ch1-操作系統(tǒng)概述

第一章操作系統(tǒng)概述本章主要內(nèi)容什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的特征操作系統(tǒng)的功能指令的執(zhí)行1.1

什么是操作系統(tǒng)1.1.1

操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口

一、用戶與計(jì)算機(jī)硬件的接口(P1-4頁(yè)）1.為最終用戶提供方便2.為應(yīng)用程序的開發(fā)提供方便1.1

什么是操作系統(tǒng)1.1.2

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)資源的管理者處理機(jī)管理內(nèi)存管理

設(shè)備管理

文件管理1.1

什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)追求兩個(gè)性能目標(biāo)：方便用戶提高系統(tǒng)性能：空間性能、時(shí)間性能、資源利用率1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展第一代計(jì)算機(jī)（1945--1955）：真空管與插件板第二代計(jì)算機(jī)（1955--1965）：晶體管和批處理系統(tǒng)第三代計(jì)算機(jī)（1965--1980）：集成電路芯片和多道程序系統(tǒng)第四代計(jì)算機(jī)（1980-1990）：微機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.1

無(wú)操作系統(tǒng)第一代計(jì)算機(jī)（1945-1955）使用電子管作為主要的電子器件，用插件板上的硬連線或穿孔卡表示程序，沒有存儲(chǔ)程序的內(nèi)存，無(wú)操作系統(tǒng)。1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.2單道批處理系統(tǒng)

第二代計(jì)算機(jī)（1955年-1965年）,使用的主要電子器件是晶體管,開始使用磁性存儲(chǔ)設(shè)備,內(nèi)外存容量增加,計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度提高,出現(xiàn)了早期的單道批處理系統(tǒng)。

單道批處理系統(tǒng)內(nèi)存中只有一道作業(yè)，可

以成批處理作業(yè)?？ㄆ缙谂幚硐到y(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機(jī)卡片閱讀機(jī)輸出磁帶打印機(jī)1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.3

多道程序系統(tǒng)(1965-1980）：集成電路芯片和多道程序系統(tǒng)(1)多道程序系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)（CTSS、Multics、Unix、Linux)。1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.3

多道程序系統(tǒng)

(2)分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生①人機(jī)交互②共享主機(jī)③便于用戶上機(jī)主機(jī)終端分時(shí)操作系統(tǒng)Unix的誕生與KennethThompson喜歡計(jì)算機(jī)游戲蟬聯(lián)過全美計(jì)算機(jī)國(guó)際象棋大賽冠軍獲得過圖靈獎(jiǎng)長(zhǎng)期從事軟件開發(fā)喜歡駕駛飛機(jī)

KennethThompson的生平簡(jiǎn)介

《1943--BorninNewOrleans,Louisiana1943-1960-Navybratmovingeveryfewyears1965-66--GraduateswithB.SandM.S.degreesinelectricalengineeringfromtheUniversityofCaliforniaatBerkeley1966--JoinsBellLabsComputingResearchDepartment,workingontheMulticsproject1969--DevelopsUNIX*operatingsystem1970--WritesBlanguage,precursortoDennisRitchie'sClanguage1971--MovesUNIXfromthePDP-7tothePDP-II(PDP-2)1973--RewritesUNIXinDennisRitchie'sClanguage1973--RewritesportionsofUNIXtoincludeDougMcIlroy'sconceptofpipes1975-6--VisitingprofessorattheUniversityofCalifornia,Berkeley1980--"Belle,"achess-playingcomputerhedevelopedwithJoeH.Condon,winstheU.S.andWorldComputingChessChampionships1980--ElectedtotheU.S.NationalAcademyofEngineering1983--NamedBellLabsFellow1983--ReceiveswithDennisRitchietheACMTuringAward1980--ElectedtotheU.S.NationalAcademyofScience1988--VisitingprofessorattheUniversityofSydney,Australia1998--AwardedwithDennisRitchietheNationalMedalofTechnologyforthedevelopmentoftheUNIXsystem2000--RetiresfromBellLabs

