操作系統(tǒng) 進程之間的并發(fā)控制和死鎖

1、1 操作系統(tǒng)課件 Operating System(OS) （48學時） 共共5656頁頁 第2頁 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)教材與參考書教材與參考書 1.操作系統(tǒng)原理教程，張麗芬，電子工業(yè)出版社操作系統(tǒng)原理教程，張麗芬，電子工業(yè)出版社 2.操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)概念 高教版高教版 3.深入理解深入理解Linux內核，陳莉君等譯，中國電力出內核，陳莉君等譯，中國電力出 版社版社 4.Windows Internals，深入解析深入解析Windows操作操作 系統(tǒng)系統(tǒng)潘愛民譯，電子工業(yè)出版社潘愛民譯，電子工業(yè)出版社 5.Windows內核原理與實現(xiàn)，潘愛民，電子工業(yè)內核原理與實現(xiàn)，潘愛民，電子工業(yè) 出版社出

2、版社 l WINDOWS操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 是由美國微軟公司開發(fā)的窗口化操作系統(tǒng)，如是由美國微軟公司開發(fā)的窗口化操作系統(tǒng)，如 Windows 10 l UNIX操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 1969年誕生于年誕生于 貝爾實驗室，有很多種，如貝爾實驗室，有很多種，如 AT&T的的Unix V、Sun的的Solaris、HP的的Unix l MAC操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 是美國蘋果公司為自己設計的操作系統(tǒng)是美國蘋果公司為自己設計的操作系統(tǒng) l Linux操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 是目前全球最大的一個自由免費軟件，其功能是目前全球最大的一個自由免費軟件，其功能 可與可與Unix和和Windows相媲美，用法與相媲美，用法與Un

3、ix類似類似 第3頁 第4頁 第第1 1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論 1.1 1.1 操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的定義 1.2 1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 1.3 1.3 操作系統(tǒng)功能、服務和特性操作系統(tǒng)功能、服務和特性 1.4 1.4 操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 1.5 1.5 用戶與操作系統(tǒng)接口用戶與操作系統(tǒng)接口 1.6 1.6 操作系統(tǒng)的運行環(huán)境操作系統(tǒng)的運行環(huán)境 1.7 1.7 操作系統(tǒng)的設計規(guī)范和結構設計操作系統(tǒng)的設計規(guī)范和結構設計 第5頁 1.1 操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的定義 q計算機系統(tǒng)從下到上劃分為四計算機系統(tǒng)從下到上劃分為四 個層次。個層次。

4、 q單向調用關系單向調用關系：外層的軟件必：外層的軟件必 須以事先約定的方式調用內層須以事先約定的方式調用內層 軟件或硬件提供的服務。稱這軟件或硬件提供的服務。稱這 種約定為接口。種約定為接口。 應用程序應用程序 實用程序實用程序 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 硬件硬件 第6頁 操作系統(tǒng)內核操作系統(tǒng)內核 （Ntoskrnl.exe)Ntoskrnl.exe) 核心態(tài)核心態(tài) 用戶態(tài)用戶態(tài) 系統(tǒng)進程系統(tǒng)進程 用戶進程用戶進程 WindowsWindows子系統(tǒng)進子系統(tǒng)進 程程Csrss.exeCsrss.exe Win32K.sysWin32K.sys 執(zhí)行體執(zhí)行體 內核內核 NTFS.sysNTFS.sys

5、 第7頁 操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的定義 1)OS是由一系列程序模塊組成的一個大程是由一系列程序模塊組成的一個大程 序。依據各種管理和調度策略，對計算機序。依據各種管理和調度策略，對計算機 的軟、硬件資源進行統(tǒng)一的管理和調度，的軟、硬件資源進行統(tǒng)一的管理和調度， 合理地組織計算機的工作流程，以提高資合理地組織計算機的工作流程，以提高資 源的利用率。源的利用率。 2)操作系統(tǒng)只包含操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)只包含操作系統(tǒng)內核內核。如。如 Windows系統(tǒng)的系統(tǒng)的Ntoskrnl.exe。 下載下載Linux內核內核 第8頁 操作系統(tǒng)的設計目標操作系統(tǒng)的設計目標 l

