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1、1操作系统课件Operating System(OS)（48学时）共56页共56页第2页操作系统操作系统教材与参考书教材与参考书1.操作系统原理教程，张丽芬，电子工业出版社，操作系统原理教程，张丽芬，电子工业出版社，2010.112.操作系统概念操作系统概念第第7版版 高教版高教版3.深入理解深入理解Linux内核，第内核，第3版，陈莉君等译，中版，陈莉君等译，中国电力出版社国电力出版社4.Windows Internals5th，深入解析深入解析Windows操作系统操作系统（5版）潘爱民译，电子工业出版社版）潘爱民译，电子工业出版社5.Windows内核原理与实现，潘爱民，电子工业内核原理
2、与实现，潘爱民，电子工业出版社出版社共56页第3页第第1 1章章 操作系统概论操作系统概论1.1 1.1 操作系统的定义操作系统的定义1.2 1.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展1.3 1.3 操作系统功能、服务和特性操作系统功能、服务和特性1.4 1.4 操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展1.5 1.5 用户与操作系统接口用户与操作系统接口1.6 1.6 操作系统的运行环境操作系统的运行环境1.7 1.7 操作系统的设计规范和结构设计操作系统的设计规范和结构设计共56页第4页1.1 操作系统的定义操作系统的定义q计算机系统从下到上划分为四计算机系统从下到上划分为四个层次。个
3、层次。q单向调用关系单向调用关系：外层的软件必：外层的软件必须以事先约定的方式调用内层须以事先约定的方式调用内层软件或硬件提供的服务。称这软件或硬件提供的服务。称这种约定为接口。种约定为接口。计算机系统的组成计算机系统的组成应用程序应用程序实用程序实用程序操作系统操作系统硬件硬件共56页第5页l操作系统操作系统：是紧挨着硬件的第一层软件，：是紧挨着硬件的第一层软件，为其他软件提供基础的运行环境。为其他软件提供基础的运行环境。l实用程序实用程序：支持其他软件：支持其他软件编制和维护编制和维护的软的软件。如编译程序、编辑程序、命令解释器件。如编译程序、编辑程序、命令解释器l应用程序应用程序：特定应
4、用领域专用的软件。由：特定应用领域专用的软件。由用户或专门的软件公司编制，用于解决用用户或专门的软件公司编制，用于解决用户的实际问题，如数据库管理软件、计算户的实际问题，如数据库管理软件、计算机辅助设计、航空订票系统、银行管理系机辅助设计、航空订票系统、银行管理系统。统。共56页第6页操作系统的定义操作系统的定义1)OS是由一系列程序模块组成的一个大程是由一系列程序模块组成的一个大程序。对计算机的软、硬件资源进行统一的序。对计算机的软、硬件资源进行统一的管理和调度，合理地组织计算机的工作流管理和调度，合理地组织计算机的工作流程，以提高资源的利用率。程，以提高资源的利用率。2)操作系统只包含操作
5、系统操作系统只包含操作系统内核内核。如。如Windows系统的系统的Ntoskrnl.exe。共56页第7页操作系统的设计目标操作系统的设计目标l方便性方便性：方便用户使用计算机。用户通过：方便用户使用计算机。用户通过操作系统来使用计算机。操作系统来使用计算机。l有效性有效性：使计算机系统能高效可靠地运转，：使计算机系统能高效可靠地运转，提高系统资源的利用率。提高系统资源的利用率。l还要便于操作系统的还要便于操作系统的设计、实现和维护。设计、实现和维护。共56页第8页1.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展1.2.1 顺序处理顺序处理(手工操作阶段手工操作阶段)1.2.2 简单的批处理
