c1Windows操作系統(tǒng)核心技術(shù).ppt

Windows操作系統(tǒng)核心技術(shù),西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 周興社 谷建華 倪紅波 張凱龍,參考教材,尤晉元等，Windows操作系統(tǒng)原理，機(jī)械工業(yè)出版社，2001 David A. Solomon, Windows NT 技術(shù)內(nèi)幕，清華大學(xué)出版社，1999年7月,本課程內(nèi)容,含蓋操作系統(tǒng)原理課程的全部理論內(nèi)容以及Windows 2000/XP操作系統(tǒng)構(gòu)成的各個(gè)方面 10講的內(nèi)容依次是： 第1講 操作系統(tǒng)概述 第2講 Windows 2000XP 的體系結(jié)構(gòu) 第3講 進(jìn)程管理 第4講 存儲(chǔ)管理 第5講 文件系統(tǒng),第6講 I/O系統(tǒng) 第7講 網(wǎng)絡(luò) 第8講應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 第9講驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 第10講 windows安全,操作系統(tǒng)概述,發(fā)展與分類(lèi) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 定義 按人的要求接收、存儲(chǔ)信息，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，并輸出結(jié)果的機(jī)器系統(tǒng)。 特點(diǎn) 計(jì)算、判斷、存儲(chǔ)、精確、快速、通用、易用、聯(lián)網(wǎng) 組成 硬件、軟件,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概觀,計(jì)算機(jī)組織 指運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、I/O部件間的相互連接 作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯和物理實(shí)現(xiàn)，任務(wù)是提高性?xún)r(jià)比，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在指令級(jí)的功能和特性； 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從程序設(shè)計(jì)人員角度看到的計(jì)算機(jī)屬性，處于機(jī)器語(yǔ)言級(jí)； 存儲(chǔ)程序原理 是了解計(jì)算機(jī)組織的關(guān)鍵 基于此構(gòu)造的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)（馮.諾伊曼機(jī)） 基本點(diǎn)：指令驅(qū)動(dòng)， 即程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中,地位：緊貼硬件之上，其它軟件之下，是其他軟件的共同環(huán)境 定義：系統(tǒng)軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶(hù)接口功能,操作系統(tǒng)概念,操作系統(tǒng)特征,并發(fā)性 多程序同時(shí)推進(jìn) 單CPU環(huán)境 用戶(hù)程序之間、用戶(hù)程序與操作系統(tǒng)之間 多CPU環(huán)境 宏觀、微觀并發(fā) 分布式環(huán)境 多計(jì)算機(jī)并存 共享性 系統(tǒng)的各種資源共享 隨機(jī)性 運(yùn)行狀態(tài)不確定 要求操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要充分考慮各種可能,操作系統(tǒng)作用,OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者 管理對(duì)象包括：CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）； 管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問(wèn)操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶(hù)權(quán)限）。,OS是用戶(hù)使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口 系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶(hù)接口GUI）； 系統(tǒng)調(diào)用（形式上類(lèi)似于過(guò)程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）。,OS是擴(kuò)展機(jī)(extended machine)/虛擬機(jī)(virtual machine)。 在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)管理（針對(duì)內(nèi)存和外存）、處理機(jī)管理（針對(duì)CPU）； 合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理。