操作系统原理.60页PPT

分时操作系统
分时操作系统采用时间片轮转的方式处理 多个用户的请求，保证了每个用户都能得 到及时的响应。
网络操作系统
网络操作系统具有强大的网络管理功能， 支持多种网络协议和网络服务，使得计算 机网络更加高效、可靠、安全。
实时操作系统
实时操作系统能够在规定的时间内对外部 输入的信息做出处理，并控制所有实时设 备和实时任务协调一致地工作。
动态分区
根据作业的大小动态地建 立分区，使分区大小正好 适应作业的需要。
分区的分配与回收
采用一定的算法将空闲分 区分配给请求者，当作业 完成后将作业占用的分区 回收。
页式存储管理
01 02
基本思想
将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页，而物理内存划分为同样大 小的页框。程序加载时，可将任意一页放入内存中任意一个页框，实现 离散分配。
中断处理的概念
中断处理是指当设备发出中断请求时，CPU暂 停当前任务并转去处理中断请求的过程。
ABCD
设备驱动程序的功能
包括设备的初始化、设备的打开和关闭、设备的 读写以及设备的状态查询等。
中断处理的流程
包括中断请求的响应、中断服务程序的执行以及 中断返回等步骤。
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操作系统安全与保护
操作系统安全概述
THANKS
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访问控制与安全策略
访问控制机制
操作系统通过用户认证、文件权限、访问控制列表（ACL）等机制 实现访问控制，防止未经授权的访问。
安全策略实施
操作系统应实施强制访问控制（MAC）、自主访问控制（DAC） 等安全策略，确保只有经过授权的用户才能访问敏感资源。
审计与监控
操作系统应具备审计和监控功能，记录用户的操作行为，以便事后分 析和追责。

操作系统原理及应用 （Windo1.1 操作系统概述
1.1.1 什么是操作系统 1.1.2 操作系统的地位 1.1.3 操作系统的功能
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1.1.1 什么是操作系统
我们都知道，一个计算机系统由系统软件组成，系统 硬件包括中央处理器（CPU）、内部存储器、输入/输出设 备等，系统软件包括操作系统、各种语言处理程序、系统 实用程序等。一台没有任何软件支持的计算机称之为裸机， 用户直接使用裸机来编制和运行程序是相当困难的，几乎 是不可能的。必须有计算机厂商提供的系统软件的支持， 计算机系统才能为用户程序提供一个良好的编制与运行环 境。因此，实际呈现在用户面前的计算机系统已是经过若 干层次软件改造的计算机。操作系统是直接控制和管理计 算机硬件、软件资源的最基本的系统软件，用以方便用户 充分、有效地利用资源并增强整个计算机的处理能力。
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还可使各种外围设备之间并行工作。即这种大、中、 小型计算机系统是以CPU 和I /O系统之间以及各I /O 设备之间尽可能地并行工作来组织硬件系统, 以换取 更高的性能/价格比的。微型计算机系统普遍采用总 线结构，以使扩充灵活、维护方便。CPU 通过系统总 线（含地址、数据和控制信息）与存储器、Ｉ/O接口 相连，各种外围设备通过Ｉ/O接口挂接到系统总线上。 例 如 ， IBMPC 和 PC/XT 微 型 计 算 机 使 用 的 标 准 PC 总 线 （62引脚）支持8位数据传输和20位地址，IBMPC/AT 微型计算机使用的扩展PC总线（62＋36引脚）支持16 位数据传输和24位地址在IBMPC系统微机中，是将接 口控制卡（适配器卡）插入机箱内的“Ｉ/Ｏ扩展槽” 与系统总线连接，Ｉ/Ｏ扩展槽也称为Ｉ/Ｏ通道，但 它实际上只是系统总线的延伸。
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Shared variable: int total : = 0 ;
p0,p1:
{
int count;
for (count=1; count <=50; count++)
total = total + 1 ;
} total可能的结果？ 最大值？最小值？ 注意total是两个进程都可以访问的共享存储单元，不同于一般 程序中的全局变量
Monolithic：内核中所有的子系统运行在相同的特 权级(privileged mode），拥有相同的地址空间，通 信采用常规C函数调用的形式。
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四、操作系统的硬件支持
▪ 特权级（区分OS与应用程序的权限） ▪ MMU ▪ Cache ▪ 中断
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五、系统调用
▪ 操作系统提供给应用程序的一个接口，使得应用程序能够获得 操作系统的服务
✓ 一次只能由一个进程访问的资源 临界区(critical section)
✓ 访问临界资源的代码段称为临界区（CS）
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互斥(mutual exclusion) ✓在一个时刻最多只有一个进程在临界区
同步(synchronization) ✓协调需要访问临界资源的进程，否则会导致race condition （竞争条件） 如：两进程 p0,p1，都通过下面的代码访问一个共享的存储单 元:
进程中的线程共享进程资源，但拥有私有堆栈及线程控制 块(TCB，存储寄存器值、优先级及其他线程状态信息) 核心级线程（KLT：kernel-level thread） ✓ 应用程序通过API调用核心线程管理例程(kernel thread
facility)来管理： 需要进行模式切换
✓ 是OS调度的基本单位 ✓ 线程阻塞不会导致整个进程的阻塞 ✓ 在多处理器环境下，内核可使线程在不同的处理器上