DennisM.Ritchie

1941--BorninBronxville,N.Y.1963--GraduatesfromHarvardUniversitywithaB.S.inPhysics1968--ReceivesfromHarvardUniversityaPh.D.inmathematics1967--JoinsBellLabs,followinghisfather,AlistairE.Ritchie,whohadalongcareerthere1968--JoinstheBellLabsteamworkingonMultics,ajointeffortofBellLabs,MITandGEtodevelopageneralcomputeroperatingsystem1972--CreatesClanguage1989--ReceiveswithKenThompsontheNECC&CPrizeforsignificantcontributionstocomputertechnology1983--NamedBellLabsFellow1988--ElectedtotheU.S.NationalAcademyofEngineering1990--Appointedhead,SystemSoftwareResearchDepartmentintheComputerSciencesResearchCenteratBellLabs,MurrayHill,N.J.1995--HeadstheefforttocreatethePlan9operatingsystem1996--HeadstheefforttocreatetheInferno(TM)operatingsystem1998--AwardedwithKennethThompsontheU.S.NationalMedalofTechnologyforthedevelopmentoftheUNIXsystemIBM360

IBM360系列機(jī)包括大、中、小六個(gè)型號(hào)的機(jī)器，耗資50億美元，超過了美國(guó)的第一顆原子彈計(jì)劃的投資（20億美元）。操作系統(tǒng)耗資5億美元，4000人年的工作量，軟件設(shè)計(jì)人員人數(shù)達(dá)到2000人。--《電腦風(fēng)云》P69IBM360FrederickP.Brooks，Jr.曾榮獲圖靈獎(jiǎng)。美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）稱贊他“對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和軟件工程作出了里程碑式的貢獻(xiàn)”。

他被認(rèn)為是“IBM360系統(tǒng)之父”，曾擔(dān)任360系統(tǒng)的項(xiàng)目經(jīng)理，以及360系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的經(jīng)理。憑借在此項(xiàng)目中的杰出貢獻(xiàn)，他在1985年榮獲了美國(guó)國(guó)家技術(shù)(NationalMedalofTecPlnoIogy)。撰寫著名軟件工程著作《人月神話》-百度百科2012年3月于RaleighLinus與Linux1、Linux的誕生2、《JUSTFORFUN》3、Linux的發(fā)展4、Linux的不同發(fā)行版5、Linux的廣泛應(yīng)用6、Linux代碼分析方法AnderwS.Tanenbaum美國(guó)麻省理工學(xué)院的理學(xué)學(xué)士學(xué)位和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的哲學(xué)博士學(xué)位荷蘭皇家藝術(shù)和科學(xué)院院士《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》、《操作系統(tǒng)：設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》、《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.4

微機(jī)操作系統(tǒng)

隨著個(gè)人電腦的出現(xiàn)，微機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。第一個(gè)微機(jī)操作系統(tǒng)是由Intel公司的顧問GaryKildall編寫的CP/M。這是一個(gè)磁盤操作系統(tǒng)，適用于Intel8080。1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.5

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用擴(kuò)大到實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)信息處理領(lǐng)域，引入了實(shí)時(shí)系統(tǒng)。什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)？實(shí)時(shí)系統(tǒng)是支持實(shí)時(shí)計(jì)算的系統(tǒng)。實(shí)時(shí)計(jì)算可以定義成這樣一類計(jì)算，既系統(tǒng)的正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果，而且還依賴于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。實(shí)時(shí)任務(wù)的類型①周期性實(shí)時(shí)任務(wù)②非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)③硬實(shí)時(shí)任務(wù)④軟實(shí)時(shí)任務(wù)1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.6

批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)單道批處理系統(tǒng)特點(diǎn)①自動(dòng)性②順序性③單道性優(yōu)點(diǎn)減少等待人工操作的時(shí)間缺點(diǎn)①作業(yè)獨(dú)占CPU②CPU等待I/O使得CPU利用率低1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.6

批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)多道批處理系統(tǒng)特點(diǎn)①多道性②無(wú)序性③調(diào)度性