6、方便性方便性：方便用戶使用計算機。用戶通過：方便用戶使用計算機。用戶通過 操作系統(tǒng)來使用計算機。操作系統(tǒng)來使用計算機。 l有效性有效性：使計算機系統(tǒng)能高效可靠地運轉，：使計算機系統(tǒng)能高效可靠地運轉， 提高系統(tǒng)資源的利用率。提高系統(tǒng)資源的利用率。 l還要便于操作系統(tǒng)的還要便于操作系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)和維護。設計、實現(xiàn)和維護。 第9頁 1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 1.2.1 順序處理順序處理( (手工操作階段手工操作階段) ) 1.2.2 簡單的批處理系統(tǒng)簡單的批處理系統(tǒng) 1.2.3 多道成批處理系統(tǒng)多道成批處理系統(tǒng) 1.2.4 分時系統(tǒng)分時系統(tǒng) 1.2.5 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng) 1

7、.2.6 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 第10頁 1.2.1 順序處理順序處理( (手工操作手工操作) ) l2020世紀世紀4040年代年代5050年代中期年代中期 l計算機：計算機：CPUCPU、主存、主存、卡片輸入機、打印、卡片輸入機、打印 機、帶有顯示燈和開關的操作控制臺。機、帶有顯示燈和開關的操作控制臺。 l沒有操作系統(tǒng)。沒有操作系統(tǒng)。程序員直接操作計算機程序員直接操作計算機 硬件，調度作業(yè)運行。硬件，調度作業(yè)運行。 l作業(yè)步作業(yè)步：編寫程序、編譯程序、鏈接裝：編寫程序、編譯程序、鏈接裝 配程序、裝入可執(zhí)行程序。配程序、裝入可執(zhí)行程序。 第11頁 1.2.2 簡單的批處理系統(tǒng)簡單的批處理系統(tǒng)

8、 l2020世紀世紀5050年代后期年代后期6060年代中期年代中期 l有一個監(jiān)控程序軟件常駐內存（主存）有一個監(jiān)控程序軟件常駐內存（主存） l操作員將多個作業(yè)按序成批地放在一個操作員將多個作業(yè)按序成批地放在一個 輸入設備上。輸入設備上。 l監(jiān)控程序監(jiān)控程序自動控制輸入設備一次裝入一自動控制輸入設備一次裝入一 道作業(yè)，并啟動運行。（道作業(yè)，并啟動運行。（單道批處理單道批處理） l早期聯(lián)機批處理、脫機批處理早期聯(lián)機批處理、脫機批處理 P4P4 第12頁 隨著硬件隨著硬件通道通道、中斷中斷、緩沖技術緩沖技術等的出現(xiàn)，等的出現(xiàn)， 使得計算機在組織結構上發(fā)生了重大變革。使得計算機在組織結構上發(fā)生了重大

9、變革。 使原先以使原先以CPUCPU為中心的體系結構，轉變?yōu)橐詾橹行牡捏w系結構，轉變?yōu)橐?主存主存為中心。為中心。 使多道程序設計技術成為可使多道程序設計技術成為可 能。能。 引入多道程序設計技術的引入多道程序設計技術的根本目的根本目的是是提高提高 CPU的利用率的利用率。 1.2.3 多道成批處理系統(tǒng)多道成批處理系統(tǒng) 第13頁 通道通道 ：獨立于：獨立于CPUCPU，專門用來控制輸入，專門用來控制輸入/ /輸輸 出設備的出設備的I/OI/O處理機處理機，比，比CPUCPU便宜。連接著便宜。連接著 主存和外設。使主存和外設。使CPUCPU和外設并行操作。和外設并行操作。 中斷中斷 ：當：當I/

10、O設備完成傳輸后，通過中斷設備完成傳輸后，通過中斷 機構向機構向CPUCPU報告完成情況。報告完成情況。 緩沖技術緩沖技術 ：在主存設置緩沖區(qū)，來緩存用：在主存設置緩沖區(qū)，來緩存用 戶的輸入和輸出，改善戶的輸入和輸出，改善I/OI/O設備和設備和CPUCPU之間之間 速度不匹配的問題。速度不匹配的問題。 第14頁 v多道程序設計多道程序設計：是指在主存同時存放多：是指在主存同時存放多 個作業(yè)，使之同時處于運行狀態(tài)，共享個作業(yè)，使之同時處于運行狀態(tài)，共享 系統(tǒng)中的各種資源。系統(tǒng)中的各種資源。 v在單在單CPUCPU系統(tǒng)中。系統(tǒng)中。宏觀宏觀上，各個作業(yè)都已上，各個作業(yè)都已 開始運行，但都未運行完；

