第二章操作系统运行环境[1]
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操作系统的运行环境在我们日常使用电脑、手机等电子设备时,操作系统默默地在后台工作,为我们提供了一个便捷、高效的交互环境。
但你是否想过,操作系统是在怎样的条件下运行的呢?这就涉及到操作系统的运行环境。
首先,让我们来谈谈硬件环境。
硬件是操作系统运行的基础,就像大楼的地基一样。
其中,中央处理器(CPU)是核心部件之一。
它负责执行操作系统发出的指令,处理各种数据和计算任务。
不同类型的CPU 具有不同的架构和性能特点,这也会影响操作系统的运行效率和功能。
内存也是至关重要的硬件组成部分。
操作系统和正在运行的程序都需要在内存中存储和读取数据。
内存的大小和速度直接关系到系统的运行速度和多任务处理能力。
如果内存不足,操作系统可能会频繁地将数据在内存和硬盘之间交换,导致系统卡顿。
硬盘则用于长期存储操作系统、应用程序和用户的数据。
硬盘的容量决定了能够存储的信息量,而硬盘的读写速度也会影响系统的启动和程序的加载速度。
此外,还有输入输出设备,如键盘、鼠标、显示器、打印机等。
操作系统需要与这些设备进行有效的通信和控制,以实现用户与系统的交互。
说完硬件,再来说说软件环境。
操作系统本身就是一种软件,但它还需要其他软件的支持才能更好地发挥作用。
驱动程序就是其中重要的一环。
不同的硬件设备需要相应的驱动程序来与操作系统进行适配和通信。
没有正确的驱动程序,硬件可能无法正常工作,或者无法发挥出最佳性能。
应用程序也是操作系统软件环境的一部分。
它们在操作系统提供的平台上运行,为用户提供各种功能和服务。
操作系统需要对应用程序进行管理,包括分配资源、处理进程间的通信和协调等。
还有系统库和运行时环境。
系统库包含了一些常用的函数和工具,应用程序可以调用这些库来实现特定的功能,从而提高开发效率。
运行时环境则为某些编程语言或框架提供了必要的支持,确保程序能够正确运行。
在操作系统的运行环境中,还需要考虑系统的内核态和用户态。
内核态具有最高的权限,可以执行所有的指令和访问所有的硬件资源。
操作系统原理第一章操作系统概论1.1操作系统的概念操作系统的特征:并发性,共享性,随机性。
研究操作系统的观点:软件的观点,资源管理的观点,进程的观点,虚拟机的观点,服务提供者的观点。
操作系统的功能:1.进程管理:进程控制,进程同步,进程间通信,调度。
2.存储管理:内存分配与回收,存储保护,内存扩充。
3.文件管理:文件存储空间管理,目录管理,文件系统安全性。
4.设备管理5.用户接口UNIX是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。
1969年AT&T公司Kenneth L.Thompson 用汇编语言编写了Unix第一个版本V1,之后Unix用C语言编写,因此事可移植的。
1.3操作系统分类1.批处理操作系统:优点是作业流程自动化较高,资源利用率较高,作业吞吐量大,从而提高了整个系统的效率。
缺点是用户不能直接与计算机交互,不适合调试程序。
2.分时系统:特点是多路性,交互性,独占性,及时性。
3.实时操作系统4.嵌入式操作系统5.个人计算机操作系统6.网络操作系统7.分布式操作系统8.智能卡操作系统1.4操作系统结构1.整体式结构2.层次结构3.微内核(客户机/服务器)结构:①可靠,②灵活(便于操作系统增加新的服务功能),③适宜分布式处理的计算机环境第二章操作系统运行机制2.1中央处理器寄存器:用户可见寄存器:数据寄存器(通用寄存器),地址寄存器,条件码寄存器。
控制和状态寄存器:程序计数器,指令寄存器,程序状态字。
目态到管态的转换唯一途径是通过终端和异常。
管态到目态的转换可以通过设置PSW指令(修改程序状态字)实现。
PSW包括:①CPU的工作状态代码②条件码③中断屏蔽码2.2存储体系存储器设计:容量,速度,成本存储保护:①界地址寄存器(界限寄存器):产生程序中断-越界中断或存储保护中断②存储键2.3中断与异常机制分类:中断:时钟中断,输入输出(I/O)中断,控制台中断,硬件故障中断异常:程序性中断,访管指令异常2.4系统调用系统调用程序被看成是一个低级的过程,只能由汇编语言直接访问。
第一章操作系统的基本概念一.填空题1. 1.计算机系统是由硬件系统和____系统两部分组成。
2. 2.操作系统是计算机系统的一种系统软件,它以尽量合理、有效的方式组织和管理计算机的________,并控制程序的运行,使整个计算机系统能高效地运行。
3. 3.从资源分配的角度讲,计算机系统中的资源分为处理机、_______ 、输入/输出设备和文件资源。
4. 5.按内存中同时运行程序的数目可以将批处理系统分为两类:单道批处理系统和____。