,幾項(xiàng)重要功能 進(jìn)程管理 主要是對(duì)處理器進(jìn)行管理 解決處理器實(shí)施分配調(diào)度策略； 協(xié)調(diào)多道程序間的關(guān)系 存儲(chǔ)管理 管理內(nèi)存資源 內(nèi)外存結(jié)合實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器，解決內(nèi)存不夠問(wèn)題 文件管理 信息資源以文件方式存放在外存 方便、安全的訪問(wèn) 作業(yè)管理 為用戶(hù)提供使用機(jī)器的手段 設(shè)備管理 管理所有I/O設(shè)備及其支持設(shè)備,引入操作系統(tǒng)的目標(biāo),有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)） 管理和分配硬件、軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程 方便性（用戶(hù)的觀點(diǎn)） 提供良好的、一致的用戶(hù)接口，彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的類(lèi)型和數(shù)量差別 可擴(kuò)充性（開(kāi)放的觀點(diǎn)） 硬件的類(lèi)型和規(guī)模、操作系統(tǒng)本身的功能和管理策略、多個(gè)系統(tǒng)之間的資源共享和互操作,操作系統(tǒng)歷史,主要討論操作系統(tǒng)的外部特征 發(fā)展動(dòng)力 提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)昂貴，用作集中計(jì)算 方便用戶(hù)：用戶(hù)上機(jī)、調(diào)試程序，分散計(jì)算時(shí)的事務(wù)處理和非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)（商業(yè)和辦公、家庭） 器件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存,手工操作 集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴； 用戶(hù)既是程序員，又是操作員；用戶(hù)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員； 編程語(yǔ)言：為機(jī)器語(yǔ)言； 輸入輸出：紙帶或卡片； 工作特點(diǎn) 用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)：不出現(xiàn)資源被其他用戶(hù)占用，資源利用率低； CPU等待用戶(hù)：計(jì)算前，手工裝入紙帶或卡片；計(jì)算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低； 提高效率的途徑 專(zhuān)門(mén)的操作員，批處理,批處理系統(tǒng) 利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類(lèi)編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的監(jiān)督程序（Monitor）自動(dòng)依次處理?？墒褂脜R編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。 批處理中的作業(yè)的組成：用戶(hù)程序、數(shù)據(jù)、作業(yè)說(shuō)明書(shū)（作業(yè)控制語(yǔ)言） 監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)(executive system)，常駐內(nèi)存 主要問(wèn)題 CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）。 對(duì)計(jì)算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑； 對(duì)I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；,多道批處理系統(tǒng) 利用多道批處理提高資源的利用率。 多道批處理的運(yùn)行特征 多道：內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè)； 宏觀上并行運(yùn)行：都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完； 微觀上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用CPU； 優(yōu)點(diǎn)： 資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高； 作業(yè)吞吐量大：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的工作總量大； 缺點(diǎn)： 用戶(hù)交互性差：整個(gè)作業(yè)完成后或中間出錯(cuò)時(shí)，才與用戶(hù)交互，不利于調(diào)試和修改； 作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長(zhǎng)；,分時(shí)系統(tǒng) “分時(shí)”的含義分時(shí)是指多個(gè)用戶(hù)分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。多個(gè)程序分時(shí)共享硬件和軟件資源。 多個(gè)用戶(hù)分時(shí)：?jiǎn)蝹€(gè)用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)的效率低，因而允許多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)在內(nèi)存中，分別服務(wù)于不同的用戶(hù)。有用戶(hù)輸入時(shí)由CPU執(zhí)行，處理完一次用戶(hù)輸入后程序暫停，等待下一次用戶(hù)輸入時(shí)走時(shí)停 前臺(tái)和后臺(tái)程序分時(shí)：后臺(tái)程序不占用終端輸入輸出，不與用戶(hù)交互現(xiàn)在的圖形用戶(hù)界面(GUI)，除當(dāng)前交互的程序(輸入焦點(diǎn))之外，其他程序均作為后臺(tái) 通常按時(shí)間片(time slice)分配：各個(gè)程序在CPU上執(zhí)行的輪換時(shí)間。