课程操作系统部分 -- 主要内容安排
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课程操作系统部分 -- 主要内容安排. 1 操作系统引论 2 进程描述与控制 3 存储管理 4 进程同步与通信 5 进程调度与死锁 6 设备管理 7 文件管理. 第 1 章 操作系统引论. 1.1 计算机系统概观 计算机系统组成 计算机的工作原理 OS 的地位、目标和作用 1.2 OS 的发展简史与趋势 1.3 OS 的主要功能、特征与分类 1.4 研究 OS 的主要观点和方法. 补充部分必要的微机原理知识. 计算机系统组成. 计算机系统组成. 一种简明计算机组成模型(示意图). 8259A 引脚. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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课程操作系统部分 -- 主要内容安排
1 操作系统引论2 进程描述与控制3 存储管理4 进程同步与通信5 进程调度与死锁6 设备管理7 文件管理
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第 1 章 操作系统引论
1.1 计算机系统概观 计算机系统组成 计算机的工作原理 OS 的地位、目标和作用
1.2 OS 的发展简史与趋势1.3 OS 的主要功能、特征与分类1.4 研究 OS 的主要观点和方法
补充部分必要的微机原理知识
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计算机系统组成
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计算机系统组成
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一种简明计算机组成模型(示意图)
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8259A 引脚
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8086CPU 引脚
Intel8086: 16位 CPU, 16位寄存器 ,16位数据总线,
20位地址总线,具有 1MB的寻址能力。
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8086 内部结构
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计算机系统组成
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8086 的存储器组织模型 (1)
FFFFFh
00000h
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8086 的存储器组织模型 (2)
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8086 的存储器组织模型 (3)
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堆栈段 (stack segment) 的组织模型
堆栈是在存储器中开辟的、用来暂时保存数据的一个区域(段)。 堆栈段的基址 SS 指示,段中当前单元位置
(栈顶)由 SP 指示,栈底地址值通常用 BP保存 。
栈底设在内存高地址,每压栈 1次 ( 存入一个字 ), SP=SP-2, 即虽压栈的进行,堆栈地址由高向低增长。
空栈时, SP 恰好在栈底,即栈顶与栈底重合。 压栈指令: push reg|内存单元地址 |立即数 出栈是压栈的反操作,指令为: pop xxx 压栈与出栈指令要匹配对应,且总是后进先出。
81000H
高地址
ß SS80000H
低地址
准备执行 push ax之前(假设ax的值为35)
栈底00
ß SP 栈顶栈增长方向
2012
ß SS
准备执行 push ax之后(假设ax的值为35)
栈底00
ß SP 栈顶
201235
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冯诺依曼计算机工作模型
诺依曼计算机工作模型或存储程序工作模型 存储器用来容纳程序和数据; 程序由指令组成,并和数据一起存储在计算机内存中。
• 指令按顺序、转跳和循环三种基本方式组织。 机器一起动,就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储
器中读出来逐条解释执行,自动完成程序所描述的处理工作。
指令指针( CS:IP )指示当前执行指令,执行完成指针会自动调整到下一条指令。
• 当前指令指针指向的内存中程序,被认为拥有机器控制权。
任何计算机都拥有自己的一套基本指令系统,高级语言程序最终需经专门的编译程序,翻译为基本机器指令。
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8086 指令系统
数据传送指令 MOV, PUSH/POP, IN/OUT, STOSB…
算术运算指令 ADD,SUB,INC,DEC,MUL,DIV,….
逻辑和移位运算指令 AND,OR,XOR,NOT, TEST, SAL,SHL,…
字符串运算指令 Movs,cmps,lods/lodsb/lodsw,stosb,….
