課件-lec2操作系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)與操作系統(tǒng)

第二講操作系統(tǒng)概述

南京大學(xué)軟件學(xué)院掌握處理器掌握操作系統(tǒng)管理的資源掌握操作系統(tǒng)的用戶接口了解操作系統(tǒng)的類型了解操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)了解操作系統(tǒng)主流產(chǎn)品本主題教學(xué)目標(biāo)2.1什么是操作系統(tǒng)2.2操作系統(tǒng)的用戶接口2.3操作系統(tǒng)的類型2.4操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.5經(jīng)典操作系統(tǒng)第二講操作系統(tǒng)概述2.1什么是操作系統(tǒng)ServicesProvidedbytheOSProgramcreation:suchaseditorsanddebuggersProgramexecutionAccesstoI/OdevicesControlledaccesstofilesSystemaccessErrordetectionandresponseInternal/externalhardwareerrors(memory,device)softwareerrors(arithmeticoverflow,accessforbiddenmemorylocations)Accounting操作系統(tǒng)控制程序執(zhí)行資源的類型硬件資源

處理器內(nèi)存外設(shè)信息資源數(shù)據(jù)程序操作系統(tǒng)是資源管理者內(nèi)存操作系統(tǒng)軟件程序和數(shù)據(jù)I/O控制I/O控制I/O控制打印機(jī),鍵盤,數(shù)碼相機(jī)等處理器處理器操作系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)I/O設(shè)備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Waysofsharingresources:SequentialsharingConcurrentsharingStrategiesofresourceallocationStaticallocation:PartitioningofresourcestoallocateDynamicallocation:AllocationresourcesfromapoolResourcepreempting:forcefuldeallocationofasequentialsharingresource操作系統(tǒng)是資源管理者什么是

操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件，它管理軟硬件資源、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程，為用戶使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境2.2操作系統(tǒng)的用戶接口程序接口——系統(tǒng)調(diào)用(SystemCall)

由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的完成某種特定功能的過程；它是程序與操作系統(tǒng)的接口操作接口——系統(tǒng)程序(SystemProgram)

