第一章 计算机系统概述

Linux系统程序设计

CCGQ

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课程目标

❷掌握操作系统的基本原理

・计算机的构架

，操作系统的设计原理

并行性：同步，互斥，死锁与饥饿

e具备Linux系统程序的开发，调试能力

Linux编程环境，与文件10编程

'Linux下多进程，多线程编程

」信号与进程间通讯

'Linux应用程序的调试

e具备网络编程能力

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课程结构图

操作系统基本原理Linux程序设计项目实践

1.操作系统的基本概1.GNU/Linux编程基础综合应用各章的知识

念，原理。2.Linux的系统接口点应用的项目实践

2.进程，线程。3.程序调试方法

3.并行性：同步，互斥，4.多进程，多线程以及

死锁与饥饿进程间通信

5.常见库函数及系统调

用API的应用举例

6.网络编程基础

（第1〜3章）（第4〜12章）

（第13章）

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第1章

操作系统概论

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预习检查

@计算机系统的基本构成

,处理器，主存，10模块，系统总线

o中断的分类

・程序中断，时钟中断，10中断，硬件失效中断

❷存储器的层次结构

•Register->cache->mainmemory->disk

❷操作模式分为？

•内核模式，用户模式

。任何资源分配和调度策略都必须考虑的三个因素

•公平性，有差别的响应，有效性

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本草目标9黯匐&

❷了解计算机的基本结构与指令的执行

❷掌握中断的概念与中断处理

u了解cache的作用与10的通信技术

❷了解操作系统的基本概念

❷了解操作系统发展的历史

❷掌握操作系统设计中的关键问题

❷了解操作系统架构

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本章结构___________________上^易嵌教育

-71二

5基本构成

-处理器寄存器

♦指令的执行

f中断।

f存储器的层次结构।

f高速缓冲存储器।

-10通信技术

-操作系统的目标和功能I

—操作系统的发展____

T取得的成就|

f现代操作系统的特征一

CCGQfLinux操作系统

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1-1基本构成

&处理器(processor)

。主存储器(mainmemory)

」易失性的

--RealmemoryORprimarymemory

&输入输出模块(IOmodules)

・二级存储设备

』通信设备

,终端

@系统总线(systembus)

)为处理器，主存，和输入/输出模块间提供通讯的设施

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1・1处理器

@两个内部寄存器

」存储地址寄存器(MAR)

确定下一次读写的存储器地址

-•存储缓冲寄存器(MBR)

写入存储器的数据

从存储器中读出的数据

・IOAR

IOBR

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1・1计算机部件:顶层视图

CPU

I/OAR=I/O地址寄存器

I/OBR=I/O缓冲寄存器

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1・2处理器寄存器

@用户可见寄存器

，优先使用这些寄存器，减少对主存的访问

-•由优化编译器负责

」C语言的"register”关键字

8控制和状态寄存器

•控制处理器的操作

，由拥有特权的操作系统使用，控制程序的执行

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1・2用户可见的寄存器

©有处理器执行的机器语言来引用

❷对所有的程序都是可用的

•系统程序

，应用程序

。寄存器的类型

•数据寄存器

.，地址寄存器

索引(index)

段指针(segmentpointer)

栈指针(stackpointer)

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1・2用户可见的寄存器

@地址寄存器

•索引

通过一个基值加上一个索引值来获得有效地址

•段指针

主存被划分成段

段的基地址+offset

•栈指针

指向栈的顶部

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1・2用户可见的寄存器

©控制和状态寄存器

」程序计数器

包含将取指令的地址

」指令存储器

包含最近取得指令内容

・程序状态字

•条件码

♦有处理器硬件设置(如，算数运算结果)

中断的开关(Enable/Disable)