④復(fù)雜性優(yōu)點(diǎn)①提高CPU利用率②提高內(nèi)存和I/O利用率③增加系統(tǒng)吞吐量缺點(diǎn)①平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)②缺乏交互能力1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.6

批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)分時(shí)系統(tǒng)特點(diǎn)

①多路性②獨(dú)立性③及時(shí)性④交互性優(yōu)點(diǎn)①提供人機(jī)交互②多終端共享主機(jī)

1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.6

批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題

①及時(shí)接收：及時(shí)接收用戶的命令或數(shù)據(jù)②及時(shí)處理：及時(shí)處理用戶命令。應(yīng)該使所有的

用戶作業(yè)都直接進(jìn)入內(nèi)存；在很短的時(shí)間內(nèi)使

每個(gè)作業(yè)都運(yùn)行一次。1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.6

批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)特點(diǎn)①多路性②獨(dú)立性③及時(shí)性

④交互性⑤可靠性

1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展小結(jié)：一個(gè)實(shí)際的OS可以同時(shí)具有批處理、分時(shí)和實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，如WindowsNT無(wú)OS↓單道批處理↓多道批處理↓分時(shí)系統(tǒng)↓微機(jī)操作系統(tǒng)↓實(shí)時(shí)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的要求推動(dòng)了OS的發(fā)展1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.7

操作系統(tǒng)產(chǎn)品現(xiàn)狀(1)主機(jī)操作系統(tǒng)①三類服務(wù)：批處理、事務(wù)處理、分時(shí)處理②與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比：I/O處理能力強(qiáng)③數(shù)據(jù)中心大型商務(wù)服務(wù)網(wǎng)站④OS/360，OS/3901.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.7

操作系統(tǒng)產(chǎn)品現(xiàn)狀(2)服務(wù)器操作系統(tǒng)

①通過網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為若干用戶服務(wù)，并允許用戶共

享硬件和軟件資源。②服務(wù)器可提供打印服務(wù)、文件服務(wù)，或Web服務(wù)③實(shí)例：Solaris,FreeBSD,Linux,WindowsServer(3)微機(jī)操作系統(tǒng)

①支持多任務(wù)②良好的應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境③實(shí)例：Windows,Linux,Macintosh1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.7

操作系統(tǒng)產(chǎn)品現(xiàn)狀(4)嵌入式操作系統(tǒng)

什么是嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是宿主于非計(jì)算機(jī)設(shè)備中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperatingSystem）是運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)①小巧，實(shí)時(shí)性，可裝卸，固化代碼，弱

交互性，強(qiáng)穩(wěn)定性，統(tǒng)一的接口。②實(shí)例

VxWork，QNX,WindowsCE，

1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用智能卡移動(dòng)通信計(jì)算機(jī)外設(shè)機(jī)頂盒零售設(shè)備印刷機(jī)復(fù)印機(jī)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器電話交換設(shè)備1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用美國(guó)加州伯克利大學(xué)研制：微型智能傳感器，安裝TinyOS1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)舉例掌上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

掌上計(jì)算機(jī)也稱個(gè)人數(shù)字助理，是一種便于攜帶的小型計(jì)算機(jī)。

主要系統(tǒng)：SymbianOS,PalmOS,Linux等傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)

傳感器上的RAM小且電池壽命有限，因此

這種操作系統(tǒng)必須小而簡(jiǎn)單。

主要系統(tǒng)：TinyOS1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)舉例智能卡操作系統(tǒng)

智能卡：一種包含CPU芯片的信用卡

特點(diǎn)：非常嚴(yán)格的運(yùn)行能耗和存儲(chǔ)空間的限制；

有些智能卡只有單項(xiàng)功能，諸如電子支付

專用操作系統(tǒng)：

（有些智能卡是面向Java的。其含義是在智能卡

的ROM中有一個(gè)Java虛擬機(jī)解釋器。Java小程序被

下載到卡中并由JVM解釋器解釋。有些卡可以同時(shí)

