Computer Operating Systems

前言

https://studentcompetitions.com/posts/10-mooc-websites-to-start-your-free-online-education

64课时(上课56、上机8学时)

教学理论和综合应用相结合
- 基础课程
- 考研的课程
- 应用价值
成绩构成：
- 期末考试占60%
- 平时20%,实验10%,10%期中

参考

Andrew S. Tanenbaum
- 现代操作系统
- 操作系统：设计与实现
William Stallings
- 操作系统精髓与设计原理
汤小丹, 梁红兵
- 计算机操作系统
Orange'S：一个操作系统的实现
Linux内核源代码情景分析
Linux内核完全注释
UNIX环境高级编程（第3版）(圣经)

特点

内容多
- 涉及计算机各个方面
内容抽象
- 不易找到直观形象的例子
概念性强
- 太多的定义
枯燥、授课难度较大

操作系统与学科联系图

规则

随机抽样回答问题
按时完成理论作业以及实际作业
不定期翻转课堂，做好预习

本课程是基于单核单线程无硬件多线程的情况下展开的

绪论

什么是操作系统
操作系统的发展与变革
操作系统万花筒
相关硬件知识
初识操作系统
- 相关概念、层次结构、系统调用…

What is An Operation System

A modern couputer consists of:

One or more processors
Main memory
Disks
Printers
Verious input/output devices

Managing all these components requires a layer of software - the operating system

通过软件、命令行、程序使用操作系统 Kernel mode: 内核模式，可执行特权指令

The Operating System as an Extended Machine

操作系统
- 控制应用程序执行的程序
- 应用程序和计算机硬件间的接口
目标
- 方便：使计算机更易于使用
- 有效：允许以更有效的方式使用计算机系统资源
- 扩展能力：在不妨碍服务的前提下，有效地开发、测试和引入新的系统功能

The Operating System as a Resource Manager

允许多道程序同时执行
管理和保护存储器、I/O设备以及其他资源
多路复用
- 时间（时间片）
- 空间（硬盘分区）

操作系统的历史变革

No OS at all

没有操作系统

Simple Batch Systems（简单批处理系统）

1401将卡纸转磁带，7094将磁带数据读出运算输出到另一个磁带，1401将输出磁带结果打印出来

缺点：不交互，不及时，在简单批处理系统，处理器必须等待I / O指令完成才能继续处理

Multiprogramming (多道批处理)

对多个应用程序控制

多道程序设计示例
- 系统可用内存250MB
- 示例程序执行属性

Heavy compute: 计算密集型 Heavy IO: IO密集型

单道程序设计的系统设备利用率较低, 多道程序设计技术可以显著提高系统设备利用率

吞吐量：单位时间内完成的任务的数量

多道批处理系统——简单批处理系统的改进
- 内存中同时存放多个作业
- 多个作业可并发执行
- 作业调度程序负责作业的调度
多道批处理系统的硬件支持
- 中断(中断控制器)
- DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)（通道）
- (排队仲裁器)等
多道批处理系统的特征

多道性：内存中同时驻留多道程序并发执行，从而有效地提高了资源利用率和系统吞吐量

调度性：作业调度、进程调度

无序性：作业的完成顺序与它进入内存的顺序之间无严格的对应关系

无交互能力
需要解决的基本问题(现代操作系统的功能)
- 内存管理
- 处理机管理
- 作业管理
- I/O设备管理
  - 防止IO死锁
- 文件管理
特征
- 多道性、无序性、调度性
优点
- 提高了资源利用率和吞吐能力。
缺点
- 平均周转时间长，没有交互能力

调度算法的评价指标

利用率 $$ 利用率=\frac{工作的时间}{总时间} $$
系统吞吐量 $$ 系统吞吐量=\frac{总共完成了多少到作业}{总时间} $$
周转时间

$$ 周转时间=作业完成时间−作业提交时时间 $$

$$ 平均周转时间=\frac{作业1的周转时间+...+作业n的周转时间}{n} $$

$$ 带权周转时间=\frac{作业周转时间作业}{实际运行时间} $$

$$ 平均带权周转时间=\frac{作业1的带权周转时间+...+作业n的带权周转时间}{n} $$

等待时间
- 进程/作业等待被服务的时间之和
$$ 等待时间=周转时间-运行时间 $$

$$ 平均等待时间=\frac{等待时间}{总数} $$
响应时间
- 从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。

An operating system (OS) is system software that manages computer hardware and software resources and provides common services for computer programs.

