1、第一讲 操作系统概述,内容提要,学习操作系统(即OS)的基本原理，要了解其在计算机系统中的地位了解OS的发展和成熟过程了解OS的基本特性和功能了解操作系统的新技术,第一部分 操作系统的 基本概念,操作系统,简单的问题： 1.为何要学操作系统？,操作系统,学习操作系统实用吗? 设计操作系统 或者 修改现有的系统加深对使用的OS的理解，有利于深入编程编程时借鉴操作系统的设计思想和算法选择购买操作系统 操作系统课程的特点： 实践性强（从实践总结出原理）涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等）错综复杂：纵横交叉,课程的基本目的,1介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行环境2
2、介绍操作系统原理、设计方法和实现技术3介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想4介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例5培养学生分析问题、解决问题的基本能力，培养创造型人才,学习收获,1使学生对操作系统的基本概念、基本结构及运行环境有深入的认识，对操作系统这一课程有比较全面的把握2使学生深入到操作系统内部，理解并掌握操作系统的基本原理、设计方法和实现技术3使学生了解操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想，使学生具有透过变化看趋势、透过技术抓原理、把握学科发展脉搏的基本素质，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础,操作系统的基本概念(1),计算机系统：硬件系统 + 软
3、件系统 硬件系统：CPU、内存、外存、外设等 软件系统：系统软件（含操作系统、语言处理、使用工具或软件等）、应用软件等,系列问题的提出： 1、我们的软件为何能够有条不紊地各自运行？ 2、操作系统为何可以实现对各种资源的管理？ 3、操作系统为何能够实现对CPU资源的分配？ 4、谁将CPU资源分配操作系统的？ 5、操作系统对各种资源（如CPU、内存、设备等）的管理是采用什么策略？ 6、。,操作系统的基本概念(2),操作系统的基本概念(3),操作系统(P1) 是配置在计算机硬件系统（也称为裸机系统）上的第一层软件 是对计算机硬件功能的第一次扩充 定义：是计算机系统中的一个重要系统软件。它管理和控制所
4、有的计算机资源（软、硬件），合理组织计算机工作流程，以便有效的利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便且易于扩展的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。,操作系统的基本概念(4),基于硬件 计算机所有资源的管理、协调和分配 进程管理 界面管理 。等等,操作系统的基本概念(5),操作系统的功能 用户接口(系统调用、一组控制操作命令) 处理机管理 存储管理（内存分配、存储保护、内存扩充） 设备管理 文件管理(文件存储空间的管理、目录管理、文件系统的安全管理) 网络管理 信息保护与安全(访问控制、信息流控制、认证),操作系统的基本概念(9),操作系统的性能评价（课本P4，简单了解） 可
5、靠性、可维修性、可用性 系统吞吐量、系统响应时间、系统资源利用率 可维护性、可移植性、开放性等 操作系统的特性 并发性（如正在打印的同时，也在输入数据） 共享性（资源不再由一个程序独占） 不确定性：执行过程、执行结果等的不确定性 虚拟性：虚拟系统、虚拟处理机、虚拟内存、虚拟设备、虚拟文件系统等,第二部分 操作系统的 形成与发展,操作系统的形成与发展(1),手工操作（操作系统的史前时代） 监控程序（操作系统的萌芽） 多道批处理操作的概念（现代意义上的操作系统） 分时操作系统（Time-Share Operating System） 实时操作系统（Real Time OS） 个人操作系统（贴近大众
6、的操作系统） 网络操作系统（Network OS） 分布式操作系统（Distributed OS） 嵌入式操作系统（Embedded OS）,操作系统的形成与发展(2),几个概念 1、单道程序设计及多道程序设计 单道程序设计: 任一时刻只允许一个程序在系统中执行。一个程序执行结束后才能执行下一个程序2、多道程序设计：任何时刻都允许多道程序在系统中同时执行。（特性：多道、宏观上并行、客观上串行）,操作系统的形成与发展(3),多道程序设计,单道程序设计,操作系统的形成与发展(4),3、分时操作系统 概念：用时间片、动态优先数（级）等方式，使CPU轮流为多个用户或任务（程序）服务 分时操作系一般由主
