第1章操作系统引论.ppt

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1、计算机操作系统,What,Text1,Text2,Text3,Text4,Text,Text3,不是,理解操作系统如何工作OS的工作方式OS内部算法和数据结构设计OS 过程中的问题、解决方案和折中权衡操作系统中的典型技术和应用,而是,如何使用操作系统,引 言,课程特点：概念多、原理性强、较抽象课程学习目的：基础核心课，有利于对计算机系统的理解和软件开发课程学习方法：以问题驱动学习、理论联系实际课程学习难点：概念、原理、算法、数据结构授课教师：熊晓芸E-mail：,教材及参考书,课程内容安排,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统引论,本章要点（1/3）,目的：建立OS的基本概念，切实掌握OS的

2、一些基本概念。操作系统的目标和作用目标：方便性、有效性、可扩充性、开放性作用：接口资源管理者实现了对资源的抽象是计算机工作流程的组织者,第一章 操作系统引论,本章要点（2/3）,操作系统的引入和发展：由简单到复杂，由低级到高级。从早期无操作系统 人机矛盾；CPU-I/O设备速度不匹配的矛盾。单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统,第一章 操作系统引论,本章要点（3/3）,操作系统的基本特征和功能：四大特征：并发、共享、虚拟、异步性五大功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、提供用户接口操作系统的结构设计：分层式结构分层的原则客户/服务

3、器技术面向对象技术微内核结构,第一章 操作系统引论,本章内容,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的主要功能,1.3 操作系统的基本特性,1.2 操作系统的发展过程,1.1 操作系统的目标和作用,1.5 操作系统的结构设计,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用,1、操作系统是什么？操作系统是管理计算机硬件的软件。它也为应用程序提供一个基础，在计算机用户与计算机硬件之间扮演一个中间者的角色。,1.1.1 操作系统的目标,第一章 操作系统引论,2、操作系统的目标：对于不同的计算机系统，操作系统设计的目标会有差异。大型/小型计算机微型计算机手持机（PDA）通常在计算机硬件上配置的OS

4、，其目标有以下几点：有效性提高系统资源的利用率提高系统的吞吐量方便性可扩充性 开放性,第一章 操作系统引论,1.1.2 操作系统的作用,第一章 操作系统引论,用户观点：OS是用户与计算机硬件系统之间的接口。资源管理观点：OS是计算机系统资源的管理者虚拟机观点：OS实现了对计算机资源的抽象，隐藏了对硬件操作的细节。,1、用户观点操作系统从用户的观点来看，是给用户提供了一个工作环境操作系统提供的接口：命令方式（CLI，命令行接口）系统调用方式（也称为应用编程接口，Application Programming Interface，简称API）图形、窗口方式（GUI，图形用户接口）,第一章 操作系统

5、引论,图 1-1 OS作为接口的示意图,2、资源管理观点操作系统是计算机系统中各类资源的管理者，它负责分配、回收以及控制系统中的各种软硬件资源。处理器存储器I/O设备信息（数据和程序）跟踪资源的使用状况，满足资源请求，提高资源利用率，以及协调各程序和用户对资源的使用冲突监视资源分配/回收资源保护资源,第一章 操作系统引论,3、虚拟机观点OS向用户提供了一个对硬件操作的抽象模型，使用户更容易地使用计算机硬件资源，实现了对计算机硬件操作的第一个层次的抽象。,第一章 操作系统引论,3、虚拟机观点OS为用户提供了用于文件的管理软件，用于实现对文件操作的细节，并向上提供一组对文件进行存取操作的命令，实现

6、了对计算机硬件操作的第二个层次的抽象OS为用户提供了许多比计算机硬件功能更强、使用更方便的功能。,第一章 操作系统引论,机器指令,物理接口,硬件,用户,I/O操作命令（Read,Write）,用户,物理接口,硬件,I/O软件,虚拟机,图 1-2 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节,4、操作系统定义操作系统是计算机系统中的一个系统软件，管理和控制计算机系统中硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。,第一章 操作系统引论,1.1.3 推动操作系统发展的主要动力,第一章 操作系统引论,不断提高计