6、系统简单的批处理系统1.2.3 多道成批处理系统多道成批处理系统1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 实时系统实时系统1.2.6 嵌入式系统嵌入式系统共56页第9页1.2.1 顺序处理顺序处理(手工操作手工操作)l2020世纪世纪4040年代年代5050年代中期年代中期l没有操作系统。没有操作系统。l程序员直接使用计算机硬件系统，效率程序员直接使用计算机硬件系统，效率低下。低下。l其特点：手工操作、独占方式。其特点：手工操作、独占方式。共56页第10页1.2.2 简单的批处理系统简单的批处理系统l2020世纪世纪5050年代后期年代后期6060年代中期年代中期l有一个监控程序软件常驻内存有一
7、个监控程序软件常驻内存l操作员将多个作业按序成批地放在一个操作员将多个作业按序成批地放在一个输入设备上。输入设备上。l监控程序监控程序自动控制输入设备一次装入内自动控制输入设备一次装入内存一道作业，并启动运行，运行完毕，存一道作业，并启动运行，运行完毕，再装入下一道作业。再装入下一道作业。共56页第11页1.2.3 多道成批处理系统多道成批处理系统 随着硬件随着硬件通道通道、中断中断、缓冲技术缓冲技术等的出等的出现，使得计算机在组织结构上发生了重大变现，使得计算机在组织结构上发生了重大变革。使原先以革。使原先以CPUCPU为中心的体系结构，转变为中心的体系结构，转变为以为以主存主存为中心。为中
8、心。共56页第12页 通道通道：独立于：独立于CPUCPU，专门用来控制输入，专门用来控制输入/输输出设备的出设备的I/OI/O处理机处理机，比，比CPUCPU便宜。连接着便宜。连接着主存和外设。使主存和外设。使CPUCPU和外设并行操作。和外设并行操作。中断中断：当：当I/O设备完成传输后，通过中断设备完成传输后，通过中断机构向机构向CPUCPU报告完成情况。报告完成情况。缓冲技术缓冲技术：在主存设置缓冲区，来缓存用：在主存设置缓冲区，来缓存用户的输入和输出，改善户的输入和输出，改善I/OI/O设备和设备和CPUCPU之间之间速度不匹配的问题。速度不匹配的问题。共56页第13页v多道程序设计
9、多道程序设计：是指在主存同时存放若：是指在主存同时存放若干道程序，使它们在系统中交叉运行，干道程序，使它们在系统中交叉运行，共享系统中的各种资源。当一道程序暂共享系统中的各种资源。当一道程序暂停执行时，停执行时，CPUCPU立即转去执行另一道程序。立即转去执行另一道程序。v在单处理机系统中。宏观上，多道程序在单处理机系统中。宏观上，多道程序并行运行；微观上，在任何特定时刻，并行运行；微观上，在任何特定时刻，只有一道程序在处理机上运行，即各程只有一道程序在处理机上运行，即各程序交叉地在序交叉地在CPUCPU上运行。上运行。共56页第14页l引入多道程序设计技术的引入多道程序设计技术的根本目的根本
10、目的是提是提高高CPU的利用率，充分发挥系统设备的的利用率，充分发挥系统设备的并行性。这包括程序之间、并行性。这包括程序之间、CPU与设备与设备之间、设备与设备之间的并行操作。之间、设备与设备之间的并行操作。共56页第15页等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等等待待程序程序A程序程序B程序程序C操作系统操作系统CPU存储器存储器运行运行运行运行程序程序A运行运行运行运行程序程序B运行运行运行运行程序程序C运行运行运行运行多道程序多道程序等待等待运行运行 运行运行运行运行 运行运行共56页第16页l资源利用率资源利用率：指在给定时间内，系统中某一资：指在给定时间内，系统中某
