西安交通大學(xué)操作系統(tǒng)原理第一章.ppt

1 Introduction 操作系統(tǒng)引論,What is an operating system? Development and Types of OS The features of OS The functions of OS,Computer System Organization,One or more CPUs, device controllers connect through common bus providing access to shared memory Concurrent execution of CPUs and devices competing for memory cycles,Computer-System Operation,I/O devices and the CPU can execute concurrently Each device controller is in charge of a particular device type Each device controller has a local buffer CPU moves data from/to main memory to/from local buffers I/O is from the device to local buffer of controller Device controller informs CPU that it has finished its operation by causing an interrupt,Common Functions of Interrupts,Interrupt transfers control to the interrupt service routine generally, through the interrupt vector, which contains the addresses of all the service routines Interrupt architecture must save the address of the interrupted instruction A trap is a software-generated interrupt caused either by an error or a user request An operating system is interrupt driven,Abstract View of System structure,Computer system structure,Hardware provides basic computing resources (CPU, memory, I/O devices).提供基本的運(yùn)算資源 Operating system controls and coordinates the use of the hardware among the various application programs for the various users.在各種應(yīng)用程序和用戶之間控制與協(xié)調(diào)對硬件的使用,Computer system structure(cont.),Applications programs define the ways in which the system resources are used to solve the computing problems of the users (compilers, database systems, video games, business programs).應(yīng)用程序-定義解決用戶問題的資源使用方式（編譯、數(shù)據(jù)庫、視頻游戲、事務(wù)程序等） Users (people, machines, other computers)用戶（人、機(jī)、其他計(jì)算機(jī)）.,Resources in computer system,User mode and kernel mode,Dual-mode operation allows OS to protect itself and other system components User mode and kernel mode Mode bit provided by hardware Provides ability to distinguish when system is running user code or kernel code Some instructions designated as privileged, only executable in kernel mode System call changes mode to kernel, return from call resets it to user,Transition from User to Kernel Mode,Computer Startup,bootstrap program is loaded at power-up or reboot Typically stored in ROM or EPROM, generally known as firmware Initializes all aspects of system Loads operating system kernel and starts execution,1.1 What is an operating system?,Operating System:操作系統(tǒng)? Operating Surgeon:主刀大夫,掌控整個手術(shù)過程 Operating Person:操刀手,掌控事情的人 Operating System:掌控局勢的一種系統(tǒng),計(jì)算機(jī)中的一切均由其掌控 管理計(jì)算機(jī)中的資源 保證資源的公平使用 防止對計(jì)算機(jī)資源的非法使用 保證操作系統(tǒng)自身正常運(yùn)轉(zhuǎn),A program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware. 在計(jì)算機(jī)用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間起媒介作用的一種程序。 