windows操作系統(tǒng)原理

第一章操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的歷史操縱系統(tǒng)的特性操作系統(tǒng)的類型操作系統(tǒng)的運行環(huán)境操作系統(tǒng)的界面形式操作系統(tǒng)的運行機理1.1操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)地位操作系統(tǒng)作用操作系統(tǒng)定義Whatisoperatingsystem?1.1.1操作系統(tǒng)地位硬件抽象層（HAL）之上所有其它軟件層之下硬件（HAL）OS其它系統(tǒng)軟件層應用軟件層運行視圖系統(tǒng)庫(lib)可調用操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令應用程序可以調用lib和操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令硬件(HAL)操作系統(tǒng)系統(tǒng)庫應用程序機器指令系統(tǒng)調用庫調用1.1.2操作系統(tǒng)的作用管理系統(tǒng)中軟件硬件資源CPU內(nèi)存設備文件為用戶(應用程序)提供良好的服務(界面)APIGUI1.1.3操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)是位于硬件層(HAL)之上，所有其它軟件層之下的一個系統(tǒng)軟件，是管理系統(tǒng)中各種軟硬件資源，方便用戶使用計算機系統(tǒng)的程序集合。Operatingsupervisormonitoringprogram1.4操作系統(tǒng)類型多道批處理操作系統(tǒng)(batchprocessingsystem)分時操作系統(tǒng)(time-sharingsystem)實時操作系統(tǒng)(realtimesystem)通用操作系統(tǒng)(multi-purposesystem)單用戶操作系統(tǒng)(singleusersystem)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(networkoperatingsystem)分布式操作系統(tǒng)(distributedoperatingsystem)多處理機操作系統(tǒng)(multi-processorsystem)嵌入式操作系統(tǒng)(embeddedoperatingsystem)智能卡操作系統(tǒng)(smart-cardoperatingsystem)作業(yè)（Job)：程序+數(shù)據(jù)+說明書（JCL編寫）結果：程序運行結果+記帳信息主機輸入井輸出井輸出機輸入機作業(yè)結果SPOOLing輸入作業(yè)調度（1）作業(yè)調度（2）SPOOLing輸出1.4.1多道批處理系統(tǒng)（off-line）1.4.1多道批處理系統(tǒng)(cont.)輸入井作用緩沖(速度匹配作用)實現(xiàn)作業(yè)調度(jobscheduling)輸出井作用緩沖(速度匹配作用)Buffering:處理數(shù)據(jù)到達與離開速度不一致1.4.1多道批處理系統(tǒng)(Cont.)主機中作業(yè)合理搭配目標1：提高資源利用率(eg.計算型+IO型)目標2：提高吞吐量(throughput)特點多道：系統(tǒng)中同時容納多個作業(yè)成批：作業(yè)分批進入系統(tǒng)分時處理終端請求界面1：交互式命令語言(eg.shell,command)界面2：圖形用戶界面(GUI)1.4.2分時操作系統(tǒng)（On-line）TimeSharingOSHAL終端終端終端…...1.4.2分時操作系統(tǒng)(Cont.)特點：多路性：一個主機與多個終端相連；交互性：以對話的方式為用戶服務；獨占性：每個終端用戶仿佛擁有一臺虛擬機。典型系統(tǒng)：Multics(MIT)UNIX1.4.3實時操作系統(tǒng)實時控制工業(yè)控制，軍事控制，醫(yī)療控制，…….實時信息處理航班定票，聯(lián)機情報檢索，…….

實時控制HALRealTimeOS被控對象A/DD/At1t2t2-t1:responsetime實時信息處理

HALRealTimeOS….終端終端終端通常為遠程終端特點：（1）響應及時（promptresponse）（2）可靠性高（highreliability）1.4.4通用操作系統(tǒng)(multi-purposeOS)同時具有：分時、實時、批處理功能。目標：提高處理能力;擴展應用領域。常見模式:分時(前臺)+批處理(后臺)（eg.GCOS-8）實時(前臺)+批處理(后臺)

Foreground/BackgroundSystem1.4.5單用戶操作系統(tǒng)同一時刻僅有一個用戶使用的系統(tǒng)應用領域：臺式機，筆記本，…….特點：單用戶，多進程，多線程不同的程序，不同的進程；相同的程序,不同的線程1.4.6網(wǎng)絡操作系統(tǒng)DOS3host3NOS2host2Printer建立在宿主操作系統(tǒng)之上，提供網(wǎng)絡通訊、網(wǎng)絡資源共享、網(wǎng)絡服務的軟件包。NOS1host1網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的目標相互通訊資源共享（信息，設備）提供網(wǎng)絡服務databaseserverftpservere-mailservertelnetserveretc.