11、一资源（如源（如CPUCPU、存储器、外部设备等）实际使用时、存储器、外部设备等）实际使用时间所占比率。间所占比率。l吞吐量吞吐量(Throughput)(Throughput)：指单位时间内系统所处：指单位时间内系统所处理的信息量。它通常是用每小时或每天所处理理的信息量。它通常是用每小时或每天所处理的作业个数来度量。的作业个数来度量。l周转时间周转时间：指从作业进入系统到作业退出系统：指从作业进入系统到作业退出系统所用的时间。而所用的时间。而平均周转时间平均周转时间是指系统运行的是指系统运行的几个作业周转时间的平均值。几个作业周转时间的平均值。衡量批处理系统的性能指标衡量批处理系统的性能指标
12、共56页第17页 作业编号作业编号 JOB1 JOB2 JOB3JOB1 JOB2 JOB3 作业类型作业类型 计算型计算型I/OI/O型型 I/OI/O型型 占用主存占用主存 50k 100k 80k50k 100k 80k需磁盘情况需磁盘情况 NO NONO NO YesYes需终端情况需终端情况 NONO YesYes NO NO需打印机情况需打印机情况 NONO NO NO YesYes运行所需时间运行所需时间 5 5分钟分钟 1515分钟分钟1010分钟分钟 例例 设一个计算机系统有设一个计算机系统有256K256K主存，一个主存，一个磁盘、一个终端和一台打印机。磁盘、一个终端和一台
13、打印机。三个作业：三个作业：JOB1JOB1、JOB2JOB2、JOB3JOB3。共56页第18页l简单批处理简单批处理 作业作业1 1运行运行5 5分钟；分钟；作业作业2 2等待等待5 5分钟运分钟运行行1515分钟；作业分钟；作业3 3等待等待2020分钟运行分钟运行1010分钟。分钟。5分钟分钟15分钟分钟10分钟分钟5分钟分钟10分钟分钟15分钟分钟l多道批处理多道批处理 三个作业同时装三个作业同时装入主存，由于几乎入主存，由于几乎不同时使用同类资不同时使用同类资源，在源，在1515分钟内将分钟内将全部完成。全部完成。共56页第19页表表1.2 1.2 单道运行与多道运行资源利用率对比
14、单道运行与多道运行资源利用率对比 单道单道 多道多道(3)(3)处理机利用率处理机利用率 5/30=17%5/15=33%5/30=17%5/15=33%存储器利用率存储器利用率 30%30%平均平均 230/256=90%230/256=90%磁盘利用率磁盘利用率 33%=10/30 67%=10/1533%=10/30 67%=10/15打印机利用率打印机利用率 33%67%33%67%完成所需时间完成所需时间 3030分钟分钟 1515分钟分钟吞吐量吞吐量 6jobs/6jobs/小时小时 12jobs/12jobs/小时小时平均周转时间平均周转时间 1818分钟分钟 1010分钟分钟共
15、56页第20页批处理系统特点批处理系统特点l优点优点:系统吞吐量大，资源利用率高。系统吞吐量大，资源利用率高。适合计算量大、自动化程度高的成熟作适合计算量大、自动化程度高的成熟作业。业。l缺点缺点:用户与作业无法交互，作业平均用户与作业无法交互，作业平均周转时间较长。周转时间较长。共56页第21页1.2.4 分时系统分时系统工作方式工作方式：一台主机连接有若干个终端。用：一台主机连接有若干个终端。用户交互式地向系统提出命令请求，系统接户交互式地向系统提出命令请求，系统接受命令，采用时间片轮转方式处理请求，受命令，采用时间片轮转方式处理请求，并在终端上显示结果。如在大型数据库上并在终端上显示结果
