服务器配置――1 网络操作系统概述

网络操作系统与服务器配置1、网络操作系统内容•计算机的组成1.CPU2.存储系统3.输入/输出系统•操作系统概述1.进程（处理机）管理2.存储器管理3.设备管理4.文件管理5.作业管理（用户接口）一、计算机的组成•中央处理器：CPU•存储器：▫主存储器：内存▫辅存储器：硬盘、U盘、光盘。。。•输入\输出设备：键盘、鼠标、显示器、打印机1、CPU•CPU的功能•CPU的组成1.运算器：算术运算、逻辑运算、移位运算2.控制器3.寄存器：暂存数据、地址、控制信息、状态信息等指令的执行——流水线技术▫一个操作可以分解为多个步骤，如取指令、指令译码、取操作数、执行等▫步骤必须顺序地执行▫每个步骤使用的硬件各不相同•因此，可以将连续的几个操作重叠执行流水线处理机的主要指标2、存储系统•存储器大都采用3层结构①Cache高速缓冲存储器②主存储器：内存③磁盘存储器⑴Cache•存放主存的部分拷贝•分为控制部分和存储器部分•性能指标：⑵主存•CPU当前正在执行的程序和需要使用的数据，CPU可以直接访问。分为两类：▫RAM：随机访问存储器，加电后可以读写，断电后全部丢失▫ROM：只读存储器，生产时一次性写入，以后只能读不能写，断电不会丢失•构成•性能指标：▫容量▫存取时间：一次读写的时间▫存储周期：两次连续独立读写之间有个间隔时间▫存储器带宽：每秒能访问的比特数量⑶磁盘存储器存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×每磁道扇区数×每扇区字节数性能指标3、输入/输出系统•I/O接口：两个相对独立子系统的连接部分。•I/O接口的功能：•I/O接口的控制方式：▫程序查询▫中断▫DMA（直接存储器存取）▫I/O通道二、OS•操作系统是为裸机配置的一种系统软件，组织和管理系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机系统的工作流程，以建立用户与计算机之间的友好界面。▫方便性▫有效性▫可扩充性▫开放性13OS的作用•用户与计算机硬件之间的接口•计算机系统资源的管理者•扩充机器14OS的特征•并发：宏观上并行；微观上串行•共享▫互斥共享方式▫同时访问方式•虚拟•不确定性（异步性）15OS的发展过程（不做重点）⑴批处理•无OS的计算机系统▫人工操作方式▫脱机输入输出方式•单道批处理系统▫自动性、顺序性、单道性•多道批处理系统▫提高CPU利用率、提高内存和I/O利用率、增加系统吞吐量▫平均周转周期长、无交互能力▫多道性、无序性、调度性（作业调度、进出调度）16单道和多道程序运行情况t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O完成启动I/OI/O中断请求I/O完成启动I/OI/O中断请求用户程序监督程序I/O操作(a)单道程序运行情况程序A程序AI/O请求程序AI/O完成程序B程序BI/O请求程序C程序CI/O请求程序D程序DI/O请求CI/O完成C再被调度程序BI/O完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b)四道程序运行情况A完成结束中断17⑵分时系统•目的：▫人机交互、共享主机、便于用户上机•关键问题▫及时接收、及时处理•实现方法▫单道分时系统、前台/后台的分时系统、多道分时系统•分时系统的特征▫多路性、独立性、及时性、交互性18⑶实时系统•目的▫实时控制、实时信息处理•实时任务的类型•实时系统与分时系统的比较▫多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性19⑷现代的OS•微机OS▫单用户单任务、单用户多任务、多用户多任务•嵌入式OS•网络OS▫客户/服务器、对等模式•分布式OS▫分布性、并行性、透明性、共享性、健壮性20(5)网络操作系统•网络操作系统是一种具有单机操作和网络管理双重功能的系统软件。