Provide an environment for users to execute programs make solving user problems easier,1.1 What is an Operating System?,Operating system goals Execute user programs and make solving user problems easier Make the computer system convenient to use Use the computer hardware in an efficient manner,1.1 What is an Operating System?,魔幻家角色 把計(jì)算機(jī)變得更加方便使用功能更加強(qiáng)大 設(shè)備管理方便用戶 進(jìn)程抽象虛擬CPU 虛擬內(nèi)存少變成多 管理者角色 資源管理:原則是有效和公平 健壯性管理:確保OS自身的正常運(yùn)作 安全性管理:防止非法操作和入侵,Operating System Definition,OS is a resource allocator 管理對象：硬件、軟件 管理內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶權(quán)限）,Operating System Definition (Cont.),OS is a control program Controls execution of programs to prevent errors and improper use of the computer,Operating System Definition (Cont),其它定義: 操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源、合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，以及方便用戶的程序和數(shù)據(jù)的集合，使得用戶能夠靈活、方便、有效地使用計(jì)算機(jī)，使整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行，從而在計(jì)算機(jī)與用戶之間起到接口的作用。 ,OS在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位,硬件之上的第一層軟件，是對硬件的首次擴(kuò)充，又是其他軟件運(yùn)行的基礎(chǔ),1.2 Development and Types of OS,OS 隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展 OS從無到有、從簡單到復(fù)雜、完善 為滿足不同的需求，出現(xiàn)了多種類型的OS,1.2.1 OS development,OS的不斷發(fā)展與完善由以下因素驅(qū)動: 硬件成本的不斷下降 計(jì)算機(jī)的功能和復(fù)雜性的不斷變化 一個附加因素: OS與攻擊者之間的博奕,OS的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)相關(guān),1.2.1 OS development,OS的發(fā)展與計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)相關(guān)： 第一代 (1946年-1955年)： 真空管時代，無操作系統(tǒng) 第二代 (1955年-1965年)： 晶體管時代，批處理系統(tǒng) 第三代 (1965年-1980年)： 集成電路時代，多道程序設(shè)計(jì) 第四代 (1980年 - 至今)： 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代，分時系統(tǒng)。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)正向著巨型、微型、并行、分布、網(wǎng)絡(luò)化和智能化幾個方面發(fā)展。,1.2.2單一操作員、單一控制端操作系統(tǒng),20世紀(jì)40年代, 計(jì)算機(jī)資源昂貴 代表機(jī)型:ENIAC 單一操作員、單一控制端操作系統(tǒng)（SOSC：single operator, single console ） 提供一些標(biāo)準(zhǔn)命令供用戶使用,所以O(shè)S只是一組標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù) OS不自動運(yùn)行,等待用戶輸入命令 輸入一個命令,就執(zhí)行一個庫函數(shù) 缺點(diǎn)： 機(jī)器等人:效率低下,ENIAC計(jì)算機(jī),美國賓夕法尼亞大學(xué)制造，運(yùn)算速度1000次/每秒，數(shù)萬個真空管，占地100多平方米，重量130噸，功耗140kW.,1.2.2單一操作員、單一控制端操作系統(tǒng),主要矛盾 人機(jī)矛盾：人工操作方式與機(jī)器利用率的矛盾 CPU與I/O之速度不匹配的矛盾 提高效率的途徑 批處理 脫機(jī)I/O,1.2.3 Simple Batch Systems,20世紀(jì)50年代：用匯編語言開發(fā)。 特點(diǎn)：把一批作業(yè)以脫機(jī)輸入方式輸入到磁帶/磁鼓，計(jì)算機(jī)自動地依次處理，連續(xù)地運(yùn)行 Reduce setup time by batching similar jobs批量處理作業(yè)減少設(shè)置時間 Automatic job sequencing 自動作業(yè)調(diào)度 automatically transfers control from one job to another. 自動把控制從一個作業(yè)轉(zhuǎn)到另一個作業(yè)。 Hire an operator（User operator） Add a card reader添加卡片閱讀機(jī),脫機(jī)I/O方式,I/O工作在外圍機(jī)/衛(wèi)星機(jī)的控制下完成，或者說是在脫離主機(jī)的情況下進(jìn)行。