16、。如在大型数据库上的查询。的查询。分时分时：多用户分时使用：多用户分时使用CPUCPU。将。将CPUCPU的单位时的单位时间间(如如1 1秒钟秒钟)划分成若干个时间片。划分成若干个时间片。共56页第22页分时系统的特点分时系统的特点l同时性同时性：若干用户同时使用一台计算机。：若干用户同时使用一台计算机。l独立性独立性：每个用户占有一台终端，独立操：每个用户占有一台终端，独立操作，感觉不到别的用户存在。作，感觉不到别的用户存在。l交互性交互性：用户可通过终端与系统进行人机：用户可通过终端与系统进行人机对话。对话。l及时性及时性：用户的请求能在较短时间内得到：用户的请求能在较短时间内得到响应。响
17、应。（响应时间：从用户发出请求到系（响应时间：从用户发出请求到系统开始响应所需的时间）统开始响应所需的时间）。共56页第23页作业处理系统作业处理系统l批处理系统批处理系统：u目标是提高系统资源的利用率。目标是提高系统资源的利用率。u适用于比较成熟的大型作业。适用于比较成熟的大型作业。u可在后台执行。不需要用户频繁干预。可在后台执行。不需要用户频繁干预。l分时系统分时系统：u目标是对用户请求的快速响应。目标是对用户请求的快速响应。u适用于短小作业。适用于短小作业。u终端键入命令。终端键入命令。共56页第24页1.2.5 实时系统实时系统l是指计算机能对是指计算机能对随机发生的外部事件随机发生的
18、外部事件做出及做出及时的响应和处理。是一个专用系统。时的响应和处理。是一个专用系统。l不以作业为处理对象，只有几个由外部事件不以作业为处理对象，只有几个由外部事件触发的任务。触发的任务。实时过程控制实时过程控制：工业生产中的自动控制，：工业生产中的自动控制，飞机导航、导弹发射等。飞机导航、导弹发射等。实时信息处理实时信息处理：民航机票的预订、查询，：民航机票的预订、查询，银行系统的借贷，情报信息检索等系统。银行系统的借贷，情报信息检索等系统。共56页第25页实时系统特点实时系统特点（1 1）实时性。）实时性。其响应时间由被控制对象所能其响应时间由被控制对象所能承受的延迟来确定。承受的延迟来确定
19、。（2 2）可可靠靠性性。要要具具有有容容错错能能力力，可可采采用用双双工工机制：一台主机；一台后备机。机制：一台主机；一台后备机。（3 3）确确定定性性。是是指指系系统统按按照照固固定定的的、预预先先确确定定的的时时间间执执行行指指定定的的操操作作。其其可可确确定定性性取取决于系统决于系统响应中断响应中断的速度和处理能力。的速度和处理能力。共56页第26页1.2.6 嵌入式系统嵌入式系统l以实际应用为中心、以计算机技术为基础、软以实际应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的专用计算机系统。硬件可裁剪的专用计算机系统。l软件要求固化存储。软件要求固化存储。l通常是一个多任务可抢占式的实时
20、操作系统，通常是一个多任务可抢占式的实时操作系统，只有满足实际需要的有限功能，只有满足实际需要的有限功能，如任务调度、如任务调度、同步与通信、主存管理、时钟管理等。同步与通信、主存管理、时钟管理等。l嵌入式嵌入式Linux，Windows CE。共56页第27页1.3 功能、服务和特性功能、服务和特性q三种基本类型：批处理系统；分时系统；三种基本类型：批处理系统；分时系统；实时系统。实时系统。q通用操作系统：兼有批处理、分时和实时通用操作系统：兼有批处理、分时和实时三者或其中两者的功能。三者或其中两者的功能。如如 分时和批处理相结合，将分时任务作分时和批处理相结合，将分时任务作为前台任务，将批
21、处理作业作为后台任务，为前台任务，将批处理作业作为后台任务，便是分时批处理系统。便是分时批处理系统。共56页第28页操作系统的功能操作系统的功能(1)处理机管理处理机管理：进程管理。处理机如何调度的问题：进程管理。处理机如何调度的问题：FCFS、优先级、时间片轮转？、优先级、时间片轮转？(2)存储器管理存储器管理：主存管理。存储分配、存储保护、：主存管理。存储分配、存储保护、主存扩充。主存扩充。(3)设设备备管管理理：涉涉及及对对系系统统中中各各种种输输入入、输输出出设设备备的的管理和控制。分配设备，控制设备传输数据。管理和控制。分配设备，控制设备传输数据。(4)文文件件管管理理：将将程程序序