11、開始運行，但都未運行完；微觀微觀上，各上，各 個作業(yè)是串行執(zhí)行的，在任何特定時刻，個作業(yè)是串行執(zhí)行的，在任何特定時刻， 只有一個作業(yè)在處理機上運行。只有一個作業(yè)在處理機上運行。 第15頁 l資源利用率資源利用率：指在給定時間內，系統(tǒng)中某一資：指在給定時間內，系統(tǒng)中某一資 源（如源（如CPUCPU、存儲器、外部設備等）實際使用時、存儲器、外部設備等）實際使用時 間所占比率。間所占比率。 l吞吐量吞吐量(Throughput)(Throughput)：指單位時間內系統(tǒng)所處：指單位時間內系統(tǒng)所處 理的信息量。通常以每小時或每天所處理的作理的信息量。通常以每小時或每天所處理的作 業(yè)個數(shù)來度量。業(yè)個數(shù)來

12、度量。 l周轉時間周轉時間：指從作業(yè)進入系統(tǒng)到作業(yè)退出系統(tǒng)：指從作業(yè)進入系統(tǒng)到作業(yè)退出系統(tǒng) 所用的時間。所用的時間。 衡量批處理系統(tǒng)的性能指標衡量批處理系統(tǒng)的性能指標 第16頁 作業(yè)編號作業(yè)編號 JOB1 JOB2 JOB3JOB1 JOB2 JOB3 作業(yè)類型作業(yè)類型 計算型計算型I/OI/O型型 I/OI/O型型 占用主存占用主存 50k 100k 80k50k 100k 80k 需磁盤情況需磁盤情況 NO NONO NO YesYes 需終端情況需終端情況 NONO YesYes NO NO 需打印機情況需打印機情況 NONO NO NO YesYes 運行所需時間運行所需時間 5 5分

13、鐘分鐘 1515分鐘分鐘1010分鐘分鐘 例例 設一個計算機系統(tǒng)有設一個計算機系統(tǒng)有256K256K主存，一主存，一 個磁盤、一個終端和一臺打印機。個磁盤、一個終端和一臺打印機。三個三個 作業(yè)：作業(yè)：JOB1JOB1、JOB2JOB2、JOB3JOB3。 第17頁 l單道批處理單道批處理 作業(yè)作業(yè)1 1運行運行5 5分鐘；分鐘； 作業(yè)作業(yè)2 2等待等待5 5分鐘運分鐘運 行行1515分鐘；作業(yè)分鐘；作業(yè)3 3 等待等待2020分鐘運行分鐘運行1010 分鐘。分鐘。 5分鐘分鐘 15分鐘分鐘 10分鐘分鐘 5分鐘分鐘 10分鐘分鐘 15分鐘分鐘 l多道批處理多道批處理 三個作業(yè)同時裝三個作業(yè)同時

14、裝 入主存，由于幾乎入主存，由于幾乎 不同時使用同類資不同時使用同類資 源，在源，在1515分鐘內將分鐘內將 全部完成。全部完成。 第18頁 表表1.2 1.2 單道批處理與多道批處理對比單道批處理與多道批處理對比 單道單道 多道多道(3(3道道) ) 處理機利用率處理機利用率 5/30=17% 5/15=33%5/30=17% 5/15=33% 存儲器利用率存儲器利用率 30% 30% 平均平均 230/256=90%230/256=90% 磁盤利用率磁盤利用率 33%=10/30 67%=10/1533%=10/30 67%=10/15 打印機利用率打印機利用率 33% 67%33% 67

15、% 完成所需時間完成所需時間 3030分鐘分鐘 1515分鐘分鐘 吞吐量吞吐量 6jobs/6jobs/小時小時 12jobs/12jobs/小時小時 平均周轉時間平均周轉時間 1818分鐘分鐘 1010分鐘分鐘 第19頁 批處理系統(tǒng)特點批處理系統(tǒng)特點 l優(yōu)點優(yōu)點: : 系統(tǒng)吞吐量大，資源利用率高。系統(tǒng)吞吐量大，資源利用率高。 適合計算量大、自動化程度高的成熟作適合計算量大、自動化程度高的成熟作 業(yè)。業(yè)。 l缺點缺點: : 用戶與作業(yè)無法交互，作業(yè)平均用戶與作業(yè)無法交互，作業(yè)平均 周轉時間較長。周轉時間較長。 第20頁 1.2.4 分時系統(tǒng)分時系統(tǒng) 工作方式工作方式：一臺主機連接有若干個終端。

