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计算机操作系统 参考书目 汤子瀛等著 计算机操作系统 2 第一章引论 本章要点操作系统的定义操作系统的发展过程及基本操作系统类型和新型操作系统操作系统的功能和特征 3 1 1操作系统的基本概念1 1 1操作系统的定义 计算机系统的组成 4 引入操作系统主要可完成以下两个方面的工作 1 方便用户使用 操作系统应该提供给用户一个良好的界面 用户不必了解硬件和其它软件的细节 就可以方便地使用计算机 2 充分利用资源 操作系统应该最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率 合理地组织工作流程 使得计算机资源能为多用户共享 5 定义 操作系统是为了方便用户和提高计算机的利用率 对计算机资源进行组织和管理的程序集合 用户 广义的概念 包括一般用户和软件开发人员等 资源 包括处理器 存储器 输入 输出设备等硬件资源和程序与数据等软件资源 6 1 1 2操作系统在计算机系统中的作用1 对外职能 用户与计算机之间的接口必须为用户提供良好的界面 使用户能够感觉计算机是可用而且易用的 2 对内职能 组织和管理计算机资源 充分发挥资源的效能 提高利用率 7 1 1 3研究操作系统的几种观点1 用户观点2 资源管理的观点计算机资源按性质分四类 CPU 内存 处部设备 信息文件对于操作系统来说 资源管理要做如下工作 1 对资源使用情况进行登记 这是资源管理的依据 2 决定分配策略 3 提供分配与回收算法 3 进程观点进程 分析计算机操作系统在处理过程中的基本对象 是系统中的活动实体 8 图1 2资源分配与释放过程 9 10 1 2操作系统的发展一方面操作随着充分发挥计算机硬件性能的要求不断发展 另一方面它也促进了计算机硬件种类的扩充 使计算机体系结构不断改进 功能越来越强大 1 2 1问题的提出1 速度问题人工操作速度和处理机计算速度严重不匹配2 作业差异3 CPU与外部设备的充分利用 11 1 2 3解决办法1 减少人工干预批处理技术作业执行序列 监督或管理程序 自动转换联机批处理方式2 改善速度匹配脱机批处理技术 卫星机 输入 出设备 1 2 3解决办法1 减少人工干预批处理技术作业执行序列 监督或管理程序 自动转换联机批处理方式2 改善速度匹配脱机批处理技术 12 3 实现多道程序系统系统结构 以中央处理器为中心 主存为中心中断技术和通道技术通过软件技术使CPU和I O设备并行工作 多道程序系统多道程序系统 是指允许多个相互独立的程序同时存在于内存中 而且处于同时运行的过程中 各道程序轮流占用CPU 交替执行 问题 如何共享资源 如何互斥和同步 如何提高内存使用率 如何证程序安全 13 图1 3CPU与I O并行图 14 1 2 3基本操作系统类型1 批处理系统用户不能直接干预作业的运行过程作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡 与程序和数据一起提交给系统引入多道程序后 批处理系统有以下特征 1 多道性 2 无序性 3 调度性 作业从提交到运行完成需要经过两次调度 即作业调度和进程调度 作业调度是指按照一定作业调度算法 从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存 进程调度是指按照一定进程调度算法 从在内存的进程中选择一个进程 将处理机分配给它 使之执行 15 批处理系统 特别是多道批处理系统的主要优点是资源利用率高和系统吞吐量大 批处理系统的缺点主要体现在以下两个方面 1 平均周转时间长 作业的周转时间是指从作业进入系统开始 直到作业完成并退出系统为止所经历的时间 在批处理系统中 由于作业需要排队来依次进行处理 因而作业的周转时间较长 2 无交互能力 在作业提交后 用户不能与自己的作业进行交互 不便于对作业的控制 16 2 分时系统分时 就是多个用户对系统资源进行时间上的分享 微观上 每个用户作业轮流运行一个时间片 宏观上 多个用户同时工作 共享系统资源 分时系统作为多道程序系统的一个典型代表 集中体现了多道程序系统的一些技术特征 成为当今的计算机操作系统主流 17 3 实时系统 实时 