操作系統(tǒng)-第1章_引論

1、操作系統(tǒng)（第3版） 第1章 引論第1章引論1.1 1.1 操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的概念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 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點研究操作系統(tǒng)的幾種觀點1.4 1.4 操作系統(tǒng)的功能與特征操作系統(tǒng)的功能與特征1.5 1.5 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境1.1 操作系統(tǒng)的概念q計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) - - 硬件硬件( (子子) )系統(tǒng)系統(tǒng) 計算機硬件計算機硬件是指計算機系統(tǒng)中由電子、機械和光電元是指計算機系統(tǒng)中由電子、機械和光電元件等組成的各種計算機部件和計算機設備。件等組成的各種計算機部件和計算機設備。 這些部件和設備依據計算機系統(tǒng)結構

2、的要求構成的有這些部件和設備依據計算機系統(tǒng)結構的要求構成的有機整體，稱為機整體，稱為計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)。計算機硬件系統(tǒng)主要由運。計算機硬件系統(tǒng)主要由運算器、內存儲器、控制器、輸入輸出控制系統(tǒng)、輔助存儲算器、內存儲器、控制器、輸入輸出控制系統(tǒng)、輔助存儲設備等功能部件組成。設備等功能部件組成。 - - 軟件軟件( (子子) )系統(tǒng)系統(tǒng) 軟件軟件是計算機系統(tǒng)中的程序和有關的文件。程序是計是計算機系統(tǒng)中的程序和有關的文件。程序是計算任務的處理對象和處理規(guī)則的描述；文件是為了便于了算任務的處理對象和處理規(guī)則的描述；文件是為了便于了解程序所需的資料說明解程序所需的資料說明。1.1 操作系統(tǒng)的概念

3、 按照應用的觀點，軟件可分為按照應用的觀點，軟件可分為 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 位于計算機系統(tǒng)中最靠近硬件的一層，其他位于計算機系統(tǒng)中最靠近硬件的一層，其他軟件一般都通過系統(tǒng)軟件發(fā)揮作用。如編譯程序軟件一般都通過系統(tǒng)軟件發(fā)揮作用。如編譯程序和操作系統(tǒng)等。和操作系統(tǒng)等。支撐軟件支撐軟件 即支撐其他軟件的編制和維護的軟件。主要即支撐其他軟件的編制和維護的軟件。主要包括各種接口軟件和工具組。包括各種接口軟件和工具組。應用軟件應用軟件 特定應用領域專用的軟件，例如字處理程序。特定應用領域專用的軟件，例如字處理程序。1.1 操作系統(tǒng)的概念計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的層次結構 最下面是硬件系統(tǒng)；最上面是使用

4、計算機的人，即各種最下面是硬件系統(tǒng)；最上面是使用計算機的人，即各種各樣的用戶；人與硬件系統(tǒng)之間是軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件是最各樣的用戶；人與硬件系統(tǒng)之間是軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件是最靠近硬件的一層，其次是支撐軟件和應用軟件?？拷布囊粚?，其次是支撐軟件和應用軟件。1.1 操作系統(tǒng)的概念計算機組織計算機組織 研究和建立計算機各功能部件間的相互連接研究和建立計算機各功能部件間的相互連接和作用，完成各個功能部件內部的邏輯設計等是和作用，完成各個功能部件內部的邏輯設計等是邏輯實現(xiàn)的內容邏輯實現(xiàn)的內容 ，稱為，稱為計算機組織計算機組織；把邏輯設計；把邏輯設計深化到元件、器件級，則是物理實現(xiàn)的內容深化到元件、器件級

5、，則是物理實現(xiàn)的內容 ，稱，稱為為計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)?，F(xiàn)在統(tǒng)稱為計算機組織。現(xiàn)在統(tǒng)稱為計算機組織。1.1 操作系統(tǒng)的概念q什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的地位操作系統(tǒng)的地位 操作系統(tǒng)實際上是一個計算機系統(tǒng)中硬、軟件資源的操作系統(tǒng)實際上是一個計算機系統(tǒng)中硬、軟件資源的總指揮部。總指揮部。 操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)定義 是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，是能有效地組織和是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，是能有效地組織和管理計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機管理計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機工作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務功能，工

