【導(dǎo)讀】操作系統(tǒng)是一門涉及較多硬件知識的計算機系統(tǒng)軟件。本課程的目的與任務(wù)是。使學(xué)生理解操作系統(tǒng)的基本原理、組成、基本概念和主要。目前國內(nèi)外操作系統(tǒng)課程的教學(xué)主要有兩種模式：。側(cè)重理論與原理的講述，不局限于具體實例。結(jié)合具體實例，講述操作系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)。掌握操作系統(tǒng)的工作原理。了解Linux/windows的技術(shù)方法?！冬F(xiàn)代操作系統(tǒng)》陳向群等譯機械工業(yè)出版?！队嬎銠C操作系統(tǒng)》湯子瀛等西安電子科技?！恫僮飨到y(tǒng)原理DOS篇》張昆蒼清華大學(xué)出?！禬indows操作系統(tǒng)原理》尤晉元等機械工業(yè)。《Windows內(nèi)核實驗教程》陳向群等編著機。操作系統(tǒng)的發(fā)展史及常用的操作系統(tǒng)介紹。操作系統(tǒng)發(fā)展方向及影響因素。引入操作系統(tǒng)的目標(biāo)。支持學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的理由。操作系統(tǒng)包括了所有軟件設(shè)計/實現(xiàn)問題，包括資源共享/. 編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法。存在人們意識不到的大量“操作系統(tǒng)”，嵌入式系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的安全是一切信息安全的基礎(chǔ)

　　

【正文】 等； ?網(wǎng)絡(luò)通信功能 ：通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸； ?網(wǎng)絡(luò)資源管理 ：協(xié)調(diào)各用戶使用； ?網(wǎng)絡(luò)服務(wù) ：文件和設(shè)備共享，信息發(fā)布； ?網(wǎng)絡(luò)管理 ：安全管理、故障管理、性能管理等； ?互操作 ：直接控制對方比交換數(shù)據(jù)更為困難； 100 2020/11/4 操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng) ?分布式系統(tǒng)： 處理和控制 的分散（相對于集中式系統(tǒng)） ?分布式系統(tǒng)是以 計算機網(wǎng)絡(luò) 為基礎(chǔ)的，它的基本特征是處理上的分布，即 功能和任務(wù) 的分布。 ?分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)中任何處理機上運行，自動實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務(wù)分配并自動調(diào)度各處理機的工作負載 101 2020/11/4 操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較 ?耦合程度： ?分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)：分布式 OS是在各機上統(tǒng)一建立的 (OS同質(zhì) )，直接管理 CPU、存儲器和外設(shè)；統(tǒng)一進行全系統(tǒng)的管理； ?網(wǎng)絡(luò)通常容許異種 OS互連，各機上各種服務(wù)程序遵從統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 (協(xié)議同質(zhì) )。 ?并行性： ?分布式 OS可以將一個進程分散在各機上并行執(zhí)行(進程遷移 )； ?網(wǎng)絡(luò)則各機上的進程獨立 102 2020/11/4 操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較 ?透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個機器上（如 CPU、內(nèi)存或外設(shè)） 。 ?分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度對用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置； ?網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中對網(wǎng)絡(luò)資源的使用要由用戶明確指定； ?健壯性：分布式系統(tǒng)要求 更強的容錯能力 （工作時系統(tǒng)重構(gòu)） 103 2020/11/4 操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) ?是運行在嵌入式智能芯片環(huán)境中，對整個智能芯片以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件 104 2020/11/4 操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)的特點 ?完成某一項或 有限項功能 ；不是通用型的 ?在 性能和實時性 方面有嚴格的限制 ?能源、成本和可靠性 通常是影響設(shè)計的重要因素 ?占有 資源少 、易于連接 ?系統(tǒng)功能可針對需求進行 裁剪 、調(diào)整和生成，以便滿足最終產(chǎn)品的設(shè)計要求 105 2020/11/4 操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用 智能卡 移動通信 計算機外設(shè) 機頂盒 零售設(shè)備 印刷機 復(fù)印機 互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器 電話交換設(shè)備 106 2020/11/4 操作系統(tǒng) 影響操作系統(tǒng)發(fā)展的因素 ?