控制转移指令 jmp,call/ret/retf, loop,int/iret/iretd, jc/jnc, jz/jnz,
jae/jnae,… 处理器控制指令
sti/cli, std/cld,hlt, clc/cmc/stc,…
1 0 0 0 1 0 D W MOD REG R/ M
操作码
方向位
字节/字
该指令有两个操作数,其中至少1个是REG,另一个可以是REG或MEM (R/ M)
R/ M(3位)+REG(2位)+MOD(3位寻址模式编码)共同确定指令第二字节
内存寻址模式: 立即寻址 MOV AL, 88H 直接寻址 MOV AX, ES: [500H] 间接寻址 MOV BX, mvar[SI ][DI ] MOV BX, DS: [SI ]
指令编码示例
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中断与异常机制
程序执行过程中的强制转移,转到相应的处理程序 中断 : 硬中断 (8259A) 和 软中断 ( 执行指令: int n) 异常:执行某条指令出现了异常,如被 0 除、 NMI 、溢出…
硬中断是异步、随机事件;而软中断与异常是同步事件;实现中断机制的要素
中断源;中断向量表 特殊指令: INT xx; IRET/IRETD; 控制 8259A 专用指令 STI/CLI
中断处理过程或步骤 保护现场 ( 标志寄存器 ,CS,IP 压栈 ; 特定寄存器压栈 ); 根据中断源类型,查中断向量表,获取中断处理程序开始
地址 ; 长跳转移到中断处理程序 ; 执行 IRET ,恢复原被中断现场。
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用汇编语言实现中断
; 中断处理子程序SERVICE PROC FAR PUSHAD ; 保护现场 PUSH DS STI ; 打开中断 …… ; 中断处理程序主体中断处理程序主体 …… CLI ; 关闭中断 MOV AL, 20H OUT 20H, AL ; 发中断结束命令 POP DS ; 恢复现场 POPA IRETSERVICE ENDP
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32 位微处理机器
Intel8086 16位 CPU, 16 位寄存器 ,16 位数据总线; 20 位地址总线,具有 1MB 的寻址能力。
Intel80386从 80386 开始, Intel家族的 CPU 进入
32 位时代,具有 32 位地址总线,寻址能力可达 4GB 。
有实模式、保护模式和虚拟 8086(V86)三种工作模式。
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保护模式的特点
采用了全新的、基于分段和分页内存管理技术; 可寻址 4G 的内存空间; 允许使用虚拟存储。
支持并发执行多任务;引入特权级 (privilege level/ring) 的概念
共分四个特权级,即 0 级、 1 级、 2 级和 3 级; 第 0 级权限最大,常被作为系统内核代码段的
权级,具有实模式下代码的同等权限; 3 级权限最小,常被作为用户级代码段的权级。
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80386 的寄存器体系
加载专用指令LGDT mem48LIDT mem48LLDT reg16/mem16LTR reg16/mem16
请求特权级
=0 描述符在 GDT中=1 描述符在 LDT中
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保护模式下的段描述符
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保护模式下的段式寻址过程
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保护模式下中断处理程序的定位过程
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操作系统的定义
是计算机系统的一个系统软件;是一些具有如下功能的程序模块的集合:
能有效地组织和管理计算机硬件和软件资源 能合理组织计算机的工作流程,控制程序的执
行; 能透明地向用户提供各种服务功能,使用户能够灵活、方便地使用计算机,使整个计算机系统能高效地运行。
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操作系统的目标与作用
操作系统的目标(质量模型) 方便性(方便,易学、易用) 有效性(有效利用和管理各类系统核心资源,提高系
统的利用率和吞吐率) 可扩充性(可修改性,可扩展性好) 开放性(移植性,互操作性好)
操作系统的作用 作为计算机系统资源的管理者; 作为用户与计算机硬件系统之间的接口; 用作扩充计算机硬件系统 (应如何理解或说明?)
操作系统结构模型 一般采用基于特权级保护的层次化结构模型
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1.2 操作系统的发展过程( 1 )
人工操作方式 对应第一代计算机,无OS; 用纸带机加载程序信息到主存; 特点:用户独占计算机资源,资源利用率低( CPU 要等待人工操作,经常空闲)
脱机输入输出技术 引入目的:解决人机矛盾,以及 CPU 与低速 I/O
设备间速度不匹配;减少 CPU 的空闲等待时间。
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1.2 操作系统的发展过程( 2 )
人工操作方式 脱机输入输出技术单道批处理系统
监督程序• 驻留内存;• 自动加载外部作业,实现系统的自动、不间断连续运行• 但当当前执行程序有 I/O服务请求时, CPU仍要空闲
特征:自动性、顺序性和单道性 多道批处理系统
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1.2 操作系统的发展过程( 3 )
多道批处理系统 多道程序设计技术 用户提交作业先在外存排队,然后由作业调度程
序按一定的算法从队列中选择若干作业载入内存,并允许它们并发(交替)执行。
引入多道程序设计技术后,可带来如下的好处 •提高系统 (CPU 、内存和 I/O 设备 ) 的利用率 ;•充分发挥 CPU 与外设并行工作的能力;•提高系统的吞吐率
特征:多道性、无序性和调度性 优缺点及需要解决的问题
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分时操作系统
分时操作系统形成和发展的动力 实现人机交互;共享或充分利用主机;便于用户上机
分时 OS 实现要解决的关键问题 及时接受
• 多路卡;每个终端配备可暂存用户命令的缓冲区 及时处理
• 所有用户作业要直接进入内存;• 每个用户(作业)应在较短的时间内得到响应处理的“时间片”;
分时系统的实现方法 单道分时处理系统 具有“前台”和“后台”的分时系统 支持多道程序设计的分时系统
特征 :多路性、独立性和交互性;
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实时操作系统
实时 OS 的引入目的(主要应用领域) 实时控制 实时信息处理――要求对信息进行及时处理
实时任务的类型 按是否有周期性划分; 按截止时间要求严格与否划分(硬、软任务);
实时系统的基本特征 具有多路性、独立性、交互性、及时性和可靠性等特征 .