7、算机资源利用率方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展：单处理机系统、多处理机系统、分布式系统、计算机网络 更正软件错误,1.2 操作系统的发展过程,第一章 操作系统引论,操作系统的简历,50年代中期，第一个简单批处理操作系统60年代中期，多道程序批处理系统不久，分时系统、实时系统80年代，微机、多处理机及网络操作系统,第一章 操作系统引论,1.2.1 无操作系统的计算机系统,第一章 操作系统引论,巴贝奇（Babbage）机械式计算机（1822）问题：计算数值表虽然未能实现，但它是首个现代架构独立的数据与程序内存；基于操作的指令支持条件跳转分开的I/O单元差分机实现了有限差有25,0

8、00个部件，重达15吨,第一章 操作系统引论,运算速度：50,000指令/每秒,数万个真空管,占地100平方米，用于精确计算弹道1.没有程序设计语言（甚至没有汇 编），更谈不上操作系统.2.程序员提前预约一段时间，然后 到机房将他的插件板插到计算机 里.3.期盼着在接下来的时间中几万个 真空管不会烧断，从而可以计算自己的题目.,ENIAC计算机,1、人工操作方式,第一章 操作系统引论,1、人工操作方式硬件昂贵，人工便宜用户独占全机目标是更好地利用硬件当用户在控制台上思考的时候，计算机处于闲置状态批量进行计算机输入时，用户处于等待状态操作和编程完全由手工进行，且编辑只能用机器语言（二进制代码）没

9、有保护：如果批处理程序出现了bug？问题：人 机矛盾 CPUI/O速度不匹配的矛盾,Altair 8080,第一章 操作系统引论,脱机输入/输出技术脱机I/O方式的主要优点如下：减少了CPU的空闲时间。提高I/O速度。,2、脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式,图 1-3 脱机I/O示意图,第一章 操作系统引论,穿孔卡片（1940s&60s）在穿孔卡片上输入程序（例如：一行代码一张卡片）提交穿孔卡片盒（要确保卡片没有搞混）几个小时甚至几天后才能够得到结果,1.2.2 单道批处理系统,第一章 操作系统引论,1、单道批处理系统（Simple Batch Processing System

10、）硬件条件：晶体管替代真空管监督程序（Monitor，又称为批处理程序，或管理程序）：管理作业连续处理的程序操作步骤：收集一批作业（卡），用专用I/O计算机将作业逐个读到磁带上保存起来。批处理程序将磁带上的第一个作业读入计算机，运算结束后将结果输出到输出磁带上。自动读入下一个作业，并运行。当一批作业全部执行结束后，取下输入磁带和输出磁带，用输入磁带录下一批作业，将输出磁带送到专用输出计算机，进行脱机打印。,第一章 操作系统引论,1、单道批处理系统,图 1-3 单道批处理系统的处理流程,第一章 操作系统引论,单道批处理的引入解决人机矛盾，提高系统资源的利用率。解决CPU与I/O设备速度不匹配的矛

11、盾，提高系统吞吐量单道批处理系统的特征自动性顺序性单道性,2、单道批处理系统的特征,第一章 操作系统引论,解决了作业间的自动转换问题，减少了机器时间的浪费。不管作业大小，只要它一旦占用处理机开始执行，则它必须一直占据处理机，直到运行完毕。对短作业不公平，因为它们等待执行的时间可能远远超过它们实际执行的时间。交互性差。作业由批处理程序控制运行，用户无法实时控制，如果运行中途出现故障，只能停下来，重新运行。,3、单道批处理系统的评价,1.2.3 多道批处理系统,硬件条件：小规模集成电路360机引入目的：单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在内存中运行，资源利用率低，为了提高系统资源利用率和系统

12、吞吐量，引入多道程序设计技术。多道是指，允许多个程序同时存在于主存中，按照某种原则分派处理机，逐个执行这些程序。批处理：用户提交的作业首先存放在外存，并排成一个队列。然后由作业调度程序按照一定的算法从该队列中一次选取一个或若干个作业装入内存执行。,第一章 操作系统引论,1、多道程序设计的基本概念,OS中引入多道程序技术可带来的好处：提高CPU的利用率提高内存和I/O设备利用率增加系统吞吐量,第一章 操作系统引论,1、多道程序设计的基本概念,用户程序,监督程序,I/O操作,I/O中断请求,t1,结束中断,I/O完成,启动I/O,I/O中断请求,结束中断,I/O完成,启动I/O,t2,t3,t4,