硬件（成本） ?新技術(shù)（支持） ?使用戶 /程序員開心（使用方式） 107 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的特征 ?并發(fā) (concurrency) ?共享 (sharing) ?虛擬 (virtual) ?異步性 (asynchronism) 108 2020/11/4 操作系統(tǒng) 并發(fā) (concurrency) ?并發(fā)：兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生 ?并行：兩個或多個事件在同一時刻內(nèi)發(fā)生 ?操作系統(tǒng)是一個 并發(fā) 系統(tǒng) ?各進程間的并發(fā) ?系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā) ?操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過程的管理 109 2020/11/4 操作系統(tǒng) 并發(fā) (concurrency) ?在多道程序處理時，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下） ?程序的靜態(tài)實體是可執(zhí)行 文件 ，而動態(tài)實體是進程（或稱作任務(wù)），并發(fā)指的是進程 110 2020/11/4 操作系統(tǒng) 共享 (sharing) ?多個進程 共享 有限的計算機系統(tǒng)資源。 ?操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進行 合理 分配和使用 ?資源在一個時間段內(nèi)交替被多個進程所用 ?互斥共享（如音頻設(shè)備）：資源分配后到釋放前，不能被其他進程所用。 ?同時訪問（如可重入代碼，磁盤文件） 111 2020/11/4 操作系統(tǒng) 虛擬 (virtual) ?一個物理實體映射為若干個對應(yīng)的邏輯實體－－ 分時 或 分空間 ?虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率 ?CPU－－每個用戶（進程）的 虛處理機 ?存儲器－－每個進程都占有的地址空間（ 指令＋數(shù)據(jù)＋堆棧 ） ?顯示設(shè)備－－多窗口或虛擬終端 (virtual terminal) 112 2020/11/4 操作系統(tǒng) 異步性 (asynchronism) ?也稱 不確定性 ，指進程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定性 ?進程的 運行速度不可預(yù)知 ：分時系統(tǒng)中，多個進程并發(fā)執(zhí)行， 時走時停 ，不可預(yù)知每個進程的運行推進快慢 ?無論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同－－通過進程 互斥 和 同步 手段來保證 113 2020/11/4 操作系統(tǒng) 異步性 (asynchronism) ?難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運行中的錯誤） ?性能保證：實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)相似，但通過 資源預(yù)留 以保證性能 114 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的服務(wù) ?服務(wù)類型 ?程序執(zhí)行和終止（包括分配和回收資源） ?I/O操作 ?文件系統(tǒng)操作 ?通信：本機內(nèi)，計算機之間（通常通信服務(wù)的使用者為進程，而不是籠統(tǒng)說 主機 ） ?配置管理：硬件、 OS本身、其他軟件 ?差錯檢測 ?服務(wù)提供方式： 系統(tǒng)命令 和 系統(tǒng)調(diào)用 115 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的功能 ?處理機管理 ?存儲管理 ?文件管理 ?設(shè)備管理 ?作業(yè)管理 116 2020/11/4 操作系統(tǒng) 處理機管理 ?為了提高 CPU的利用率 ，現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都采用 多道程序技術(shù) 。 ?如果一個程序因等待某一條件而不能運行下去時，就把處理器 占用權(quán)轉(zhuǎn)交 給另一個可運行程序?；蛘撸?dāng)出現(xiàn)了一個比當(dāng)前運行的程序更重要的可運行的程序時，后者應(yīng)能 搶占 CPU。 ?為了描述多道程序的并發(fā)執(zhí)行，引入了 進程 的概念。所以處理機管理通常也稱為 進程管理 。 117 2020/11/4 操作系統(tǒng) 處理機管理 ?進程控制 ?進程同步 ?進程通信 ?進程調(diào)度 118 2020/11/4 操作系統(tǒng) 存儲管理 ?任務(wù) ?為多道程序的并發(fā)提供良好的環(huán)境 ?便于用戶使用存儲器 ?提高存儲器利用率 ?為盡量多的用戶提供足夠大的存儲空間 119 2020/11/4 操作系統(tǒng) 存儲管理 ?功能 ?內(nèi)存分配：靜態(tài)和動態(tài)分配 ?內(nèi)存保護（隔離） ?地址影射（共享） ?內(nèi)存擴充（虛存） 存儲功能與硬件存儲器的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 120 2020/11/4 操作系統(tǒng) 文件管理 ?