计算机操作系统VIP

课程要求 1 参考书 1 操作系统 精髓与设计原理 美 WilliamStallings著 陈向群等译电子工业出版社 2 操作系统概念AbrahamSilberschatz PeterBaerGalvin GregGagne著 郑扣根译高等教育出版社 3 计算机操作系统 学习指导与题解梁红兵 汤小丹西安电子科技大学出版社 2 学习方式 上课 42 上机 12 作业 3 认真 独立思考 功夫在平时 4 课程要求 课堂 关掉手机 认真听讲 积极思考课后 学习相关知识点 同学之间互相探讨5 成绩评定 百分制 期末卷面成绩70 实验15 平时15 第一章操作系统引论 1 1操作系统的目标和作用1 2操作系统的发展过程1 3操作系统的基本特性1 4操作系统的主要功能1 5操作系统结构设计 1 1操作系统的目标和作用 1 1 1操作系统的目标 目前存在着多种类型的操作系统不同类型的操作系统 其目标各有所侧重 DOS UNIX OS 2 windows系统 Linux 超级计算机 Android iOS 两大手机操作系统 操作系统 OS OperatingSystem 是配置在计算机上的第一层软件 是对硬件的首次扩充 OS的主要目标 方便性 有效性 可扩充性 开放性 1 1 1操作系统的目标 1 方便性 OS使计算机系统更易于使用 2 有效性 OS提高了系统资源的利用率 提高了系统的吞吐量 3 可扩充性 OS必须能方便地增加新的功能和模块 并能修改老的功能和模块 以适应计算机硬件 体系结构以及应用发展的的要求 如微内核结构 开放性 OS的开发应该遵循世界标准规范 特别是遵循开放系统互连OSI国际标准 1 1 2操作系统的作用 1 OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS处于用户与计算机硬件系统之间 用户通过OS来使用计算机系统 图1 1操作系统作为接口的示意图 2 OS作为计算机系统资源的管理者计算机系统主要有四类资源 处理机 存储器 I O设备以及文件 数据和程序 处理机管理 用于分配和控制处理机 存储器管理 主要负责内存的分配与回收 I O设备管理 负责I O设备的分配与操纵 文件管理 负责文件的存取 共享和保护 可见 OS确是计算机系统资源的管理者 当计算机系统被多个用户使用时 OS必须对使用资源进行授权 以协调诸用户对共享资源的使用 1 1 2操作系统的作用 3 OS实现了对计算机资源的抽象OS是铺设在计算机硬件上的多层软件 它们不仅增强了系统的功能 而且隐藏了对硬件操作的细节 实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象模型 通常把覆盖了I O软件的机器称为扩充机器或虚机器 如果在I O管理软件 第一层软件 上再覆盖上一层文件管理软件 则用户可利用该软件提供的文件存取命令 来进行文件的存取 依次类推 则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机 形成一台功能更强的虚机器 1 1 2操作系统的作用 1 2操作系统的发展过程 1 2 1未配置操作系统的计算机系统 1 人工操作方式由用户采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统 即由程序员将事先已穿孔的纸带 或卡片 装入纸带输入机 再启动它们将程序和数据输入计算机 然后启动计算机运行 当程序运行完毕并取走计算结果后 才允许下一个用户使用 这种人工操作方式有以下两方面的缺点 1 用户独占全机 2 CPU等待人工操作 2 脱机输入 输出 Off LineI O 方式 图1 3脱机I O示意图 优点 减少了CPU的空闲时间 2 提高I O速度 1 2 1未配置操作系统的计算机系统 1 2 2单道批处理系统 1 单道批处理系统 SimpleBatchProcessingSystem 的处理过程 图1 4单道批处理系统的处理流程 事先将一批作业以脱机方式输入到磁带上 并在系统中配上监督程序 Monitor 在其控制下 使这批作业能一个接一个地连续处理 1 2 3多道批处理系统 MultiprogrammedBatchProcessingSystem 1 多道程序设计的基本概念在60年代中期又引入了多道程序设计技术 这时内存中同时存放若干个作业 并使它们共享系统资源且同时运行 采用多道程序设计技术的批处理系统称作多道批处理系统 在该系统中 用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列 称为 后备队列 然后 由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存 使它们共享CPU和系统中的各种资源 图1 6单道和多道程序运行情况 1 资源利用率高 