北京交通大学操作系统讲义

现代操作系统
陈向群等译
机械工业出版社
7/15/2021
北京交通大学操作系统
教材内容删减说明
第三章 处理机调度与死锁
➢ 3.3 实时调度 ➢ 3.4 多处理机系统中的调度
第五章 设备管理
➢ 5.6 磁盘存储器管理
第八章 网络操作系统 第九章 系统安全性
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课程主要内容及教学安排
保护模式内存管理
➢ 内存寻址（分段寻址技术；逻辑地址14+32） ➢ 地址变换（分段[段选择符→段描述符] + 分页） ➢ 内存保护（全局/局部描述符表、特权级）
中断和异常处理
➢ 中断向量与中断描述符表、中断源与异常源
任务管理（任务状态段） 任务切换与过程调用不同！
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1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
7/15/2021
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操作系统的作用(1) 用户与计算机硬件系统之间的接口
命令方式（操作系统外壳）
➢ 面向一般用户 ➢ 命令行/菜单式/命令脚本式/图形用户接口
操作系统其它硬件基础举例说明
内存地址空间布局、基本输入输出系统BIOS CMOS存储器与实时时钟RT I/O端口寻址和访问控制方式
➢ 主要使用独立编址方式，部分使用统一编址方式
中断控制器Intel 8259A、定时计数器Intel 8254 DMA控制器Intel 8237A、键盘控制器Intel 8042 串行控制卡RS-232标准 显示卡MDA/CGA/EGA/VGA 软盘控制器和硬盘控制器
➢ 专用寄存器（PC、链接/栈指针/条件码/循环计数寄存器）
内存架构
➢ 逻辑/虚拟地址空间
A. 线性编址 eg. 0x0000 0000 ↔ 0x8000 0000 ↔ 0xFFFF FFFF
B. 分段编址 eg. 0#~15#分段基址 ↔ 段寄存器值
用户指令 —— 运算型
➢ 内存存取指令、分支跳转指令 ➢ 整数算术、逻辑及移位指令 ➢ 浮点指令
I/O设备
内存
控制/数据
中央 处理器
（a）
I/O设备
内存
数据
数据
DMA
控制器
控制
中央
处理器
（c）
数 据
I/O设备
内存
数 据
控制
中央 处理器
（b）
I/O设备 I/O设备
内存
数据
控制
I/O 处理器
中央 处理器
（d）
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用户指令集体系结构User ISA
寄存器架构
➢ 通用寄存器、特定类型寄存器（如浮点数）
内存地址 翻译部件 软
（11）
软
（12）
控制器
（14）
内存
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计 算 机 系 统 硬 件 组 成
处理器 接口
网卡 局域网
光盘设备
内存 控制器
接口
局部总线 高速I/O总线
控制器
扩展插槽
帧缓冲
硬盘设备 低速I/O总线
软盘设备
监视器
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分段256MB 虚存252B
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特权级别与环结构
用户模式、特权/超级/系统模式
用户模式 系统模式
(a)
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应用程序(用户级)
扩展级
系统服务
内核0#级
1#级 2#级 3#级
(b)
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系统指令集体系结构System ISA
系统寄存器架构
操作系统引论（10学时） 处理机管理（18学时） 存储管理（12学时） 设备管理（8学时） 文件系统（8学时） 操作系统设计实例（8学时）
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第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础 1.3 操作系统用户接口及系统调用实现 1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展 1.6 操作系统的功能与特征 1.7 操作系统的结构设计
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计 算 机 系 统 体 系 结 构
（1）
应用系统
（3）
（4）
驱动程序
操作系统
（5）
内存管理器
（8）
（8）
（2）
例程库
软
（3）
软
（6）
调度器
（8）
（7）
（7）
ISA （7） 指令集
体系结构
执行部件
（9）
（10）
系统互联总线
（11）
控制器
（13）
I/O与联网设备
（10）
系统调用方式（操作系统内核）
➢ 面向程序开发人员 ➢ 形式上类似于过程调用，编制程序中使用
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操作系统的作用(2) 计算机系统资源的管理者
管理对象
➢ 处理器、存储器、外围设备以及信息（数据 和软件）
管理内容
➢ 资源的分配、回收和访问操作 ➢ 记录资源的当前状态（数量和使用情况）、
➢ 系统时钟寄存器、陷入与中断寄存器 ➢ 陷入与中断屏蔽寄存器、页/段表指针寄存器
处理器资源管理支持
➢ 系统调用/返回指令、中断定时器及设置机制
内存资源管理支持
➢ 虚拟地址空间到物理地址空间的映射（页表&TLB）
I/O资源管理支持
➢ I/O设备寻址与I/O指令
陷入与中断
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北京交通大学操作 系统
主要相关课程
先修课程：
数据结构 接口技术、计算机组成原理 汇编语言程序设计 C语言程序设计
并行/后续课程：
计算机体系结构、操作系统实践
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教材
计算机操作系统 汤子瀛 哲凤屏 汤小丹 西安电子科技大学出版社
参考教材
计算机操作系统教程 张尧学 史美林 清华大学出版社
陷入与中断
陷入
➢ 指令执行时因异常情况（如运算溢出、缺页、违规 内存访问、非法操作码等）产生的控制迁移副效应
➢ 陷入流程（异常→设置陷入寄存器→查看陷入屏蔽 寄存器裁决→终止“陷入”指令并置处理器准确状 态→保存程序计数及各寄存器值→处理器置特权模 式并交操作系统控制权→操作系统保存未被硬件保 存的“陷入”进程的关键状态信息，经分析转特定 异常陷入处理例程，待完成返回后恢复现场和转原 “陷入”进程“异常”指令处继续执行）
操作系统对象
（处理机、存储器、设备、文件和作业）
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操 作 系 统 层 次 模 型 细 化
7/15/2021
北京交通大学操作系统
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
相应管理策略（共享、保护及用户权限）
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操作系统的作用(3) 用作扩充机器（或虚拟机）
在裸机上添加处理机管理、存储 管理、设备管理、文件管理、作 业管理、图形化用户接口等功能， 使计算机系统功能显著增强、使 用更为方便
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北京交通大学操作系统
1.1 什么是操作系统
➢ 另“系统调用”式陷入（访管指令int 21H/int 0x80）
中断
➢ 由相对于当前执行进程的外部事件（如I/O操作、定
时）引起，与特定指令执行无关 流程?