13、t5,t6,t7,t8,从黑色的实线来看CPU是断续性运作,第一章 操作系统引论,1、多道程序设计的基本概念,程序A,程序C,程序B,程序D,调度程序,A I/O请求,A I/O完成,A再次被调度,B I/O请求,C I/O请求,D I/O请求,程序B I/O完成,C I/O完成,C再次被调度,A 完成,从黑色的实线来看CPU是持续性运作,第一章 操作系统引论,2、多道批处理系统的特征,多道性无序性调度性作业调度进程调度,3、多道批处理系统的优缺点,资源利用率高系统吞吐量大平均周转时间长无交互能力适合大型科学计算、数据处理。,处理机管理问题分配与回收提高利用率内存管理问题分配与回收信息保护I/

14、O设备管理问题分配与使用提高利用率,第一章 操作系统引论,4、多道批处理系统需要解决的问题,文件管理问题方便使用保证数据的安全性与一致性作业管理问题根据作业类型进行作业组织,1.2.4 分时系统,为了改进响应时间和性能，提供交互式操作环境，导致了分时系统的出现。人-机交互共享主机便于用户上机分时系统，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。,第一章 操作系统引论,1、分时系统（Time-Sharing System）的产生,及时接收多路卡：使主机能同时接收各用户从终端上输入的数据。缓冲区：暂存用户键入的命令。及时处理

15、作业直接进入内存不允许一个作业长时间占用处理机,第一章 操作系统引论,2、分时系统实现中的关键问题,多路性：一台主机上同时连接多台终端；独立性：每个用户各自通过自己的终端进行输入/输出，互不干扰。用户感觉自己独占终端和主机资源。及时性：系统按人们所能接受的等待时间及时响应用户请求。交互性：能进行广泛的人机交互 适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。,第一章 操作系统引论,3、分时系统的特征,终端数目多少调度算法（时间片的选取）信息交换量和信息交换速度机器处理能力请求服务的时间长短及服务请求的分布,第一章 操作系统引论,4、影响响应时间的因素,1.2.5 实时系统,实时系统：指系统

16、能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。,第一章 操作系统引论,1、应用需求,实时控制火炮自动控制系统、飞机自动驾驶系统、导弹制导系统、炼钢/炼油控制系统实时信息处理航空网络售票系统、情报检索系统,第一章 操作系统引论,2、实时任务,实时任务的分类：按任务执行时是否呈现周期性来划分周期性实时任务非周期性实时任务开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行；完成截止时间任务在某时间以前必须完成根据对截止时间的要求来划分硬实时任务：系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果软实时任务：系统对截止时间的要求并不严格,多路性

17、。都具有多路性。实时信息处理系统按分时原则为多个终端用户服务。实时控制系统对多路现场信息进行采集，对多个对象或多个执行机构进行控制。独立性。都具有独立性。实时信息处理系统中，每个终端向实时系统提出请求时，是彼此独立操作，互不干扰。实时控制系统中，对信息的采集和对对象的控制，也都 是彼此互不干扰。,第一章 操作系统引论,3、实时系统与分时系统特征的比较,及时性。实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，是以人所能接受的等待时间来确定。实时控制系统的及时性，则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定，一般为秒级、百毫秒级、毫秒级。交互性。实时信息处理的交互性仅限于访问系统中某些特定

18、的专用服务程序。分时系统能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。可靠性。实时系统要求系统高度可靠。,第一章 操作系统引论,3、实时系统与分时系统特征的比较,1.2.6 微机操作系统的发展,只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。最简单的微机操作系统：配置在8位与16位微机上典型单用户单任务微机OS：CP/M和MS-DOS CP/M：带软盘系统的8位微机操作系统MS-DOS：微软开发的16位单用户单任务操作系统,第一章 操作系统引论,1、单用户单任务操作系统,只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行。配置在32位微机上。典型单用户多任务微机OS：Wi

19、ndowsWindows 1.0与Windows 2.0：16位微机Windows 3.0、Windows 3.1：386、486等32位微机Windows 95：全32位的处理技术，兼容16位应用程序，支持网络功能Windows 98：将IE整合到系统，增加了对多媒体的支持Windows XP：32位版本/64版本Windows NT：网络操作系统,第一章 操作系统引论,2、单用户多任务操作系统,允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源；每个用户程序又进程又可进一步分为几个任务并发执行。配置在大、中和小型机上。典型多用户多任务操作系统：UNIX OSSolaris