6、作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效地使用計算機，并使整個使得用戶能夠靈活、方便、有效地使用計算機，并使整個計算機系統(tǒng)能高效地運行的一組程序模塊的集合。計算機系統(tǒng)能高效地運行的一組程序模塊的集合。1.1 操作系統(tǒng)的概念 操作系統(tǒng)主要有兩方面的作用操作系統(tǒng)主要有兩方面的作用 1 1、管理系統(tǒng)中的各種資源，包括硬件資源和軟件、管理系統(tǒng)中的各種資源，包括硬件資源和軟件資源資源 2 2、為用戶提供良好的界面、為用戶提供良好的界面 操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的目標 方便性、方便性、 有效性、有效性、 可擴充性、可擴充性、 開放性開放性1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展q

7、操作系統(tǒng)形成操作系統(tǒng)形成 無操作系統(tǒng)時的計算機系統(tǒng)無操作系統(tǒng)時的計算機系統(tǒng)人工操作方式人工操作方式 由用戶由用戶( (即程序員即程序員) )采用人工采用人工操作方式直接使用計算機硬件系操作方式直接使用計算機硬件系統(tǒng)缺點：用戶獨占全機、統(tǒng)缺點：用戶獨占全機、CPUCPU等等待人工操作待人工操作脫機輸入輸出方式脫機輸入輸出方式 程序和數據的輸入輸出都是程序和數據的輸入輸出都是在外圍機的控制下完成在外圍機的控制下完成 優(yōu)點：減少了優(yōu)點：減少了CPUCPU的空閑時間、的空閑時間、提高提高I/OI/O速度速度1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng) 系統(tǒng)對作業(yè)的處理系統(tǒng)對作業(yè)的處理都是

8、成批地進行的、且都是成批地進行的、且在內存中始終只保持一在內存中始終只保持一道作業(yè)，故稱為單道批道作業(yè)，故稱為單道批處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)。 特征特征： 自動性自動性 順序性順序性 單道性單道性1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)多道程序設計的基本概念多道程序設計的基本概念 把一個以上的作業(yè)把一個以上的作業(yè)( (程序程序) )存放在內存中，并且存放在內存中，并且同時處于運行狀態(tài)，共享處理機時間和外部設備等同時處于運行狀態(tài)，共享處理機時間和外部設備等其他資源的方法。其他資源的方法。 優(yōu)點優(yōu)點： 提高了提高了CPUCPU的利用率的利用率 提高了內存和提高了內存和I/OI/O設備的

9、利用率設備的利用率 增加系統(tǒng)吞吐量增加系統(tǒng)吞吐量 1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展多道批處理系統(tǒng)的特征多道批處理系統(tǒng)的特征 多道性多道性 無序性無序性 調度性調度性: :作業(yè)調度和進程調度作業(yè)調度和進程調度多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點 優(yōu)點：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大優(yōu)點：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大 缺點：平均周轉時間長、無交互能力缺點：平均周轉時間長、無交互能力多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題 處理機管理問題處理機管理問題 內存管理問題內存管理問題 I/OI/O設備管理問題設備管理問題 文件管理問題文件管理問題 作業(yè)管理問題作業(yè)管理問題1.2 操作系統(tǒng)的形

10、成與發(fā)展 分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)的產生分時系統(tǒng)的產生 人機交互、共享主機、便于用戶上機人機交互、共享主機、便于用戶上機分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題 及時接收、及時處理及時接收、及時處理分時系統(tǒng)的實現(xiàn)方法分時系統(tǒng)的實現(xiàn)方法 作業(yè)直接進入內存作業(yè)直接進入內存 規(guī)定每個程序只運行一個時間片的時間規(guī)定每個程序只運行一個時間片的時間 具體方法有以下幾種：單道分時系統(tǒng)、具有具體方法有以下幾種：單道分時系統(tǒng)、具有“前臺前臺”和和“后臺后臺”的分時系統(tǒng)、多道分時系統(tǒng)的分時系統(tǒng)、多道分時系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展分時系統(tǒng)的特征分時系統(tǒng)的特征 - - 多路性多路性 - - 獨立性獨立性