5. 6.操作系统的主要性能参数有____和利用率等。
前者指的是单位时间内系统处理的作业量。
后者指的是在一个给定时间内,系统的一个指定成分被使用的时间比例。
6. 4.并发和______是操作系统的两个最基本的特征,两者之间互为存在条件。
7. 7. __________系统不允许用户随时干预自己程序的运行。
8. 8.实时系统通常采用﹎﹎﹎方法来提高可靠性。
9. 9.UNIX操作系统是著名的﹎﹎﹎系统。
10. 10.DOS系统是﹎﹎﹎操作系统。
11. 11. ﹎﹎﹎系统一般采用时间片轮转的办法,使一台计算机同时为多个终端用户服务,对每个用户都能保证足够快的响应时间,并提供交互会话能力;12. 12. ﹎﹎﹎系统是操作系统的另一种类型,要求对外部输入的信息能以足够快的速度进行处理,并在被控对象允许的时间范围内作出快速响应,其响应时间要求特别高。
13. 13.允许多个用户在其终端上同时交互地使用计算机的OS称为分时OS,它通常采用﹎﹎策略为用户服务;14. 14.允许用户把若干个作业提交计算机系统集中处理的OS,称为批处理OS,衡量这种系统性能的一个主要指标是系统的﹎﹎﹎。
15. 15.在﹎﹎﹎的控制下,计算机系统能及时处理由过程控制反馈的数据并作出响应。
设计这种系统时,应首先考虑系统的实时性和可靠性。
解答:1. 答:软件2. 答:资源3. 【答案】存储器【解析】计算机系统中的资源分为硬件资源和软件资源。
第一章操作系统概论⭐计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的操作系统的任务:组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源、有效、合理、方便操作系统为用户提供两类使用接口:分别是编程接口、用户接口。
操作系统的特征:并发性、共享性、随机性研究操作系统的观点:1.软件观点:外在特性--接口、内在特性--与硬件交互2.资源管理的观点3.进程的观点:把操作系统看作由多个可以同时独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心所组成。
4.虚机器观点:操作系统把原来的计算机(裸机)扩充成功能强大、使用方便的计算机系统,这种计算机系统被称为虚拟计算机。
5.服务提供者观点:提供了比裸机功能更强、服务质量更好、更方便灵活的虚拟机操作系统的功能:进程管理、存储管理、文件管理、作业管理、设备管理windows操作系统的体系结构采用了分层的模块结构,主要层次有:硬件抽象层HAL、内核、执行体、大量子系统集合unix操作系统的体系结构,从内向外各层分别是硬件层、操作系统内核层、系统调用层、应用层Linux操作系统体系结构:Linux内核、Linux Shell、Linux文件系统、Linux应用程序Android操作系统体系结构,从高到低:应用程序层、应用框架层、系统运行库层、Linux 内核层批处理操作系统:1.基本工作方式:用户将作业交给系统操作员,操作员收到一定数量的用户作业后组成一批作业,再输入到计算机中,这批作业在系统中形成一个连续的、自动转接的作业流。
操作员然后启动操作系统,系统自动、依次执行每个作业,最后由操作员将执行完毕的作业结果交给用户。
2.特点:成批处理,用户自己不能干预自己作业的运行。
发现作业无法及时改正。
3.优点:作业流程自动化较高、资源利用率较高、作业吞吐量大,从而提高了整个系统效率。
4.缺点:用户不能直接与计算机交互,不适合调试程序。
分时系统:用户通过中断交互式向系统提出命令,系统采用时间片轮转方式处理服务请求。
《操作系统》课程教学大纲一、教学大纲说明(一)课程的地位、作用与任务《操作系统》是信息类计算机应用专业学生必修的公共基础课之一,是一门涉及较多硬件知识的计算机系统软件课程。
在计算机软硬件课程的设置上,它起着承上启下的作用。
其特点是概念多、较抽象和涉及面广,其整体实现思想和技术又往往难于理解。
操作系统对计算机系统资源实施管理,是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口,所有用户在使用计算机时都要得到操作系统提供的服务。
因此本课程的目的与任务是使学生通过本课程的学习,理解操作系统的基本概念和主要功能,掌握常用操作系统(如UNIX、xinux)的使用和一般管理方法,了解它是如何组织和运作的,从而为学生以后的学习和工作打下基础。
先修课要求,本课程在学习之前最好具有计算机组成原理、程序设计语言的知识。
(二)课程的教学目的和要求通过本课程的学习,使学生较好地掌握操作系统在计算机系统中的重要作用和基本工作原理。