•网络操作系统的分类▫集中式网络操作系统，如Linux▫客户机/服务器网络操作系统，如Windows2000Server▫对等式网络操作系统，如WindowsXPOS的功能•进程（处理机）管理▫进程控制、进程同步、进程通信、调度•存储器管理▫内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充•设备管理▫缓冲管理、设备分配、设备处理、设备独立性、虚拟设备•文件管理▫存储空间管理、目录管理、文件读、写和存取控制•作业管理（用户接口）▫命令接口（联机、脱机）、程序接口、图形接口221、进程•进程是操作系统中最基本、最重要的概念。1.进程是程序的一次执行。2.进程是可以和别的计算并发执行的计算。3.进程是程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。4.进程是一个具有一定功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。23进程的描述•进程▫程序在数据集合上的运行过程•两个本质特点▫资源的占有单位、处理机的调度单位。•进程特征▫动态性、并发性、独立性、异步性、结构特征•进程的基本状态▫新建、终止、就绪、执行、阻塞24进程状态转换图线程•线程是进程内的一个执行单元，也是进程内的一个可调度实体。•多线程指的是操作系统支持在单个进程中执行多个线程的能力26线程与进程的比较1.调度2.并发性3.拥有资源4.系统开销27进程的同步和互斥•进程之间的关系▫资源共享、互相合作•临界资源-临界区，Lock原语•同步机制应遵循的原则▫空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待•实现互斥的方法▫软件（难以实现）、硬件28信号量S上的P、V29何路[e-mail]30死锁何路[e-mail]31产生死锁的原因1.竞争资源（资源不足）竞争非剥夺性资源竞争临时性资源2.进程推进顺序不当•产生死锁的必要条件1.互斥条件2.请求和保持条件3.不剥夺条件4.环路等待条件P2Rel(R1)P2Rel(R2)P2Req(R1)P2Req(R2)P1Req(R1)P1Req(R2)P1Rel(R1)P1Rel(R2)①②③④DR1R2P1P22、存储管理程序的装入库链接程序装入模块装入程序编译程序产生的目标模块第一步第二步第三步内存…•绝对地址空间也叫物理地址•相对地址也叫逻辑地址或虚地址，程序地址•绝对装入•可重定位装入（静态）•动态运行时装入（动态）33静态地址再定位•容易实现，无需硬件支持•程序经地址再定位后就不能再移动了，因而不能重新分配内存，不利于内存的有效利用。1.程序在存储空间中只能连续分配，不能分布在内存的不同区域。2.若干用户很难共享内存中的同一程序，如若共事同一程序，则备用户必须使用自己的副本。34动态地址再定位1.在执行过程中，用户程序在内存可以移动，这有利于内存的充分利用。2.程序不必连续存放在内存中，可以分散在内存的若干个不同区域，这只需增加几对基址—限长寄存器，每对寄存器对应一个区域。3.若干用户可以共享同一程序。•动态地址再定位的缺点是需要附加的硬件支持，实现存储管理的软件算法比较复杂。35分页存储管理方式/静态分页•页面、页框地址格式：•页面变换表PMT•地址变换机构：页表寄存器PTR页号P3112位移量W11036地址变换与存储保护页表寄存器页表始址页表长度＞页号(3)页内地址＋逻辑地址L越界中断1块号b页表页号012物理地址31.页表可能会非常大。2.地址映射必须十分迅速37分段存储管理•段的引入•方便编程、分段共享、分段保护、动态链接、动态增长•段地址•段表SMT•地址变换机构段号S3112段内地址d11038分段原理作业空间(MAIN)＝0030K(X)＝1020K(D)＝2015K(S)＝3010K30K20K15K10K40K80K120K150K段长基址段号(MAIN)＝030K(X)＝120K(D)＝215K(S)＝310K040K80K120K150K段表内存空间012339地址变换与存储保护控制寄存器段表始址段表长度＞2100＋段号S越界1K段长600段号01236K4K5002008K9200基址位移量W＋82928K82928692主存物理地址有效地址40分段和分页的区别分页分段划分单位物理逻辑尺寸大小系统确定用户程序地址空间1维2维尺寸能变化不能能数据和代码分别保护不能能对程序员透明透明不透明用户间共享不能能41虚拟存储器•基本思想是程序、数据、堆栈的总的大小可以超过可用物理存储器的大小，操作系统把程序当前使用的那些部分保留在存储器中，而把其他部分保存在磁盘上。