11、 - - 及時性及時性 - - 交互性交互性 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)的引入實時系統(tǒng)的引入 實時控制、實時信息處理實時控制、實時信息處理1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展實時系統(tǒng)定義實時系統(tǒng)定義 實時實時：所謂：所謂“實時實時”，是表示，是表示“及時及時”、“即時即時” ” 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)：實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時（或即：實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時（或即時）時） 響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行行 1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展實時任務的類型實時任務的類型 按任務執(zhí)行時是否

12、呈現(xiàn)周期性來劃分：周期性實時任按任務執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分：周期性實時任務、非周期性實時任務務、非周期性實時任務 根據對截止時間的要求來劃分根據對截止時間的要求來劃分 ：強實時任務：強實時任務 、弱實、弱實時任務時任務 實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)的比較實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)的比較 多路性多路性 獨立性獨立性 及時性及時性 交互性交互性 可靠性可靠性1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展q操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 微機操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng) 配置在微機上的操作系統(tǒng)稱為微機操作系統(tǒng)配置在微機上的操作系統(tǒng)稱為微機操作系統(tǒng)單用戶單任務操作系統(tǒng)單用戶單任務操作系統(tǒng) 只允許一個用戶上機、且只允許用戶程序作為一

13、個任務只允許一個用戶上機、且只允許用戶程序作為一個任務運行運行 例如：例如：CP/MCP/M、MS-DOS MS-DOS 單用戶多任務操作系統(tǒng)單用戶多任務操作系統(tǒng) 只允許一個用戶上機，但允許將一個用戶程序分成若干只允許一個用戶上機，但允許將一個用戶程序分成若干個任務，使它們并發(fā)執(zhí)行，從而有效地改善系統(tǒng)的性能個任務，使它們并發(fā)執(zhí)行，從而有效地改善系統(tǒng)的性能 例如：例如：OS/2OS/2、MS WindowsMS Windows、Linux Linux 1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展多用戶多任務操作系統(tǒng)多用戶多任務操作系統(tǒng) 允許多個用戶通過各自的終端，使用同一臺主機，共享允許多個用戶通過各自的終端，

14、使用同一臺主機，共享主機系統(tǒng)中的各類資源，而每個用戶程序又可進一步分為幾主機系統(tǒng)中的各類資源，而每個用戶程序又可進一步分為幾個任務，使它們并發(fā)執(zhí)行個任務，使它們并發(fā)執(zhí)行 例如：例如：UNIXUNIX 多處理機操作系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)的引入多處理機系統(tǒng)的引入 增加系統(tǒng)的吞吐量增加系統(tǒng)的吞吐量 節(jié)省投資節(jié)省投資 提高系統(tǒng)的可靠性提高系統(tǒng)的可靠性1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展多處理的類型多處理的類型 緊密耦合緊密耦合MPSMPS、松散耦合、松散耦合MPSMPS多處理機操作系統(tǒng)的類型多處理機操作系統(tǒng)的類型 非對稱多處理機模式（主非對稱多處理機模式（主- -從模式）、對稱多處理機模式從模式）、

15、對稱多處理機模式1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 網絡操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng) 計算機網絡可以定義為一些互連的自主計算機系統(tǒng)的集合計算機網絡可以定義為一些互連的自主計算機系統(tǒng)的集合計算機網絡的類型計算機網絡的類型 按網絡拓撲結構分：星型網絡、樹型網絡、總線型網絡按網絡拓撲結構分：星型網絡、樹型網絡、總線型網絡 環(huán)型網絡、網狀型網絡環(huán)型網絡、網狀型網絡 按網絡地理范圍分：廣域網按網絡地理范圍分：廣域網WANWAN、局域網、局域網LANLAN網絡操作系統(tǒng)模式網絡操作系統(tǒng)模式 客戶機客戶機/ /服務器服務器(C/S)(C/S)模式模式 、對等模式、對等模式 網絡操作系統(tǒng)的功能網絡操作系統(tǒng)的功能 網絡通信、資