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三、推动操作系统发展的主要动力
1、不断提高计算机资源利用率 2、方便用户 3、器件的不断更新换代 4、计算机体系结构的不断发展。
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1.2 操作系统的发展过程
一、无操作系统的计算机系统
1、人工操作方式 （1946 ~ 50年代，电子管时代）
• 【特点】：计算机资源昂贵 ，没有操作系统 • 【工作方式】：
一、并发性(concurrency)
多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一 个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的 并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并 行(parallel)是指在同一时刻发生。 – 在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替
执行（在单处理器情况下） 。 – 程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是
– 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率 – 用户独占全机的所有资源；
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2、脱机输入/输出方式 引入外围机控制数据的提前录入和延后输
出，具体参照P5 图1-2
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二、单道批处理系统
1、单道批处理系统的处理过程 引入监督程序，成批的作业首先在外存排队等待，
由监督程序负责将每一个作业装入内存，处理完 成后，再掉调入下一个作业，直至运行完毕。 2、单道批处理系统的特征 自动性 顺序性 单道性
– 实时信息处理系统：要求计算机能够在容许的延迟时 间内，相应外部的事件请求，完成对该事件的处理， 并控制所有的实时设备和实时任务协调运行。如飞机 订票系统, 期货、股票交易系统等。
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3、实时系统与分时系统的比较 （1）多路性 （2）独立性 （3）及时性 （4）交互性 （5）高可靠性
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1.3操作系统的基本特性
– 用户：用户既是程序员、操作员，还是计算机专业人员； – 编程语言：为机器语言； – 输入输出：纸带或卡片； • 【计算机的工作特点】： – 用户独占全机：用户独占计算机所有资源，资源利用率低； – CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工