7、机、终端、分时操作系统构成。 主要特点： 多路调制性：多个程序并发执行 独占性：使用户感觉上独占CPU 交互性：利用系统界面（图形、命令）实现人机“会话” 4、实时操作系统：及时响应事件，并在规定的时间内完成对该事件的处理。如生产过程控制、情报检索系统、民航票务系统等。,操作系统的形成与发展(5),5、个人操作系统：如DOS、Windows等 七十年代末到八十年代，个人计算机PC（personal computer）开始出现。 比较著名、市场占有率较高的的个人计算机有苹果AppleII机和IBM PC机。 在Internet上发展起来的Linux操作系统，能在个人计算机上运行。它遵从UNIX的
8、POSIX标准，继承了UNIX的优点，源代码开放，性能卓越，因此将有长足的发展。 6、网络操作系统：将分布在不同区域的计算机通过网络连接起来，以实现资源的共享(C/S),操作系统的形成与发展(6),7、分布式操作系统：能使分布式计算机系统中若干台计算机相互协作完成一个共同任务的系统软件称为分布式操作系统。 特点： 统一的操作系统。 处理机资源共享。 透明性。 自治性。 集群（Cluster）是分布式系统的一种。它由一组互联的主机构成统一的资源进行工作。当其中的个别主机出现故障时，其应用会迁移到其他主机上继续执行。该方法提供了高性能和高可用性。集群功能较易在低成本的微机中实现 。 许多操作系统都
9、推出了集群功能。如HP的HP_UX操作系统，IBM AIX操作系统的HACMP，Linux操作系统，Windows操作系统等。,操作系统的形成与发展(7),8、嵌入式操作系统 对整个智能芯片以及它所控制的各种部件模块等资源进行统一调度、指挥和控制的系统软件称为嵌入式操作系统（Embedded Operating System）。 嵌入式操作系统要具备高可靠性、实时性、占有资源少、成本低等特性。其系统功能可针对需求进行裁减、调整和编译生成。以便满足最终产品的设计要求。 嵌入式操作系统的设计特点为： 配有源程序及可配置的系统模块、具有丰富的同步原语、可选择的各种调度算法、可选择的内存分配策略、定时
10、器与计数器、多种中断处理、多种异常处理、多种通信方式、标准C 语言库、数学运算库和开放式应用程序接口等等。,操作系统的形成与发展(8),手机操作系统 手机的功能已从只具有话音、短信的简单手机，发展到了具有娱乐、办公、上Internet等的智能手机。其上使用的嵌入式操作系统的功能越来越强大。 网络设备中的操作系统 在网络设备中也大量采用嵌入式操作系统。如CISCO 公司在它的路由器、交换机中采用了自行开发的IOS 操作系统。,操作系统的形成与发展(9),操作系统的新技术 微内核结构 多线程 对称多处理（SMP） 面向对象,第三部分 操作系统的 硬件支撑平台,操作系统的硬件平台(1),支持操作系统
11、的基本硬件结构 1、处理机的态及特权指令 系统态：当前CPU上运行的是OS的系统程序 特权指令：只在处理机处于最高级别的态（核态或管态）下方可执行的指令。如CLI、STI、IN、OUT、HALT等 非特权指令：除特权指令外的其他CPU指令 用户态(目态):当前CPU上运行的是用户程序 两种态之间的转换 用户态转换成系统态：系统调用、硬件中断、用户程序出错、非法指令 系统态转换成用户态：中断返回,操作系统的硬件平台(2),常用特权指令 开中断STI、关中断CLI 进程切换、CPU分配，如代码段寄存器CS、指令寄存器IP的值修改指令 主存保护的寄存器存储指令 I/O指令，如IN、OUT 处理机控制
12、指令，如HALT 特权级：80386 CPU采用段描述符中最低2位表示 0级最高(内核级)，3级最低（用户级）。 1级2级，依次为OS服务级、OS扩充级 LINUX系统只使用了0级和3级,操作系统的硬件平台(3),2、时钟 时钟是操作系统得以运行并实现对资源管理必不可少的最重要的硬件设施 时钟分为：绝对时钟和相对时钟 绝对时钟：用于记录当前时间（年月日、时分秒）。每隔一个时间单位加1，关机时依然工作。 相对时钟：又称间隔时钟或定时器，每隔一个时间单位减1，为0时产生时钟中断。 OS依此实施调度 计算各用户所消耗的资源 实现实时控制 实现延迟等等,操作系统是 如何被分配到CPU的？,操作系统的硬
13、件平台(3),3、中断机制 （1）基本概念：中断、中断源、断点、关中断（CLI）、开中断（STI）、保护现场、恢复现场、中断服务程序、中断返回。 （2）中断的分类 按中断源分：I/O中断、外部中断、机器故障中断、程序性中断（异常）、访管中断（自陷） 按系统实现分：硬件中断（非屏蔽、可屏蔽）、自陷中断、异常中断,操作系统的硬件平台(4),（3）中断响应 当CPU收到中断请求时，暂停当前正执行的程序，并自动引出该中断相应的中断处理程序的过程 中断的主要现场：CS、IP、F寄存器（含IF状态） 中断向量表：按一定规则存放所有中断处理（服务）程序的入口地址 中断响应的过程 接受中断，获取中断号 在中断