16、源管理、網絡服務、網絡管理、互操作能力網絡通信、資源管理、網絡服務、網絡管理、互操作能力1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng) 集中式處理系統(tǒng)集中式處理系統(tǒng)：處理和控制功能都高度地集中在一：處理和控制功能都高度地集中在一臺主機上，所有的任務都有主機處理臺主機上，所有的任務都有主機處理 分布式處理系統(tǒng)分布式處理系統(tǒng)：由多個分散的處理單元經互連網絡：由多個分散的處理單元經互連網絡的連接而形成的系統(tǒng)，每個處理單元既具有高度的自治性，的連接而形成的系統(tǒng)，每個處理單元既具有高度的自治性，又相互協(xié)同又相互協(xié)同 ，并行地運行分布式程序，并行地運行分布式程序 分布式操作

17、系統(tǒng)與網絡操作系統(tǒng)的比較分布式操作系統(tǒng)與網絡操作系統(tǒng)的比較 分布性、并行性、透明性、共享性、健壯性分布性、并行性、透明性、共享性、健壯性2022-2-25操作系統(tǒng)231.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)概念：概念：嵌入式系統(tǒng)在用來控制設備的計算機中運行，這嵌入式系統(tǒng)在用來控制設備的計算機中運行，這種設備不是一般意義上的計算機，并且不允許用戶安裝種設備不是一般意義上的計算機，并且不允許用戶安裝軟件。軟件。特點特點 可裝卸性，強實時性可裝卸性，強實時性 統(tǒng)一的接口統(tǒng)一的接口 操作方便、簡單、提供友好的圖形操作方便、簡單、提供友好的圖形GUIGUI 提供強大的網絡功能，強穩(wěn)定性

18、，弱交互性提供強大的網絡功能，強穩(wěn)定性，弱交互性 固化代碼固化代碼 更好的硬件適應性，也就是良好的移植性更好的硬件適應性，也就是良好的移植性1.2 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展q推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力 - - 不斷提高計算機資源利用率的需要不斷提高計算機資源利用率的需要 - - 方便用戶方便用戶 - - 器件的不斷更新?lián)Q代器件的不斷更新?lián)Q代 - - 計算機體系結構的不斷發(fā)展計算機體系結構的不斷發(fā)展 1.3 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點q 軟件的觀點軟件的觀點 從軟件的觀點來看，操作系統(tǒng)有其作為軟件的外在特從軟件的觀點來看，操作系統(tǒng)有其作為軟件的外在特性和內在特性性和內在特性q

19、計算機系統(tǒng)資源管理的觀點計算機系統(tǒng)資源管理的觀點 操作系統(tǒng)的主要功能是針對處理機、存儲器、操作系統(tǒng)的主要功能是針對處理機、存儲器、I/OI/O設備、設備、文件這四類資源進行有效的管理文件這四類資源進行有效的管理q 進程的觀點進程的觀點 把操作系統(tǒng)看作由若干進程和一個對進程進行協(xié)調的把操作系統(tǒng)看作由若干進程和一個對進程進行協(xié)調的核心所組成。每個進程都完成某一特定任務，而操作系統(tǒng)核心所組成。每個進程都完成某一特定任務，而操作系統(tǒng)的核心則控制和協(xié)調這些進程的運行，解決進程之間的通的核心則控制和協(xié)調這些進程的運行，解決進程之間的通信信 1.3 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點q 用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間接口的觀

20、點用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間接口的觀點 操作系統(tǒng)處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過操作系統(tǒng)處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，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 用戶可以通過以下兩種方式來使用計算機用戶可以通過以下兩種方式來使用計算機 ：命令方式、：命令方式、系統(tǒng)調用方式系統(tǒng)調用方式q 虛機器觀點虛機器觀點 操作系統(tǒng)為用戶使用計算機提供了許多服務功能和良操作系統(tǒng)為用戶使用計算機提供了許多服務功能和良好的工作環(huán)境，把計算機擴充為功能更強、使用更加方便好的工作環(huán)境，把計算機擴充為功能更強、使用更加方便的計算機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 1.3 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點q 服務提供者觀點服務提供者觀點

