西安交通大学操作系统原理.ppt

1 Introduction 操作系统引论• What is an operating system? • Development and Types of OS• The features of OS• The functions of OSComputer System Organization• One or more CPUs, device controllers connect through common bus providing access to shared memory• Concurrent execution of CPUs and devices competing for memory cyclesComputer-System Operation• I/O devices and the CPU can execute concurrently• Each device controller is in charge of a particular device type• Each device controller has a local buffer• CPU moves data from/to main memory to/from local buffers• I/O is from the device to local buffer of controller• Device controller informs CPU that it has finished its operation by causing an interruptCommon Functions of Interrupts• Interrupt transfers control to the interrupt service routine generally, through the interrupt vector, which contains the addresses of all the service routines• Interrupt architecture must save the address of the interrupted instruction• A trap is a software-generated interrupt caused either by an error or a user request• An operating system is interrupt drivenAbstract View of System structureComputer system structure• Hardware – provides basic computing resources (CPU, memory, I/O devices).提供基本的运算资源• Operating system – controls and coordinates the use of the hardware among the various application programs for the various users.在各种应用程序和用户之间控制与协调对硬件的使用Computer system structure(cont.)• Applications programs– define the ways in which the system resources are used to solve the computing problems of the users (compilers, database systems, video games, business programs).应用程序-定义解决用户问题的资源使用方式（编译、数据库、视频游戏、事务程序等）• Users (people, machines, other computers)用户（人、机、其他计算机）. Resources in computer system计 算 机 系 统 资 源硬件资源软件资源指构成计算机系统所 必须的那些“硬”设备 主机中央处理机CPU内存外部设备程序和数据的集合系统软件（OS、Compiler、DBMS）应用软件 （CAD、MIS、用户自己开发的系统等）工具软件（软、硬件检测诊断程序）I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）其它设备（MODEM、通信口）User mode and kernel mode• Dual-mode operation allows OS to protect itself and other system components– User mode and kernel mode – Mode bit provided by hardware• Provides ability to distinguish when system is running user code or kernel code• Some instructions designated as privileged, only executable in kernel mode• System call changes mode to kernel, return from call resets it to userTransition from User to Kernel ModeComputer Startup• bootstrap program is loaded at power-up or reboot– Typically stored in ROM or EPROM, generally known as firmware– Initializes all aspects of system– Loads operating system kernel and starts execution1.1 What is an operating system?•Operating System:操作系统?•Operating Surgeon:主刀大夫,掌控整个手术过程•Operating Person:操刀手,掌控事情的人•Operating System:掌控局势的一种系统,计算机中的一切均由其掌控–管理计算机中的资源–保证资源的公平使用–防止对计算机资源的非法使用–保证操作系统自身正常运转1.1 What is an Operating System?• A program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware.在计算机用户和计算机硬件之间起媒介作用的一种程序。

–Provide an environment for users to execute programs–make solving user problems easier1.1 What is an Operating System?• Operating system goals–Execute user programs and make solving user problems easier–Make the computer system convenient to use–Use the computer hardware in an efficient manner1.1 What is an Operating System?• 魔幻家角色–把计算机变得更加方便使用\功能更加强大–设备管理—方便用户–进程抽象—虚拟CPU–虚拟内存—少变成多• 管理者角色–资源管理:原则是有效和公平–健壮性管理:确保OS自身的正常运作–安全性管理:防止非法操作和入侵Operating System Definition• OS is a resource allocator–管理对象：硬件、软件–管理内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）处理机管理 分配和控制处理机 存储器管理 主要负责 内存的分配与回收 I/O 设备 管理 负责 I/O 设备 的分配与操纵 文件管理 负责 文件的存取、共享和保护 Operating System Definition (Cont.)• OS is a control program– Controls execution of programs to prevent errors and improper use of the computerOperating System Definition (Cont)• 其它定义:• 操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序和数据的集合，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。

• ……OS在计算机系统中的地位• 硬件之上的第一层软件，是对硬件的首次扩充，又是其他软件运行的基础1.2 Development and Types of OS• OS 随着计算机硬件技术的发展而发展• OS从无到有、从简单到复杂、完善• 为满足不同的需求，出现了多种类型的OS1.2.1 OS development• OS的不断发展与完善由以下因素驱动:–硬件成本的不断下降–计算机的功能和复杂性的不断变化• 一个附加因素:–OS与攻击者之间的博奕OS的发展和计算机硬件技术、体系结构相关1.2.1 OS development• OS的发展与计算机硬件技术、体系结构相关：–第一代 (1946年-1955年)： 真空管时代，无操作系统 –第二代 (1955年-1965年)： 晶体管时代，批处理系统 –第三代 (1965年-1980年)： 集成电路时代，多道程序设计 –第四代 (1980年 - 至今)： 大规模和超大规模集成电路时代，分时系统–现代计算机正向着巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几个方面发展1.2.2单一操作员、单一控制端操作系统• 20世纪40年代, 计算机资源昂贵• 代表机型:ENIAC• 单一操作员、单一控制端操作系统（SOSC：single operator, single console ）–提供一些标准命令供用户使用,所以OS只是一组标准库函数–OS不自动运行,等待用户输入命令•输入一个命令,就执行一个库函数• 缺点：–机器等人:效率低下ENIAC计算机美国宾夕法尼亚大学制造，运算速度1000次/每秒，数万个真空 管，占地100多平方米，重量130吨，功耗140kW.1.2.2单一操作员、单一控制端操作系统• 主要矛盾–人机矛盾：人工操作方式与机器利用率的矛盾–CPU与I/O之速度不匹配的矛盾• 提高效率的途径–批处理–脱机I/O1.2.3 Simple Batch Systems• 20世纪50年代：用汇编语言开发。

• 特点：把一批作业以脱机输入方式输入到磁带/磁鼓，计算机自动地依次处理，连续地运行–Reduce setup time by batching similar jobs批量处理作业减少设置时间–Automatic job sequencing 自动作业调度– automatically transfers control from one job to another. 自动把控制从一个作业转到另一个作业–Hire an operator（User  operator）–Add a card reader添加卡片阅读机脱机I/O方式• I/O工作在外围机/卫星机的控制下完成，或者说是在脱离主机的情。