是指系统能够及时响应发生的外部事件 一般为一些随机事件 并以足够快的速度完成对事件的处理 为了保证程序可靠运行 系统应提供安全措施 比如多级容错 硬件冗余等 避免因发生错误或丢失信息而造成重大经济损失甚至导致灾难性的后果 实时系统相对于其它操作系统来说 其优点是系统的及时响应以及系统的可靠性 两种类型 硬实时系统 软实时系统 18 1 2 4新型操作系统1 微机操作系统MS DOS Windows OS 2 UNIX Linux单用户单任务 单用户多任务 多用户多任务2 多处理机操作系统从硬件结构上分 紧密耦合型和松散耦合型多处理机系统所配置的操作系统分 对称式和非对称式 又称为主 从式 的 19 3 网络操作系统如同在单机上安装操作系统可以方便用户合理组织与管理计算机资源一样 在网络系统之上覆盖一层网络操作系统之后 用户可以方便地使用网络 实现用户通信和资源共享 提高网络资源的利用率和网络吞吐量 从功能上讲 网络操作系统是包括网络管理 通信 资源共享 系统安全和多种网络应用服务在内的诸方面功能的一个系统软件 20 4 分布式操作系统分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的 且可以实现分布处理的系统 处理单元自治性协调实现资源管理动态地分配任务能并行地运行分布式程序 21 1 3操作系统的特征与功能1 3 1操作系统的特征1 并发 Concurrence 并发与并行的区别程序与进程2 共享 Sharing 是指内存中多个并发执行的进程共同使用系统中的资源 资源共享的两种方式并发与共享的关系3 虚拟 Virtual 4 异步性 Asynchronism 22 从两个不同的角度 1 1 1 讨论操作系统的功能 1 资源管理协调 管理计算机的软 硬件资源 提高其利用率 2 用户角度为用户提供使用计算机的环境和服务 计算机四大类资源 CPU内存外设信息文件 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 用户接口 1 3 2操作系统的功能 23 1 处理机管理的功能进程管理和作业管理1 进程控制2 进程同步3 进程通信4 调度作业调度 作业具有使用CPU的权力进程调度 真正获得CPU 最重要内容 第2章 24 2 存储器管理的功能1 内存分配内存分配的主要任务是为每道程序分配足够完整运行的内存空间 而且要提高存储器的利用率 内存分配的机制中应具有以下结构和功能 内存分配数据结构 该结构用于记录内存空间的使用情况 作为内存分配的依据 内存分配功能 系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间 内存回收功能 系统对用户不再需要的内存根据释放请求进行回收 25 2 内存保护内存保护是指通过设置内存保护机制来确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行 不能访问操作系统存放在系统区中的程序和数据 也不允许访问非共享的其它用户程序内存区 3 地址变换用户应用程序 源程序 经编译 链接而形成的可装入程序 它所形成的逻辑单元编号 即逻辑地址 与装入内存后具体的内存存储单元编号 即物理地址 之间的对应变换 需借助于相应的地址变换硬件机构实现 以保证程序在执行过程中可以在正确的内存单元访问所需的指令或数据 26 4 内存扩充大型文件系统虚拟存储技术逻辑扩充 请求调入功能 允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下 启动该进程运行 在运行过程中 当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时 可向OS发出请求 由OS将所需部分调入内存 以便继续运行 对换功能 若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时 系统应将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上 以便腾出内存空间 然后再将所需部分调入内存 以上是第3章将要讲述内容 27 3 设备管理的功能设备管理是指根据用户的I O请求分配相应的I