21、 操作系統(tǒng)提供了程序執(zhí)行的環(huán)境，也為程序和用戶提供操作系統(tǒng)提供了程序執(zhí)行的環(huán)境，也為程序和用戶提供了一系列的操作系統(tǒng)服務。了一系列的操作系統(tǒng)服務。 操作系統(tǒng)提供公共服務類型包括操作系統(tǒng)提供公共服務類型包括 ： 程序執(zhí)行程序執(zhí)行 I/OI/O操作操作 文件系統(tǒng)操縱文件系統(tǒng)操縱 通信通信 差錯檢測差錯檢測1.4 操作系統(tǒng)的功能與特點q 通用操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng) 一個系統(tǒng)兼有批量處理、分時處理和實時處理三者或一個系統(tǒng)兼有批量處理、分時處理和實時處理三者或其中兩者的功能，而形成通用操作系統(tǒng)其中兩者的功能，而形成通用操作系統(tǒng) q 操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能 處理機管理功能處理機管理功能 進程控制、進程

22、同步、進程通信、調度進程控制、進程同步、進程通信、調度 存儲器管理的功能存儲器管理的功能 內存分配、內存保護、地址映射、內存擴充內存分配、內存保護、地址映射、內存擴充 設備管理功能設備管理功能 緩沖管理、設備分配、設備處理、設備獨立性和虛擬設備緩沖管理、設備分配、設備處理、設備獨立性和虛擬設備1.4 操作系統(tǒng)的功能與特點 文件管理功能文件管理功能 文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理和存文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理和存取控制取控制 用戶接口用戶接口 命令接口命令接口 包括聯(lián)機用戶接口和脫機用戶接口包括聯(lián)機用戶接口和脫機用戶接口 程序接口程序接口 圖形接口圖形接口1.4

23、操作系統(tǒng)的功能與特點q 操作系統(tǒng)的特征操作系統(tǒng)的特征 并發(fā)并發(fā) 并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生 并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生 共享共享 互斥共享方式、同時訪問方式互斥共享方式、同時訪問方式 虛擬虛擬 通過某種技術把一個物理實體變成若干個邏輯上的對應通過某種技術把一個物理實體變成若干個邏輯上的對應物物 異步性異步性1.5 操作系統(tǒng)結構設計q 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結構傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結構 模塊化結構操作系統(tǒng)模塊化結構操作系統(tǒng)采用模塊化程序設計技術采用模塊化程序設計技術模塊化結構設計方法較之無結構的操作

24、系統(tǒng)具有模塊化結構設計方法較之無結構的操作系統(tǒng)具有以下明顯的優(yōu)點：以下明顯的優(yōu)點： 提高了操作系統(tǒng)設計的正確性、可理解性和可維護提高了操作系統(tǒng)設計的正確性、可理解性和可維護性。性。 增強了操作系統(tǒng)的可適應性。增強了操作系統(tǒng)的可適應性。 加速了操作系統(tǒng)的開發(fā)過程。加速了操作系統(tǒng)的開發(fā)過程。1.5 操作系統(tǒng)結構設計結構化設計方法的仍存在著下述問題：結構化設計方法的仍存在著下述問題： 對模塊的劃分及對接口的規(guī)定要精確描述很困難。對模塊的劃分及對接口的規(guī)定要精確描述很困難。 從功能觀點來劃分模塊時，未能將共享資源和獨占從功能觀點來劃分模塊時，未能將共享資源和獨占資源加以區(qū)別。資源加以區(qū)別。 操作系統(tǒng)進