20、OSLinux OS,第一章 操作系统引论,3、多用户多任务操作系统,第一章 操作系统引论,操作系统发展历史小结,1.3 操作系统的基本特征,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统引论,现代操作系统的基本特征：,共享,并发,异步,虚拟,1.3.1 并发（Concurrence）,并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。微观上，在单处理机系统中，多个任务在单个处理机上交替运行称为任务并发；多处理机系统中，多个任务在多个处理机上同时运行称为任务并行。,第一章 操作系统引论,1、并行与并发,程序是静态实体，不能并发执行。进程是指在系统中能独立运行并作为资

21、源分配的基本单位，它由一组机器指令、数据和堆栈等组成，是一个活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。进程在运行时需要一定的资源。操作系统中引入进程的目的：是使多个程序能并发执行。线程是指，程序的一次相对独立的运行过程；在现代OS中，线程是系统调度的最小单位。,第一章 操作系统引论,2、引入进程与线程,1.3.2 共享（Sharing）,资源共享性：宏观上，指多个任务可以同时使用系统资源；微观上，指多个任务并发，即多个任务可以交替互斥地使用系统中的某个资源；资源共享方式：互斥共享方式：临界资源（或独占资源）：规定在一段时间内只允许一个进程访问的资源打印机、磁带机同时访问方式宏观上：同时微观

22、上：交替访问磁盘设备,第一章 操作系统引论,1.3.3 虚拟（Virtual）,虚拟：是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。如，采用分时技术，将一台处理机虚拟为若干台处理机。还可以虚拟存储、虚拟设备、虚拟通道、虚拟文件、虚拟用户组以及虚拟网络等。,第一章 操作系统引论,时分复用：即分时使用方式，最早用于电信业，将一条物理信道虚拟为多条逻辑信道，以提高信道的利用率。时分复用技术在计算机领域的应用：虚拟处理机技术：利用多道程序设计技术，把一台物理上的处理机虚拟为多台逻辑上的处理机，在每台逻辑处理机上运行一道程序。虚拟设备技术：将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允

23、许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备。,1、时分复用技术,第一章 操作系统引论,频分复用技术：将一个频率范围非常宽的信道，划分成多个频率范围较窄的信道，其中的任何一个频带都只供一对用户通话。空分复用技术在计算机领域的应用：虚拟磁盘技术：将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘，即将硬盘划分为若干个卷。虚拟存储器技术：利用存储器的空闲空间来存放其它的程序，以提高内存的利用率。通过“请求调入功能”和“置换功能”每次只把用户程序的一部分调用内存运行，实现用户的各部分分时进行内存运行的功能。,2、空分复用技术,第一章 操作系统引论,1.3.4 异步性（Asynchronism）,在多道程序环境下，允许多个进程并发

24、执行，但由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是“一气呵成，而是以“走走停停”的方式运行。进程的异步性：进程是以人们不可预知的速度向前推进。内存中的每个进程何时获得处理机运行；进程何时因提出某种资源请求而暂停；进程以怎样的速度向前推进；每道程序总共需要多少时间完成，等等。只要运行环境相同，作业经过多次运行，都会获得完全相同的结果。,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的主要功能,第一章 操作系统引论,操作系统的主要任务,OS的主要任务：为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行。OS的功能：处理机管理存储器管理设备管理文件管理提供用户接口网络服务功能,第一章

25、 操作系统引论,1.4.1 处理机管理功能,在传统的多道程序中，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，对处理机的管理可归结为对进程的管理。在引入了线程的OS中，也包含对线程的管理。处理机管理的主要功能：创建和撤消进程（线程）对诸进程（线程）的运行进行协调实现进程（线程）之间的信息交换按照一定的算法把处理机分配给进程（线程）,第一章 操作系统引论,进程控制：创建和撤消进程以及控制进程的转换。进程同步：为多个进程的运行进行协调。进程互斥方式进程同步方式进程通信：实现相互合作的进程间的信息交换。调度：作业调度：从后备队列中按照一定的算法，选择若干个作业，为它们分配其必需的资源。在将它们调入内存后，