分时操作系统和实时操作系统的出现,使得OS 步入实用化
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可移植操作系统―― UNIX革命
UNIX 是现代OS 的代表, 20世纪 60年代末,由贝尔实验室首先设计完成;随后整个 UNIX用C 语言重写。
其源代码开放。运行时具有安全性、可靠性以及强大的计算能力。UNIX 出色的设计思想和实现技术,对后来 OS
发展有着广泛而深入的影响,至今它仍然是 OS课程学习的重要内容。
UNIX新家族系列 目前较流行的 LINUX、 XINUX…… Ubuntu : 官方网站 http://www.ubuntu.com Cygwin : 官方网站 http://www.cygwin.com
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UNIX 系统的特点
内核和外层有机结合。内核小、简洁,常驻内存,保证系统高效运行;外层包含非常的实用程序和丰富的支持软件--各种工具容易串接组合。
可移植性、可扩展性好和安全性好; 是一个支持多任务多用户系统 开放源代码----------------------WINDOWS
多任务操作环境 图形化工作环境和用户界面,界面友好(傻瓜机) 属于准微内核体系,兼顾性能和效率
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网络操作系统
计算机网络中,各台计算机配置各自的OS ,而网络OS 把它们有机联系起来,用统一的方法管理整个网络中的共享资源。
网络OS 除了具备单机 OS 功能外,还应具备网络通信能力和网络服务能力。
网络用户只有通过网络OS才能享受网络所提供的各项服务。
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分布式操作系统
分布式操作系统是为分布计算机系统配置的 OS 。按分布方式,分布式计算机系统常可分为两类: 建立在多处理机上的紧密耦合分布式系统; 建立在计算机网络基础上,松散耦合的操作系
统。 与网络OS 相比,更重于任务的分布性,即把一
个大的任务分为若干个子任务,分派到不同的处理站点上去执行。
有强壮的分布式算法和动态平衡各站点负载的能力
它是网络OS 的更高形式,具有强大的生命力。
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当代OS 的两大发展方向
微型化方向 典型代表:嵌入式的 OS ,运行在嵌入式环境中。
大型化方向 典型代表:分布式 OS 和机群 OS 分布式并行机,由多个连接的 CPU 组成,在整个系统
的控制下可合作执行一个共同任务; 机群 OS则用于由多台计算机松散组成的机群;
最新发展:云计算技术! 一种超大规模、高度虚拟化计算模型
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1.3 操作系统的主要功能概述
一、处理机管理(进程与线程管理) 主要任务是对 CPU 的分配和运行实施有效管
理 具体功能包括
• 进程控制:负责进行的创建、撤销和状态转换
• 进程同步:对并发执行的多进程进行协调• 进程通信:负责完成进程间的信息交换• 进程调度:按一定的算法进行 CPU 分配
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1.3 操作系统的主要功能概述
二、存储管理 主要任务是对内存进行分配、保护和扩充 具体功能
• 内存分配:按一定的策略为每道程序分配内存
• 内存保护:保证各程序在自己的内存区域内运行不受其它并发执行程序影响。
• 内存扩充:为允许大型作业或多作业并发运行,必须借助虚拟存储技术来获得更大“虚拟”内存
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1.3 操作系统的主要功能概述
三、设备管理 是 OS 中最庞杂、最琐碎部分 应具有的基本功能包括
• 设备分配:按一定原则对设备进行分配。为使设备能与主机并行工作,需大量采用缓冲技术和虚拟技术
• 设备传输控制:实现物理设备的 I/O 操作,包括启动、中断处理和结束处理等操作。
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1.3 操作系统的主要功能概述
四、文件管理 OS 中负责信息管理部分称为文件系统 主要功能包括:
• 文件的存储空间管理(分配、回收)• 目录管理:目录是为方便文件管理而采用的
基本数据结构,它能提供“按名存取”功能。• 文件操作管理:实现文件的基本操作,包括打开、关闭、读、写等。
• 文件保护:提供文件安全保护的有关功能和设施。
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1.4 研究操作系统的主要观点与方法
虚拟机的观点资源管理的观点软件的观点进程的观点
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虚拟机(扩展机)观点
是对 OS 一种由顶向下的俯视。装有 OS 的计算机极大地扩展了原有计算机的功
能。把包含由各种硬件、复杂底层操作细节隐藏起来,使得用户的操作和使用,由复杂变得简单,由低级操作变为高级操作,把基本功能扩展为多种功能。
在裸机上装上OS 后,对用户来说好像是得到了一个扩展的,使用更方便的计算机。
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资源管理的观点
是目前对 OS 描述的主要观点,是一种对 OS 功能位置由地向上的观察的观点。
把资源分为软、硬件资源,硬件资源又包括CPU, 主存、输入输出设备。相应的 OS 就有处理机管理、内存管理、设备管理,和针对软信息资源—文件的磁盘管理 /文件管理