,卡片,早期批處理系統(tǒng),IBM1401,IBM7094,IBM1401,輸入磁帶,磁帶機(jī),卡片閱讀機(jī),輸出磁帶,打印機(jī),1.2.3 Simple Batch Systems,批處理操作系統(tǒng)針對的是第二代通用計(jì)算機(jī)，如IBM的1401和7094 去除人機(jī)交互，改善CPU和輸入輸出利用率 批處理的過程： 用戶將自己的程序做成紙帶或卡片，交給操作員 操作員將一批用戶程序通過1401讀入，寫到磁帶上 操作員將這盤磁帶加載到7094機(jī)器，一個個地運(yùn)行用戶程序，結(jié)果寫到另一個磁帶上 操作員將運(yùn)行結(jié)果磁帶取下，放到1401上進(jìn)行打印，交給各個用戶,1.2.3 Simple Batch Systems,Resident monitor常駐管理程序 Initial control in monitor初始化管理程序 Control transfers to job轉(zhuǎn)換控制到作業(yè) When job completes control transfers back to monitor作業(yè)完成后轉(zhuǎn)換控制回管理程序,Memory Layout for a Simple Batch System,1.2.3 Simple Batch Systems,Parts of resident monitor常駐管理程序的主要組成 Control card interpreter responsible for reading and carrying out instructions on the cards控制卡解釋器 - 負(fù)責(zé)讀出和執(zhí)行卡上的指令 Loader loads systems programs and applications programs into memory.裝載程序 - 把系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序調(diào)入內(nèi)存 Device drivers know special characteristics and properties for each of the systems I/O devices.設(shè)備驅(qū)動程序 - 了解系統(tǒng)每一個I/O設(shè)備的特點(diǎn)和性質(zhì),1.2.3 Simple Batch Systems,重要實(shí)例： IBM的FMS（FORTRAN 監(jiān)視系統(tǒng)），用于IBM7094 IBM的IBSYS，用于IBM7090和7094 密歇根大學(xué)的UMES，用于IBM7094,1.2.3 Simple Batch Systems,運(yùn)行特征： 順序性：磁帶上的各道作業(yè)是順序地進(jìn)入內(nèi)存，各作業(yè)的完成順序與他們進(jìn)入內(nèi)存的順序相同 單道性:內(nèi)存中僅有一道程序運(yùn)行 自動性 優(yōu)點(diǎn)：減少了CPU的空閑時間，提高了主機(jī)CPU和I/O設(shè)備的使用效率，提高了吞吐量。 缺點(diǎn)：CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均,Multiprogramming多道程序設(shè)計(jì),在內(nèi)存中同時放多道作業(yè)，使之都處于執(zhí)行的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間 多個作業(yè)共享CPU、內(nèi)存、外設(shè)等資源 目的: 提高資源的利用率,Multiprogramming多道程序設(shè)計(jì),OS Features Needed for Multiprogramming多道對OS的要求（促進(jìn)了OS的形成）： I/O routine supplied by the system系統(tǒng)提供I/O程序 Memory management and protection CPU scheduling Allocation of devices,1.2.4 Multiplied Batch Systems,20世紀(jì)60年代 Several jobs are kept in main memory at the same time, and the CPU is multiplexed among them. 主存中同時有若干個作業(yè)， CPU在其中多重切換,1.2.4 Multiplied Batch Systems,運(yùn)行特征： 多道性：內(nèi)存中同時駐留多道程序并發(fā)執(zhí)行，從而有效地提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量 無序性：作業(yè)的完成順序與它進(jìn)入內(nèi)存的順序之間無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系 調(diào)度性：作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度,1.2.4 Multiplied Batch Systems,典型的多道批處理系統(tǒng): IBM的OS/360,運(yùn)行在IBM的第三代計(jì)算機(jī)System/360、 System/370、 System/4300等 在技術(shù)上和理念上都是劃時代的OS,1.2.4 Multiplied Batch Systems,批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài),1.2.4 Multiplied Batch Systems,多道批處理系統(tǒng)所用技術(shù) 作業(yè)調(diào)度：作業(yè)的現(xiàn)場保存和恢復(fù)上下文切換 資源共享：資源的競爭和同步互斥(exclusion)和同步(synchronization)機(jī)制； 內(nèi)存使用：提高內(nèi)存使用效率覆蓋(overlap)，交換(swap)和虛擬存儲(virtual memory)； 內(nèi)存保護(hù):系統(tǒng)存儲區(qū)和各應(yīng)用程序存儲區(qū)不可沖突； 文件非順序存放、隨機(jī)存取。,1.2.4 Multiplied Batch Systems,優(yōu)點(diǎn) 資源利用率高:CPU,內(nèi)存,I/O設(shè)備 系統(tǒng)吞吐量大 缺點(diǎn) 無交互能力 作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長,1.2.4 Multiplied Batch Systems,系統(tǒng)參數(shù) 系統(tǒng)吞吐量(throughput) 作業(yè)周轉(zhuǎn)時間(turnaround time),1.2.5 Time-sharing System,20世紀(jì)70年代 在一臺主機(jī)上連接多個終端，同時允許多個用戶共享主機(jī)中的資源，每個用戶都通過自己的終端和主機(jī)交互。 