O设备 控制I O操作过程 达到提高I O速度和设备利用率的目的 设备管理具体包括以下内容 1 缓冲管理缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲区 以缓和CPU和I O速度不匹配的矛盾 最终达到提高CPU和I O设备利用率 进而提高系统吞吐量的目的 最常见的缓冲区机制有单缓冲机制 可实现双向同时传送数据的双缓冲机制 以及可供多个设备同时使用的公用缓冲池机制 28 2 设备分配设备分配的基本任务是根据用户的I O请求 为其分配所需的设备 其中包括可能需要的相应的控制器和通道 需数据结构 系统设备表 设备控制表 控制器控制表 通道控制表等3 设备处理设备处理程序又称为设备驱动程序 其基本任务通常是实现CPU和设备控制器之间的通信 由CPU向设备控制器发出I O指令 要求它完成指定的I O操作 并能接收由设备控制器发来的中断请求 给予及时的响应和相应的处理 29 4 设备独立性和虚拟设备设备独立性是指应用程序使用的逻辑设备名独立于具体的物理设备 以使用户编制的程序与实际使用的物理设备无关 虚拟设备就是虚拟技术在设备管理中的一种具体应用 以上是第4章将要讲述内容 30 4 文件管理的功能文件管理是指对存储在磁盘或磁带上的文件进行管理 以方便用户使用 并保证文件的安全性 文件管理具体包括 对文件存储空间的管理 目录管理 文件的读 写管理以及文件的共享与保护等功能 31 1 文件存储空间的管理由文件系统对诸多文件在存储空间的占用情况进行记录 以供分配和回收空间时参考 分配和回收是以提高存储空间的利用率为目标的 2 目录管理主要任务是为每个文件建立目录项 以实现方便的按名存取 文件共享 快速的目录查询手段3 文件的读 写管理和存取控制该功能规定文件读 写的具体方式 以提高读写效率 为了保障文件系统的安全 应对文件存取施加限制措施 保证各个用户以适当的权限来使用文件系统 达到系统的安全性要求 以上是第5章将要讲述内容 32 5 用户接口为了方便用户使用计算机 操作系统向用户提供了更易理解和进行工作的命令接口 程序接口和图形接口 这些接口对于不同层次 不同水平的用户提供了快速 高效访问计算机的手段 对于计算机的普及与发展起到了非常重要的促进作用 将在第2章简述 33 1 4操作系统的结构设计操作系统设计的一般观点 1 4 1整体式系统一种非模块化的简单结构一系列的过程明确定义的接口随意调用操作系统与外部程序有统一的接口 即一组系统调用命令系统态 管态 用户态 目态 34 整体式系统基本的结构关系 1 一个主过程 它接受和解释系统调用命令 并调用相应的过程 2 一组执行系统调用的服务过程 每个系统调用都有对应的服务过程 3 一组支持服务过程的实用过程 每个实用过程完成若干个服务过程所必须执行的公共事务 MS DOS早期的UNIX采用这种结构 所设计出的操作系统既庞大又杂乱 缺乏清晰的程序结构 这一方面会使所编制出的程序错误很多 给调试工作带来很多困难 另一方面也使程序难以阅读和理解 增加了维护人员的负担 35 1 4 2模块层次式系统一种模块化的系统结构把操作系统划分成若干模块按这些模块的控制或服务关系进行分层每层包含一个或若干个模块层间调用不可反向两种基本方法 自底向上法和自顶向下法 36 性质 1 Ai所提供的资源和功能构成了建立Ai 1的全部基础 单向依赖关系 2 从Ai扩充到Ai 1时 并不一定是Ai的全部功能都同时被扩充了 Ai的那些未经扩充的功能被看成是延续到Ai 1中去 故Ai 1中有一些功能等同于Ai的功能 在建立Ai 2时 把它看成是Ai 1的功能 3 在定义Ai 1的新资源时所用到的Ai的资源 在Ai 1中不应再出现 4 顶层An的正确性可通过逐步证明以下的每一级虚拟机Ai的正确性来得到证实 图1 5自底向上分层设计 37 2 自顶向下 Top down 法与自底向上法相反 自顶向下法是从目标系统An出发 过渡到宿主系统A0的 为了实现An 设计一个适当的虚拟机An 1 使得An能在An 1上实现 但An 1本身还无法独立运行 因此再设计一个新的虚拟机An 2来实现An 1 如此重复 便产生虚拟机序列An An 1 A1 A1能在A0上独立运行 如图1 6所示 图1 6自顶向下分层设计 38 1