操作系統(tǒng)為用戶提供的解決使用計(jì)算機(jī)和計(jì)算共性問題的所有服務(wù)的集合；它可以看作是操作系統(tǒng)提供給用戶的功能級(jí)接口操作系統(tǒng)的用戶接口陷入處理機(jī)制（異常處理機(jī)制）：操作系統(tǒng)中為控制和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制由于系統(tǒng)調(diào)用而引起處理器中斷的指令稱訪管指令(Supervisor)，陷入指令(Trap)或異常中斷指令(Interrupt)每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都事先規(guī)定了編號(hào)，還附帶有傳遞給內(nèi)部處理程序的參數(shù)系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)編寫系統(tǒng)調(diào)用處理程序設(shè)計(jì)一張系統(tǒng)調(diào)用入口地址表，每個(gè)入口地址指向一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的處理程序，有的系統(tǒng)還包含系統(tǒng)調(diào)用自帶參數(shù)的個(gè)數(shù)陷入處理機(jī)制需開辟現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)，以保存發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時(shí)的處理器現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)過程SystemCall用戶程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn……系統(tǒng)調(diào)用處理子程序取系統(tǒng)功能號(hào)找入口地址表相應(yīng)入口地址結(jié)束處理恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)入口地址表A0A1…Ai…An保護(hù)CPU現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)用陷入機(jī)構(gòu)陷入指令操作系統(tǒng)提供了兩個(gè)作業(yè)級(jí)的接口：脫機(jī)作業(yè)控制方式聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式脫機(jī)作業(yè)控制接口——作業(yè)控制語言聯(lián)機(jī)作業(yè)控制接口——操作控制命令命令行方式批命令方式圖形化方式系統(tǒng)程序命令解釋程序：接受和執(zhí)行一條用戶提出的對(duì)作業(yè)的加工處理要求當(dāng)一個(gè)新的批作業(yè)被啟動(dòng)，或新的交互型用戶登錄進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)就自動(dòng)地執(zhí)行命令解釋程序，它負(fù)責(zé)讀入控制卡或命令行，并作出相應(yīng)解釋和執(zhí)行自帶命令處理代碼的命令解釋程序不帶命令處理代碼的命令解釋程序命令解釋程序操作系統(tǒng)做完準(zhǔn)備工作后便啟動(dòng)命令解釋程序，它輸出命令提示符，等待鍵盤中斷到來每當(dāng)用戶打入一條命令(暫存在命令緩沖區(qū))并按回車換行時(shí)，申請(qǐng)鍵盤中斷CPU響應(yīng)后，將控制權(quán)交給命令解釋程序，接著讀入命令緩沖區(qū)內(nèi)容，分析命令、接受參數(shù)。若為簡(jiǎn)單命令立即轉(zhuǎn)向命令處理代碼執(zhí)行；否則查找命令處理文件，裝入主存，傳遞參數(shù)，將控制權(quán)交給其執(zhí)行命令處理結(jié)束后，再次輸出命令提示符，等待下一條命令命令解釋程序的處理過程2.3操作系統(tǒng)的類型成批處理作業(yè)作業(yè)控制語言與作業(yè)說明書脫機(jī)工作方式追求系統(tǒng)效率與吞吐量批處理操作系統(tǒng)用戶通過終端直接控制程序執(zhí)行交互式工作方式交互型、友善性、快速響應(yīng)今天最常見的計(jì)算機(jī)操作方式分時(shí)操作系統(tǒng)事件驅(qū)動(dòng)，有較高時(shí)間要求實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)信息查詢系統(tǒng)事務(wù)處理系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的處理步驟：數(shù)據(jù)采集、加工處理、操作控制、反饋處理實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)微型操作系統(tǒng)并行操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)移動(dòng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的新類型2.4操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.單體式結(jié)構(gòu)2.層次式結(jié)構(gòu)3.虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)4.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)5.