25、程管理存儲管理文件管理進程控制進程調度內存分配內存保護目錄管理磁盤管理1.5 操作系統(tǒng)結構設計 層次結構操作系統(tǒng)層次結構操作系統(tǒng)方法方法 將操作系統(tǒng)分成若干層；每一層實現(xiàn)一組基本概念以將操作系統(tǒng)分成若干層；每一層實現(xiàn)一組基本概念以及與其相關的基本屬性。層與層之間的相互關系要滿及與其相關的基本屬性。層與層之間的相互關系要滿足：所有各層的實現(xiàn)不依賴其以上各層所提供的概念足：所有各層的實現(xiàn)不依賴其以上各層所提供的概念及其屬性，只依賴其直接下層所提供的概念及屬性；及其屬性，只依賴其直接下層所提供的概念及屬性；每一層均對其上各層隱藏其下各層的存在。每一層均對其上各層隱藏其下各層的存在。優(yōu)點：優(yōu)點： 易保

26、證系統(tǒng)的正確性。易保證系統(tǒng)的正確性。 易擴充性和易維護性。易擴充性和易維護性。層次結構的主要缺點就是系統(tǒng)效率低。層次結構的主要缺點就是系統(tǒng)效率低。1.5 操作系統(tǒng)結構設計q 現(xiàn)代操作系統(tǒng)結構現(xiàn)代操作系統(tǒng)結構 微內核微內核特點特點 足夠小的內核。足夠小的內核。 基于客戶基于客戶/ /服務器模式。服務器模式。 應用機制和策略分離的技術。應用機制和策略分離的技術。 采用面向對象的技術。采用面向對象的技術。微內核雖然帶來了諸多的優(yōu)點，但不可否認微內微內核雖然帶來了諸多的優(yōu)點，但不可否認微內核較早期的操作系統(tǒng)而言，運行效率有所降低。核較早期的操作系統(tǒng)而言，運行效率有所降低。1.5 操作系統(tǒng)結構設計文件服

27、務器文件服務器內存服務器內存服務器網絡服務器網絡服務器硬件硬件微內核微內核SPI核心態(tài)核心態(tài)用戶態(tài)用戶態(tài)1.5 操作系統(tǒng)結構設計 微內核微內核一個微內核思想的略微變體是將進程劃分為兩類：一個微內核思想的略微變體是將進程劃分為兩類：服務器，每個服務器提供某種服務；客戶端，使服務器，每個服務器提供某種服務；客戶端，使用這些服務。這個模式就是所謂的客戶機用這些服務。這個模式就是所謂的客戶機- -服務服務器模式。器模式。通常，在系統(tǒng)最底層是微內核，但并不是必須這通常，在系統(tǒng)最底層是微內核，但并不是必須這樣的。樣的。這個模式的本質是存在客戶端進程和服務器進程。這個模式的本質是存在客戶端進程和服務器進程。

28、1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 任何系統(tǒng)軟件都是硬件功能的延伸，并且都是任何系統(tǒng)軟件都是硬件功能的延伸，并且都是建立在硬件基礎上的，離不開硬件設施的支持。而建立在硬件基礎上的，離不開硬件設施的支持。而操作系統(tǒng)更是直接依賴于硬件條件，與硬件的關系操作系統(tǒng)更是直接依賴于硬件條件，與硬件的關系尤為密切尤為密切q中央處理機（中央處理機（CPUCPU） CPUCPU的構成與基本工作方式的構成與基本工作方式 一般的處理機由運算器、控制器、一系列的寄一般的處理機由運算器、控制器、一系列的寄存器以及高速緩存構成。存器以及高速緩存構成。1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境處理機中的寄存器處理機中的寄存器 寄存器為處理機本身提

29、供了一定的存儲能力，寄存器為處理機本身提供了一定的存儲能力，它們的速度比內存儲器快得多，但是因為造價很高，它們的速度比內存儲器快得多，但是因為造價很高，存儲容量一般都很小。存儲容量一般都很小。 處理器一般包括兩類寄存器：用戶可見寄存器、處理器一般包括兩類寄存器：用戶可見寄存器、控制和狀態(tài)寄存器（如控制和狀態(tài)寄存器（如PCPC、IRIR、PSWPSW）1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境指令執(zhí)行的基本過程指令執(zhí)行的基本過程 特權指令和非特權指令特權指令和非特權指令 特權指令特權指令 在指令系統(tǒng)中那些只能由操作系統(tǒng)使用的指令在指令系統(tǒng)中那些只能由操作系統(tǒng)使用的指令 非特權指令非特權指令 允許一般的用戶使用的