文件存儲空間的管理 ?目錄管理 ?文件讀、寫管理 ?文件保護 ?向用戶提供接口 121 2020/11/4 操作系統(tǒng) 文件管理 文件管理的任務(wù)是 有效地 支持文件的存儲、檢索和修改等操作，解決文件的共享、保密和 保護 問題，以使用戶 方便、安全 地訪問文件 122 2020/11/4 操作系統(tǒng) 設(shè)備管理 ?任務(wù) ?為用戶程序分配 I/O設(shè)備 ?完成用戶程序請求的 I/O操作 ?提高 CPU和 I/O設(shè)備的利用率：中斷；通道 ?改善人機界面 123 2020/11/4 操作系統(tǒng) 設(shè)備管理 ?功能 ?緩沖管理 ?設(shè)備分配 ?設(shè)備處理 ?虛擬設(shè)備功能 為了發(fā)揮設(shè)備和處理器的 并行 工作能力，設(shè)備管理廣泛采用 虛擬 技術(shù)和 緩沖 技術(shù) 124 2020/11/4 操作系統(tǒng) 作業(yè)管理 ?作業(yè)調(diào)度 ?作業(yè)控制 ?批量型作業(yè) ?終端型作業(yè) 作業(yè)管理即 用戶接口 ，它的任務(wù)是為用戶提供一個使用系統(tǒng)的良好環(huán)境，使用戶能有效地組織自己的工作流程，并使整個系統(tǒng)能高效地運行 125 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ?隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展， 功能 越強， OS自身 代碼量 越大－－采用良好的結(jié)構(gòu)：有利于保證 正確性 以及自身 修改 和 擴充 ?整體或 模塊 結(jié)構(gòu) ?分層 結(jié)構(gòu)或虛擬機 ?客戶 /服務(wù)器模型或 微內(nèi)核 結(jié)構(gòu) 126 2020/11/4 操作系統(tǒng) 整體或模塊結(jié)構(gòu) ?模塊結(jié)構(gòu)的特點：模塊由眾多服務(wù)過程（ 模塊接口 ）組成，可以 隨意調(diào)用 其他模塊中的服務(wù)過程 整個系統(tǒng) 按功能 進行設(shè)計和模塊 劃分 。系統(tǒng)是一個單一的、龐大的的軟件系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)思想來源于 服務(wù)功能觀點 ，而不是資源管理的觀點。 127 2020/11/4 操作系統(tǒng) 整體或模塊結(jié)構(gòu)的特點 ?優(yōu)點：具有一定 靈活 性，在運行中的 高效 率 ?缺點： ?功能劃分和模塊接口難保正確和合理； ?模塊之間的依賴關(guān)系（功能調(diào)用關(guān)系）復(fù)雜（調(diào)用深度和方向），降低了模塊之間的相對獨立性－－不利于修改 128 2020/11/4 操作系統(tǒng) 分層結(jié)構(gòu)或虛擬機 ?從 資源管理觀點 出發(fā)，劃分層次 ?在某一層次上代碼只能調(diào)用低層次上的代碼，使模塊間的調(diào)用變?yōu)?有序性 ?系統(tǒng)每加一層，就構(gòu)成一個比原來功能更強的 虛擬機 。有利于系統(tǒng)的維護性和可靠性 129 2020/11/4 操作系統(tǒng) 分層結(jié)構(gòu)的特點 ?優(yōu)點 ?功能明確， 調(diào)用關(guān)系清晰 （高層對低層單向依賴），有利于保證設(shè)計和實現(xiàn)的正確性 ?低層和高層可分別實現(xiàn)（ 便于擴充 ）；高層錯誤不會影響到低層；避免遞歸調(diào)用 ?缺點 ?降低 了運行效率 各系統(tǒng)對具體劃分多少層次有不同的看法 130 2020/11/4 操作系統(tǒng) 客戶 /服務(wù)器模型或微內(nèi)核結(jié)構(gòu) ?把操作系統(tǒng)分成若干分別完成一組特定功能的 服務(wù)進程 ，等待客戶提出請求；而系統(tǒng) 內(nèi)核只實現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能 (如：虛擬存儲、消息傳遞 ) ?微內(nèi)核 (microkernel)：將更多操作系統(tǒng)功能放在核心之外，作為獨立的服務(wù)進程運行； ?服務(wù) 進程（或稱作“保護子系統(tǒng)”） ?客戶 進程（系統(tǒng)客戶和應(yīng)用客戶）－－需支持多進程 131 2020/11/4 操作系統(tǒng) 客戶 /服務(wù)器模型或微內(nèi)核結(jié)構(gòu) ?本地過程調(diào)用 (LPC, Local Procedure Call)：一種進程之間請求 應(yīng)答式的消息（ Message）傳遞機制。 ?消息 ：是一定格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。①發(fā)起調(diào)用，送出請求消息②請求消息到達并進行處理③送出回答消息④整理回答消息，返回結(jié)果；如：對文件 create, read, write 132 2020/11/4 操作系統(tǒng) 微內(nèi)核模式的特點 ?優(yōu)點 ： ?良好的擴充性：只需添加支持新功能的服務(wù)進程即可 ?可靠性好：調(diào)用關(guān)系明確，執(zhí)行轉(zhuǎn)移不易混亂 ?便于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)分布式處理：以同樣的調(diào)用形式，在下層可通過核心中的網(wǎng)絡(luò)傳送到遠方服務(wù)器上 (遠地過程調(diào)用 RPC, Remote Procedure Call) ?缺點 ： ?消息傳遞比直接調(diào)用效率要低一些 (但可以通過提高硬件性能來補償 ) RPC的過程： RPC應(yīng)用程序－－ RPC Stub(client)－－Network－－ RPC Server－－進行本地調(diào)用