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第一章 网络操作系统引论 1 什么是操作系统 1.1 操作系统的定义，要求达到 领会层次。 定义：操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合。 注：操作系统属于系统软件，系统软件和系统硬件构成一个完整的计算机系统。 1.2 操作系统在计算机系统中的地位和作用，要求达到 领会层次 。 一个计算机系统可以看成是由硬件和软件按层次结构组成的系统，如图 1-1 所示。 计算机系统的层次结构从图中可以看出，操作系统是硬件层的第一次扩充，在这一层上实现了操作系统的全部功能，并提供了相应的接口。 1.3 现代操作系统的主要特征，要求达到 领会层次。 1 、并发性 指的是在操作系统中存在着许多同时的或并行的活动。 2 、共享性 系统中存在着各种并发活动，要求共享系统的硬、软件资源。理由是： （ 1 ）向各个用户分别提供足够的资源是浪费的，有时也是不可能的； （ 2 ）多个用户共享同一程序要比向各个用户提供程序副本节省存储空间，提高工作效率 （ 3 ）几个用户或程序员在开发软件过程中，为避免重复，应允许使用他人拥有的软件资源 3 、虚拟性 是指将一个物理的实体映射为若干逻辑实体，物理实体是客观存在的，而逻辑实体是虚构的。例如，在多道程序系统中，虽然只有一个 CPU ，每次只能执行一道程序，但采用多道程序设计技术后，在一段时间间隔内，宏观上有多个程序在运行。在用户看来，就好像有多个 CPU 在各自运行自己的程序。这种情况就是将一个物理的 CPU 虚拟为多个逻辑上的 CPU ，逻辑上的 CPU 成为虚拟处理机。 4 、不确定性 表现在以下两个方面 （ 1 ）程序执行结果不确定，程序执行结果不能再现。 （ 2 ）多道程序环境下，程序按异步方式运行。 2 多道程序设计与虚拟处理机 2.1 多道程序设计的硬件支持，要求达到 识记层次 。 1 ）中断 中断的概念：中断指的是： 对异步或对例外事件的一种响应； 这一响应自动保存 CPU 状态以便将来重新启动； 自动转入规定的中断处理程序。 中断的类型： （ 1 ） I/O 中断 （ 2 ）程序中断 （ 3 ）硬件故障中断，或称机器检验中断 （ 4 ）外中端 （ 5 ）访管中断 中断的处理过程： 发生中断 保护现场（保存程序状态字 PSW ，程序计数器 PC 入栈） 装入中断处理程序的 PSW 执行中断处理程序 中断返回（恢复现场 ,PSW PC 出栈） 2 ）通道技术 通道的定义：通道又称 I/O 处理机，它能完成主存储器和外设之间的信息传输，并与中央处理器机并行操作。采用通道技术解决了 I/O 操作的独立性和各部件工作的并行性。 通道的种类： (1) 字节通道（慢速外设） (2) 选择通道（快速外设） (3) 数组多路通道（多个设备交叉使用，提高通道利用率） 单通道 I/O 系统 多通道配置方案CPU 是主设备，通道是从设备。 2.2 多道程序设计的基本原理，要求达到 领会层次 。 1 ）多道程序的硬件支持 通道技术和中断系统。 2 ）多道程序的基本原理 多道程序设计的主要目的是充分利用系统中所有资源且尽可能地让它们并行操作。采用通道技术后使 CPU 从繁锁的 I/O 操作中解放出来，它不仅能实现 CPU 和通道并行工作，而且也能实现通道与通道之间、各通道上的外设之问的并行。 多道程序设计的实现，必须妥善解决的三个问题： 存储保护和地址的重定位 处理机管理和调度 资源的分配与管理 多道程序设计的特点： 1) 多道 2) 宏观上并行 3) 微观上串行 2.3 虚拟处理机和虚拟计算机，要求达到 领会层次 。 虚拟处理机：真实的物理处理机只有一台，通过多道程序在系统中的并行执行，逻辑上好像多个处理机在工作，则每个逻辑上的处理机称为虚拟处理机。 虚拟计算机：通过操作系统的功能，把主存扩充改造成虚拟存储器，把外存储器改造成按名存取的文件系统，把 I/O 设备改造成数量较多、方便实用的虚拟设备，把系统控制台改造成每个用户都可使用的逻辑控台，配置了操作系统的计算机是一台比原来物理计算机功能更强的计算机，我们把这种概念上的、逻辑上的计算机称为虚拟计算机。 2.4 多道程序运行时间图，要求达到 简单应用层次 。 多道程序设计的执行过程状态转换图：（画图、读图） 依据：单处理机系统多道程序在微观上的串行性（不能重叠） 多个通道之间、多道程序和通道之间在微观上可以并行（可以重叠） 多道程序设计的例子 1： 调度程序执行时间忽略不计的情况下：3 系统调用 3.1 算态与管态、特权指令与访管指令、系统调用的概念，要求达到 识记层次 。 