處理多個(gè)Java小程序，這就是多道程序，并且需

要對(duì)它們進(jìn)行調(diào)度。在兩個(gè)或多個(gè)小程序同時(shí)運(yùn)行

時(shí)，資源管理和保護(hù)就成為突出的問題。這些問題

必須由卡上的操作系統(tǒng)處理）

在讀寫器與智能卡之間通過“命令-響應(yīng)對(duì)”方式進(jìn)行通信和控制讀寫器發(fā)出操作命令，智能卡接收命令操作系統(tǒng)對(duì)命令加以解釋，完成命令的解密與校驗(yàn)操作系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)程序來(lái)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1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.7

操作系統(tǒng)產(chǎn)品現(xiàn)狀(5)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在資源調(diào)度、中斷處理等方面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)要充分考慮系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的限制。由于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如自動(dòng)控制、軍事指揮系統(tǒng)、民用航空管理等，需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有高可靠性。1.3

操作系統(tǒng)的特征并發(fā)

共享虛擬

異步

1.4

操作系統(tǒng)的功能存儲(chǔ)器管理功能進(jìn)程管理功能設(shè)備管理功能文件管理功能用戶接口

1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能

內(nèi)存分配;內(nèi)存保護(hù);地址映射;內(nèi)存擴(kuò)充。

1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能(1)內(nèi)存分配①內(nèi)存分配的任務(wù)內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配內(nèi)存空間，使它們“各得其所”，提高存儲(chǔ)器的利用率，以減少不可用的內(nèi)存空間，允許正在運(yùn)行的程序申請(qǐng)附加的內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的需要。

1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能(1)內(nèi)存分配②OS實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配的兩種方式靜態(tài)分配方式

動(dòng)態(tài)分配方式

1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能(1)內(nèi)存分配③內(nèi)存分配功能實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，需要以下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能。內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

內(nèi)存分配功能

內(nèi)存回收功能

1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能(2)內(nèi)存保護(hù)①內(nèi)存保護(hù)的任務(wù)

確保每道用戶程序都在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行，

互不干擾。②內(nèi)存保護(hù)的實(shí)現(xiàn)1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能(3)地址映射①相對(duì)地址和物理地址一個(gè)應(yīng)用程序經(jīng)編譯后，通常會(huì)形成若干個(gè)目標(biāo)程序，這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接而形成可裝入程序。這些程序的地址都是從“0”開始的，程序中的其它地址都是相對(duì)于起始地址計(jì)算的；由這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間”，其中的地址稱為“邏輯地址”或“相對(duì)地址”。此外，由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內(nèi)存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。

1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能(3)地址映射②地址映射在多道程序環(huán)境下，地址空間中的邏輯地址和內(nèi)存中的物理地址是不可能一致的。因此，存儲(chǔ)器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對(duì)應(yīng)的物理地址。地址映射應(yīng)在硬件的支持下完成。

1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.1

存儲(chǔ)器管理功能(4)內(nèi)存擴(kuò)充內(nèi)存擴(kuò)充的任務(wù)是借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量，使系統(tǒng)能夠提供比物理內(nèi)存大的容量。

1.4.2

進(jìn)程管理功能進(jìn)程控制進(jìn)程同步進(jìn)程通信進(jìn)程調(diào)度1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.3

設(shè)備管理功能緩沖管理：管理各種緩沖區(qū)；設(shè)備分配：分配用戶I/O所需要的設(shè)備；設(shè)備處理：由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信；設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備。1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.4

文件管理功能文件存儲(chǔ)空間的管理目錄管理：為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)（包括文件名、

文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等

信息）,并對(duì)眾多目錄項(xiàng)進(jìn)行有效組織。文件的讀、寫管理和存取控制1.4

操作系統(tǒng)的功能1.4.5

提供用戶接口命令接口①聯(lián)機(jī)用戶接口②脫機(jī)用戶接口。圖形接口:采用圖形化的操作界面。程序接口：由一組系統(tǒng)調(diào)用組成1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.1

