Ø 操功能和的功能通常可分為擴展的虛擬機管理功能兩個方面 。34計算機科學導論8.5.1管理功能Ø 1處理機管理Ø 2管理(1) 內存分配(2) 內存保護(3) 虛擬(4) 地址Ø 3I/O設備管理Ø 4文件管理35計算機科學導論8.5.2擴展的虛擬機功能Ø 操互以及為用戶提供了友好的人機交接口，使得計算機看上去像是功能得到了擴展的。36計算機科學導論8.5.3操操的功能u 常用的有Windows NT、UNIX、Linux、NetWare等。操除具有一般操

21、的功能外，還 應該具有通信、管理以及多種Ø (1)服務等功能。通信Ø 任務是在源主機和目標主機之間，實現數據傳輸。Ø (2)Ø 對管理中的各種軟、硬件實施管理;保證數據的安全性和一致性。37計算機科學導論8.5.3操的功能u (3)Ø 為服務用戶提供多種服務。u (4)管理Ø 保證計算機的安全性。u (5) 互操作Ø 能與服務器通信，還能服務器上的文件系統。38計算機科學導論8.6u 整體結構Ø 實質上是沒有結構，整個操操的體系結構由若干的具有一定功能的過程組成，過程和過程之間可以根據需要按事先定義的接口相互進行調

22、用。u 分層結構Ø 操按一定的功能模塊分層組織，下一層是相鄰上一層的基礎，層與層之間有嚴格的接口定義，只在相鄰層之間發生交互。39計算機科學導論8.6操的體系結構u 虛擬機結構Ø 它以運行在或某一種操軟件(虛擬機軟件/機上的)為基礎，向上提供虛擬機的功能，每個虛擬機都像是u 微內核結構機硬件的。Ø 盡量減小運行心態下的內核，將操的一些傳統功能作為服務器進程在用戶態下運行，內核的是在多個服務器進程間以及用戶進程與服務器進程間進行消息傳遞。40計算機科學導論8.7并發性Ø 并發性是指兩個或多個在同一時間間隔內發生。并行性是指兩個或多個在同一時刻發生。

23、6; 實現并發技術的關鍵之一是如何對系統內的多個活動(進程)進行切換。在多道程序環境下，并行 性使多個程序同一時刻可在不同CPU上同時執行。41計算機科學導論8.8調度與分派u 常用的任務調度算法如下:u 1優先數調度Ø 優先數調度算法是基于設置的進程優先數，把處理器分派 給就緒隊列中優先數最高的就緒進程。u 2時間片輪轉法調度Ø 輪轉法調度進程的關鍵：一是要利用時鐘，定時發出時鐘 中斷，以調度另一就緒進程運行；二是決定時間片大小，時間片過大， 系統開銷。u 3分級調度為優先數法，難以實現輪轉執行，增加Ø 分級調度又稱反饋隊列或多級隊列調度，該調度算法的主 要思想

24、是將就緒進程列入多個不同級別的就緒進程隊列。42計算機科學導論8.9安全與保護u 計算機安全性基本內容是對計算機系統的硬件、軟件、數據加以保護，不因偶然或而造成破壞、更改和泄露，使計算機系統得以連續、正常地運行。Ø 1操Ø 2安全需求Ø 3安全策略Ø 4安全模型Ø 5安全機制(1) 內存保護(2) 運行保護。(3) I/O保護Ø 6認證機制安全性主要內容Ø 7機制43計算機科學導論8.10 文件系統Ø 操為文件中負責管理和文件信息的軟件機構稱，簡稱文件系統。Ø 文件系統由3部分組成：與文件管理有關的軟件、

25、被管理的文件以及實施文件管理所需的數據結構。Ø 從系統角度來看，文件系統是對文件器空間進行組織和分配，負責文件的行保護和檢索的系統。并對存入的文件進44計算機科學導論8.11容錯Ø 系統的恢復能力就是容錯能力，簡稱容錯Ø 20世紀80年代，第一代容錯技術就開始進入領域Ø 1993年，Intel I860處理器在Stratus的硬件級容錯體系結構中應用Ø 1996年，容錯技術得到HP的支持，共同推出StratusContinuum系列，將Stratus容錯結構結合HP PA RISC對稱多處理技術。45計算機科學導論8.12系統性能評價u 1性能

26、評價目的Ø (1) 系統性能評價是指在眾多的系統中選擇一個最需要的系統，或在眾多的方案中選擇一個較好的方案，達到較好的性價比Ø (2) 對已其運行效率的性能缺陷進行改進，以便提高Ø (3) 對未來設計的系統進行性能本方面實現最佳設計或配置，在性能成46計算機科學導論8.12系統性能評價u 2性能評價參數Ø (1) 可靠性或可利用性。Ø (2) 處理能力或效率。Ø 吞吐率：系統在時間內能處理正常作業的個數。Ø 響應的時間：系統得到輸入到給出輸出之間的時間。Ø 利用率：在給定的時間區間中，各種部件(包括硬設備 和軟系統)被使用的時間與整個時間之比。Ø 丟失率(或阻塞率)：信息傳輸(用戶呼叫)丟失量與信息傳輸(用戶呼叫)總量之比。47計算機科學導論8.12u 3性能評價方法Ø (1) 測量方法。通過一定的測量設備或一定的測量程序， 直接從系統測得各項性能指標或與之密切相關的量， 求出相應的性能指標。Ø (2) 模擬模型方法。用程序動態地模擬系統及其負載。系統性能評價描述：模擬語言建立系統模型。執行：或時間驅動系統模型。統計分析：性能參數。Ø (3) 分析方法。用數學模型工具的理論與方法描述性能、負載之間的關系。48計算機科學導論8.13Ø（Script）就是