16、用：一臺主機連接有若干個終端。用 戶戶交互式交互式地向系統(tǒng)提出命令請求，系統(tǒng)接地向系統(tǒng)提出命令請求，系統(tǒng)接 受命令，采用時間片輪轉方式處理請求，受命令，采用時間片輪轉方式處理請求， 并在終端上顯示結果。如在大型數(shù)據庫上并在終端上顯示結果。如在大型數(shù)據庫上 的查詢。的查詢。 分時分時：多用戶分時使用：多用戶分時使用CPUCPU。將。將CPUCPU的單位時的單位時 間間( (如如1 1秒鐘秒鐘) )劃分成若干個時間片。劃分成若干個時間片。 第21頁 分時系統(tǒng)的特點分時系統(tǒng)的特點 l同時性同時性：若干用戶同時使用一臺計算機。：若干用戶同時使用一臺計算機。 l獨立性獨立性：每個用戶占有一臺終端，獨立操

17、：每個用戶占有一臺終端，獨立操 作，感覺不到別的用戶存在。作，感覺不到別的用戶存在。 l交互性交互性：用戶可通過終端與系統(tǒng)進行人機：用戶可通過終端與系統(tǒng)進行人機 對話。對話。 l及時性及時性：用戶的請求能在較短時間內得到：用戶的請求能在較短時間內得到 響應。響應。（響應時間：從用戶發(fā)出請求到系（響應時間：從用戶發(fā)出請求到系 統(tǒng)開始響應所需的時間）統(tǒng)開始響應所需的時間）。 第22頁 1.2.5 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng) l是指計算機能對是指計算機能對隨機發(fā)生的外部事件隨機發(fā)生的外部事件做出及做出及 時的響應和處理。是一個專用系統(tǒng)。時的響應和處理。是一個專用系統(tǒng)。 l不以作業(yè)為處理對象，只有幾個由外部事件

18、不以作業(yè)為處理對象，只有幾個由外部事件 觸發(fā)的任務。觸發(fā)的任務。 實時過程控制實時過程控制：工業(yè)生產中的自動控制，：工業(yè)生產中的自動控制， 飛機導航、導彈發(fā)射等。飛機導航、導彈發(fā)射等。 實時信息處理實時信息處理：民航機票的預訂、查詢，：民航機票的預訂、查詢， 銀行系統(tǒng)的借貸，情報信息檢索等系統(tǒng)。銀行系統(tǒng)的借貸，情報信息檢索等系統(tǒng)。 第23頁 實時系統(tǒng)特點實時系統(tǒng)特點 （1 1）實時性。）實時性。其響應時間由被控制對象所能其響應時間由被控制對象所能 承受的延遲來確定。承受的延遲來確定。 （2 2）可靠性。）可靠性。要具有容錯能力，可采用雙工要具有容錯能力，可采用雙工 機制：一臺主機；一臺后備機。

19、機制：一臺主機；一臺后備機。 （3 3）確定性。）確定性。是指系統(tǒng)按照固定的、預先確是指系統(tǒng)按照固定的、預先確 定的時間執(zhí)行指定的操作。定的時間執(zhí)行指定的操作。 第24頁 1.2.6 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) l以實際應用為中心、以計算機技術為基礎、軟以實際應用為中心、以計算機技術為基礎、軟 硬件可裁剪的硬件可裁剪的專用計算機系統(tǒng)專用計算機系統(tǒng)。 l軟件要求固化存儲。軟件要求固化存儲。 l通常是一個多任務可搶占式的通常是一個多任務可搶占式的實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)， 只有滿足實際需要的有限功能，只有滿足實際需要的有限功能，如任務調度、如任務調度、 同步與通信、主存管理、時鐘管理等。同步與通信、主存

20、管理、時鐘管理等。 l嵌入式嵌入式Linux，Windows CE。 第25頁 1.3 功能、服務和特性功能、服務和特性 q三種基本類型：批處理系統(tǒng)；分時系統(tǒng)；三種基本類型：批處理系統(tǒng)；分時系統(tǒng)； 實時系統(tǒng)。實時系統(tǒng)。 q通用操作系統(tǒng)：兼有批處理、分時和實時通用操作系統(tǒng)：兼有批處理、分時和實時 三者或其中兩者的功能。三者或其中兩者的功能。 如如 分時和批處理相結合，將分時任務作分時和批處理相結合，將分時任務作 為前臺任務，將批處理作業(yè)作為后臺任務，為前臺任務，將批處理作業(yè)作為后臺任務， 便是分時批處理系統(tǒng)。便是分時批處理系統(tǒng)。 第26頁 操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能 (1)處理機管理處理機管理