軟件體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介軟件體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜軟件系統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)，為軟件提供一個(gè)結(jié)構(gòu)、行為和屬性的高級(jí)抽象，包括系統(tǒng)元素的結(jié)構(gòu)、元素間的相互關(guān)系以及指導(dǎo)元素集成的模式和約束三個(gè)方面。1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)單的監(jiān)控程序模型單體結(jié)構(gòu)模型層次結(jié)構(gòu)模型客戶/服務(wù)器模型與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(1)單體結(jié)構(gòu)模型

應(yīng)用程序應(yīng)用程序系統(tǒng)服務(wù)硬件用戶態(tài)核心態(tài)…1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(2)層次結(jié)構(gòu)模型層次模型的提出：克服模塊間的無(wú)序調(diào)用層次模型的思想：層次結(jié)構(gòu)的基本思想是將操作系統(tǒng)分

解為多個(gè)小的、容易理解的層，系統(tǒng)功能被隔離在不同

層中，每一層提供對(duì)系統(tǒng)功能的部分抽象，然后采用單

向調(diào)用的次序，形成一連串彼此連續(xù)的對(duì)系統(tǒng)功能的

“抽象串”，最終形成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的完整抽象1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(2)層次結(jié)構(gòu)模型分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：“分層”結(jié)構(gòu)使操作系統(tǒng)中各模塊間

的組織和依賴關(guān)系清晰明了，系統(tǒng)的可讀性、可靠性和

可移植性都得到了增強(qiáng)。此外，對(duì)某一層的修改或替換

只影響到鄰近的兩層，便于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。分層設(shè)計(jì)的困難：如何決定各層的順序和內(nèi)容，處理不

好將會(huì)出現(xiàn)“循環(huán)依賴”的問題；另一個(gè)問題就是性能

問題，有時(shí)系統(tǒng)完成一個(gè)功能需要穿越多個(gè)層才能實(shí)現(xiàn)，

統(tǒng)分層粒度越小，所花費(fèi)的額外開銷也就越大

1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(2)層次結(jié)構(gòu)模型分層結(jié)構(gòu)的實(shí)例：分層結(jié)構(gòu)最經(jīng)典的例子是Dijkstra的

THE系統(tǒng)，它是20世紀(jì)60年代開發(fā)的。分層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用狀況：由于操作系統(tǒng)中各功能模塊之間

的調(diào)用關(guān)系是網(wǎng)狀的，因此分層設(shè)計(jì)的思想有過度的局

限性。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正的分層操作系統(tǒng)是非常困難的，

所以它難以被商用操作系統(tǒng)采用和推廣。不過開發(fā)者在

設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí)可以借鑒分層的思想，使得系統(tǒng)在抽象

層次上努力達(dá)到分層的目標(biāo)。目前，分層結(jié)構(gòu)主要是應(yīng)

用于研究領(lǐng)域。

1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(2)層次結(jié)構(gòu)模型

1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(3)客戶/服務(wù)器模型與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)①微內(nèi)核原理微內(nèi)核是一個(gè)小型的OS核，它為模塊化擴(kuò)展提供基

礎(chǔ)。微內(nèi)核的基本原理是，只有最基本的操作系統(tǒng)功能

才能放在內(nèi)核中，不是最基本的服務(wù)和應(yīng)用程序在微內(nèi)

核之上構(gòu)造，并在用戶模式下執(zhí)行。許多傳統(tǒng)上屬于操

作系統(tǒng)一部分的功能現(xiàn)在都是外部子系統(tǒng)，包括設(shè)備驅(qū)

動(dòng)程序、文件系統(tǒng)、虛擬管理程序、窗口系統(tǒng)和安全服

務(wù)，它們可以與內(nèi)核交互、也可以互相交互。1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(3)客戶/服務(wù)器模型與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)②微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)圖

客戶進(jìn)程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序文件服務(wù)器進(jìn)程服務(wù)器虛擬內(nèi)存┅微內(nèi)核硬件1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(3)客戶/服務(wù)器模型與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)③微內(nèi)核組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)一致的接口：微內(nèi)核設(shè)計(jì)為進(jìn)程請(qǐng)求提供一致接口，