30、指令允許一般的用戶使用的指令1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 處理機的狀態(tài)處理機的狀態(tài) 管態(tài)管態(tài)（特權態(tài)、特態(tài)、系統(tǒng)態(tài)）（特權態(tài)、特態(tài)、系統(tǒng)態(tài)） 指操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài)。可以執(zhí)行全部指令，指操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài)?？梢詧?zhí)行全部指令，使用所有資源，具有改變處理機狀態(tài)的能力使用所有資源，具有改變處理機狀態(tài)的能力 目態(tài)目態(tài)（普通態(tài)、普態(tài)、用戶態(tài)）（普通態(tài)、普態(tài)、用戶態(tài)） 指用戶程序運行時的狀態(tài)。只能執(zhí)行非特權指令有些指用戶程序運行時的狀態(tài)。只能執(zhí)行非特權指令有些系統(tǒng)分為核心狀態(tài)、管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài)系統(tǒng)分為核心狀態(tài)、管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài) 程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSWPSW 用來指示處理器狀態(tài)，

31、通常包括以下狀態(tài)代碼：用來指示處理器狀態(tài)，通常包括以下狀態(tài)代碼： CPUCPU的工作狀態(tài)代碼的工作狀態(tài)代碼 條件碼條件碼 中斷屏蔽碼中斷屏蔽碼1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境q存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng) 存儲器的類型存儲器的類型 讀寫型存儲器（隨機訪問存儲器讀寫型存儲器（隨機訪問存儲器RAMRAM） 只讀型存儲器（只讀存儲器只讀型存儲器（只讀存儲器ROMROM） 存儲器的層次結構存儲器的層次結構 計算機存儲系統(tǒng)的設計主要考慮三個計算機存儲系統(tǒng)的設計主要考慮三個問題：問題：容量、速度和成本容量、速度和成本 提高存儲系統(tǒng)效能的關鍵點就在于程提高存儲系統(tǒng)效能的關鍵點就在于程序的存儲訪問局部性原理序的存儲訪問局部性原

32、理1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境存儲分塊存儲分塊 為了簡化對存儲器的分配和管理，在不少計算機系統(tǒng)中為了簡化對存儲器的分配和管理，在不少計算機系統(tǒng)中把存儲器分成塊。在為用戶分配內存空間時，以塊為最小單把存儲器分成塊。在為用戶分配內存空間時，以塊為最小單位位存儲保護存儲保護 常用的存儲保護機構：界地址寄存器（界限寄存器）、常用的存儲保護機構：界地址寄存器（界限寄存器）、存儲鍵存儲鍵q 緩沖技術緩沖技術 引入原因引入原因 為了解決部件之間速度不匹配的問題為了解決部件之間速度不匹配的問題 類型類型 單緩沖、雙緩沖、多緩沖（單緩沖、雙緩沖、多緩沖（CacheCache）1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境q中斷技術中

33、斷技術 中斷的概念中斷的概念什么是中斷什么是中斷 所謂中斷是指所謂中斷是指CPUCPU對系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的異步事件對系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的異步事件的響應；的響應； - - 引起中斷的那些事件稱為中斷事件或中斷源；引起中斷的那些事件稱為中斷事件或中斷源； - - 中斷源向處理器發(fā)出的請求信號稱為中斷請求；中斷源向處理器發(fā)出的請求信號稱為中斷請求； - - 把處理中斷事件的那段程序稱為中斷處理程序把處理中斷事件的那段程序稱為中斷處理程序 - - 中斷的作用：能充分發(fā)揮處理器的使用效率中斷的作用：能充分發(fā)揮處理器的使用效率 、提高、提高系統(tǒng)的實時能力系統(tǒng)的實時能力 - - 典型的中斷：程序中斷、時鐘