21、：進程管理。處理機如何調度的問題：進程管理。處理機如何調度的問題： FCFS、優(yōu)先級、時間片輪轉？、優(yōu)先級、時間片輪轉？ (2)存儲器管理存儲器管理：主存管理。存儲分配、存儲保護、：主存管理。存儲分配、存儲保護、 主存擴充。主存擴充。 (3)設備管理設備管理：涉及對系統(tǒng)中各種輸入、輸出設備的：涉及對系統(tǒng)中各種輸入、輸出設備的 管理和控制。分配設備，控制設備傳輸數(shù)據。管理和控制。分配設備，控制設備傳輸數(shù)據。 (4)文件管理文件管理：將程序、數(shù)據、操作系統(tǒng)軟件等組織：將程序、數(shù)據、操作系統(tǒng)軟件等組織 成文件，存放在磁盤或磁帶上，方便用戶訪問。成文件，存放在磁盤或磁帶上，方便用戶訪問。 第27頁 l

22、為了管理系統(tǒng)資源，操作系統(tǒng)必須掌握為了管理系統(tǒng)資源，操作系統(tǒng)必須掌握 系統(tǒng)資源的當前狀態(tài)信息。系統(tǒng)資源的當前狀態(tài)信息。 l進程進程-進程表進程表 l存儲器存儲器-存儲表存儲表 lI/O設備設備-I/O設備表設備表 l文件文件-文件表文件表 第28頁 操作系統(tǒng)提供的服務操作系統(tǒng)提供的服務 n用戶接口用戶接口：用戶通過用戶通過OSOS來使用計算機來使用計算機 n程序執(zhí)行程序執(zhí)行：裝入內存執(zhí)行，結束執(zhí)行：裝入內存執(zhí)行，結束執(zhí)行 nI/O操作操作：可能涉及到文件或：可能涉及到文件或I/O設備設備 n文件系統(tǒng)操作文件系統(tǒng)操作：向用戶提供按名存取文件：向用戶提供按名存取文件 n通信服務通信服務：進程之間（

23、共享內存：進程之間（共享內存/消息傳遞）消息傳遞） n錯誤檢測和處理錯誤檢測和處理：能檢測和處理錯誤：能檢測和處理錯誤 n資源分配資源分配：多進程并發(fā)，資源共享：多進程并發(fā)，資源共享 n記帳記帳：統(tǒng)計用戶對系統(tǒng)資源的使用情況：統(tǒng)計用戶對系統(tǒng)資源的使用情況 n保護保護：控制用戶有限制地存取系統(tǒng)資源：控制用戶有限制地存取系統(tǒng)資源 第29頁 操作系統(tǒng)的特性操作系統(tǒng)的特性 (1)(1)并發(fā)性并發(fā)性：是為了提高計算機的：是為了提高計算機的處理能力處理能力而采而采 用的用的一種時間上重疊操作的技術一種時間上重疊操作的技術。是指系統(tǒng)中。是指系統(tǒng)中 存在著若干個邏輯上相互獨立的程序，都已被存在著若干個邏輯上相

24、互獨立的程序，都已被 啟動執(zhí)行，都還沒有執(zhí)行完，競爭系統(tǒng)資源。啟動執(zhí)行，都還沒有執(zhí)行完，競爭系統(tǒng)資源。 (2)(2)共享性共享性：是指系統(tǒng)中的資源可供系統(tǒng)中多個：是指系統(tǒng)中的資源可供系統(tǒng)中多個 并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。如打印機、磁帶機、并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。如打印機、磁帶機、 磁盤等。磁盤等。 支持系統(tǒng)并發(fā)性的物質基礎是資源共享支持系統(tǒng)并發(fā)性的物質基礎是資源共享 第30頁 操作系統(tǒng)的特性操作系統(tǒng)的特性 (3)(3)虛擬性虛擬性：把共享資源的一個物理實體變?yōu)椋喊压蚕碣Y源的一個物理實體變?yōu)?若干個邏輯上的對應物。如，若干個邏輯上的對應物。如，CPUCPU的分時共的分時共 享；虛擬存儲器技術。享；

25、虛擬存儲器技術。 (4)(4)異步性（隨機性）異步性（隨機性）：有限的資源共享使并：有限的資源共享使并 發(fā)進程之間產生相互制約關系。各個進程何發(fā)進程之間產生相互制約關系。各個進程何 時執(zhí)行、何時暫停、以怎樣的速度向前推進、時執(zhí)行、何時暫停、以怎樣的速度向前推進、 什么時候完成等都是不可預知的。什么時候完成等都是不可預知的。 第31頁 1.4 操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 1.1. 個人計算機操作系統(tǒng)個人計算機操作系統(tǒng) 2.2. 多處理機操作系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng) 3.3. 網絡操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng) 4.4. 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng) 第32頁 個人計算機操作系統(tǒng)個人計算機操作系統(tǒng)