了解操作系统发展过程、新技术的应用。
理解操作系统的基本概念和主要功能,掌握常用操作系统及它们的使用和一般管理方法,为今后的进修、应用实务作好技术准备。
掌握:基本概念包括:多道程序设计、并发、分时、作业、进程、互斥与同步、周转时间、吞吐量、重定位、连接、虚拟存储、虚拟设备、死锁、线程。
基本知识:计算机系统资源(处理机、存储器、设备、文件)的管理策略。
基本技能:管理系统资源的常用命令、系统配置与维护的方法和技术。
理解重点:进程概念、存储管理(尤其虚拟存储)的各种策略、文件系统的管理、设备的管理和配置。
结合具体现代操作系统加深理解。
了解难点:进程的概念及其与程序的区别、进程间同步与互斥的正确实现、虚拟设备与虚拟存储。
Unix,Windows NT的系统结构、功能特点。
(三)课程的教学方法与手段1、本课程概念多、较抽象、涉及面广,因此教学形式以讲授方式为主。
约佔80%。
实验与自学约佔20%。
教师应该提供自学提纲并适当辅导。
班级: 姓名: 学号:1.1 操作系统的运行环境本节实验的目的是,通过实验,加深对以下内容的理解: 1) 计算机硬件组件; 2) 计算机操作系统; 3) Windows 的发展史; 4) Windows 的运行环境。
1. 工具/准备工作在开始本节实验之前,请回顾教材的相关内容。
需要准备一台带有浏览器,能够访问Internet 的计算机。
2. 实验内容与步骤(1) 计算机的5个主要硬件组成部分是什么?1) __________________________________________________________________ 2) __________________________________________________________________ 3) __________________________________________________________________ 4) __________________________________________________________________ 5) __________________________________________________________________ (2) Windows 操作系统的主要优点是什么?1) __________________________________________________________________ 2) __________________________________________________________________ 3) __________________________________________________________________ 4) __________________________________________________________________1.2 Windows 系统管理本节实验的目的是:操作系统的运行环境实验11) 了解和学习Windows系统管理工具及其使用;2) 熟悉Windows系统工具的内容和应用;由此,进一步熟悉Windows系统的运行环境。
操作系统的运⾏环境操作系统的运⾏环境⼀、操作系统的运⾏机制 计算机系统中,通常CPU执⾏两种不同性质的程序,⼀种是操作系统内核程序;另⼀种是⽤户⾃编程序或系统外城的应⽤程序。
对操作系统⽽⾔,这两种程序的作⽤不同,前者是后者的管理者和控制者,因此“管理程序”要执⾏⼀些特权指令,⽽“被管理程序”出于安全性考虑,不能执⾏这些指令。
所谓特权指令,是指计算集中不允许⽤户直接使⽤的指令,如IO指令、置中断指令。
操作系统在具体实现上划分了⽤户态和核⼼态,以严格区分两种类程序。
⼀些与硬件关联交紧密的模块,诸如时钟管理程序、中断处理程序、设备驱动程序等处于最底层。
其次是运⾏频率较⾼的程序,诸如进程管理、存储器管理和设备管理等。
这两部分内容构成了操作系统的内核。
这部分内容的指令操作⼯作在核⼼态。
内核是计算机上配置的最底层软件,是计算机功能的眼神。
不同系统对内核的定义稍有区别,⼤多数操作系统内核包括四个⽅⾯的内容。
时钟管理 在计算机外部设备中,时钟是最关键的设备。
时钟的第⼀功能是计时,操作系统需要通过时钟管理,向⽤户提供标准的系统时间。
另外,通过时钟中断的管理,可以实现进程的切换。
诸如:在分时操作系统中,采⽤时间⽚轮转调度的实现;在实时系统中,按截⽌时间控制运⾏的实现;在批处理系统中,通过时钟管理来衡量⼀个作业的运⾏程度等。
因此,系统管理的⽅⽅⾯⾯⽆不依赖于它。
中断机制 引⼊中断技术的初衷是提⾼多道程序运⾏环境中CPU的利⽤率,⽽且主要是针对外部设备的。
