操作系統(tǒng)概念operatingsystemconcepts[sixthedition]

1、操作系統(tǒng)概念,第一章：導(dǎo)論,2,本章主要內(nèi)容,操作系統(tǒng)是什么？大型機(jī)系統(tǒng)桌面系統(tǒng)多處理器系統(tǒng)分布式系統(tǒng)集群系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)手持系統(tǒng)功能遷移計(jì)算環(huán)境,3,1.1 操作系統(tǒng)是什么？,操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件的程序，它還為應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)，并且充當(dāng)計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)用戶的中介。操作系統(tǒng)的兩大目標(biāo)：執(zhí)行用戶程序，并且更易于解決用戶問題；更便于使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；以一種有效的方式保用計(jì)算機(jī)硬件,4,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成部分,Hardw

2、are – provides basic computing resources (CPU, memory, I/O devices)Operating System － controls and coordinates the use of the hardware among the various application programs for the various usersApplications programs –

3、 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)Users – (people, machines, other computers),5,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成部分的邏

4、輯圖,6,操作系統(tǒng)定義,資源分配器－管理與分配資源控制程序－控制用戶程序的執(zhí)行和輸入輸出設(shè)備的操作內(nèi)核－一直運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的程序（其他程序則為應(yīng)用程序）,7,1.2 大型機(jī)系統(tǒng),通過作業(yè)批處理以減少安裝時(shí)間作業(yè)自動(dòng)序列化 － 作業(yè)操作之間的自動(dòng)銜接。第一個(gè)基本的操作系統(tǒng)常駐監(jiān)控器,8,簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)的內(nèi)存分布,9,多道程序批處理系統(tǒng),同一時(shí)刻在內(nèi)存中存在多道作業(yè)，這些作業(yè)以某種方式共享CPU,10,多道程序所需的OS特性,系統(tǒng)提

5、供I/O routine內(nèi)存管理 － 系統(tǒng)必須為作業(yè)分配內(nèi)存CPU調(diào)度 － 系統(tǒng)必須從就緒作業(yè)當(dāng)中選擇其一運(yùn)行設(shè)備分配,11,分時(shí)系統(tǒng) – 交互計(jì)算,CPU通過在作業(yè)之間的切換來執(zhí)行多個(gè)位于內(nèi)存中或物理存儲(chǔ)器上的作業(yè)（CPU只能分配給那些在內(nèi)存中的作業(yè)）作業(yè)在內(nèi)存與物理存儲(chǔ)器之間來回交換（swap）允許用戶與系統(tǒng)之間的聯(lián)機(jī)通信（交互）當(dāng)OS執(zhí)行完一條命令后，它將接收用戶通過鍵盤輸入的下一條控制指令。聯(lián)機(jī)系統(tǒng)必須提供給用戶訪

6、問數(shù)據(jù)和代碼。,12,1.3 桌面系統(tǒng),PC － 為單個(gè)用戶服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O設(shè)備 － 鍵盤，鼠標(biāo)，顯示器，打印機(jī)等用戶方便性和響應(yīng)性可以采用大型操作系統(tǒng)上的技術(shù)通常人們都可以擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，從而CPU的利用率也不再是主要問題。所以，有些大型機(jī)OS的設(shè)計(jì)決策可能不再適用于小系統(tǒng)可以運(yùn)行多個(gè)不同類型的操作系統(tǒng)（Windows，MacOS，UNIX，Linux）,13,1.4 并行系統(tǒng)（paralel system）,這類系統(tǒng)

7、有多個(gè)緊密通信的處理器亦稱為多處理器系統(tǒng)或緊耦合系統(tǒng)緊耦合系統(tǒng)（tightly coupled system）－ 處理器共享計(jì)算機(jī)總線、內(nèi)存、時(shí)鐘；通信常通過共享內(nèi)存的方式來實(shí)現(xiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)：增加吞吐量（throughput）經(jīng)濟(jì)節(jié)約增加可靠性（在某些情況下）功能退化（graceful degradation）容錯(cuò)系統(tǒng)（fault tolerant）流水線,14,,非對(duì)稱處理（Asymmetric multiproce

8、ssing）每個(gè)處理器被賦予一個(gè)特定的任務(wù)，主處理器為從處理器調(diào)度和安排工作。類似于超大型系統(tǒng)對(duì)稱處理（Symmetric multiprocessing, SMP）每個(gè)處理器都運(yùn)行同一個(gè)操作系統(tǒng)的拷貝，這些拷貝需要互相通信許多處理器可能同時(shí)運(yùn)行而性能上不會(huì)有多大損失例如N個(gè)處理器理念上可以同時(shí)運(yùn)行N個(gè)進(jìn)程許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持SMPWindows NT、Solaris、Digital UNIX、OS/2、Linux等,1