14、向量表中找出相应的中断处理（服务）程序入口地址 执行该地址所指向的中断处理（服务）程序,操作系统的硬件平台(5),（4）中断处理及中断返回 中断处理（服务）程序一般包含如下三个步骤 保护被中断程序的现场（除CS、IP、状态寄存器F） 中断处理或中断服务 恢复被中断程序的现场，并中断返回（IRET） （5）开关中断（只针对可屏蔽中断） 开中断，即允许中断。指令为STI 关中断，即禁止中断。指令为CLI,操作系统的硬件平台(6),（6）中断机制在操作系统中所起的作用 实时处理紧急事件 实现处理机与外设的并行 实现多道程序之间的切换 为用户提供方便的系统调用接口 寄存器（以80386为例） 8个32
15、位通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP，这些寄存器可用于16位（如AX），也可用于8位（如AH、AL） 6个16位段寄存器：CS、DS、ES、FS、GS、SS，其中SS用于堆栈段，CS是代码段，其余为数据段,操作系统的硬件平台(7),指令寄存器 指令寄存器EIP，32位 总是存放下一条执行指令的地址的段内偏移量 用于16位时为IP 总是与CS配合成CS：IP，或者CS：EIP 标志寄存器EFLAGS 标志寄存器为32位，用于16位时为FLAGS 主要标志位 Bit0：CF，进位标志； Bit2：PF，奇偶标志 Bit4：AF，半进位标志； Bit6：ZF，
16、全零标志 Bit7：SF，符号标志； Bit8：TF，陷进标志 Bit9：IF，中断标志；Bit10：DF，方向标志 Bit11：OF,溢出标志;Bit12-13:IOPL,中断特权值 等等。,操作系统的硬件平台(8),系统级寄存器 4个段基址寄存器 GDTR：指向全局描述符表GDT IDTR：指向中断描述符表IDT LDTR：指向当前使用的局部描述符表LDT TR：指向当前使用的任务状态描述符表TSS 5个控制寄存器 CR0、CR1、CR2、CR3、CR4 其中CR0用于存放系统控制位，CR1为Intel公司留用 CR2用于存放最后访问页面的32位线性地址 CR3用于寻址（地址映射） CR4
17、用于存放其他系统控制位标志,操作系统的硬件平台(9),80386的工作模式 80386提供了三种工作模式：实模式、保护模式、虚拟86模式 由CR0的Bit0（PE）及Bit31（PG）标志位组合定义，PE为1时为保护模式（允许分段），PG为1时为允许分页 参见课本P22表1-2说明 PE.PG=00实，01V86，10保护，11保护0 0 实模式0 1 V86模式，不支持分段、支持分页1 0 保护模式，支持分段、不支持分页1 1 保护模式，支持分段、支持分页,操作系统的硬件平台(10),80386的特权级保护 80386有三种特权级： 描述符特权级（DPL）:段描述符的Bit46,Bit45描
18、述 选择符特权级（RPL）：段选择符的Bit2，Bit1描述 当前特权级（CPL）：当前执行的代码段的特权级，即当前的DPL和RPL 各分为0-3共4个级别，0级别最高，3级别最低。Linux系统只采用了0级(核心级)和3级(用户级),谢 谢 ！,个人计算机的诞生,史蒂文乔布斯和斯蒂芬沃兹尼亚克在车库设计出了Apple个人计算机。1976年共同创立了苹果公司。,蓝色巨人IBM,1946年，IBM造出自己的第一台计算机IBM603，接着在1948年，推出非常成功的604，此后IBM又有不同类型的计算机问世。50年代IBM将精力都放在计算机上，并开始生产中型机。1953年4月7日，IBM公司推出电
19、子管大型机IBM701；1959年，IBM公司推出IBM7090型全晶体管大型机，成为第二代电脑的标志产品。 1964年4月7日，IBM斥资50亿元生产了IBM 360系列电脑，共有6个型号的大、中、小型电脑，正如360代表一个圆的360度那样，全面兼容，而且面向所有用户，IBM360标志着第三代电脑正式登上了历史舞台。 196X年代，IBM拥有82的计算机市场占有率。,IBM的个人计算机PC,1981年，IBM决定联合微软与英特尔共同开始生产民用微型计算机，也就是后来的PC机。1981年8月12日，IBM正式推出IBM 5150，这是一台真正意义上的个人电脑，它的CPU是Intel 8088，主频为4.77MHz，内存仅为64K，而操作系统是微软出品的DOS 1.0，5150的价格高达3005美元。,