The CPU is multiplexed among several jobs that are kept in memory and on disk. CPU在內(nèi)存和磁盤上的若干個作業(yè)之間進(jìn)行多路切換. 目的:提供人機(jī)交互、共享主機(jī)、方便用戶上機(jī),1.2.5 Time-sharing System,關(guān)鍵問題：及時性在用戶可接受的時間內(nèi)（如3秒），使每一個作業(yè)都能運(yùn)行一次（較短的時間：0.1秒） 分時技術(shù)：把CPU的時間分成若干個大小相等（或不等）的時間單位，稱為時間片（如100毫秒），每個終端用戶獲得CPU（獲得一個時間片）后開始運(yùn)行，當(dāng)時間片到，該用戶程序暫停運(yùn)行，等待下一次運(yùn)行。,1.2.5 Time-sharing System,實(shí)現(xiàn)方式: 單道分時:內(nèi)存只駐留一道程序（作業(yè)），其余都在外存。調(diào)入-調(diào)出(Roll-in/Roll-out)，I/O開銷太大，系統(tǒng)性能差。 多道分時:在內(nèi)存同時存放多道作業(yè)，由系統(tǒng)對已具備運(yùn)行條件的程序排隊(duì)，使他們依次地獲得一個時間片來運(yùn)行 前臺和后臺分時:內(nèi)存被固定地劃分為“前臺”和“后臺”，前臺存放交互終端作業(yè)，后臺存放批處理作業(yè)。,1.2.5 Time-sharing System,多路性：眾多聯(lián)機(jī)用戶可以同時使用同一臺計(jì)算機(jī)； 獨(dú)占性：各終端用戶感覺到自己獨(dú)占了計(jì)算機(jī)； 交互性：用戶與計(jì)算機(jī)之間可進(jìn)行“會話”； 及時性：用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。,1.2.5 Time-sharing System,最有名的分時操作系統(tǒng)：MULTICS、UNIX MULTICS由MIT、貝爾實(shí)驗(yàn)室、DEC共同研發(fā) 貝爾另立門戶，研發(fā)了UNIX，獲得了圖靈獎 分時操作系統(tǒng)通常運(yùn)行在第三代機(jī)PDP、VAX、CRAY上,1.2.6 Real-Time Systems,Special-purpose OS Well-defined fixed-time constraints.嚴(yán)格確定的時間限制（時序可預(yù)測性） 系統(tǒng)可靠性高,1.2.6 Real-Time Systems,Hard real-time system.硬實(shí)時系統(tǒng) Guarantees that critical tasks be completed on time Requires that all delays in the system be bounded Soft real-time system 軟實(shí)時系統(tǒng) A less restrictive type of real-time system, where a critical real-time task gets priority over other tasks, and retains that priority until it completes,1.2.6 Real-Time Systems,實(shí)時時鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時間、定時和延時等時鐘管理功能； 過載保護(hù)：緩沖區(qū)排隊(duì)，丟棄某些任務(wù)，動態(tài)調(diào)整任務(wù)周期；過載是指進(jìn)入系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目超出系統(tǒng)的處理能力; 高度可靠性和安全性容錯能力（如故障自動復(fù)位）和冗余備份（雙機(jī)，關(guān)鍵部件）； 基于優(yōu)先級的可搶占的調(diào)度,通用操作系統(tǒng),通用操作系統(tǒng):具有分時、實(shí)時和批處理功能中的兩種或兩種以上 適用于計(jì)算、事務(wù)處理、圖像處理等多種領(lǐng)域，能運(yùn)行在多種硬件平臺上，如 UNIX系統(tǒng)、Windows NT等通用化、小型化。,小測驗(yàn),硬實(shí)時系統(tǒng)的作業(yè)周轉(zhuǎn)有嚴(yán)格的時間限制 （對/錯） 分時系統(tǒng)追求的目標(biāo)是 A. 實(shí)時性 B. 高可靠性 C. 及時響應(yīng) 批處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是 A. 高吞吐量 B. 高可靠性 C. 實(shí)時性,1.2.7 Parallel Systems,提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能有兩條途徑： 提高各個組成部分的速度 增大處理的并行程度。 1975年前后，為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能和可靠性產(chǎn)生了并行系統(tǒng)（也稱多處理機(jī)系統(tǒng)multi-processor),1.2.7 Parallel Systems,Multiprocessor systems with more than one CPU in close communication.有緊密通信的多處理器系統(tǒng) Tightly coupled system processors share memory and a clock; communication usually takes place through the shared memory. 