22、、数数据据、操操作作系系统统软软件件等等组组织织成文件，存放在磁盘或磁带上，方便用户访问。成文件，存放在磁盘或磁带上，方便用户访问。共56页第29页l为了管理系统资源，操作系统必须掌握为了管理系统资源，操作系统必须掌握系统资源的当前状态信息。系统资源的当前状态信息。l进程进程-进程表进程表l存储器存储器-存储表存储表lI/O设备设备-I/O设备表设备表l文件文件-文件表文件表共56页第30页操作系统提供的服务操作系统提供的服务n用户接口用户接口：用户通过用户通过OSOS来使用计算机来使用计算机n程序执行程序执行：装入内存执行，能结束执行：装入内存执行，能结束执行nI/O操作操作：可能涉及到文件
23、或：可能涉及到文件或I/O设备设备n文件系统操作文件系统操作：向用户提供按名存取文件：向用户提供按名存取文件n通信服务通信服务：进程之间（共享内存：进程之间（共享内存/消息传递）消息传递）n错误检测和处理错误检测和处理：能检测和处理错误：能检测和处理错误n资源分配资源分配：多进程并发，资源共享：多进程并发，资源共享n记帐记帐：统计用户对系统资源的使用情况：统计用户对系统资源的使用情况n保护保护：控制用户有限制地存取系统资源：控制用户有限制地存取系统资源共56页第31页操作系统的特性操作系统的特性(1)(1)并并发发性性：并并发发是是指指系系统统中中存存在在着着若若干干个个逻逻辑辑上上相相互互独
24、独立立的的程程序序，它它们们都都已已被被启启动动执执行行，都都还没有执行完，并竞争系统资源。还没有执行完，并竞争系统资源。(2)(2)共共享享性性：是是指指系系统统中中的的资资源源可可供供系系统统中中多多个个并并发发执执行行的的进进程程共共同同使使用用。如如打打印印机机、磁磁带带机机、磁盘等。磁盘等。支持系统并发性的物质基础是资源共享支持系统并发性的物质基础是资源共享共56页第32页操作系统的特性操作系统的特性(3)(3)虚拟性虚拟性：把共享资源的一个物理实体变为：把共享资源的一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。如，若干个逻辑上的对应物。如，CPUCPU的分时共的分时共享；虚拟存储器技术。享
25、；虚拟存储器技术。(4)(4)异步性（随机性）异步性（随机性）：有限的资源共享使并：有限的资源共享使并发进程之间产生相互制约关系。各个进程何发进程之间产生相互制约关系。各个进程何时执行、何时暂停、以怎样的速度向前推进、时执行、何时暂停、以怎样的速度向前推进、什么时候完成等都是不可预知的。什么时候完成等都是不可预知的。共56页第33页1.4 操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展1.1.个人计算机操作系统个人计算机操作系统2.2.多处理机操作系统多处理机操作系统3.3.网络操作系统网络操作系统4.4.分布式操作系统分布式操作系统共56页第34页个人计算机操作系统个人计算机操作系统l单单用用户户
26、单单任任务务OS：只只允允许许一一个个用用户户上上机机、只只允允许许用户程序作为一个任务运行。如用户程序作为一个任务运行。如 MS-DOS。l单用户多任务单用户多任务OS：只允许一个用户上机，但允许：只允许一个用户上机，但允许用户有多个任务，并发执行。如用户有多个任务，并发执行。如Windows XPl多用户多任务多用户多任务OS：允许多个用户通过各自的终端，：允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机，共享系统资源，每个用户又可使用同一台主机，共享系统资源，每个用户又可有多个任务，并发执行。如有多个任务，并发执行。如UNIX、Linux。共56页第35页多处理机操作系统多处理机操作系统l多处