让CPU处于忙碌状态 提高了内存和I O设备的利用率 2 系统吞吐量大 3 平均周转时间长 4 无交互能力 2 多道批处理系统的优缺点 1 2 3多道批处理系统 1 2 4分时系统 TimeSharingSystem 1 分时系统的引入分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS 用户的需求具体表现在 1 人 机交互 2 共享主机 分时系统是指 在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端并由此所组成的系统 该系统允许多个用户同时通过自己的终端 以交互方式使用计算机 共享主机中的资源 2 分时系统实现中的关键问题 分时系统中最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互 即当用户在自己的终端上键入命令时 系统应能及时接收并及时处理该命令 再将结果返回给用户 因此 存在两个关键问题 及时接收在系统中配置一个多路卡 2 及时处理作业直接进入内存 采用轮转运行方式 1 2 4分时系统 TimeSharingSystem 3 分时系统的特征 多路性 系统将多台终端同时连接到同一台主机上 并按分时原则为每个用户服务 独立性 每个用户在各自的终端上进行操作 彼此互不干扰及时性 用户的请求在很短时间内获得响应 交互性 1 2 4分时系统 TimeSharingSystem 1 2 5实时系统 RealTimeSystem 实时系统是指系统能及时 或即时 响应外部事件的请求 在规定的时间内完成对该事件的处理 并控制所有实时任务协调一致地运行 实时系统最主要的特征 是将时间作为关键参数 它必须对所接收到的某些信号做出 及时 或 实时 的反应 实时系统的类型 工业 武器 控制系统 信息查询系统 多媒体系统 嵌入式系统 实时任务的类型 周期性实时任务和非周期性实时任务 周期性实时任务是外部设备周期性发出激励信号给计算机 要求按指定周期循环执行 以便周期性控制某外部设备 非周期性实时任务无明显的周期性 但联系着一个截止时间 2 硬实时任务和软实时任务 硬实时任务 HardReal timeTask HRT 系统必须满足任务对截止时间的要求 否则可能出现难以预测的结果 软实时任务 SoftReal timeTask SRT SRT不严格地联系着一个截止时间 1 2 5实时系统 RealTimeSystem 1 3操作系统的基本特性 1 3 1并发 Concurrence 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生 在多道程序环境下 是指在一段时间内 宏观上有多个程序在同时运行 并行性指两个或多个事件在同一时刻发生 为使多个程序能并发地执行 须为每个程序引入进程 进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位 它是由一组机器指令 数据和堆栈等组成的 是一个能独立运行的活动实体 多个进程之间可以并发执行和交换信息 进程和并发是现代操作系统中最重要的基本概念 1 3 2共享 Sharing 共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程 线程 共同使用 根据进程对资源共享的方式 目前主要有两种资源共享方式 互斥共享方式 系统中可供共享的某些资源 一段时间内只能给一个进程使用 只有当这个进程使用完毕并释放资源后 其它进程方可使用 同时访问方式 系统中的另一类资源 同一段时间内可以被多个进程同时访问 1 3 3虚拟 Virtual 在OS中 通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物的功能称为 虚拟 利用虚拟技术可实现虚拟处理机 虚拟内存 虚拟外部设备和虚拟信道等 时分复用技术 在虚拟处理机技术中 把一台物理上的处理机虚拟为多台逻辑上的处理机 在每台逻辑处理机上运行一道程序 虚拟设备技术 将一台物理I O设备虚拟为多台逻辑上的I O设备 并允许每个用户占用一台逻辑上I O设备 空分复用技术 利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其它多道程序 以此来提高内存的利用率 1 3 4异步性 Asynchronism 在多道程序的环境下 每个程序何时执行 何时暂停都是未知的 即它们以不可预知的速度向前推进 但同时操作系统应保证程序的执行结果是可再现的 即只要运行环境相同 一个作业的多次运行都会得到相同的结果 1 4操作系统的主要功能 1 4 1处理机管理功能 进程控制为作业创建进程 撤消已结束的进程 以及控制进程在运行过程中的状态转换 在设置有线程的OS中 进程控制可创建若干个线程 提高系统的并发性 