26、便分别为它们建立进程，使它们都成为可能获得处理机的就绪队列。进程调度：按一定算法从进程就绪队列中选出一个进程，把处理机分配给它，为它设置运行现场，使之运行。,第一章 操作系统引论,1.4.2 存储器管理功能,存储器管理的主要任务：为多道程序的并发执行提供良好的环境；便于用户使用存储器；提高存储器的利用率；从逻辑上扩充内存。,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统引论,1、内存分配,主要任务为每道程序分配内存空间；提高存储器的利用率；允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增涨的需要。内存分配方式静态分配：作业装入时确定，运行时不能更改与移动。动态分配：作业装入时确定，运行时可

27、以动态增涨与移动。内存分配机制具有的结构和功能内存分配数据结构内存分配功能内存回收功能,2、内存保护,主要任务确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。内存保护机制设置两个界限寄存器，存放正在执行程序的上界和下界。系统须对每条指令所要访问的地址进行检查，如果发生越界，则发出越界中断请求。,第一章 操作系统引论,可装入程序的形成源程序 目标程序 可装入程序任务将地址空间中的逻辑地址转换为物理地址。,3、地址映射,编译,链接,第一章 操作系统引论,任务借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量让更多的用户程序能并发执行系统具有的内存扩充机制请求调入功能（部分装入功能）置换功能,4、内

28、存扩充,第一章 操作系统引论,1.4.3 设备管理功能,设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备，主要任务有：完成用户进程提出的I/O请求为用户程序进程分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备,第一章 操作系统引论,任务用于缓解CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，提高系统吞吐量。缓冲区机制单缓冲机制双缓冲机制公用缓冲池机制,第一章 操作系统引论,1、缓冲管理,任务根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。设备分配机制具有的结构和功能数据结构：设备控制表、控制器控制表等设

29、备分配独占设备分配的安全性检查设备回收,2、设备分配,第一章 操作系统引论,设备处理程序又称设备驱动程序。任务用于实现CPU和设备控制器之间的通信处理过程：检查I/O请求的合法性，了解设备状态是否是空闲，了解有关的传递参数及设置设备的工作方式。向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备完成指定的I/O操作。响应由控制器发来的中断请求，并根据中断请求的类型，调用相应的中断处理程序进行处理。,3、设备处理,第一章 操作系统引论,1.4.4 文件管理功能,程序和数据都是以文件的形式存储在磁盘和磁带上。文件管理的任务：管理用户文件和系统文件，以方便用户使用管理文件的存储空间保证文件数据的安全,第一章

30、操作系统引论,任务：为每个文件分配必要的外存空间提高外存的利用率有助于提高文件系统的存、取速度。文件管理的功能：文件管理需设置相应的数据结构，记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间时参考。对存储空间进行分配与回收。为了提高存储空间的利用率，通常采用离散分配方式,第一章 操作系统引论,1、文件存储空间的管理,文件目录项包括：文件名文件属性文件在磁盘上的物理位置等任务：为每个文件建立目录项对众多的目录项进行有效组织，以实现按名存取。能实现文件共享。能提供快速的目录查询手段，提高文件的检索速度。,第一章 操作系统引论,2、目录管理,文件的读写管理根据用户的请求，从外存读取数据，或将数据写入外存

31、文件读（写）过程：根据用户给出的文件名检索文件目录，获取文件在外存中的位置；利用文件读（写）指针，对文件进行读（写）。一旦读（写）完成，便修改读（写）指针，为下一次读（写）做好准备。文件的保护防止未经核准的用户存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止以不正确的方式使用文件。,第一章 操作系统引论,3、文件的读/写管理和保护,1.4.5 操作系统与用户之间的接口,操作系统向用户提供：用户与操作系统的接口用户接口：是提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作系统的服务。程序接口：以系统调用的形式供用户编程时使用。几乎各种操作系统都提供了系统调用，供程序设计。,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统