算态：用户程序运行的状态，又叫目态。 管态：系统程序运行的状态，又叫特权状态。 特权指令：只能在管态下执行而不能在算态下执行的特殊机器指令。 访管指令：能从算态进入管态，基本功能是“自愿进管”引起访管中断。 系统调用：用户在程序中能用访管指令调用的，由操作系统提供的子功能集合，其中每一个子功能称为系统调用命令。 3.2 系统调用的执行过程，要求达到领会层次。 UNIX 系统调用的执行过程流程图：（画图） 第一章 网络操作系统引论 3.2 系统调用的执行过程，要求达到领会层次。 UNIX 系统调用的执行过程流程图：（画图） UNIX 提供 64 种系统调用（ 063 ） 0 号调用为间接系统调用（ trap00 指令后为指向数据区的指针），其余为直接系统调用（调用参数可在寄存器中也可在 trapxx 指令后） 3.3UNIX 系统调用的种类，要求达到 领会层次 。 进程控制的系统调用 （ fork() ：创建进程 ,wait() ：进程阻塞 ,exit() 进程自我终止 ,getid() 获得进程标识符 ,getppid() 获取父进程标识 ,getpriority() 获取进程优先级） 进程通信的系统调用 （ socket 套接字的建立、链接、控制、删除） 存储管理的系统调用 设备管理的系统调用 （ open 打开设备 , close 关闭设备 ,read 从指定设备读 ,write 从指定设备写） 文件系统的系统调用（ open close read write creat unlink 删除 execl 执行 fnctl 控制 flock 加锁解锁 stat 获取文件状态 mount 文件系统的安装） 系统管理的系统调用 4 单机操作系统 4 1 单用户操作系统的特点，要求达到 领会层次 。 单用户操作系统的基本特征是在一个计算机系统内一次只支持一个用户程序的运行，系统的全部资源都提供给该用户使用，用户对整个系统有绝对的控制权。例如 MS-DOS 。 4 2 批处理系统的特点，批处理系统中一个作业从提交到完成所经历的四个阶段，要求达到 识记层次 。 批处理系统的基本特征是“批量”，它把提高系统的处理能力，即作业的吞吐量作为主要设计目标，同时也兼顾作业的周转时间。 四个阶段： 作业的提交、作业的收容或作业的后备、作业的执行、作业的完成。 4 3 分时、分时系统的概念，分时系统的特点和实现方法，分时系统中与响应时间有关的因素，要求达到 领会层次 。 分时：两个或两个以上的事件按时间划分轮流地使用计算机系统中的某一资源。 分时系统：在一个系统中，两个或两个以上的用户分时的使用同一个计算机，这样的系统成为分时系统。 分时系统的特点： 同时性、独立性、及时性、交互性 分时系统的实现方法： 调进 / 调出：从后援存储器中选择一个作业装入主存，称为调进；从主存移到后援存储器上称为调出。 分时系统的响应时间：响应时间与用户数 n 以及时间片 q 的大小有关。 T=nq 如果给定合理的响应时间 T ，若增加用户，则应减少时间片，但时间片的减少是受限的，从而也就限制了同时性用户数。 44 实时系统的分类，实时系统设计中应考虑的一些问题，要求达到 识记层次 。 分类： 1 ）实时控制系统 （飞行器，导弹发射等） 2 ）实时处理系统（预定飞机票、航班查询） 实时系统设计中应考虑的一些问题： 1 ）实时时钟管理 2 ）连续人机对话 3 ）过载的防护 4 ）高可靠性的保证 5 多机操作系统 5 1 分布式系统的概念，分布式系统的特点，分布式操作系统中的同步与资源管理的策略，要求达到 领会层次 。 概念：分布式系统是一个由多台计算机组成的系统，在用户看来，它所拥有的是一台单独的计算机，而这台计算机是一台功能扩大了的虚拟机。 特点： 1 ）任意两台计算机之间可以利用通信交换信息。 2 ）各计算机具有相对的自主性或自治性。 3 ）分布式系统具有透明性。各计算机上的资源可以共享，而且用户不必考虑资源所在的位置。 4) 分布式系统具有整体性或协同性。各台计算机可以共同完成一个任务，各计算机只完成整个任务的一部分。 5) 分布式系统具有坚定性。任何一台计算机出现故障不会使系统瘫痪，可以“降级”使用。 分布式操作系统与集中式（单机）操作系统相比又有以下特点： 系统状态不精确 控制机构复杂 通信开销引起性能下降 分布式系统中的同步：在分布式系统中，没有共享存储器和公用时钟，因此很难说哪个事件在前，哪个事件在后。