NoTransparentview1.4.7分布式操作系統(tǒng)緊耦合：(tightlycoupled)由多機系統(tǒng)發(fā)展而來（多CPU）有公共內(nèi)存多處理機操作系統(tǒng)CPU內(nèi)存CPUCPU…1.4.7分布式操作系統(tǒng)松散耦合：(looselycoupled)由計算機網(wǎng)絡發(fā)展而來（多Host)無公共內(nèi)存，無公共時鐘DOShost3DOShost2DOShost11.4.7分布式操作系統(tǒng)(Cont.)分布式操作系統(tǒng)特征:統(tǒng)一的操作系統(tǒng)資源的進一步共享可靠性透明性1.4.7分布式操作系統(tǒng)(Cont.)目標：進一步共享資源，使負載均衡，計算加速。CPU內(nèi)存途徑：遷移（migration）作業(yè)遷移進程遷移（線程一般隨同進程遷移）例子：SolarisMC1.4.8多處理機操作系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)具有公共內(nèi)存的多CPU系統(tǒng)對稱多處理機系統(tǒng)(SMP)沒有主從關系的多處理機系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng)有效管理和使用多個CPU的操作系統(tǒng)復雜性：多個主動體（CPUs)例子：UNIX,Linux,Windows1.4.9嵌入式操作系統(tǒng)嵌入在掌上電腦、通訊設備、車載系統(tǒng)、信息家電等非計算機類設施上的操作系統(tǒng)。特點：微內(nèi)核結構（Micro-kernel），許多操作系統(tǒng)功能以應用程序模式運行。例子：WinCE.NET（維納斯）PalmOSHOPEN（女媧）Embededworld1.4.10智能卡操作系統(tǒng)智能卡CPU芯片ROM面向Java的智能卡JVM解釋程序下載Javaapplet并執(zhí)行SC-OS支持多個applet并發(fā)執(zhí)行必要的資源管理1.5操作系統(tǒng)運行環(huán)境定時裝置系統(tǒng)棧特權指令與非特權指令處理機狀態(tài)及狀態(tài)轉換地址映射機構存儲保護設施中斷裝置通道與DMA控制器IO保護1.5.1定時裝置絕對時鐘：記載實際時間，不發(fā)中斷。間隔時鐘：定時發(fā)生中斷，一般間隔單位為“毫秒”。間隔時鐘是實現(xiàn)多道程序的基礎—保證操作系統(tǒng)獲得控制權。其它中斷也進入操作系統(tǒng)，但是否發(fā)生，何時發(fā)生沒有保障。1.5.2系統(tǒng)棧(systemstack)作用保存中斷現(xiàn)場保存子程序轉移返回點、參數(shù)、局部變量、返回值位置操作系統(tǒng)區(qū)域Stackvs.heap1.5.3特權指令與非特權指令特權指令（privilegedinstruction）只有在管態(tài)才能執(zhí)行的指令(影響系統(tǒng)狀態(tài))關中斷，置程序狀態(tài)字，停機，IO，…….非特權指令（non-privilegedinstruction）所有程序可用(不影響系統(tǒng)狀態(tài))取數(shù)，四則運算，……1.5.4處理機狀態(tài)及狀態(tài)轉換處理機狀態(tài)系統(tǒng)態(tài)（systemmode）(管態(tài)，核態(tài))用戶態(tài)（usermode)(目態(tài)，常態(tài))狀態(tài)轉換管態(tài)

目態(tài)(置程序狀態(tài)字)目態(tài)

管態(tài)(中斷，trap)Dualmodeoperation例子：IBM360/370PSW狀態(tài)位（0，1）ModernPCnowsupport4modes:R0（權限最強）R1R2R3（權限最弱）OnlyR0,R3areused,now1.5.5地址映射機構邏輯地址

物理地址邏輯地址(虛地址)：程序中產(chǎn)生的地址物理地址(實地址)：存儲器地址Addressmappingbysoftwareispossible,butveryinefficient.1.5.6存儲保護設施防止應用程序侵犯操作系統(tǒng)空間;侵犯其它用戶空間.地址檢查越界檢查;越權檢查（對共享區(qū)域）.1.5.7中斷裝置發(fā)現(xiàn)并響應中斷的硬件機構當前（PSW，PC）

系統(tǒng)棧中斷向量（PSW，PC）

寄存器1.5.8通道與DMA通道：負責IO操作的處理機通道指令系統(tǒng)讀寫操作控制操作轉移操作通道運控部件通道地址字CAW通道命令字CCW通道狀態(tài)字CSW通道數(shù)據(jù)字CDWDMA？沒有獨立指令系統(tǒng)簡單塊傳輸Anyotherdifference?1.5.9IO保護定義所有IO指令為特權指令。方便使用防止發(fā)生沖突1.6操作系統(tǒng)界面形式交互終端命令（CommandLanguage）Eg.UNIXshell$命令名-選項參數(shù)圖形界面（GUI—GraphicUserInterface）UNIXshellinterface優(yōu)點:縮小核心不同用戶可以選擇不同界面UNIX硬件shellshellshell……終端終端終端1.6操作系統(tǒng)界面形式(Cont.)作業(yè)控制語言（JobControlLanguage）作業(yè)標識語句用戶標識，作業(yè)標識，帳號作業(yè)步語句(編譯、連接裝配、執(zhí)行）資源描述語句內(nèi)存需求，計算時間，其它資源Goto語句（正向轉移）作業(yè)控制無循環(huán)1.6操作系統(tǒng)界面形式(Cont.)系統(tǒng)調用命令（OSAPI）高級語言形式fd=open(file_name,mode)匯編語言形式準備參數(shù)trapn取返回值如何轉換？1.7操作系統(tǒng)的運行機理操作系統(tǒng)運行機理:硬件程序１程序２中斷處理…程序切換中斷置pswOS1.8.1Linux系統(tǒng)

歷史1991,0.01版運行于intel80386，僅支持Minix文件系統(tǒng)，支持有限的設備驅動程序，無網(wǎng)絡支持.1994,1.0版支持UNIX標準TCP/IP協(xié)議，BSD兼容的socket網(wǎng)絡通訊協(xié)議，增強的文件系統(tǒng)，SCSI控制器對文件的高效訪問，以及其它設備驅動程序.1995,1.2版最后一個僅在PC平臺上運行的Linux.1996,2.0版運行于多種平臺，支持對稱多處理，同時增強了存儲管理功能，支持核心級線程，模塊動態(tài)連接等．可運行于SunSparc,PowerMac等硬件平臺.Linux特點：源代碼開放,免費