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IA-32体系结构举例说明
系统寄存器架构
➢ 标志寄存器EFLAGS（通用标志、系统标志） ➢ 内存管理寄存器GDTR、IDTR、LDTR、TR ➢ 控制寄存器CR0、CR1、CR2、CR3
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作业题
1.1 什么是操作系统？用自己的话谈谈
你对操作系统概念的认识与理解。
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第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础 1.3 操作系统用户接口及系统调用实现 1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展 1.6 操作系统的功能与特征 1.7 操作系统的结构设计
7/15/2021
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操作系统的定义
操作系统是最基本的系统软件， 是一组有效管理和控制计算机 硬件和软件资源、合理地对各 类作业进行调度以组织和控制 系统工作流程，并方便用户使 用计算机的程序的集合。
7/15/2021
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1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
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操作系统举例
MS DOS Windows（NT、9X、200X、Vista） UNIX（Solaris） Linux（RedHat、RedFlag） Novell Netware
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1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
编辑程序/ 汇编程序/编译程序/
数据库管理系统
操作系统
硬件及固件（裸机）
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操作系统在计算机系统中的地位
应用用户
应用开发人员
应用软件 系统工具 操作系统 计算机硬件
操作系统 开发人员
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操作系统的设计目标便使用
操作系统教程 陈向群 杨芙清 北京大学出版社
Windows操作系统原理 尤晋元 史美林 陈向群 机械工业出版社
操作系统基础 屠立德 屠祁
清华大学出版社
操作系统教程 孙仲秀
高等教育出版社
操作系统教程-原理和实例分析 孟静 高等教育出版社
Applied Operating System Concept Abrahan Silberschatz 高等教育出版社 The Design of The Unix Operating System Manrice J.Bach 人民邮电出版社
内存系统Memory Systems
主存Main Memory
➢ RAM & ROM
?
➢ 实际地址空间real address space
A. 或称作物理地址空间，按字节编址Bytes
B. RAM＆ROM
C. 保留用于设备或以后它用
高速缓冲Cache Memories
?
➢ 因内存寻址访问效率和局部性原理而引入
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作业题
1.2 设想由你自己负责组织一个项目团
队来构建操作系统，你应当要求项目成 员事先学习和掌握哪些硬件基础知识？ 并给出你对相关知识的理解与总结。
7/15/2021
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第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 计算机体系结构及操作系统硬件基础 1.3 操作系统用户接口及系统调用实现 1.4 操作系统启动模块及自装入机制 1.5 操作系统的发展 1.6 操作系统的功能与特征 1.7 操作系统的结构设计
➢ 由硬件管理，对软件不可见
7/15/2021
北京交通大学操作系统
高速缓存Cache Memories
关联存储器及置换（淘汰）算法
内存地址 标记tag 偏移地址offset
标记tags
匹配/选择
数据data
7/15/2021
高速缓冲cache
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内存
输 入 输 出 系 统 组 织 方 式
有效性
➢ 通过有效管理和分配软、硬件资源及合理组织计算 机工作流程来改善资源利用率、提高系统吞吐量
可扩充性
➢ 计算机硬件和体系结构的迅猛发展及其所对应的更 高的功能和性能要求
开放性
➢ 不同厂家与不同类型的计算机及其设备的网络化集 成和协同工作，实现应用程序可移植性和互操作性
7/15/2021
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1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
7/15/2021
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操作系统的组成及层次模型
用户接口
（命令接口、程序接口、图形用户接口）
对对象进行操纵和管理的软件集合
（处理机/存储器/设备/文件/作业管理软件）
7/15/2021
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1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
7/15/2021
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计算机系统的组成
计算机系统 (层次结构)
软件
应用软件 系统软件