26、 l單用戶單任務單用戶單任務OS：只允許一個用戶上機、只允許：只允許一個用戶上機、只允許 用戶程序作為一個任務運行。如用戶程序作為一個任務運行。如 MS-DOS。 l單用戶多任務單用戶多任務OS：只允許一個用戶上機，但允許：只允許一個用戶上機，但允許 用戶有多個任務，并發(fā)執(zhí)行。如用戶有多個任務，并發(fā)執(zhí)行。如Windows l多用戶多任務多用戶多任務OS：允許多個用戶通過各自的終端，：允許多個用戶通過各自的終端， 使用同一臺主機，共享系統(tǒng)資源，每個用戶又可使用同一臺主機，共享系統(tǒng)資源，每個用戶又可 有多個任務，并發(fā)執(zhí)行。如有多個任務，并發(fā)執(zhí)行。如UNIX、Linux。 第33頁 多處理機操作系統(tǒng)

27、多處理機操作系統(tǒng) l 多處理機采用緊耦合方式進行連接，共享主存多處理機采用緊耦合方式進行連接，共享主存 非對稱多處理非對稱多處理(ASMP)(ASMP)：主處理機運行操作系統(tǒng)，：主處理機運行操作系統(tǒng)， 其他處理機運行用戶作業(yè)，主處理機為其他處其他處理機運行用戶作業(yè)，主處理機為其他處 理機分配和調度任務，主從模式。理機分配和調度任務，主從模式。 對稱多處理對稱多處理(SMP)(SMP)：操作系統(tǒng)和用戶程序可安：操作系統(tǒng)和用戶程序可安 排在任何一個處理機上運行，各處理機共享主排在任何一個處理機上運行，各處理機共享主 存和各種存和各種I/OI/O設備。設備。 第34頁 l網絡中的各臺計算機都配有各自

28、獨立的操作系網絡中的各臺計算機都配有各自獨立的操作系 統(tǒng)，網絡操作系統(tǒng)把它們聯(lián)系起來，并為它們統(tǒng)，網絡操作系統(tǒng)把它們聯(lián)系起來，并為它們 提供通信和網絡資源共享。提供通信和網絡資源共享。 lWindows的自上而下的的自上而下的網絡棧網絡棧：網絡應用程序、：網絡應用程序、 網絡網絡API、網絡、網絡API驅動程序驅動程序netbios.sys、協(xié)議、協(xié)議 驅動程序驅動程序tcpip.sys 等等。與。與I/O系統(tǒng)和標準系統(tǒng)和標準API 緊密地集成在一起。緊密地集成在一起。 第35頁 l網絡操作系統(tǒng)的模式：網絡操作系統(tǒng)的模式： 客戶客戶/ /服務器服務器（Client/Server)Client/

29、Server)模式。服務模式。服務 器是一個瓶頸。器是一個瓶頸。 對等模式對等模式（Peer-to-peer)Peer-to-peer)：系統(tǒng)內的節(jié)點：系統(tǒng)內的節(jié)點 機（機（nodesnodes）是對等的，既可作為客戶機，）是對等的，既可作為客戶機， 又可作為服務器。在網絡中既無服務處理又可作為服務器。在網絡中既無服務處理 中心，也無控制中心。中心，也無控制中心。 第36頁 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng) l分布式系統(tǒng)：是由多個分散的計算機通分布式系統(tǒng)：是由多個分散的計算機通 過網絡連接而成的一個統(tǒng)一的計算機系過網絡連接而成的一個統(tǒng)一的計算機系 統(tǒng)?？梢垣@得極高的運算能力和廣泛的統(tǒng)。可以獲得極高

30、的運算能力和廣泛的 數(shù)據共享。數(shù)據共享。 l要求連網的多機有一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)要求連網的多機有一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng) l沒有標準協(xié)議。沒有標準協(xié)議。 l完全分布式系統(tǒng)仍在研究中。完全分布式系統(tǒng)仍在研究中。 第37頁 l機群機群(cluster)(cluster)是一種分布式系統(tǒng)。是一種分布式系統(tǒng)。機群機群 節(jié)點私有節(jié)點私有OSOS。有一層軟件有一層軟件運行在機群節(jié)運行在機群節(jié) 點之上。點之上。 單一單一 入口點入口點 節(jié)點機節(jié)點機 節(jié)點機節(jié)點機 節(jié)點機節(jié)點機 站點服務器站點服務器 第38頁 智能卡操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng) l智能卡中隱藏著一個微型操作系統(tǒng)。智能卡中隱藏著一個微型操作系統(tǒng)。 l智能卡中