客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類單體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)層次Level Name Objects ExampleOperations13 Shell Userprogramming Statementsinshelllanguage environment12 Userprocesses Userprocesses Quit,kill,suspend,resume11 Directories Directories Create,destroy,attach,detach, search,list10 Devices Externaldevices,such Open,close, asprinter,displays read,write andkeyboards9 Filesystem Files Create,destroy,open,close read,write8 Communications Pipes Create,destroy,open.close, read,writeLevel Name Objects ExampleOperations7 VirtualMemory Segments,pages Read,write,fetch6 Localsecondary Blocksofdata,device Read,write,allocate,free store channels5 Primitiveprocesses Primitiveprocess, Suspend,resume,wait,signal semaphores,ready list4 Interrupts Interrupt-handling Invoke,mask,unmask,retry programsProcedures Procedures,callstack, Markstack,call,return display2 InstructionSet Evaluationstack,micro- Load,store,add,subtract programinterpreter, branch scalarandarraydata1 Electroniccircuits Registers,gates,buses, Clear,transfer,activate, etc. complement操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)層次虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)2.5經(jīng)典操作系統(tǒng)介紹工業(yè)化的硬件與OS產(chǎn)品IBM巨型機(jī)/大型機(jī)/中型機(jī)/小型機(jī)1980年CRAY巨型機(jī)DEC小型機(jī)蘇聯(lián)法語世界MAC微型機(jī)獨(dú)立發(fā)展的UNIXIBMPCPCDOSPS2/OS2PC與開放結(jié)構(gòu)MS-DOS/MS-WINDOWSINTELHP/DELLHP/DECPAQSUN小型機(jī)服務(wù)器HP/DELLHP/DECCOMPAQUNIXIBM各種硬件大型機(jī)巨型機(jī)IBM機(jī)群UNIX/專用各種硬件其他操作系統(tǒng)(嵌入式、移動(dòng)平臺(tái))，如:VxWork/iOS/Android/黑莓Unix與類Unix系統(tǒng)美國電報(bào)電話公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年在DEC公司的小型系列機(jī)PDP-7上開發(fā)成功73年開發(fā)出C語言并改寫Unix，從而使得Unix具有高度易讀性、可移植性，為迅速推廣和普及走出了決定性的一步74年7月，”Unix分時(shí)系統(tǒng)”一文在美國權(quán)威雜志CACM上發(fā)表，引起了廣泛注意75年發(fā)布的Unix第6版是最早可獲得的Unix78年的Unix第7版，可以看作當(dāng)今Unix的祖先，該版為Unix走進(jìn)商界奠定了基礎(chǔ)。Unix的商業(yè)版本Unix商業(yè)版本的出現(xiàn)源于1977年的IS/1AT&T：81年的SystemⅢ，83年的SystemⅤ，84年的SVR2，87年的SVR378年起，SCO和Microsoft的XENIXXENIX與AT&TUnix在使用標(biāo)準(zhǔn)上會(huì)合于SVR3.2UnixBSD：78年的1BSD和2BSD、79年3BSD、80年之后的4/4.1/4.2/4.3/4.4BSD4BSD的商業(yè)代表SunOS及其SolarisSunOS和SVR3.2在使用標(biāo)準(zhǔn)上會(huì)合于SVR4.0Unix的優(yōu)勢(shì)Unix取得成功的最重要原因是系統(tǒng)的開放性，公開源代碼，用戶可以方便地向Unix系統(tǒng)中逐步添加新功能和工具，從而使得UINX越來越完善，成為有效的程序開發(fā)支撐平臺(tái)Unix是目前唯一可以安裝和運(yùn)行在從微型機(jī)、工作站直到大型機(jī)和巨型機(jī)上的操作系統(tǒng)ModernUnixSystems實(shí)際上Unix已不是指一個(gè)具體操作系統(tǒng)，許多公司和大學(xué)都推出了自己的Unix系統(tǒng)AT&T的SVR，SUN的Solaris，Berkeley的UnixBSD，DEC的DigitalUnix(并入Compaq稱Tru64Unix)，HP的HPUX，SGI的Irix，CMU的Mach，SCO公司的SCOUnixWare，IBM的AIXUnix的國際標(biāo)準(zhǔn)POSIXIEEE擬定了一個(gè)Unix標(biāo)準(zhǔn)，稱作POSIXPOSIX定義了相互兼容的Unix系統(tǒng)必須支持的最少系統(tǒng)調(diào)用接口。該標(biāo)準(zhǔn)已被多數(shù)Unix支持其他一些操作系統(tǒng)也在支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)。SolarisSUNMicrosystem公司開發(fā)的Solaris是具有完全對(duì)稱多處理和多線程支持的32位分布式計(jì)算環(huán)境的Unix操作系統(tǒng)變種Solaris基于SPARC和Intel平臺(tái)，是一個(gè)可移植操作系統(tǒng)，可移植到任何新的主流平臺(tái)上SUN公司推出64位操作系統(tǒng)Solaris2.7和2.8，在網(wǎng)絡(luò)特性、可靠性、兼容性、互操作性、易于配置和管理方面均有很好改進(jìn)MINIXMinix是荷蘭計(jì)算機(jī)教授Tanenbaum開發(fā)的一個(gè)與Unix兼容，然而內(nèi)核全新的操作系統(tǒng)，它非常簡(jiǎn)潔、短小，故稱MinixMinix用C編寫，可讀性好，學(xué)生可以通過它來剖析一個(gè)操作系統(tǒng)，研究其內(nèi)部如何運(yùn)作Minix具有多任務(wù)處理能力，支持TCP/IPMinix版權(quán)屬于PrenticeHall，可免費(fèi)下載用于教學(xué)