分时系统

产生原因

人机交互、共享主机、方便上机
分时系统
- 采用多道程序设计技术处理多个交互作业
- 多个用户共享处理器
- 多个用户通过不同终端同时访问系统
分时系统的特点
- 多路性：多个用户分时使用一台计算机。
- 独立性：独立运行，不混淆，不破坏。
- 及时性：系统能在很短的时间得到回答。
- 交互性：能实现人机对话

批处理系统多道系统程序设计与分时的比较

	批处理系统多道系统设计	分时
主要目标	充分利用处理器	减小响应时间响应时间：用户提交作业开始，到系统第一次响应用户请求为止
操作系统指令源	作业控制语言命令作业提供的命令	终端键入的命令

实时系统

概念

系统能及时（即时）响应外部事件请求，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。

及时：允许时间内响应

即时：立刻马上响应
应用领域
- 航空航天
- 军事
- 工业控制
实时系统的分类
- 软实时系统：要求一定的实时性，产生后果较小
- 硬实时系统：高要求的实时性
实时系统与分时系统比较
- 应用领域
- 响应速度
- 调度准则
  - 实时系统：优先级

Computer Hardware Review

关于计算机组成原理和体系结构

David A.Patterson
- http://www.cs.berkeley.edu/~pattrsn/
John L.Hennessy
- http://www.stanford.edu/~hennessy/

CPU

CPU Pipelining

(a) A three-stage pipeline.

graph LR
A[Fetch unit] --> B[Decode unit]
B --> C[Execute]

Loading

(b) A superscalar CPU.

graph LR
A[Fetch unit] --> B[Decode unit]
C[Fetch unit] --> D[Decode unit]
B --> E((Holding buffer))
D --> E
E --> F[Execute unit]
E --> G[Execute unit]
E --> H[Execute unit]

Loading

Multithreaded and Multicoe Chips

(a) A quad-core chip with a shared L2 cache. Core左上角黑色为一级缓存，所有core共享一个缓存 (b) A quad-core chip with separate L2 caches.

Memory

![typical memory hierarchy](操作系统.assets/typical memory hierarchy.png)

不同存储介质之间，读写速度不同，但又有频繁的交流，所以需要缓存

缓存要考虑的问题：导入导出的时间和位置

Disks

IO Devices

![The steps in starting an I/O device and getting an interrupt](操作系统.assets/The steps in starting an IO device and getting an interrupt.png)

Buses

![The structure of a large Pentium system](操作系统.assets/The structure of a large Pentium system.png)

The Operating System Zoo

Mainframe operating systems （大型机）
Server operating systems（服务器）
Multiprocessor operating systems（多处理器）
Personal computer operating systems（个人计算机）
Handheld operating systems（掌上电脑）
Embedded operating systems（嵌入式）
Sensor node operating systems（传感器）
Real-time operating systems（实时操作系统）
Smart card operating systems（智能卡系统）

Operating System Comcepts概念

进程 Process

本质上是一个正在执行的程序
- 有自己的活动状态
  - 未响应（可能情况）：运行错误，等待输入，资源不足
OS通过进程表来维护进程
- 如何维护？进程列表：进程状态，进程资源...
- 要考虑哪些问题？

进程树

![A process tree](操作系统.assets/A process tree.png)

地址空间 Address Space

一个程序可以使用的地址的集合
思考：
- 一个进程的地址空间是否可以大于主存自身的空间？可以
  - 64位最大地址空间有 $$ 2^{64}bit = 128GB $$
  - 进程的地址空间大小，不是进程的实际大小(没有被装载进主存的程序会)
  - 地址范围不是真实的，是虚拟地址的范围，有时甚至会超过实际物理内存的大小
- 若干个进程地址空间之和是否可以大于主存自身的空间？

文件 File

文件系统
目录
路径
- 绝对路径
- 相对路径
文件的访问
- 权限

一个文件系统

安全 Security

数据应该受到保护
- 存储
  - 访问保护、反病毒保护、实体安全保护
- 处理
- 传输
  - 完整、机密、认证、非否认（接收方/发送方检测是否接收/发送）

Shell

操作系统的壳

用户与OS之间的接口

Unix：sh、bash
Windows：command.exe

系统调用 System Call

可以深入到内核的一个特殊过程调用
系统调用的过程
- 假设用户在用户态下执行程序，需要系统服务
- 执行一个系统调用指令
- 操作系统进行参数检查，找到所需进程，转移控制权
- 执行系统调用
- 返回到用户态