緊偶合系統(tǒng) - 處理器共享內(nèi)存和時鐘；一般通過共享內(nèi)存進(jìn)行通信,1.2.7 Parallel Systems,Advantages Increased throughput Economical Increased reliability Graceful degradation Fail-soft system軟失效系統(tǒng),1.2.7 Parallel Systems,Symmetric multiprocessing (SMP)對稱多處理 Each processor runs an identical copy of the operating system每個CPU 運(yùn)行相同的OS Most modern operating systems support SMP Asymmetric multiprocessing非對稱多處理 Each processor is assigned a specific task; master processor schedules and allocates work to slave processors.每個處理器賦予一個特定任務(wù)；主處理器為從處理器調(diào)度和分配作業(yè) More common in extremely large systems,1.2.7 Parallel Systems,Symmetric Multiprocessing Architecture 對稱多處理器體系結(jié)構(gòu),對稱多處理機(jī)與非對稱多處理機(jī)的比較,1.2.8 Distributed Systems,Loosely coupled system松散偶合系統(tǒng) each processor has its own local memory每個處理器有自身的本地存儲器； processors communicate with one another through various communications lines, such as high-speed buses or telephone lines. 處理器之間通過各種通信設(shè)施，如高速總線、電話線等進(jìn)行通信,1.2.8 Distributed Systems,Advantages Resources sharing Computation speed up load sharing 加快計(jì)算-負(fù)載共享； Reliability Communications,1.2.9 Network Operating System （NOS）,在通常OS功能基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能 網(wǎng)絡(luò)通信功能：通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸 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：以透明的方式訪問C/S的LAN環(huán)境下的服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò)中的文件服務(wù)器上的文件系統(tǒng)。,分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較,(1) 耦合程度（從分布式任務(wù)管理和調(diào)度）： A. 分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)：分布式OS是在各機(jī)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(jìn)行全系統(tǒng)的管理； B. 網(wǎng)絡(luò)通常容許異種OS互連，各機(jī)上各種服務(wù)程序需按不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議“協(xié)議同質(zhì)”。 (2) 并行性： A.分布式OS可以將一個進(jìn)程分散在各機(jī)上并行執(zhí)行“進(jìn)程遷移”； B. 網(wǎng)絡(luò)則各機(jī)上的進(jìn)程獨(dú)立。 (3) 透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個機(jī)器上（如CPU、內(nèi)存或外設(shè)）。 A. 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； B. 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； (4) 健壯性：分布式系統(tǒng)要求更強(qiáng)的容錯能力（工作時系統(tǒng)重構(gòu)）,1.2.10 Embedded OS,嵌入式操作系統(tǒng) 運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對整個嵌入式系統(tǒng)以及它所操作、控制的各種部件裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。 限制條件：大小、內(nèi)存、能源.,EOS的應(yīng)用,EOS的應(yīng)用,美國加州伯克利大學(xué)研制：微型智能傳感器，安裝TinyOS,智能卡操作系統(tǒng),智能卡：一種包含有一塊CPU芯片的信用卡； 特點(diǎn)：非常嚴(yán)格的運(yùn)行能耗和存儲空間的限制； 有些智能卡只有單項(xiàng)功能，諸如電子支付；操作系統(tǒng)專用 有些智能卡是面向Java的。其含義是在智能卡的ROM中有一個Java虛擬機(jī)解釋器。Java 小程序被下載到卡中并由JVM解釋。有些卡可以同時處理多個Java 小程序(多道程序)，并且需要對它們進(jìn)行調(diào)度。,智能卡操作系統(tǒng),在讀寫器與智能卡之間通過“命令-響應(yīng)對”方式進(jìn)行通信和控制； 讀寫器發(fā)出操作命令，智能卡接收命令； OS對命令加以解釋，完成命令的解密與校驗(yàn)； OS調(diào)用相應(yīng)程序來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生應(yīng)答信息，加密后送給讀寫器 ；,CMPChip Multi-Processing 芯片多處理技術(shù)，即多核處理器。 