LinuxLinux是由芬蘭藉科學(xué)家LinusTorvalds于1991年編寫完成的一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)時(shí)他還是芬蘭赫爾辛基大學(xué)計(jì)算機(jī)系的學(xué)生，在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程中，自己編寫了一個(gè)操作系統(tǒng)原型，并把系統(tǒng)放在Internet上，允許自由下載許多人對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、擴(kuò)充、完善，Linux由最初一個(gè)人寫的原型變化成在Internet上由無數(shù)志同道合的程序高手參與的一場(chǎng)運(yùn)動(dòng)Linux繼承了Unix的優(yōu)點(diǎn)，又有了許多更好的改進(jìn)通用的操作系統(tǒng)，可作為Internet服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)路由器、文件和打印服務(wù)器、個(gè)人使用內(nèi)置通信聯(lián)網(wǎng)功能，可讓異種機(jī)聯(lián)網(wǎng)開放的源代碼，有利于發(fā)展各種操作系統(tǒng)符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，各種Unix應(yīng)用可方便地移植提供龐大的管理功能和遠(yuǎn)程管理功能支持大量外部設(shè)備支持32種文件系統(tǒng)提供GUI，有多種窗口管理器支持并行處理/實(shí)時(shí)處理，充分發(fā)揮硬件性能可自由獲得源代碼，開發(fā)軟件成本低2.5.2IBM系列操作系統(tǒng)RS/6000系列服務(wù)器及SP結(jié)點(diǎn)集群計(jì)算機(jī)，運(yùn)行AIX操作系統(tǒng)S/390企業(yè)級(jí)服務(wù)器，運(yùn)行OS/390、VM和DOS/VSE操作系統(tǒng)AS/400服務(wù)器運(yùn)行OS400操作系統(tǒng)PC機(jī)等運(yùn)行Windows/OS2/DOS等操作系統(tǒng)AIXAIX(AdvancedInteractiveexecutive,AIX)操作系統(tǒng)，于1990年推出的運(yùn)行在IBMRS/6000系列服務(wù)器及其IBM高端子產(chǎn)品線SP服務(wù)器集群產(chǎn)品上AIX是一個(gè)超強(qiáng)重負(fù)載Unix操作系統(tǒng)，具有可伸縮性、高安全性、高可靠性的軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以全年不停機(jī)工作AIX提供了一個(gè)安全的圖形化界面的多用戶環(huán)境，支持多線程、動(dòng)態(tài)裝卸設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)特性出色、管理工具多樣，支持各種語言、商用Unix軟件大都可在其上運(yùn)行OS/390,VM,andDOS/VSE目前全世界商用數(shù)據(jù)處理70%以上都運(yùn)行S/390企業(yè)級(jí)服務(wù)器最新一代S/390G6是世界上第一個(gè)使用銅質(zhì)互聯(lián)芯片技術(shù)的企業(yè)級(jí)服身器，速度達(dá)1600MIPSOS/390前身是MVS，1996年IBM宣布OS3901.1版，1998年IBM宣布OS/3902.5版，目前最新版本是OS/3902.7版S/390上還可以運(yùn)行VM和DOS/VSE操作系統(tǒng)00年12月推出的IBMz900系列大型主機(jī)，01年3月發(fā)布了OS/390操作系統(tǒng)的更新版zOSOS/390,VM,andDOS/VSEzOS有幾種不同的運(yùn)行方式：S/370模式支持原S/370下運(yùn)行的程序;MVS/ESA390(EnterpriseSystemArchitecture)模式可支持10個(gè)240MB處理器內(nèi)存和256個(gè)通道ESA/390LPAR模式：可把系統(tǒng)從邏輯上分成(LogicalPartitioning)最多十個(gè)部分，有些CPU型號(hào)甚至可分成20個(gè)LPAR，每個(gè)部分有自己的CPU、內(nèi)存和通道，且分別運(yùn)行不同操作系統(tǒng)也可以運(yùn)行IBM原有操作系統(tǒng)虛機(jī)器操作系統(tǒng)VM和虛存擴(kuò)充操作系統(tǒng)DOS/VSEOS/400AS/400服務(wù)器是IBM開發(fā)的中型商用機(jī)器，AS/400上配置OS/400操作系統(tǒng)，在硬件之上自底向上共設(shè)置了四層軟件：許可證內(nèi)部代碼由IBM提供，并在提交系統(tǒng)之前預(yù)先安裝在AS/400上的一組用戶不可見指令