27、理机采用紧耦合方式进行连接，共享主存多处理机采用紧耦合方式进行连接，共享主存非对称多处理非对称多处理(ASMP)(ASMP)：主处理机运行操作系统，：主处理机运行操作系统，其他处理机运行用户作业，主处理机为其他处其他处理机运行用户作业，主处理机为其他处理机分配和调度任务，主从模式。理机分配和调度任务，主从模式。对称多处理对称多处理(SMP)(SMP)：操作系统和用户程序可安：操作系统和用户程序可安排在任何一个处理机上运行，各处理机共享主排在任何一个处理机上运行，各处理机共享主存和各种存和各种I/OI/O设备。设备。共56页第36页l网络中的各台计算机都配有各自独立的操作系网络中的各台计算机都配
28、有各自独立的操作系统，网络操作系统把它们联系起来，并为它们统，网络操作系统把它们联系起来，并为它们提供通信和网络资源共享。提供通信和网络资源共享。lWindows的自上而下的的自上而下的网络栈网络栈：网络应用程序、：网络应用程序、网络网络API、网络、网络API驱动程序驱动程序netbios.sys、协议、协议驱动程序驱动程序tcpip.sys 等等。与。与I/O系统和标准系统和标准API紧紧密地集成在一起。密地集成在一起。网络操作系统网络操作系统共56页第37页l网络操作系统的模式：网络操作系统的模式：客户客户/服务器服务器（Client/Server)Client/Server)模式。服务
29、模式。服务器是一个瓶颈。器是一个瓶颈。对等模式对等模式（Peer-to-peer)Peer-to-peer)：系统内的节点：系统内的节点机（机（nodesnodes）是对等的，既可作为客户机，）是对等的，既可作为客户机，又可作为服务器。在网络中既无服务处理又可作为服务器。在网络中既无服务处理中心，也无控制中心。中心，也无控制中心。共56页第38页分布式操作系统分布式操作系统l分分布布式式系系统统：是是由由多多个个分分散散的的计计算算机机通通过过网网络络连连接接而而成成的的一一个个统统一一的的计计算算机机系系统统。可可以以获获得得极极高高的的运运算算能能力力和和广广泛泛的的数据共享。数据共享。l
30、要求连网的多机有一个统一的操作系统要求连网的多机有一个统一的操作系统l没有标准协议。没有标准协议。l完全分布式系统仍在研究中。完全分布式系统仍在研究中。共56页第39页l集群集群(cluster)(cluster)是一种分布式系统。是一种分布式系统。集群集群节点私有节点私有OSOS。有一层集群软件有一层集群软件运行在集运行在集群节点之上。群节点之上。单一单一入口点入口点节点机节点机节点机节点机节点机节点机站点服务器站点服务器共56页第40页智能卡操作系统智能卡操作系统l智能卡中隐藏着一个微型操作系统。智能卡中隐藏着一个微型操作系统。l智能卡中的集成电路包括：智能卡中的集成电路包括：中央处理机、
31、中央处理机、存储部件、对外联络的通信接口。存储部件、对外联络的通信接口。l智能卡实际上是一台智能卡实际上是一台单片机单片机系统。有非常系统。有非常严格的运行能耗和存储空间的限制（从几严格的运行能耗和存储空间的限制（从几KB到几百到几百KB)。共56页第41页一种智能卡结构CPUCPUROM 96KROM 96KEEPROM 64KEEPROM 64KRAM 3KRAM 3KI/OI/O异步通信异步通信智能卡智能卡读写器读写器 读写器读写器发操作命令，发操作命令，智能卡智能卡接收命令，接收命令，操作操作系统系统解释命令，并调用程序处理数据，产生解释命令，并调用程序处理数据，产生应答信息送应答信息