31、的集成電路包括：智能卡中的集成電路包括：中央處理機、中央處理機、 存儲部件、對外聯(lián)絡的通信接口。存儲部件、對外聯(lián)絡的通信接口。 l智能卡實際上是一臺智能卡實際上是一臺單片機單片機系統(tǒng)。有非常系統(tǒng)。有非常 嚴格的運行能耗和存儲空間的限制（從幾嚴格的運行能耗和存儲空間的限制（從幾 KB到幾百到幾百KB)。 第39頁 一種智能卡結構 CPUCPU ROM 96KROM 96K EEPROM 64KEEPROM 64K RAM 3KRAM 3K I/OI/O異步通信異步通信 智能卡智能卡 讀寫器讀寫器 讀寫器讀寫器發(fā)操作命令，發(fā)操作命令，智能卡智能卡接收命令。接收命令。操作系操作系 統(tǒng)統(tǒng)解釋命令，并調

32、用程序處理數(shù)據，產生應答解釋命令，并調用程序處理數(shù)據，產生應答 信息送信息送讀寫器讀寫器。 第40頁 1.5 用戶與操作系統(tǒng)接口用戶與操作系統(tǒng)接口 l操作接口操作接口：命令語言或窗口界面是用戶：命令語言或窗口界面是用戶 使用計算機系統(tǒng)的主要接口。使用計算機系統(tǒng)的主要接口。 l編程接口編程接口：系統(tǒng)調用是用戶與操作系統(tǒng)：系統(tǒng)調用是用戶與操作系統(tǒng) 之間的編程接口。之間的編程接口。 第41頁 命令語言命令語言 l操作系統(tǒng)提供一個操作系統(tǒng)提供一個命令解釋程序命令解釋程序來支持來支持 命令語言的解釋執(zhí)行。執(zhí)行用戶當前輸命令語言的解釋執(zhí)行。執(zhí)行用戶當前輸 入的命令。入的命令。用戶態(tài)用戶態(tài)。 lLinux的

33、的1號號進程為每個進程為每個終端用戶終端用戶建立一建立一 個運行個運行shell命令解釋程序的命令解釋程序的終端進程終端進程， 該進程不斷地處理用戶發(fā)來的命令。該進程不斷地處理用戶發(fā)來的命令。 第42頁 窗口界面窗口界面 l系統(tǒng)初始化時，系統(tǒng)初始化時，Windows為終端用戶生為終端用戶生 成了一個運行成了一個運行Explorer.exe程序的進程，程序的進程， 它是一個具有窗口界面的它是一個具有窗口界面的解釋程序解釋程序，打，打 開一個桌面窗口。開一個桌面窗口。 l當點擊桌面內的某個實用程序時，當點擊桌面內的某個實用程序時，解釋解釋 程序程序就會產生一個就會產生一個新進程新進程。 第43頁

34、系統(tǒng)調用系統(tǒng)調用 l操作系統(tǒng)內核向用戶提供了一組操作系統(tǒng)內核向用戶提供了一組系統(tǒng)調系統(tǒng)調 用接口用接口。用戶通過系統(tǒng)調用接口，運行。用戶通過系統(tǒng)調用接口，運行 系統(tǒng)內核里的一些子程序。系統(tǒng)內核里的一些子程序。 lWindows系統(tǒng)提供的系統(tǒng)提供的Win32 API函數(shù)集函數(shù)集 合，是一些庫函數(shù)，由合，是一些庫函數(shù)，由庫函數(shù)庫函數(shù)去調用系去調用系 統(tǒng)調用。文檔化，易使用。統(tǒng)調用。文檔化，易使用。 第44頁 系統(tǒng)調用的執(zhí)行過程系統(tǒng)調用的執(zhí)行過程 用戶程序用戶程序 系統(tǒng)調用命令系統(tǒng)調用命令 操作系統(tǒng)內核操作系統(tǒng)內核 系統(tǒng)調用命令程序系統(tǒng)調用命令程序 子程序子程序 子程序子程序 切換到用戶態(tài)切換到用戶