管理/用户模式开关

其他

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1-3指令的执行

@两个步骤

，处理器从存储器读一条指令

fetches

J处理器执行指令

excute

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1・3指令周期

取指阶段执行阶段

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1-3取指令和执行指令&

从存储器中取一条指令

程序计数器(PC)保存下一次要取的指令地址

处理器每次取完指令后，者B递增PC

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1・3指令寄存器

©取到的指令放置的位置

❷动作分为四类

•处理器-存储器

在存储器和处理器之间传递数据

❷处理器-io

处理器和I0模块间传递数据

,数据处理

数据的算术操作和逻辑操作

•控制

改变执行顺序

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1・3理想计算机的特征

03415

地址

(a)指令格式

0115

数值

(b)整数格式

程序计数器(PC)=指令地址

指令寄存器(IR)=正在执行的命令

累加器(AC)=临时存储体

(C)内部CPU寄存器

001=从存储器中加载AC

0010=把AC的内容存储到存储器中

0101=从存储器中加到AC中

(d)部分操作码列表

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1・3程序执行的例子9例1

取指阶段执行阶段

存储器CPU寄存器存储器CPU寄存器

30019403O0|PC30019403O1|PC

3015941AC30159410003AC

30229411940IR30229411940IR

94000039400003

94100029410002

Step1Step2

存储器CPU寄存器存储器CPU寄存器

3001940301|PC30019403O2|PC

30159410003AC30159410005AC

z

30229415941IR30229415941V

94000039400003+2=5-J

94100029410002

Step3Ste]34

存储器CPU寄存器存储器CPU寄存器

30019403O2|PC30019403O3|PC

30159410005AC30159410005AC

3022941►2941IR30229412941IR

J

94000039400003

94100029410005

Step5StejD6

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1・3直接内存访问(DMA)O肾鬻厝

❷I0模块直接和内存发生数据交换

❷处理器允许I0模块具有从存储器中读和往存储器写的

特权

❷减轻处理器的负担

cceo

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阶段总结9黯匐詈

@计算机的基本构成，处理器，主存，10模块，系统总

线。

&处理器的内部寄存器，有些是用户可见的，有些是不

可见的，控制或状态寄存器

❷指令的执行，分为取指令，执行指令阶段

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1・4中断______________________________________9ts耀

©中断处理器正常处理过程的机制

©多数的I0设备都比处理器慢的多

」处理器必须停止以等待设备

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1・4无中断时程序的控制流

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1-4中断:短时间的IO等待

User

Program

©

WRTTIE

cceo(t>)Interrupts;shortI/Owuil

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1-4中断:长时间的IO等待

UserUO

ProgramProarain

①

WRITE

WRITE

WRITK

cceo(c)Interrupts;longI/Owait

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1-4中断处理程序

❷服务于特定I0设备的程序

@一般是，操作系统的一部分

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1・4中断

❷挂起正常的执行序列

中断处理器

用户程序

1

2

在这里

发生中断z+1

CCGM

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1-4中断周期

取指阶段执行阶段中断阶段

不允许中断

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1-4中断周期

©处理器检查中断信号

」无中断发生：

取当前程序的下一条指令

有中断发生：

挂起当前程序的执行

转而执行中断处理例程

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1/0操作

处理器等待I/O操作

(b)有中断(带圆圈的数字

③图1.5(b)中的数字)

(a)无中断(带圆圈的数字

CCGQ指图1.5(a)中的数字)

大学佳嵌入式盛罂■

1・4程序时序:长时间的I0等待

时间

①

I/O操作②

I/O操作

处理器等待

⑤

②

③

处理器等待I/O操作I/O操作

处理器等待

⑤

③(b)有中断(带圆圈的数字:

图1.5(b)中的数字)

cceo(a)无中断(带圆圈的数字

大学佳嵌入式盛罂指图L5(a)中的数字)

1・4简单中断处理

硬件

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1・4中断时存储器和寄存器的改变__________9肾鬻,

T-M

N+I

控制线

/.+i]

程序计数器

Y中断

服务通用寄存器

例程

Y+L返回\T-

栈指针

处理器

N

N+1用户程序

主存储器主存储器

(a)在存储单元N中的指令之后发生中断(b)从中断返回

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1・4多道程序设计O肾鬻厝

@处理器由多个程序要执行

。执行顺序取决于他们的相对优先级和他们是否在等待

I0

&一旦中断处理完成，控制可能并不立即返回给这个用

户程序

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1・5存储器的层次结构

©存取速度越快，每位(Nt)的价格就越高

❷容量越大，每位(b让)的价格就越低

」容量越大，存取速度就越慢

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1・5存储器的层次结构

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1・5有顶向下看詈

❷每位的价格递减

❷容量增大

@存取时间递增

。处理器访问存储器的频率递减

」局部性原理

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1・5局部性原理为什么有效?

©处理器的指令存储访问和数据存储访问呈现簇状

」迭代循环

」子程序

•表和数据的操作

。在较短的时间内，处理器访问存储器中固定的簇

。大多数存储访问是对第一级存储器中的指令和数据的

访问

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1・5二级存储器_______________________________9ts罐

@永久的，外部的

©存储程序和数据文件(files,records)

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1・5磁盘高速缓冲存储器

@主存储器的一部分

❷用于临时保存从磁盘中读出数据

@磁盘成簇写

。从磁盘缓冲区读数据，而不是从磁盘读回

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1・6高速缓冲存储器

©对操作系统不可见的

❷提高内存的访问速度

©处理器的速度远比内存的速度快

❷利用局部性原理

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1・6高速缓冲存储器

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e包含内存某部分的内容的拷贝

❷处理器首先检查cache

-•如果存在(cachehit)

从cache传递给处理器

-•如果不存在cache中(cachemiss):

固定数据字节的数据

先读入cache

然后从cache传递给处理器

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1-6cache/memory系统

存储器地址

2〃

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1・6读cache操作

开始

RA:读地址

从CPU接收地址RA

包含RA的块在高速访问主存储器

缓冲存储器中吗？中包含RA的块

Yes

取RA中的字为主存储器中的块分

并传递给CPU配高速缓冲存储器槽

为主存储器中的块载把RA中的字

入高速缓冲存储器槽传递给CPU

大学佳我入土”一

1-6Cache的设计

@Cache的大小

)适当小的cache可以对性能产生显著的影响

3块大小(linesize)