交互式分时处理
•一台计算机，多个便宜终端 - 所有用户可与系统立即交互 - 调试比较方便
•磁盘便宜，故可在线存放程序和数据 - 1 张穿孔卡片 = 100个字节 - 1 MB = 10K卡片 - OS/360 有若干英尺长度的卡片
•新问题 - 易于使用，提高人的生产力 - 合理的响应时间 - 引入文件系统，使用户可存取数据
操作系统特征
共享：
操作系统与多个用户的程序 共同使用计算机上的资源
操作系统特征
随机性：
操作系统必须随时对以不可预测的 次序发生的事件进行响应
考虑周密、设计适当
1.4 操作系统的发展
操作系统发展是随着计算机硬件 技术的发展而发展的 目标：充分利用硬件
1.4.1 概述
操作系统历史划分为4个阶段
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第 0 阶段 硬件非常昂贵，没有操作系统
增加：存储保护，重定位 利用率高（多个作业） 有必要采用并发程序设计技术 操作系统成为研究焦点：需要处理复杂
性
•首次面对重大失败：
- MULTICS 于 1963 年开始， 直至 1969 年才发布
- IBM 的 OS/360 发布时， 带着已知的 1000 个错误
•早期计算机：单控制方式
- CPU负责计算，也负责传输
控制台
一个用户
• 一次完成一个功能（计算，I/O，用 户思考/反应）
• 程序通过卡片装入 • 用户在控制台前调试程序
•工作效率非常低
•每一用户都要自行编写涉及到硬件的 源代码
•工作量大，难度高，易出错，需要 大量人力和物力
第 1 阶段 硬件昂贵，人力便宜
简单批处理：装入程序、运行、打印 结果、撤出、再重复 •用户把程序（卡片或磁带）交给负责

目录是文件系统中存储文件信息的数据库，它记录了文件的名字、位置、大小、 创建时间等信息。
目录结构
常见的目录结构有单级目录结构、二级目录结构和多级目录结构。多级目录结构 又称为树形目录结构，它以根目录为起点，各级子目录为分支，构成一棵倒置的 树。
文件操作与访问权限
文件操作
常见的文件操作包括创建文件、打开 文件、读/写文件、关闭文件和删除 文件等。
通过身份认证和权限管理，控制用户对系统资源的访问。
访问控制的实现方式
自主访问控制、强制访问控制、基于角色的访问控制等。
访问控制的应用场景
文件系统保护、网络访问控制、数据库安全等。
加密技术
加密技术的基本概 念
通过加密算法将明文转换为密文，以保护数据的机密性。
加密技术的分类
对称加密、非对称加密、混合加密等。
访问权限
为了保护文件的安全性和完整性，操 作系统通常会对文件的访问权限进行 控制。访问权限一般分为读权限、写 权限和执行权限三种。
文件共享与保护机制
文件共享
多个用户或进程可以同时访问同一个文件，这称为文件的共 享。为了实现文件共享，操作系统需要提供相应的共享机制 ，如基于索引节点的共享方式。
文件保护
根据进程的服务时间进行调度，服务时间短的进程优先得到服务。
优先级调度算法
根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先得到服务。
时间片轮转（RR）调度算法
将CPU时间划分为固定大小的时间片，每个进程分配一个时间片，轮 流执行。
进程同步与通信
进程同步
多个进程在执行过程中需要协调其推进速度，以保证正确的执行顺序和结果。常见的同步 机制有信号量、管程和消息传递等。
为了防止对文件的非法访问和破坏，操作系统需要采取一定 的保护措施。常见的文件保护机制有口令保护、加密保护和 访问控制列表（ACL）等。

1、进程同步的概念
进程运行中的两种制约关系 由于竞争资源形成的间接制约关系； 由于相互合作造成的直接制约关系；
进程同步指多个相关进程在执行次序上的协 调
2、临界资源与临界区
临界资源(critical source)
在一段时间内只允许有限个进程访问的资源 ，如 打印机等I/O设备，缓冲区等
其中：缓冲区是临界资源，而访问缓冲区的代码 是临界区
3、信号量机制
引例：生产者－消费者问题 分析：首先需要定义产品的类型，缓冲区的
长度，读写指针，资源变量counter。 Int n; Int in,out; Structure item; Item buffer[n]; Int counter;
3、信号量机制
Void procedure(){

while(true){

生产一个产品放入 nextp；

wait(mutex);

while(counter==n){no-op;}

buffer[in]=nextp;

in++;

counter++;

single(mutex);}
}
3、信号量机制
3、信号量机制
Void procedure(){

while(true){

生产一个产品放入 nextp；

while(counter==n){no-op;}

buffer[in]=nextp;

in++;

counter++;}
}
3、信号量机制