35、態(tài) 切換到核心態(tài)切換到核心態(tài) 第45頁 核心態(tài)核心態(tài)/用戶態(tài)用戶態(tài) l在計算機中存在兩類性質不同的程序：在計算機中存在兩類性質不同的程序：操作操作 系統(tǒng)內核程序系統(tǒng)內核程序；用戶程序用戶程序。 l前者是后者的管理者和控制者，所以前者應前者是后者的管理者和控制者，所以前者應 享有某些特權。為此將享有某些特權。為此將CPU的運行狀態(tài)分為的運行狀態(tài)分為 核心態(tài)（管態(tài)）和用戶態(tài)（目態(tài)）。核心態(tài)（管態(tài)）和用戶態(tài)（目態(tài)）。 l處理機狀態(tài)字處理機狀態(tài)字（PSW）中有）中有2個執(zhí)行方式位。個執(zhí)行方式位。 00為核心態(tài)，為核心態(tài)，11為用戶態(tài)。為用戶態(tài)。 第46頁 l在在核心態(tài)核心態(tài)下，下， 允許執(zhí)行處理機的全

36、部指令集，允許執(zhí)行處理機的全部指令集， 訪問所有的寄存器和存儲區(qū)；訪問所有的寄存器和存儲區(qū)； l 在在用戶態(tài)用戶態(tài)下，只允許執(zhí)行處理機的非特權指令，下，只允許執(zhí)行處理機的非特權指令， 訪問指定的寄存器和存儲區(qū)。訪問指定的寄存器和存儲區(qū)。 l 用戶態(tài)到核心態(tài)用戶態(tài)到核心態(tài)的轉換由的轉換由硬件硬件完成；核心態(tài)到用完成；核心態(tài)到用 戶態(tài)的轉換由內核程序執(zhí)行后完成。戶態(tài)的轉換由內核程序執(zhí)行后完成。 l 操作系統(tǒng)的大部分功能模塊運行在核心態(tài)，有些操作系統(tǒng)的大部分功能模塊運行在核心態(tài)，有些 功能模塊通過創(chuàng)建用戶級進程運行在用戶態(tài)，例功能模塊通過創(chuàng)建用戶級進程運行在用戶態(tài)，例 如，如， Windows子系統(tǒng)

37、進程子系統(tǒng)進程Csrss.exe，為用戶提供，為用戶提供 窗口界面。窗口界面。 第47頁 操作系統(tǒng)內核操作系統(tǒng)內核 （Ntoskrnl.exe)Ntoskrnl.exe) 核心態(tài)核心態(tài) 用戶態(tài)用戶態(tài) 系統(tǒng)進程系統(tǒng)進程 用戶進程用戶進程 WindowsWindows子系統(tǒng)進子系統(tǒng)進 程程Csrss.exeCsrss.exe Win32K.sysWin32K.sys 執(zhí)行體執(zhí)行體 內核內核 NTFS.sysNTFS.sys 第48頁 1.6 操作系統(tǒng)的運行環(huán)境操作系統(tǒng)的運行環(huán)境 l 通過中斷和異常，通過中斷和異常，CPU能從能從用戶程序用戶程序的運行轉的運行轉 入操作系統(tǒng)入操作系統(tǒng)內核程序內核程序

38、的運行。的運行。 l 中斷：異步事件。中斷：異步事件。中斷是一個重要的中斷是一個重要的并發(fā)性并發(fā)性來來 源。源。內核代碼可以觸發(fā)一個軟件中斷來啟動線內核代碼可以觸發(fā)一個軟件中斷來啟動線 程調度，相當于打斷了當前線程的執(zhí)行，讓處程調度，相當于打斷了當前線程的執(zhí)行，讓處 理機切換到其他的線程。理機切換到其他的線程。 l 不同中斷有不同優(yōu)先級。處理高級中斷時會臨不同中斷有不同優(yōu)先級。處理高級中斷時會臨 時屏蔽低級中斷。時屏蔽低級中斷。處理機優(yōu)先級處理機優(yōu)先級：指處理機當指處理機當 前正運行程序的中斷響應級別。前正運行程序的中斷響應級別。 第49頁 l 異常：同步事件。是程序自己產生的特殊事件。異常：同步事件。是程序自己產生的特殊事件。 不能被屏蔽，一旦出現(xiàn)應立即處理。不能被屏蔽，一旦出現(xiàn)應立即處理。 l 異常：程序的非法操作碼、地址越界、除數(shù)為異常：程序的非法操作碼、地址越界、除數(shù)為 0、存儲器管理中的頁面失效、系統(tǒng)調用。、存儲器管理