目前主要有三種實(shí)現(xiàn)方案 共享緩存方案 共享IO接口方案 共享數(shù)據(jù)包方案,1.2.11 CMPOS Chip Multi-Processor Operating System,Whats CMP?,1）Shared Cache,Production： IBM POWER4/5 family Sun UltraSPARC-IV Fujitsu SPARC64-VI Sun Niagara Intel Yonah/Merom family,Whats CMP?,2）Shared I/O Interface,Production： Intel Itanium2 AMD dual-core Opteron,Whats CMP?,3）Shared data packet,Production： Intel Pentium D,Whats CMPOS?,1）Processes Scheduling for Task,單用戶單任務(wù) 單用戶多任務(wù)（DOS） 多用戶多任務(wù)（Linux） 多用戶多任務(wù)多核（CMPOS）,Whats CMPOS?,2）Processes Scheduling for Low Consumed,一定條件下的最高效率調(diào)度 一定條件下的最低功耗調(diào)度,1.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)(concurrency) 共享(sharing) 虛擬(virtual) 異步性(asynchronism),1.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)(concurrency) 多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生。OS是一個并發(fā)系統(tǒng)，各進(jìn)程間的并發(fā)、系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā)。OS要完成這些并發(fā)過程的管理。 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(shí)體是可執(zhí)行文件，而動態(tài)實(shí)體是進(jìn)程（或稱作任務(wù)），并發(fā)指的是進(jìn)程。,共享(sharing) 多個進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。OS要對系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用。 互斥使用（如音頻設(shè)備）：資源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用； 同時訪問（如可重入代碼，磁盤文件）； 資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化。,1.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征,虛擬(virtual) 一個物理實(shí)體映射為若干個對應(yīng)的邏輯實(shí)體分時或分空間。虛擬是OS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(jìn)程）的“虛處理機(jī)”； 存儲器每個進(jìn)程都占有自己的地址空間（指令數(shù)據(jù)堆棧），“虛擬存儲器”； 顯示設(shè)備多窗口或虛擬終端(virtual terminal)。,1.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征,異步性(asynchronism) 也稱不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定性 進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知：分時系統(tǒng)中，多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，“時走時?！保豢深A(yù)知每個進(jìn)程的運(yùn)行推進(jìn)快慢； 無論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同通過進(jìn)程互斥和同步手段來保證； 難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運(yùn)行中的錯誤）,1.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征,1.4 操作系統(tǒng)的功能,處理機(jī)管理 存儲管理 設(shè)備管理 文件管理 作業(yè)管理 用戶接口,1.4.1 處理機(jī)管理,目標(biāo)：完成處理機(jī)資源分配和調(diào)度等功能 功能 進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷、掛起、改變運(yùn)行優(yōu)先級等主動改變進(jìn)程的狀態(tài) 進(jìn)程調(diào)度:作業(yè)和進(jìn)程的運(yùn)行切換，以充分利用處理機(jī)資源和提高系統(tǒng)性能 進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟，以協(xié)調(diào)資源共享 進(jìn)程通信:進(jìn)程之間的信息交換,1.4.2存儲器管理,目標(biāo)：提高內(nèi)存利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲空間 功能 存儲分配與回收 存儲保護(hù) 地址重定位 內(nèi)存擴(kuò)充,1.4. 設(shè)備管理,目標(biāo)：完成用戶的I/O請求,為用戶分配I/O設(shè)備、提高I/O速度，提高CPU與I/O設(shè)備利用率、方便設(shè)備使用 功能 緩沖管理 設(shè)備分配與回收 設(shè)備處理:利用設(shè)備驅(qū)動程序（通常在內(nèi)核中）完成對設(shè)備的操作。 虛擬設(shè)備 設(shè)備獨(dú)立性:提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備,1.4.4文件管理,目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)外存上的信息資源“按名存取” 功能 文件存儲空間管理:如何存放信息，以提高空間利用率 目錄管理:文件檢索 文件存取控制:文件保護(hù) 軟件管理:軟件的版本、相互依賴關(guān)系、安裝和拆除等,1.4.5作業(yè)管理,目標(biāo)：根據(jù)系統(tǒng)條件和用戶需要，對作業(yè)的運(yùn)行進(jìn)行合理的組織及相應(yīng)的控制。 