32、送读写器读写器。共56页第42页1.5 用户与操作系统接口用户与操作系统接口l操作接口操作接口：命令语言或窗口界面是用户：命令语言或窗口界面是用户使用计算机系统的主要接口。使用计算机系统的主要接口。l编程接口编程接口：系统调用是用户与操作系统：系统调用是用户与操作系统之间的编程接口。之间的编程接口。共56页第43页命令语言命令语言l操作系统提供一个操作系统提供一个命令解释程序命令解释程序来支持来支持命令语言的解释执行。执行用户当前输命令语言的解释执行。执行用户当前输入的命令。入的命令。用户态用户态。lLinux的的1号号进程为每个进程为每个终端用户终端用户建立一建立一个运行个运行shell命令
33、解释程序的命令解释程序的终端进程终端进程，该进程不断地处理用户发来的命令。该进程不断地处理用户发来的命令。共56页第44页窗口界面窗口界面l系统初始化时，系统初始化时，Windows为终端用户生为终端用户生成了一个运行成了一个运行Explorer.exe程序的进程，程序的进程，它是一个具有窗口界面的它是一个具有窗口界面的解释程序解释程序，打，打开一个桌面窗口。开一个桌面窗口。l当点击桌面内的某个实用程序时，当点击桌面内的某个实用程序时，解释解释程序程序就会产生一个就会产生一个新进程新进程。该新进程也。该新进程也会弹出一个窗口，用户可以点击窗口内会弹出一个窗口，用户可以点击窗口内的子命令，当需要
34、参数时，就会弹出一的子命令，当需要参数时，就会弹出一个对话框。个对话框。共56页第45页系统调用系统调用l系统调用就是操作系统内核提供的一些系统调用就是操作系统内核提供的一些子程序。子程序。l操作系统内核向用户提供了一组操作系统内核向用户提供了一组系统调系统调用接口用接口。l用户通过系统调用接口，向操作系统提用户通过系统调用接口，向操作系统提出资源请求或获得系统服务。出资源请求或获得系统服务。共56页第46页系统调用系统调用l现在的系统提供了非常多的库程序，用现在的系统提供了非常多的库程序，用户编程时可使用户编程时可使用库函数库函数，而不必直接调，而不必直接调用系统调用。用系统调用。lWind
35、ows系统提供的系统提供的Win32 API函数集合，函数集合，是一些库函数，由库函数去调用操作系是一些库函数，由库函数去调用操作系统的系统调用。文档化，易使用。统的系统调用。文档化，易使用。共56页第47页系统调用的执行过程系统调用的执行过程 用户程序用户程序 系统调用命令系统调用命令 操作系统内核操作系统内核系统调用命令程序系统调用命令程序 子程序子程序 子程序子程序切换到用户态切换到用户态切换到核心态切换到核心态 共56页第48页核心态核心态/用户态用户态l在计算机系统中存在两类性质不同的程序：在计算机系统中存在两类性质不同的程序：操作系统内核程序操作系统内核程序；用户自编程序和系统用户
36、自编程序和系统外层的应用程序外层的应用程序。l前者是后者的管理者和控制者，所以操作前者是后者的管理者和控制者，所以操作系统内核应该享有某些特权。为此将系统内核应该享有某些特权。为此将CPU的运行状态分为的运行状态分为核心态（管态）和用户态核心态（管态）和用户态（目态）。（目态）。共56页第49页l在在核心态核心态下，下，允许执行处理机的全部指令集，允许执行处理机的全部指令集，访问所有的寄存器和存储区；访问所有的寄存器和存储区；l在在用户态用户态下，只允许执行处理机的非特权指令，下，只允许执行处理机的非特权指令，访问指定的寄存器和存储区。访问指定的寄存器和存储区。l用户态到核心态用户态到核心态的
37、转换由的转换由硬件硬件完成；管态到目完成；管态到目态的转换由操作系统程序执行后完成。态的转换由操作系统程序执行后完成。lPSW寄存器描述了寄存器描述了CPU的执行状态，主要包括的执行状态，主要包括处理机当前运行状态、优先级、屏蔽外中断否处理机当前运行状态、优先级、屏蔽外中断否等标志。等标志。共56页第50页l操作系统的大部分功能模块运行在核心操作系统的大部分功能模块运行在核心态，态，有些功能模块通过创建用户进程运有些功能模块通过创建用户进程运行在用户态行在用户态，例如，命令解释程序。，例如，命令解释程序。l运行在用户态的运行在用户态的一组系统进程一组系统进程与用户进与用户进程构成了程构成了cl