34、中斷、典型的中斷：程序中斷、時鐘中斷、I/OI/O中斷、硬件中斷、硬件失效中斷失效中斷1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境中斷的分類中斷的分類 依據依據中斷的功能中斷的功能：可屏蔽中斷（：可屏蔽中斷（I/OI/O中斷）、不可屏中斷）、不可屏蔽中斷（機器內部故障、掉電中斷）、程序錯誤中斷（溢出、蔽中斷（機器內部故障、掉電中斷）、程序錯誤中斷（溢出、除法錯等中斷）、軟件中斷（除法錯等中斷）、軟件中斷（TrapTrap指令或中斷指令指令或中斷指令INTINT） 依據依據被激發(fā)的手段被激發(fā)的手段：強迫性中斷、自愿性中斷：強迫性中斷、自愿性中斷 依據依據中斷事件發(fā)生和處理是否是異步中斷事件發(fā)生和處理是否是異步 ：

35、異步中斷：異步中斷（中斷）、同步中斷（異常）（中斷）、同步中斷（異常） 依據依據中斷源的類型中斷源的類型：硬件中斷、軟件中斷：硬件中斷、軟件中斷1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)組成部分中斷系統(tǒng)組成部分 中斷系統(tǒng)的硬件中斷裝置中斷系統(tǒng)的硬件中斷裝置 軟件中斷處理程序軟件中斷處理程序中斷裝置一般要提供的基本功能中斷裝置一般要提供的基本功能 提供識別中斷源的方法提供識別中斷源的方法 提供查詢中斷狀態(tài)的方法提供查詢中斷狀態(tài)的方法 提供中斷現(xiàn)場保護的能力提供中斷現(xiàn)場保護的能力 提供中斷處理程序尋址能力提供中斷處理程序尋址能力 具有預定義的系統(tǒng)控制棧和中斷處理程序入口地址映具有預定義的

36、系統(tǒng)控制棧和中斷處理程序入口地址映射表等數據結構和它們在內存中的位置射表等數據結構和它們在內存中的位置1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 中斷邏輯與中斷寄存器中斷邏輯與中斷寄存器 中斷寄存器中斷寄存器：有的大型計算機中為了區(qū)分和不丟失每個：有的大型計算機中為了區(qū)分和不丟失每個中斷信號，通常對應每個中斷源都分別用一個固定的觸發(fā)器中斷信號，通常對應每個中斷源都分別用一個固定的觸發(fā)器來寄存中斷信號，這些觸發(fā)器的全體稱為中斷寄存器來寄存中斷信號，這些觸發(fā)器的全體稱為中斷寄存器 中斷掃描機構中斷掃描機構：處理器的控制部件中能檢測中斷的機構：處理器的控制部件中能檢測中斷的機構 多級中斷和中斷屏蔽多級中斷和中斷屏蔽

37、 中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級：高優(yōu)先級屏蔽低優(yōu)先級：高優(yōu)先級屏蔽低優(yōu)先級 同一中斷級中有多個中斷請求時，可采用固定的優(yōu)先數同一中斷級中有多個中斷請求時，可采用固定的優(yōu)先數和輪轉法來處理和輪轉法來處理1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 中斷響應中斷響應 CPUCPU何時響應中斷何時響應中斷：通常在指令周期最后時刻接受中斷：通常在指令周期最后時刻接受中斷請求，或是在此時掃描中斷寄存器請求，或是在此時掃描中斷寄存器 如何知道提出中斷請求的設備或中斷源如何知道提出中斷請求的設備或中斷源：一是用軟件指：一是用軟件指令去查詢各設備接口；二是使用令去查詢各設備接口；二是使用“向量中斷向量中斷”硬件設施硬件設施 中斷處理中斷處理中斷處理的一般過程中斷處理的一般過程 設備給處理器發(fā)了一個中斷信號設備給處理器發(fā)了一個中斷信號 處理器處理完當前指今后響應中斷處理器處理完當前指今后響應中斷 1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 處理器處理完當前指令后檢測到中斷，判斷出中斷來處理器處