進(jìn)程不需要區(qū)分是內(nèi)核級(jí)服務(wù)還是用戶級(jí)服務(wù)，因

為所有的服務(wù)都是通過消息傳遞的。

可擴(kuò)展性：允許增加新的功能。

靈活性：允許選擇OS的服務(wù)。

可移植性：所有或大部分處理器專用代碼都在微內(nèi)

核中。1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(3)客戶/服務(wù)器模型與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)④微內(nèi)核性能通過微內(nèi)核構(gòu)造和發(fā)送消息、接受應(yīng)答并解碼所花費(fèi)的時(shí)間比進(jìn)行一次系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)間要多，但是由于別的因素的作用，很難概括出是否有性能損失。1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(3)客戶/服務(wù)器模型與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)⑤微內(nèi)核設(shè)計(jì)微內(nèi)核功能和服務(wù)的最小集合:低級(jí)存儲(chǔ)器管理進(jìn)程間的通訊I/O和中斷管理使用微內(nèi)核的系統(tǒng):QNX,Mach,WindowsNT,VxWorks,COSIXV2.0以上版本1.5

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.5.2

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析(4)動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展模型①思想②主要技術(shù)1.6 POSIX標(biāo)準(zhǔn)POSIX(PortableOperatingSystemInterfaceofUnix)

表示可移植操作系統(tǒng)接口，由IEEE(InstituteofElectricalandElectronicEngineering，美國(guó)電氣和電

子工程師協(xié)會(huì))開發(fā)，有ANSI和ISO標(biāo)準(zhǔn)化。提高Unix環(huán)境下應(yīng)用程序的可移植性

隨著Unix的發(fā)展，出現(xiàn)了很多不同版本的Unix。

由于各Unix開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)不同，給應(yīng)用軟件的可移植性

帶來(lái)了很大的困難。1.7

指令的執(zhí)行指令周期

一個(gè)單一指令需要的處理時(shí)間稱為指令周期。

一個(gè)指令周期可以劃分成兩個(gè)部分，即取指

周期和執(zhí)行周期。開始執(zhí)行指令取下一條指令停止執(zhí)行周期取指周期1.7

指令的執(zhí)行取指令與執(zhí)行指令取指令在每個(gè)指令周期開始的時(shí)候，處理器從存儲(chǔ)器中取一條指令，在典型的處理器中，程序計(jì)數(shù)器（PC）保存有下一次要取的指令的地址。除非接收到別的指示（如執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令），否則處理器在每次完成取指令后總是對(duì)PC遞增，使它能夠按順序取得下一條指令。（即位于下一個(gè)高端存儲(chǔ)器地址的指令）。1.7

指令的執(zhí)行取指令與執(zhí)行指令

執(zhí)行指令取到的指令被放置在處理器中的指令寄存器（IR）

中。指令中包含確定處理器將要采取動(dòng)作的位，處

理器解釋指令并執(zhí)行要求的動(dòng)作，這些動(dòng)作可分為4

類：①處理器-存儲(chǔ)器:數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器和處理器之間傳送；②處理器-I/O：數(shù)據(jù)在I/O設(shè)備和處理器之間傳送；③數(shù)據(jù)處理：算術(shù)操作或邏輯操作；④控制：修改指令的執(zhí)行順序。1.7

指令的執(zhí)行實(shí)例假設(shè)一臺(tái)機(jī)器具備下圖列出的所有特征，處理器包含一個(gè)稱為累加器（AC）的數(shù)據(jù)寄存器，所有指令和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為16位，故使用16位的單元或字來(lái)組織存儲(chǔ)器。指令中有4位是操作碼，因而最多有16種不同的操作碼，可直接訪問的存儲(chǔ)器的大小為4096字節(jié)（用三位16進(jìn)制數(shù)字表示）。1.7

指令的執(zhí)行實(shí)例指令數(shù)據(jù)格式

0341501操作碼地址符號(hào)數(shù)值指令格式整數(shù)格式1.7

指令的執(zhí)行實(shí)例內(nèi)部CPU寄存器程序計(jì)數(shù)器（PC）----存指令地址指令寄存器（IR)----存正在執(zhí)行的指令累加器（AC)