后来的到发展,形成了多种类等,成为操作系统各项操作的基础。
例如键盘或⿏标信息的输⼊、进程的管理和调度、系统功能的调⽤、设备驱动、⽂件访问等,⽆不依赖于中断机制。
可以说,现代计算机系统是靠中断驱动的软件。
原语 按层次结构涉及的操作系统,底层必然是⼀些可被调⽤的公⽤⼩程序,他们各⾃完成⼀个规定的操作。
其特点是:1.他们处于操作系统的最底层,是最接近硬件的部分。
2.这些程序的运⾏具有原⼦性——其操作只能⼀起合成。
第一章操作系统概论1.什么是操作系统?请说明操作系统在计算机系统中的作用和地位。
操作系统是计算机系统中的一个系统软件,它是这样一些程序模块的集合:它们能够有效地组织和管理计算机中的硬件和软件资源,合理地控制计算机工作流程,控制程序的执行,并向用户提供各种服务功能,使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机,并使整个计算机系统能高效地运行。
2.操作系统管理计算机系统的哪些资源?硬件和软件资源。
3.请从资源管理角度说明操作系统的主要功能。
进程管理(处理器管理)、存储管理、文件管理、作业管理、设备管理4.操作系统有哪些基本特征?并发性:计算机系统中同时存在若干个正在运行着的程序;共享性:操作系统程序和多个用户程序共享系统中的各种资源随机性:操作系统的运行是在一种随机的环境下进行的5.比较Windows、UNIX、Linux操作系统的体系结构,有什么异同?Windows体系结构是分成的模块系统,主要层次有硬件抽象层HAL、内核、执行体和大量的子系统集合;UNIX操作系统的系统架构图,其最里层是硬件,作为整个系统的基础;其次是操作系统内核,包括进程管理、存储器管理、设备管理和文件管理四个资源管理功能;往外一层是系统调用接口,及操作系统与用户的接口shell以及编译程序等;最外层是应用程序Linux系统有四个主要部分,及内核、shell、文件系统和用户程序。
6.Android操作系统有什么特点?Android操作系统分为四层,从高层到低层分别是应用程序层、应用框架层、系统运行库层和Linux内核层。
以Linux为核心的手机操作平台,是一款开放式操作系统7.手机操作系统通常提供哪些功能?8.请叙述各种类型操作系统的工作方式及特点。
一般把操作系统分为三种基本类型,即批处理操作系统、分时系统和实时系统(1)批处理操作系统批处理操作系统分为简单批处理系统和多道批处理系统两种类型。
用户将作业交给系统操作员,系统操作员在收到作业后并不立即将作业输入计算机,而是在收到一定数量的作业后,组成一批作业,再把这批作业输入到计算机中。
第二章 操作系统运行机制操作系统的运行环境主要包括计算机系统的硬件环境和由其他的系统软件形成的软件环境。
本章讨论硬件环境。
CPU-存储体系-中断与异常机制-系统调用-IO 技术中央处理器(CPU )一般的处理器构成与基本工作方式运算器:实现任何指令中的算术和逻辑运算,是计算机计算的核心。
控制器:负责控制程序运行的流程寄存器:存放相关数据的存储设备高速缓存:出于CPU 与物理内存之间,有控制器的内存管理单元管理。
====处理器中的寄存器可见寄存器:数据、地址、条件码寄存器控制和状态寄存器:用于控制处理器的操作,一般由具有特权的操作系统代码使用以控制其他程序的执行。
====指令执行的基本过程:先从存储器中每次读取一条指令,然后执行这条指令。
(指令周期) ====特权指令和非特权指令如果某微型计算机是用于多用户或多任务的多道程序设计环境中,则他的指令系统中的指令必须分为:特权指令和非特权指令。
特权指令:指令系统的那些只能由操作系统使用的指令,而不允许一般用户使用的。
非特权指令:用户只能使用非特权指令,因为只有操作系统才能使用所有的指令。
处理器的状态====管态: 操作系统管理程序运行的状态,具有较高的特权级别,称为特权态和系统态。
目态: 用户程序运行的状态,具有较低的特权级别,称为普通态和用户态。
====CPU 状态的转换:管态和目态是可以转变的==目态到管态:转换的唯一途径是通过中断或异常==管态到目态:通过设置PSW 指令,修改程序状态字。
当计算机处于目态时,不允许执行特权指令。
====限制用户程序执行特权指令:用户程序中不允许使用特权指令。
当用户程序需要占用CPU 时,应该让CPU 处于目态。
程序状态字PSW (解决当前工作状态的问题)用一个专门的寄存器来指示处理器状态,称为程序状态字(PSW )。
用程序计数器(PC )这个专门地寄存器来指示下一条要执行的指令。
处理器的程序状态字通常包括以下状态代码:CPU 的工作状态代码:指明管态还是目态,用来说明当前在CPU 上执行的是操作系统还是一般用户,以 决定它是 否可以使用特权指令或拥有其他的特权。