38、ient/server模式，如模式，如Windows系统的用户登录和注销、打印服务、事系统的用户登录和注销、打印服务、事件日志等。件日志等。共56页第51页1.6 操作系统的运行环境操作系统的运行环境l通过中断和异常，通过中断和异常，CPU能从能从用户程序用户程序的的运行转入操作系统运行转入操作系统内核程序内核程序的运行。的运行。l中断：异步事件中断：异步事件l异常：同步事件异常：同步事件共56页第52页中断中断l中断中断是处理机与外部设备打交道的重要途径，是处理机与外部设备打交道的重要途径，与当前正在执行的线程和进程无关。如与当前正在执行的线程和进程无关。如I/OI/O结结束中断，时钟中断。
39、不同中断有不同优先级。束中断，时钟中断。不同中断有不同优先级。处理高级中断时会临时屏蔽低级中断。处理高级中断时会临时屏蔽低级中断。l中断是一个重要的中断是一个重要的并发性并发性来源。内核代码可以来源。内核代码可以触发一个触发一个软件中断软件中断来启动线程调度，相当于打来启动线程调度，相当于打断了当前线程的执行，让处理机切换到其他的断了当前线程的执行，让处理机切换到其他的线程。线程。l处理机优先级处理机优先级：指处理机指处理机当前正运行程序当前正运行程序的中的中断响应级别。断响应级别。共56页第53页异常异常l异常是指程序执行过程中发生的特殊事异常是指程序执行过程中发生的特殊事件。件。u可以是硬
40、件产生的，可以是硬件产生的，如除零错误和页面错误。如除零错误和页面错误。u可以是软件产生的，可以是软件产生的，如程序中的断点事件。如程序中的断点事件。l异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。共56页第54页中断、异常中断、异常l为处理方便，系统为每个中断为处理方便，系统为每个中断/异常信号异常信号都编制了相应的处理程序。这些处理程都编制了相应的处理程序。这些处理程序的序的入口地址入口地址存放在称为存放在称为中断中断/异常向量异常向量的主存单元。的主存单元。l中断处理程序或系统调用程序，在中断中断处理程序或系统调用程序，在中断或陷入时，或陷入时，利用用户进程的核
41、心栈空间，利用用户进程的核心栈空间，嵌入用户进程中运行嵌入用户进程中运行。共56页第55页1.7 1.7 操作系统的设计规范操作系统的设计规范系统效率系统效率：体现系统效率的指标有资源利用率、吞：体现系统效率的指标有资源利用率、吞吐量、周转时间、响应时间等。吐量、周转时间、响应时间等。系统可靠性系统可靠性：系统发现、诊断和恢复故障的能力。：系统发现、诊断和恢复故障的能力。可移植性可移植性：指从一种硬件环境移植到另一种硬件环：指从一种硬件环境移植到另一种硬件环境，系统仍能正常工作。境，系统仍能正常工作。可伸缩性可伸缩性：系统对添加软、硬件资源的适应能力。：系统对添加软、硬件资源的适应能力。兼容性兼容性：系统执行为其他：系统执行为其他OS或为同一系统早期版本或为同一系统早期版本所编写的所编写的软件软件的能力。的能力。安全性安全性：系统应具有一定的安全保护措施。：系统应具有一定的安全保护措施。共56页第56页 1.8 小结小结l操作系统的定义操作系统的定义l多道程序设计技术的概念及特点多道程序设计技术的概念及特点l操作系统三种基本类型，主要特点操作系统三种基本类型，主要特点l批处理操作系统的性能指标批处理操作系统的性能指标l操作系统的功能操作系统的功能l操作系统的特性操作系统的特性l接口：操作接口、编程接口接口：操作接口、编程接口/系统调用系统调用