32、引论,1、用户接口,命令接口：用户通过命令接口向作业发出命令，控制作业的运行。联机用户接口：为联机用户提供的由一组键盘操作命令及命令解释程序组成脱机用户接口：为批处理作业的用户提供的由一组作业控制语言JCL组成。JCL是提供给批处理作业用户的，为实现所需功能而委托系统代为控制的一种语言,第一章 操作系统引论,1、用户接口,图形用户接口：另一种形式的联机用户接口，采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标来将系统的各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。Xerox Star：1981最初只是一个研究项目（Alto）第一个“鼠标”、“视窗”Apple Lisa/Machintos

33、h：1984“Look and Feel”suit 1988Microsoft Windows：Win 1.0-Win 7(1985-),第一章 操作系统引论,2、程序接口,程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。程序接口由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。,1.5 操作系统的结构设计,第一章 操作系统引论,操作系统结构发展史,第一代的OS：是无结构的第二代的OS：采用模块式结构第三代的OS：层次式结构现代OS：微内核结构,第一章 操作系统引论,模块化的OS,分层式OS,无结构OS,现代结构OS,1.5.1 传统的操

34、作系统结构,OS是一组过程的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构。操作系统庞大而杂乱，缺乏清晰的程序结构，造成程序错误多，调试困难；程序难以阅读和理解，不方便维护。,第一章 操作系统引论,1、无结构操作系统,模块化程序设计技术：是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度的。OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块，每个模块具有某方面的管理功能。并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接口实现交互，然后再进一步将各模块细分为若干个具有一定管理功能的子模块内聚性耦合度,第一章 操作系统引论,2、模块化OS结构,第一章 操作系统引论,图 1-6 模块化操

35、作系统结构,2、模块化OS结构,模块化OS的优点提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性；增强了OS的可适应性；加速了OS的开发过程。模块化OS的缺点在开始设计OS时，对模块的划分及对接口的规定并不精确，而且还可能存在错误，因而很难保证按此规定所设计出的模块会完全正确，这将使在把这些模块装配成OS时发生困难；从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别；由于管理上的差异，又会使模块间存在着复杂的依赖关系使OS结构变得不清晰。,第一章 操作系统引论,2、模块化OS结构,从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上的代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变得有序。系统每加一层，就构

36、成一个比原来功能更强的虚拟机。提高了系统的维护性和可靠性。分层结构的优点：易保证系统的正确性易扩充、易维护性分层结构的缺点：系统效率降低了,第一章 操作系统引论,3、分层式OS结构,被调用功能在低层：如文件系统管理-设备管理-设备驱动程序活跃功能在低层：提高运行效率资源管理的公用模块放在最低层：如缓冲区队列、堆栈操作存储器管理放在次低层：便于利用虚拟存储功能最低层的硬件抽象层：与机器特点紧密相关的软件放在最低层。资源分配策略放在最外层，便于修改或适应不同环境,第一章 操作系统引论,3、分层式OS结构分层原则,各系统对具体划分多少层次有不同的看法。,第一章 操作系统引论,18:42,常见操作系统

37、层次结构,第四代OS,客户/服务器模式面向对象的程序设计技术微内核OS,第一章 操作系统引论,1.5.2 客户/服务器模式,用户态：用来提供各种服务的服务器（进程）所在的层次内核态：处理用户和服务器间的通信，实现与硬件紧密相关的和较基本功能的进程所在的层次内核接收用户请求，启动相应服务器，接着接收服务器的应答，回送给发送请求的用户,第一章 操作系统引论,1、C/S模式,1.5.2 客户/服务器模式,客户机服务器网络系统,第一章 操作系统引论,2、客户/服务器（C/S）模式的组成,3、客户/服务器之间的交互,客户请求消息服务器接收消息服务器回送消息客户机接收消息,数据的分布处理和存储便于集中管理

38、灵活性和可扩充性易于改编应用程序,第一章 操作系统引论,4、客户/服务器模式的优点,5、客户/服务器模式的缺点,存在着不可靠性和瓶颈问题,1.5.3 面向对象的程序设计,面向对象技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。对象，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象，而其中的具体事物称为对象的实例。,第一章 操作系统引论,1、面向对象技术的基本概念,图 1-7 一个对象的示意图,OS中的各类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念。,通过“重用”提高产品质量和生产率使系统具有更好的易修改性和易扩展性更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”。,第一