功能 作業(yè)調(diào)度：根據(jù)系統(tǒng)的能力和當(dāng)前作業(yè)的運(yùn)行情況，按一定策略，從后備作業(yè)隊(duì)列中選出一批作業(yè)，為它們分配所需的I/O設(shè)備和存儲空間,將它們調(diào)入內(nèi)存并為之建立相應(yīng)的進(jìn)程，使之成為具有獲得處理機(jī)資格的候選進(jìn)程。 作業(yè)控制:作業(yè)從進(jìn)入系統(tǒng)開始，直到運(yùn)行完成的整個過程中，用戶可通過某種形式向系統(tǒng)發(fā)出各種命令，以對自己的作業(yè)進(jìn)行控制和管理。,1.4.6用戶接口,目標(biāo)：為用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供一個友好的訪問OS的接口 操作系統(tǒng)提供2類接口： 作業(yè)級接口：行命令、菜單、或圖形化的操作界面（GUI）、語音以及作業(yè)控制語言等；“聯(lián)機(jī)”或“脫機(jī)”。 程序級接口：供用戶程序和系統(tǒng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)功能，也稱系統(tǒng)調(diào)用,Protection and Security,Protection any mechanism for controlling access of processes or users to resources defined by the OS Security defense of the system against internal and external attacks Huge range, including denial-of-service, worms, viruses, identity theft, theft of service,Protection and Security (Cont.),Systems generally first distinguish among users, to determine who can do what User identities (user IDs, security IDs) include name and associated number, one per user User ID then associated with all files, processes of that user to determine access control Group identifier (group ID) allows set of users to be defined and controls managed, then also associated with each process, file,Computing Environments,Traditional computer Office environment PCs connected to a network, terminals attached to mainframe or minicomputers providing batch and timesharing Now portals allowing networked and remote systems access to same resources Home networks Used to be single system, then modems Now firewalled, networked,Computing Environments (Cont),Client-Server Computing Dumb terminals supplanted by smart PCs Many systems now servers, responding to requests generated by clients Compute-server provides an interface to client to request services (i.e. database) File-server provides interface for clients to store and retrieve files,Peer-to-Peer Computing,Another model of distributed system P2P does not distinguish clients and servers Instead all nodes are considered peers May each act as client, server or both Node must join P2P network Registers its service with central lookup service on network, or Broadcast request for service and respond to requests for service via discovery protocol,Web-Based Computing,Web has become ubiquitous PCs most prevalent devices More devices becoming networked to allow web access Use of operating systems like Windows 95, client-side, have evolved into Linux and Windows XP, which can be clients and servers,普適計(jì)算：未來主要計(jì)算模式,各種數(shù)字化設(shè)備,傳感器,輸入輸出設(shè)備,智能空間,數(shù)字化設(shè)備+傳感器+輸入輸出設(shè)備+無線網(wǎng)絡(luò),要建立一個充滿計(jì)算和通信能力的環(huán)境，同時使這個環(huán)境與人們逐漸地融合在一起,計(jì)算成為人類生活空間中的一部分. (M. Weiser ). Integrate computation, communication, and sensing with physical world. 目標(biāo)：通過相關(guān)技術(shù),將上述環(huán)境形成一個Smart Space，感知用戶的行為/需求，主動有效的為用戶服務(wù)。