,批處理： 交互性差提高對(duì)CPU利用率； 分時(shí)處理：用戶(hù)與應(yīng)用程序隨時(shí)交互，控制程序運(yùn)行，適于商業(yè)和辦公事務(wù) 處理縮短響應(yīng)時(shí)間,用高級(jí)語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)OS Unix 特色不兼容，一直困難。 可移植OS標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)：POSIX、SVID、XPG 通用OS 面向個(gè)人應(yīng)用 WINDOWS, LINUX 兩大發(fā)展方向：宏觀、微觀 宏觀：大規(guī)模，分布式 微觀：嵌入式,操作系統(tǒng)分類(lèi),批處理(Batch Processing Operation System) 分時(shí)(Time Sharing Operating System) 實(shí)時(shí) (Real Time Operating System) 多處理 (Multi-processor Operating System) 嵌入式 (Embedded OS) 個(gè)人計(jì)算機(jī)OS (Personal OS) NOS(Network Operating System) 分布式OS(Distributed OS),批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài),單道(uniprogramming)和多道批處理的比較,多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(multiprocessing system)的區(qū)別：前者指多個(gè)程序同時(shí)在內(nèi)存中交替運(yùn)行，后者指多個(gè)處理器。,分時(shí)系統(tǒng)的特征,多路性：多個(gè)用戶(hù)同時(shí)工作。 共享系統(tǒng)資源，提高了資源利用率。 節(jié)省維護(hù)開(kāi)支，可靠性高：笨終端至今仍在使用。 促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，提高資源利用率：遠(yuǎn)地用戶(hù)通過(guò)終端（較便宜）聯(lián)機(jī)使用。 獨(dú)立性：各用戶(hù)獨(dú)立操作，互不干擾。 交互性：系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)用戶(hù)的操作進(jìn)行響應(yīng)，顯著提高調(diào)試和修改程序的效率：縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。,分時(shí)系統(tǒng)的主要問(wèn)題,及時(shí)接受輸入：多個(gè)I/O端口，設(shè)立多路緩沖區(qū) 及時(shí)響應(yīng)： 提高對(duì)換速度（快速外存）、 限制用戶(hù)數(shù)目、 縮短時(shí)間片（可能引起對(duì)換次數(shù)增多，開(kāi)銷(xiāo)增大，程序總運(yùn)行時(shí)間增大） 減少對(duì)換信息量： 可重入代碼(re-entrant code)； 請(qǐng)求頁(yè)式存儲(chǔ)管理：只對(duì)換部分程序,實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征 實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時(shí)間、定時(shí)和延時(shí)等時(shí)鐘管理功能； 過(guò)載保護(hù)：緩沖區(qū)排隊(duì)，丟棄某些任務(wù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)周期； 過(guò)載是指進(jìn)入系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目超出系統(tǒng)的處理能力。 高度可靠性和安全性：容錯(cuò)能力（如故障自動(dòng)復(fù)位）和冗余備份（雙機(jī)，關(guān)鍵部件）；,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于過(guò)程控制、事務(wù)處理等有實(shí)時(shí)要求的領(lǐng)域，其主要特征是實(shí)時(shí)性和可靠性。,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),實(shí)時(shí)系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別,專(zhuān)用系統(tǒng)：許多實(shí)時(shí)系統(tǒng)是專(zhuān)用系統(tǒng)，而批處理與分時(shí)系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。 實(shí)時(shí)控制：實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于控制實(shí)時(shí)過(guò)程，要求對(duì)外部事件的迅速響應(yīng)，具有較強(qiáng)的中斷處理機(jī)構(gòu)。 高可靠性：實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于控制重要過(guò)程，要求高度可靠，具有較高冗余。如雙機(jī)系統(tǒng)。 事件驅(qū)動(dòng)和隊(duì)列驅(qū)動(dòng)：實(shí)時(shí)系統(tǒng)的工作方式：接受外部消息，分析消息，調(diào)用相應(yīng)處理程序進(jìn)行處理。 可與通用系統(tǒng)結(jié)合成通用實(shí)時(shí)系統(tǒng)：實(shí)時(shí)處理前臺(tái)作業(yè)，批處理為后臺(tái)作業(yè)。,多處理操作系統(tǒng),非對(duì)稱(chēng)式多處理(Asymmetric Multiprocessing, ASMP)：又稱(chēng)主從模式(Master-slave mode)。 主處理器：只有一個(gè)，運(yùn)行OS。管理整個(gè)系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務(wù)； 從處理器：可有多個(gè)，執(zhí)行應(yīng)用程序或I/O處理。 