虽然每台计算机都有自己的时钟，尽管每台时钟的工作都非常稳定，但不能保证它们的频率都完全相同。为了实现分布式系统中的进程同步，需要给系统中的每个事件指定一个时间值，即打上时间戳，以便对系统全局事件定序。在对分布式系统中的所有事件赋予时间戳时，应满足以下条件： 1 ）在同一节点上，若 A B ，则 C(A)C(B) 。 2 ）若 A 、 B 分别是发送与接收同一消息的两个事件，则 C(A)C(B) 。 3 ）对系统中的任何两个事件，必定 C(A) C(B) 。 例 在下图中画出了三台机器（称为节点机），它们都有自己的逻辑时钟，在同一时刻，各节点机上的逻辑时钟不同，节点 0 、 1 、 2 的逻辑时钟值分别为 6 、 8 、 10 。 ( 掌握修正算法 ) 在时刻 6 ，节点 0 发消息 A 给节点 1 ，节点 1 的逻辑时钟值为 16 ，节点 1 发消息 B 给节点 2 ，消息到达节点 2 的逻辑时钟值为 40 。上述情况看来都是合理的。 现在观察另一种现象。节点 2 在 60 时发消息 C ，到达节点 1 的时间是 56 ，同样，节点 1 在 64 时发消息 D ，消息到达节点 0 的时间是 54 ，见图 1.1(a) ，这显然是不可能的，也是不合理的。 为了解决这一问题， Lamport 提出了一个算法。当一个节点收到另一节点来的节点就应修正自己的逻辑时钟值。例如，节点 2 在 60 时向节点 1 发消息 C ，在节点 1 的逻辑时钟值就应修改成 61 。类似地，消息 D 的到达时间应该修改成 70 ，见图（ b ）。 分布式系统中的资源管理：采用一类资源有多个管理者的分布式管理方式。分布式管理方式又可分为集中分布管理和完全分布管理两种方式。集中分布管理和完全分布管理方式的区别是，前者让资源管理者对它所管的资源拥有全部控制权，而后者只允许资源管理者对资源拥有部分控制权。 5 2 并行性、并行处理与并行计算机的概念，紧耦合系统与松耦合系统的区别，要求达到 识记层次 。 并行性：并行性有三种含义：同时性、并发性、流水线 并行处理：是一种有效的强调开发计算过程中并行事件的信息处理方式。 并行计算机：单指令流单数据流（ SISD ） 单指令流多数据流（ SIMD ） 多指令流单数据流（ MISD ） 多指令流多数据流（ MIMD ） 紧耦合与松耦合多处理机系统的主要区别在于有无共享存储器。紧耦合多处理机系统有共享存储器，所以也称其为共享存储结构多处理机系统，松耦合多处理机系统没有共享存储器，每个节点都有一个容量较大的局部存储器，所以也称其为分布存储结构多处理机系统。 紧耦合多处理机系统中进程间的通信可采用基于共享变量的通信方式。 松耦合多处理机系统中进程间的通信可采用采用基于消息传递的通信方式。 5 3 加速比、系统平均利用率的概念，要求达到 识记层次 。 加速比：在多机处理系统中，一个作业在单机上的执行时间与在多处理机上的执行时间的比值。 系统的平均利用率：在多处理机系统中 P 台处理机实际执行时间与 P 台处理机被占用时间的比值。 5 4 多处理机系统中轻载、重载、空载、适载、负载平衡的概念，要求达到 识记层次 。 T1 T2 轻载：小于 T1 重载：大于 T2 适载：大于 T1 且小于 T2 空载：为零 负载平衡：是指系统中的所有节点都处于适载状态，这是一种严格意义上的负载平衡。 静态负载平衡：进行任务分配时，根据负载情况分配处理机。 动态负载平衡：通过交换系统状态信息决定负载的分配。 5 5 多处理机操作系统的主要特征，要求达到 领会层次 。 主要特征： 并行性：单机多道程序系统实现了多个任务的并发执行，提高了系统的处理能力 分布性：任务分布，控制分布，资源分布 系统容错性：系统中某一部分发生故障后，系统能动态重新组合，降级使用。 5 6 多处理机系统中两种通信方式，要求达到 识记层次 。 两种通信方式：共享变量（紧耦合多处理机）、消息传递（松耦合多处理机） 5 7 计算加速比和系统的平均利用率，要求达到 简单应用层次 。 定义：加速比：在多机处理系统中，一个作业在单机上的执行时间与在多处理机上的执行时间的比值。 系统的平均利用率：在多处理机系统中 P 台处理机实际执行时间与 P 台处理机被占用时间的比值。 参考教材 P26 图 1-17 例题 例：给定作业，它有多个任务组成 T1,T2T9, 前驱关系如图 a 所示，在两个处理机上执行情况如图 b 所示 , 求加速比和系统的平均利用率。