Process Management

操作系统的功能

操作系统应具有五方面的功能：

处理机(CPU)管理
存储器(内存)管理
设备管理（嵌入系统中可能没有）
文件管理（嵌入系统中可能没有）
方便用户使用的用户接口，人机接口

处理机管理功能

处理机管理的主要功能：按照一定的算法把处理机分配给进程（线程），并对其进行有效的管理和控制。

进程控制

进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。
进程同步
- 进程同步的主要任务是为多个进程的运行进行协调。
- 两种协调方式：
  - 进程互斥方式，这是指诸进程（线程）在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；
  - 进程同步方式，指进程相互合作去完成共同的任务时，诸进程之间的协调。
- 实现进程同步采用信号量机制。
进程通信

进程通信——是进程之间的信息交换。

当相互合作的进程（线程）处于同一计算机系统时，通常在它们之间是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令直接将消息（message）挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。
调度
- 在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能执行。
- 在操作系统中作业运行需经作业调度和进程调度才能执行完成。
  - 作业调度是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源，将它们调入内存后，为它们建立进程，插入就绪队列。
  - 进程调度是从进程的就绪队列中选出一新进程，把处理机分配给它，使进程投入执行。
- 长程（作业队列需要选择作业创建进程），中程（对换（存储器，disk），短程（针对进程可能属于同一个作业，选择若干个进程中选择运行）

存储器管理功能

存储器管理的主要任务：

为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。

内存分配
- 内存分配有两种方式：
  - 静态分配方式，每个作业运行之前分配好内存空间，在作业的整个运行期间不再改变。
  - 动态分配方式中，每个作业在运行前或运行中，均可申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨。
- 内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：
  - 内存分配的数据结构，该结构用于记录内存空间的使用情况。
  - 内存分配功能——为用户程序分配内存空间；
  - 内存回收功能——当用户不再需要的内存时，系统能回收内存的功能。
内存保护
- 内存保护的主要任务：
  
  是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：
  
  是设置两个界限寄存器，越界检查都由硬件实现
地址映射

地址空间 ——目标程序或装入程序限定的空间，称为“地址空间”。单元的编号称为逻辑地址，又称为相对地址。

内存空间——由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。

地址映射——运行时，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址，称为地址映射。
内存扩充
```
$dir /a agefile.sys #内存的换进换出作为虚拟内存的一部分
```
- 借助于虚拟存储技术
  
  从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多；
- 扩充内存必须具有内存扩充机制：
（1）请求调入功能。在程序运行过程中，若所需的程序和数据尚未装入内存，可由OS从磁盘中将所需部分调入内存，继续运行。

（2）置换功能。将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调出到磁盘上，然后再将所需调入的部分装入内存。

设备管理功能

设备管理的主要任务：

是完成用户进程提出的I/O请求

为用户进程分配其所需的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
设备管理具有的功能：

缓冲管理：有效地缓和CPU和1／O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。

对于不同的系统，可以采用不同的缓冲区机制
设备分配

1.设备分配的基本任务，是根据用户进程的I／O请求，按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。

2.为了实现设备分配，系统中应设置设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态，以供进行设备分配时参考。

3.不同的设备类型（独占、共享）而采用不同的设备分配方式。
设备处理
- 设备处理程序又称为设备驱动程序。
- 设备处理其基本任务：是用于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I／O命令，要求它完成指定的I／O操作；反之由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。
- 处理过程：检查请求的合法性→设备空闲否？→向控制器发I/O命令→启动I/O执行。

文件管理功能

文件管理的主要任务：是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。
文件管理的主要功能：

文件存储空间的管理 ——是对诸多文件及文件的存储空间，实施统一的管理。基于数据结构（MCB）对存储空间进行分配和回收的功能。
目录管理

为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织与管理（例如，按名存取，文件共享）。
文件的读／写管理和保护
1. 文件的读／写管理：是根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存。
2. 文件保护：即存取控制功能：
  1. 防止未经核准的用户存取文件
  2. 防止冒名顶替存取文件
  3. 防止以不正确的方式使用文件。

用户接口

命令接口——用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。
- 联机用户接口：这是为联机用户提供的，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。
- 脱机用户接口：用户用JCL把需要对作业进行的控制和干预，事先写在作业说明书上，然后将作业连同作业说明书一起提供给系统。当系统调度到该作业运行时，再调用命令解释程序，对作业说明书上的命令，逐条地解释执行。该接口即为批处理接口。
程序接口
- 该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。
- 它是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，每当应用程序要求OS提供某种服务（功能）时，便调用具有相应功能的系统调用。
- 不同的系统其调用形式不同。
图形接口
- 图形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（icon）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。用户可用鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应用程序和文件的操作。

操作系统的结构

没有一种结构是标准的，没有一种结构是完美的

结构：单体系统、层次结构、微内核、客户机-服务器、虚拟机、Exokernel（外核）

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