9、5,對(duì)稱多處理體系結(jié)構(gòu),16,1.5 分布式系統(tǒng)(distributed system),在若干個(gè)位于不同位置的處理器之間組成分布式計(jì)算松耦合系統(tǒng) （loosely coupled system） － 每個(gè)處理器都有自己的內(nèi)存；處理器相互之間通過不同的通信線路進(jìn)行通信，如高速總線或電話線優(yōu)點(diǎn)資源共享計(jì)算速度提高可靠性通信需要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)（local-area network, LAN） 或 廣域網(wǎng)（wide-are

10、 network, WAN）根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離來劃分可以是C/S系統(tǒng)或端對(duì)端系統(tǒng),17,客戶 － 服務(wù)器系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu),18,1.6 集群系統(tǒng)（clustered system）,集群系統(tǒng)將多個(gè)CPU集中起來完成計(jì)算任務(wù)。然而，集群系統(tǒng)與并行系統(tǒng)不同，它是由兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)耦合起來的。通常接受的定義是集群復(fù)讀機(jī)共享存儲(chǔ)并通過LAN網(wǎng)絡(luò)緊密鏈接通常用來提供高可用性（high availability）非對(duì)稱集群（asymmet

11、ric clustering）： 一臺(tái)機(jī)器處于熱備份模式（hot standby mode），而另一臺(tái)運(yùn)行應(yīng)用程序。熱備份主機(jī)（機(jī)器）不做什么，只監(jiān)視現(xiàn)役服務(wù)器。如果該服務(wù)器失效，熱備份主機(jī)會(huì)成為現(xiàn)役服務(wù)器。對(duì)稱集群（symmetric clustering）：兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)都運(yùn)行應(yīng)用程序，它們互相監(jiān)視。,19,,不管分布式計(jì)算機(jī)如何改善，絕大多數(shù)系統(tǒng)并不提供通用分布式文件系統(tǒng)。因此，絕大多數(shù)集群不允許對(duì)磁盤上的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享訪問。因此

12、，分布式文件系統(tǒng)必須提供對(duì)文件的訪問控制和加鎖，以確保不出現(xiàn)互為矛盾的操作。這種類型的服務(wù)通常稱為分布式鎖管理器（distributed lock manager, DLM）全球集群,20,1.7 實(shí)時(shí)系統(tǒng)（real-time system）,當(dāng)對(duì)處理器操作或數(shù)據(jù)流動(dòng)有嚴(yán)格時(shí)間要求時(shí)，就需要使用實(shí)時(shí)系統(tǒng)。通常用于控制特定應(yīng)用的設(shè)備。如控制科學(xué)實(shí)驗(yàn)，醫(yī)療成像系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)等等實(shí)時(shí)系統(tǒng)有明確和固定的時(shí)間約束。實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)

13、與軟件實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩類硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（hard real-time system）保證關(guān)鍵任務(wù)按時(shí)完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有延遲都有限制，包括從獲取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到要求操作系統(tǒng)完成任何操作的請(qǐng)求。通常只有少量或根本沒有使用任何類型的輔助存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)通常存在短期存儲(chǔ)器或ROM中。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)沒有絕大多數(shù)高級(jí)操作系統(tǒng)的功能，這是因?yàn)檫@些功能常常將用戶與硬件分開，導(dǎo)致難以估計(jì)操作所需時(shí)間。因此，硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)操作系統(tǒng)的操作相矛盾，兩者不能混合使用。軟件實(shí)時(shí)系

14、統(tǒng)（soft real-time system）關(guān)鍵實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)要高于其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，且在完成之前能保持其高優(yōu)先級(jí)。與硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)一樣，需要限制操作系統(tǒng)內(nèi)核的延遲：實(shí)時(shí)任務(wù)不能無休止地等待內(nèi)核來執(zhí)行它?？梢耘c分時(shí)系統(tǒng)集成在一起在那些需要快速響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用程序（如多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)）中是非常有用的。,21,1.8 手持系統(tǒng)（handheld system）,個(gè)人數(shù)字助理（Personal Digital Assistants, P

15、DAs）蜂窩電話（Cellular telephones）存在的問題內(nèi)存有限(32M – 64M)低速處理器（只有個(gè)人計(jì)算機(jī)處理器速度的幾分之一）屏幕?。?英寸×3英寸）,22,1.9 操作系統(tǒng)概念與功能的變遷,23,1.10 計(jì)算環(huán)境,傳統(tǒng)計(jì)算PC， 服務(wù)器， 有限的遠(yuǎn)程訪問基于Web的計(jì)算C/S和Web服務(wù)，便捷的遠(yuǎn)程訪問，不用關(guān)心服務(wù)器的位置嵌入式計(jì)算嵌入式計(jì)算機(jī)是現(xiàn)在最為普遍的計(jì)算機(jī)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、