特點(diǎn)：不同性質(zhì)任務(wù)的負(fù)載不均，可靠性不夠高，不易移植（通常要求硬件也是非對(duì)稱(chēng)）。 對(duì)稱(chēng)式多處理(Symmetric Multiprocessing, SMP) OS交替在各個(gè)處理器上執(zhí)行。任務(wù)負(fù)載較為平均，性能調(diào)節(jié)容易傻瓜式,對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)與非對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)的比較,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),在通用操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計(jì)算機(jī)進(jìn)行方便而有效的網(wǎng)絡(luò)資源共享，提供網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)所需各種服務(wù)的軟件和相關(guān)規(guī)程的集合 網(wǎng)絡(luò)功能與操作系統(tǒng)的結(jié)合程度是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的重要性能指標(biāo) 早期作法是通用操作系統(tǒng)附加網(wǎng)絡(luò)軟件，過(guò)渡到網(wǎng)絡(luò)功能成為操作系統(tǒng)的有機(jī)組成部分 區(qū)別：網(wǎng)絡(luò)功能的強(qiáng)弱、使用是否方便,例,MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 UNIX: BSD, SCO UNIX, AIX, Solaris, Linux NOS: Novell Netware RTOS: VxWorks, pSoS, Nucleus,研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),軟件觀點(diǎn) 外在特性： 命令集、界面 內(nèi)在特性：具有一般軟件不具備的特殊結(jié)構(gòu) 資源管理觀點(diǎn) 分配、回收、競(jìng)爭(zhēng)、保護(hù) 進(jìn)程觀點(diǎn) 將操作系統(tǒng)當(dāng)作若干個(gè)可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的程序-進(jìn)程 虛擬機(jī) 屏蔽硬件，多個(gè)層次 服務(wù)提供者 用戶(hù)角度,Windows操作系統(tǒng)歷程 開(kāi)發(fā)過(guò)程 版本及其特點(diǎn) Win3x Win9x Win2000 Winxp ,http:/www.winhistory.de/more/win1.htm,< Windows 1.X(1985年11月) 已有多窗口輸出、多任務(wù)處理功能、初步具有圖形界面； < Windows 2.X(1987年11月) 具有圖形界面，而且已具有Windows 3.1的系統(tǒng)原型。如應(yīng)用程序的添加、支持磁盤(pán)擴(kuò)充、支持多種外設(shè)接口等，開(kāi)始受到外界的重視與關(guān)注； < Windows /286 V2.1及Windows /386 V2.1 (1988,1989年)因當(dāng)時(shí)Windows的速度過(guò)慢而仍未普及，故推出此版本，修正核心程序(如：I/O、內(nèi)存、CPU等的控制)并以結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言改寫(xiě)使得速度大幅提升； < Windows 3.0英文版(1990年5月)除了改正Windows 2.X版的錯(cuò)誤外，使得圖形用戶(hù)界面正式進(jìn)入個(gè)人PC的領(lǐng)域；擁有真正GUI的操作系統(tǒng)；除此之外，還提供一個(gè)非常完善的用戶(hù)環(huán)境。增強(qiáng)了多任務(wù)處理、GUI、存儲(chǔ)管理等能力；,< Windows 3.0中文版(1991年7月31日) ，中文化的操作界面，主要添加了中文輸入法及漢字庫(kù)的支持； < Windows 95英文版(1992年4月) < Windows 95中文版(1993年8月)除英文版功能外，還新增如多顯卡支持、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)、兼容性與穩(wěn)定性等。 < Windows 95中文版新特性(1995年8月) 真正32位的操作系統(tǒng) 全新的工作桌面 支持長(zhǎng)文件名 支持硬件的即插即用 32位可搶先( Preemptive ) 多任務(wù)系統(tǒng) 全新的多媒體享受 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持 更友好的安裝、操作界面,Windows1.01,Windows1.02,Windows1.03,Windows 2.xx,Windows NT體系結(jié)構(gòu),Windows 2000的特點(diǎn),支持對(duì)稱(chēng)多處理機(jī) 真正的32位操作系統(tǒng)：除16位應(yīng)用的支持代碼，沒(méi)有16位的代碼；兼容16位Windows應(yīng)用 完全的代碼可重入(reentrant)：同一段代碼可由多個(gè)應(yīng)用同時(shí)訪問(wèn)； 圖形用戶(hù)界面GUI（和字符用戶(hù)界面）,搶先式多任務(wù)和多線程 虛擬存儲(chǔ)：段頁(yè)式(有存儲(chǔ)保護(hù)) 文件系統(tǒng)：NTFS(HPFS)，支持安全控制 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：VxD(virtual driver) 可移植：適用于多種硬件平臺(tái) 容錯(cuò)能力 面向?qū)ο筇匦裕河脤?duì)象來(lái)表示所有資源。,