,普適計(jì)算時代: OS? 新的研究課題,云計(jì)算 Cloud Computing,Google提出的一種新興的商業(yè)計(jì)算模型 云計(jì)算是并行計(jì)算(Parallel Computing)、分布式計(jì)算(Distributed Computing)和網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展，或者說是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。,云計(jì)算 Cloud Computing,狹義云計(jì)算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式 指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源 廣義云計(jì)算是指服務(wù)的交付和使用模式 指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù),云計(jì)算 Cloud Computing,“云”是一些可以自我維護(hù)和管理的虛擬計(jì)算資源，通常為一些大型服務(wù)器集群，包括計(jì)算服務(wù)器、存儲服務(wù)器、寬帶資源等等。云計(jì)算將所有的計(jì)算資源集中起來，并由軟件實(shí)現(xiàn)自動管理，無需人為參與。 Cloud Computing的一個核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進(jìn)而減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力,框計(jì)算 Box Computing,百度董事長兼CEO李彥宏2009年提出 “框計(jì)算”為用戶提供基于互聯(lián)網(wǎng)的一站式服務(wù)，是一種最簡單可依賴的互聯(lián)網(wǎng)需求交互模式 用戶只要在框中輸入服務(wù)需求，系統(tǒng)就能明確識別這種需求，并將該需求分配給最優(yōu)良的應(yīng)用或內(nèi)容資源提供商處理，最終返回給用戶相匹配的結(jié)果。 框計(jì)算從本質(zhì)上來說是一種對信息展現(xiàn)方式的改進(jìn)而非一種新技術(shù)，用意在于滿足日益復(fù)雜的搜索需求，對滿足不同訴求的一種多元化展示,框計(jì)算與云計(jì)算,“框計(jì)算” 強(qiáng)調(diào)前端用戶需求的研究和響應(yīng)，為用戶提供一站式的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù) 云計(jì)算強(qiáng)調(diào)后臺資源的整合，為客戶提供低成本的IT基礎(chǔ)設(shè)施的配置,Google的Chrome操作系統(tǒng),Chrome運(yùn)行于一個新的基于 Linux 核心的窗口系統(tǒng),是一個開放源代碼的、精巧的操作系統(tǒng)，它最初會針對上網(wǎng)本 Chrome是WebOS 你不論是在家里的電腦、還是在公司的計(jì)算機(jī)，只要打開Google的瀏覽器，訪問的桌面和文件肯定都是相同的 Chrome軟件架構(gòu)十分簡單,快速、簡便和安全是其核心特質(zhì) Chrome 操作系統(tǒng)可運(yùn)行于 x86 和 ARM 芯片,Classification of OS,OS for mainframe computers OS/360, OS/390, CTSS OS for servers UNIX, Windows 2000, Linux OS for multi-CPU computer Novell Netware,Classification of OS,OS for personal computers Windows 98, Windows 2000, Windows XP, MacOS OS for real-time systems VxWorks (WindRiver), DART (EMC) OS for embedded systems Palm OS, Windows CE, TOPPER,Same Machine, Different OS,IBM PC: DOS, Linux, NeXTSTEP, Windows NT, SCO Unix DEC VAX: VMS, Ultrix-32, 4.3 BSD UNIX,Same OS, Different Machines,UNIX PC (XENIX 286, APPLE A/UX) CRAY-Y/MP (UNICOS - AT&T Sys V) IBM 360/370 (Amdahl UNIX UTS/580, IBM UNIX AIX/ESA) Windows XP (or Windows NT/2000) Intel i386 (i486 an NT 4.0), Alpha (DEC) PowerPC (MOTO) MIPS (MIPS computer), Itanium (Intel),Operating Systems Evolution,55 60 65 70 75 80 85 90 95 00 03 06,IOCS,DOS/360,DOS/VDSE,VS,VS/ESA,OS/360,MVS/370,MVS/XA,MVS/ES,TSO,IBSYS,CTSS,CP/CM5,VM/370,VM/XA,VM/ESA,SYSTEM III,SYSTEM V,SYSTEM V.4,MULTICS,UNIX,UNIXV.7,AIX/370,AIX,SUN OS,POSIX,SOLARIS 2,4.1BSD,4.2BSD,4.3BSD,4.4BSD,MACH,OSF/1,AIX/ESA,XENIX,MS-DOS 1.0,CP/M,DR/DOS,OS/2,WIN 3.0,WIN NT,WIN 2000,WIN 9X,WIN XP,LINUX,RSX-11M,VMS 1.0,VMS 5.4,VMS 7.3,WIN 3.1,SOLARIS 10,RT-11,LINUX 2.6,WIN Server 2003,z/VM 2006-7,UMES,Windows Vista,Windows And Linux Evolution,Windows and Linux kernels are based on foundations developed in the mid-1970s,Vista,作 業(yè),P36-37 1.5 1.10 1.17,