进程同步为多个进程 含线程 的执行次序进行协调 有两种协调方式 进程互斥方式 进程同步方式 调度 调度包括作业调度和进程调度两步 1 作业调度从后备队列中按照一定的算法 选择出若干个作业 为它们分配运行所需的资源 并为它们建立进程 从而成为可能获得处理机的就绪进程 2 进程调度从进程的就绪队列中按照一定的算法选出一个进程 把处理机分配给它 并为它设置运行现场 使进程投入执行 进程通信实现进程之间的信息交换 使进程能很好地相互合作 1 4 1处理机管理功能 1 4 2存储器管理功能 1 内存分配 为每道程序分配内存空间 分配时要尽量提高存储器的利用率 尽量减少不可用的内存空间 碎片 允许正在运行的程序申请附加的内存空间 可采取静态分配方式或动态分配方式 2 内存保护确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行 彼此互不干扰 绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据 将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址 1 4 2存储器管理功能 4 内存扩充在逻辑上扩充内存的容量 以方便大作业的运行和增加内存中并发作业的道数 实现的功能 1 请求调入功能 允许在仅装入部分用户程序和数据的情况下 便能启动该程序运行 2 置换功能 在内存中无足够的空间来装入需要调入的程序和数据时 系统应能将内存中的一部分程序和数据调至硬盘上 以腾出内存空间 3 地址映射 1 4 3设备管理功能 1 完成用户进程提出的I O请求 为用户进程分配其所需的I O设备 并完成指定的I O操作 2 提高CPU和I O设备的利用率 提高I O速度 方便用户使用I O设备 缓冲管理利用缓冲来缓和CPU和I O设备速度不匹配的矛盾 提高CPU I O设备的利用率 设备分配为用户分配完成进程I O请求所需的设备和设备控制器 设备处理启动设备进行真正的I O操作 响应并处理设备控制发来的中断请求 1 4 4文件管理功能对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用 并保证文件的安全性 1 文件存储空间的管理为每个文件分配必要的外存空间 提高外存的利用率和文件访问的效能 2 目录管理通过目录的方式来组织文件 以实现文件的按名存取 并提高文件的检索速度 3 文件的读 写管理和保护 1 4 5操作系统与用户之间的接口 1 用户接口 用户接口分为 1 联机用户接口 允许用户通过一组联机命令直接控制自己的作业 联机命令由一组键盘操作命令及命令解释程序组成 2 脱机用户接口 该接口允许用户通过作业控制语言间接控制自己的作业 3 图形用户接口 提供了窗口 图标和菜单等元素 使用户通过指点设备和少量的键盘操作 取得OS的服务 2 程序接口OS提供了一组系统调用 供用户程序调用OS的功能 1 4 6现代操作系统的新功能 系统安全认证技术 密码技术 访问控制技术 反病毒技术 网络的功能和服务网络通信 资源管理 应用互操作 3 支持多媒体接纳控制功能 实时调度 多媒体文件的存储 1 5 1传统操作系统结构OS是一个大型的系统软件 其内部的组织结构经历了四代变革 1 5OS结构设计 1 无结构操作系统无结构操作系统是各种过程的集合 各过程之间可以相互调用 操作系统内部不存在任何结构 1 5 1传统操作系统结构 2 模块化结构OS采用模块化程序设计技术 将OS按其功能划分成若干个具有一定独立性和大小的模块 并规定好各模块间的接口 使它们之间能够交互 图1 7模块化操作系统结构 3 分层式结构OS 对模块化结构的一种改进 它将OS按其功能流图的调用次序以及其他一些原则划分为若干个层次 每一层代码只能使用较底层代码提供的功能和服务 并采用自底向上或自顶向下增添软件的方法来研制OS 1 5 1传统操作系统结构 分层结构的优点 易保证系统的正确性 易扩充和易维护性 1 5 4微内核OS结构 微内核 micro kernel 是一种能够提供必要服务的操作系统内核 必要服务包括 任务 线程 交互进程通信以及内存管理等 将OS划分为微内核和多个服务器 OS内核中只留下一些最基本的功能 而将其他功能尽可能从内核中分离出去 用若干个运行在用户态下的进程来实现 形成客户 服务器 Client Server C S 模式 1 微内核操作系统的基本概念足够小的内核 是一个精心设计的 能实现现代OS核心功能的小型内核 运行在核心态 开机后常驻内存 不会因内存紧张而被换出内存 1 5 4微内核OS结构 基于客户 服务器模式 应用 机制与策略分离 原理 所谓机制 是指实现某一功能的具体执行机构 策略 是在机制的基础上借助于某些参数和算法来实现该功能的优化 通常 机制处于一个系统的基层 而策略处于系统的高层 采用面向对象技术 2