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操作系统 授课教师：李治军 Operating System lizhijun_os@ 综合楼404室 第3章 操作系统概述 Chapter 3: Introduction 什么是操作系统? 所处的“位置”决定着承担的“任务” 大多数受过高等教育的人都知道… 第一步: 去电子商场购买、组装一台机器 硬件 操作系统 应用软件 CPU、内存、磁盘、显示器、键盘… Windows，Linux… 第二步: 找光盘，给这台机器装上操作系统 第三步: 在操作系统上安装应用软件，开始使用 Word，Matlab… 使计算机更好用! 这是操作系统的根本要义!! 为什么操作系统放在那里? 如果那里没有操作系统 操作系统可以：屏蔽细节、统一管理硬件、防止违法操作… 硬件 应用软件 硬件 操作系统 应用软件 用户需要直接操作硬件。需要知道显存位置、知道扫描码… 应用软件需要知道很多硬件信息。需要知道被的应用已经占有哪些内存… 使计算机的使用更加方便、简单、高效… 使计算机更好用—屏蔽复杂性 Windows使得PC机进入了许多家庭… 计算机是一个很复杂的系统: 由许多设备组成: CPU、内存、硬盘、显示器、键盘、鼠标、8259、8042… 每种设备有很多参数、类型: 1M内存、256M内存、64G内存、Pentium CPU、ARM CPU… 让用户(应用程序开发者)掌握上述内容是不可能的! 操作系统负责管理这些硬件设备: 将设备变成一些直观的概念展现给用户，或者根本不让用户知道 使计算机更好用—使硬件高效工作 打开一个文件，当1G内存的Pentium比一个16M内存的586还要慢时… 可能吗? 打开一个2G大小的文件! 一个要从磁盘读入1G数据，另一个要读入16M数据! 可以让1G内存也只读入16M文件(部分文件)吗? 应该可以，其他内存空间呢(1G-16M)? 可以放别的东西 用户需要时刻注意，千万别有错误的jmp和mov，否则会导致: 前面的工作白费、误导的结果… 你也许宁愿选择前面的情况… 什么是操作系统? 操作系统是管理硬件的软件… “目录”管理的是什么硬件? 操作系统是解释执行用户命令的控制软件… 操作系统是，还是… 硬盘某个扇区校验出错要不要管? 这么多是还能成为一个合适定义吗? 描述操作系统做什么比是什么更有意义 操作系统就是操作系统，操作系统没必要定义 操作系统要做什么? 管理所有硬件资源 伟大的冯?诺依曼认为，计算机由五大部件组成:输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器 硬件 操作系统 应用软件 OS需要管理CPU(运算器、控制器) OS需要管理memory(内存) OS需要管理disk(外存) OS需要管理IO(输入/输出设备) 进程管理 内存管理 文件系统 I/O系统 课程核心内容 操作系统要做什么? 管理OS中出现的软件资源 硬件速度不匹配现象常见 ? 缓存区 硬件 操作系统 应用软件 缓存管理，如磁盘缓存等! 课程内容按照硬件管理组织，软件资源的管理渗透在各个章节中 GDT、函数表等 OS用树管理大量信息 典型的如目录管理 OS要抽象?要完成逻辑到物理的映射 OS中会出现许多数据结构 链表、队列、散链表等 操作系统要做什么? 向用户和应用软件提供使用接口 用户输入ls时，OS需要将当前目录下的文件列出 硬件 操作系统 应用软件 可以看出，都是一些细节，它们会让计算机更好用。这些内容也渗透到各章节中 监控用户对计算机的使用 应用程序调用malloc()时，OS需要分配内存 用户按下ctrl+c时，该用户的当前任务将被kill 用户写一个文件时，OS需检查是否有权限 等等…… 等等…… “操作系统做什么”是动态变化的 操作系统的任务会随环境而变化 如实时操作系统—任务响应需满足一定的时限要求 需要多读、多看，开阔眼界: SOSP, OSDI 某些场合要求很严格的时限，如导弹控制 某些场合要求不能太久，如键盘响应 硬实时 软实时 某些场合没有时限要求，如屏保 不需要考虑实时 三种场合下OS所做的工作会有很大差别… 操作系统的任务会随时间而变化 Moore定律表明: 设备体积迅速变小、能力迅速增强 出现了嵌入式设备和嵌入式操作系统 能源管理模块对EOS很重要 本课程集中学习构成OS的基本模块 进程管理、内存管理、文件系统、IO系统四大块 这四个部分就能使操作系统运转起来 即使是这四个基本部分，也可以有多种组合方式… UNIX的整体式OS结构 函数库 系统调用接口 文件系统 进程管理 存储管理 字符设备 块设备 设备驱动 硬件抽象 用户 “微内核”式操作系统结构 压缩内核: 将文件系统、设备驱动等部分从操作系统中移出… 怎么调用这些功能? 将文件读写变成服务(C/S)，内核提供通信 内核 Win32程序 Wi