39、章 操作系统引论,2、面向对象技术的优点,1.5.4 微内核OS结构,微内核（MicroKernel）OS能有效地支持多处理机运行，非常适用于分布式系统环境典型微内核结构OS：Carngie Mellon大学研制的Mach OS、Windows 2000/XP 操作系统,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统引论,1、微内核操作系统的基本概念,足够小的内核内核：精心设计的、能实现现代OS最基本的核心功能的部分实现与硬件紧密相关的处理实现一些较基本的功能负责客户和服务器之间的通信,第一章 操作系统引论,1、微内核操作系统的基本概念,基于客户/服务器模式操作系统中最基本的部分放入内核，操作系统的绝

40、大部分功能都放在微内核外面的一组服务器中实现服务器（进程）：用于提供各种服务，运行在用户态内核：用来处理客户和服务器之间的通信,图 1-10 单机环境下的客户/服务器模式,第一章 操作系统引论,1、微内核操作系统的基本概念,应用“机制与策略分离”原理机制：是指实现某一功能的具体执行机构策略：在机制基础上，借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标通常，机制处理一个系统的基层，而策略则处理系统的高层在微内核操作系统中，通常将机制放在OS的微内核中。采用面向对象技术基于“抽象”和“隐藏”原则控制系统的复杂性利用“对象”、“封装”和“继承”确保系统的“正确性”、“可靠性”、“易修改

41、性”、“易扩展性”等，并提高OS的设计速度。,第一章 操作系统引论,进程（线程）管理：采用“机制与策略分离”的原理进程（线程）的调度、进程音的通信、进程的切换、多处理机间的同步等功能放在微内核中进程优先级的确定与修改等属策略问题，置于微内核外的进程（线程）管理服务器。低级存储器管理：微内核中配置最基本的低级存储器管理机制，如用户空间的逻辑地址变换为内存空间的物理地址的页表机制和地址变换机制。实现虚拟存储器管理的策略，如页面置换算法，内存分配与回收策略等，则置于微内核外的存储器管理服务器,2、微内核的基本功能,第一章 操作系统引论,中断和陷入处理：微内核的主要功能是捕获所发生的中断和陷入事件，并

42、进行相应的前期处理。服务器根据中断或陷入类型，调用相应的处理程序来进行后期处理。在微内核OS中是将进程管理、存储器管理以及I/O管理的功能一分为二，属于机制的很小一部分放入微内核中，另外绝大部分放在微内核外的各种服务器中来实现。,2、微内核的基本功能,第一章 操作系统引论,提高了系统的可扩展性新的硬件与软件可以通过在相应的服务器上增加新的功能实现，或增加一个专门的服务器。可在OS中增加新的功能，修改或删除原有功能增强了系统的可靠性微内核是出于精心设计和严格测试，容易保证其正确性。微内核提供了规范而精简的应用程序接口，为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件。所有的服务器运行在用户态，服务器

43、与服务器之间采用的是消息传递通信机制，某个服务器的错误不会影响内核与其他服务器。,3、微内核操作系统的优点,第一章 操作系统引论,可移植性所有与特定的CPU和I/O设备硬件相关的代码均放在内核与内核下面的硬件隐藏层中，操作系统其他绝大部分均与硬件无关。提供了对分布式系统的支持在微内核OS中，客户和服务器之间以及服务器之间的通信，是采用消息传递通信机制进行的，所以能很好地支持分布式系统和网络系统融入了面向对象技术,3、微内核操作系统的优点,第一章 操作系统引论,较之早期OS，微内核OS的运行效率有所降低效率降低的主要原因：在完成一次客户对OS提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和进行用户/内核模式及上下文的多次切换。,4、微内核操作系统存在的问题,客户机应用,OS内核,(a)在整体式内核文件操作中的上下文切换,返回,客户机应用,文件服务器,磁盘设备驱动器,微内核,(b)在微内核中等价操作的上下文切换,作业提交规范,每次作业提交一页纸，写上班级、学号、姓名、第X章作业、时间；提交时间与方式：上课前由学习委员统一收集，并按学号排好序后提交，超过规定时间按缺交作业计；作业不要求抄写题目，但答题时要求写明题号；简答题尽可能简单，用几句话说清楚就可以。,第一章 操作系统引论,本章作业,预习第二章-进程管理的内容6道题：课后题3道，补充题3道,第一章 操作系统引论,