由操作系统把主存和辅存统一管理起来，实现自动覆盖。好象为用户提供了一个容量比主存大得多的存储器•虚存实存•每个用户在自己的地址空间内编程•根据主存和作业需要动态分配主存•最大容量由计算机地址结构确定42虚拟存储器的特点•局部性原理▫时间局部性、空间局部性1.离散性2.多次性3.对换性4.虚拟性43页面置换算法•最佳置换算法：不可能实现，用来评判其它算法•先进先出算法•最近最久未用LRU算法•最近未用算法NUR，LRU的近似算法443、设备管理•是实施设备管理的输入/输出控制系统，是设备管理的软件•基本任务▫隐蔽设备的物理特性，提供独立于设备的统一接口▫进行设备的分配和出错处理▫同步/异步传输45I/O设备类型•按传输速率▫低速、中速、高速•按信息交换单位▫块设备、字符设备•按共享属性▫独占设备、共享设备、虚拟设备46I/O系统的结构•总线I/O结构•内总线：连接计算各组成部分，包括地址总线、数据总线、控制总线•外总线：通信总线，计算机对外的接口，连接外设•总线的指标▫总线宽度▫总线的工作频率▫单个数据的传输周期I/O设备的操纵方式•程序I/O方式▫轮讯，CPU浪费大•中断驱动I/O方式•直接存储器访问DMA方式•I/O通道方式48向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存下条指令完成未完向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存下条指令完成未完中断CPU做其它事向I/O控制器发布读块命令CPU→DMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMA→CPU下条指令(a)程序I/O方式(b)中断驱动方式(c)DMA方式49DMA•DMA的引入•DMA控制器的组成•DMA的过程DRMARDCCRI/O控制逻辑…主机—控制器接口控制器与块设备接口count内存CPU命令系统总线DMA控制器50设置AR和DC初值启动DMA传送命令挪用存储器周期传送数据字存储器地址增1字计数寄存器减1DC＝0?请求中断在继续执行用户程序的同时,准备又一次传送否是缓冲管理•Why?▫缓和CPU与I/O设备间速度不匹配▫减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制▫提高CPU和I/O设备之间的并行性缓冲池•组成：1.空闲缓冲区（队列）2.装满输入数据的缓冲区（队列）3.装满输出数据地缓冲区（队列）•工作缓冲区：1.用于收容输入数据的工作缓冲区2.用于提取输入数据的工作缓冲区3.用于收容输出数据的工作缓冲区4.用于提取输出数据的工作缓冲区•基本操作：▫GetBuf（type）▫PutBuf（type，number）缓冲池——缓冲区工作方式hinsoutsinhout收容输入提取输出用户程序提取输入收容输出缓冲池•收容输入•提取输入•收容输出•提取输出SPOOLing技术-假脱机•多道环境下，将一台独占设备改造成共享设备的技术•SPOOLing的组成：输入进程SPi输入进程SPo输入缓冲区Bi输出缓冲区Bo输入井输出井磁盘输入设备输出设备•提高了I/O速度•将独占设备改造成为共享设备•实现了虚拟设备功能4、文件管理•按用途分类▫系统文件、用户文件、库文件•按文件中数据的形式分类▫源文件、目标文件、可执行文件•按存取控制属性分类▫只执行文件、只读文件、读写文件文件的逻辑结构•文件的逻辑结构▫有结构文件，UNIX不对文件进行格式处理定长记录、变长记录、顺序文件、索引文件、索引顺序文件▫无结构文，即流式文件源程序、可执行文件、库函数•文件的物理结构外存分配方式——连续分配1230567491011813141512171819162122