」Cache与memory的数据交换单位

由小变大时，由局部性原理，命中率增加

，变得更大时，新近取得数据被用到的可能性，小于那些必须被移出

cache的数据再次用到的可能性，命中率开始降低。

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1-6Cache的设计

@映射函数

）决定读入块的数据将占据cache的那个单元

@替换策略

，决定谁被替换出去

，LRU（最近最少）使用算法

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1-6Cache的设计

❷写策略

-1何时memorywrite发生

」每当块被更新后

Writethrough

」每当块被替换时

Writeback

优点：

♦减少了存储器械操作的次数

,缺点：

♦主存中的数据处于过时状态

♦在多处理器或DMA操作中会引起麻烦

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1-7可编程IO9黯匐

。IO模块执行操作，不是处理器

。设置IO状态寄存器中相应的位

g不采用中断处理

g处理器要定期检查IO模块的状态

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17中断驱动的109黯匐

IssueReadPUTI/O

commandtoDosomething

0当10模块准备交换数据是给处理I/Omodule一"►else

器发送中断

Readstatus--Interrupt

ofl/O

&处理器保存执行程序的上下文,module/OTCPU

专而执行中断处理程序

CheckError

e没有等待statuscondition

Ready

❷消耗处理器的时间，因为每一个Readword

fromI/O/OCPU

数据的读写都是由处理器来完成Module

Writeword

PU—*memory

intomemory

No

Done?

Yes

Nextinstruction

cceo<b)Interrupt-drivenI/O

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1-7DMA

@大量移动数据

❷当数据完成后，产生中断

©处理器只在开始结束时参与

」开始

•请求读/写

io设备的地址

开始读写的存储单元

读写的数据大小

•结束

中断处理例程

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1-7DMA

(a)程序控制I/O(b)中断驱动I/O

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Z介绍了中断处理的流程，以及中断是多道程序设计的

关键。

2存储器的层次结构和高速缓冲，高速缓冲是利用了局

部性原理。

Z10通信技术，分为可编程10,中断驱动的10,以及DMA

操作。

cceo

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阶段练习

©1

©2

©3

cceo

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2・1操作系统的概念C肾鬻厝

❷控制应用程序执行的程序

❷应用程序和系统硬件之间的接口

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2-1操作系统的目标

@方便

」是计算机更易于使用

@有效

更有效的利用计算机资源

g扩展的能力

，不影响服务的情况下:有效的开发，测试和引入新的系统功能

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2・1计算机系统的层次视图

2・1操作系统提供的服务9懿f

@程序开发

，编辑器和调试器

e程序执行

&I0设备访问

3文件访问控制

U系统访问

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2・1操作系统提供的服务

@错误检测和响应

）内部或外部的硬件错误

・存储器错误

.设备故障

，软件错误

•算术溢出

试图访问被禁止的存储器单元

，操作系统无法确认应用程序的请求

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2・1操作系统提供的服务

@审计

，收集各种资源的统计值

•监控性能

」预测对将来功能的需求

」可用于记账

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2・1操作系统

@作为资源管理器

❷操作系统与普通的计算机软件相同

•由处理器执行的一段和一组程序

。操作系统经常释放控制，并且必须依赖于处理器才能

恢复控制

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2・1操作系统

计算机系统

存储器I/O设备

打印

I/O控制器0

操作系照相

统软件

-O

I/O控制器

•

•

程序和数据•

I/O控制器

/\

处理器•••处理器

大学

2・1内核(kernel)

©操作系统中常驻内存的部分

。包含操作系统最常用的功能

®也称为nucleus

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2・2操作系统的发展

©硬件的升级和新硬件的出现

❷新的服务的需求

@纠正错误

CCGQ

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2・2操作系统的发展

@串行处理

）没有操作系统

，在控制台上执行

显示灯

触发器

•输入设备

•打印机

・调度时间

・准备时间

加载编译程序，源程序

保存编译好的程序

加载目标程序和公用函数连接

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2・2简单批处理系统

g监控程序

」控制事件的顺序

，把控制权交给作业

.，作业完成后将控制权返回给监控程序

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2・2作业控制语言（JCL）

©特殊的程序设计语言

❷为监控程序提供指令

，使用什么编译器

，使用什么数据

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2・2硬件的特性

@内存保护

」不能改变监控程序的内存区域

@定时器

.•防止一个作业独占系统

。特权指令

/某些机器级指令只能由监控程序执行

❷中断

』早期的计算机模型没有这项能力

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2・2操作模式

❷用户程序执行在用户模式

」某些区域是受保护的

）特权指令不允许执行

触监控程序运行在系统模式

•内核模式

,可以访问受保护区域

，执行特权指令

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2・2系统利用率实例______________________9肾鬻,

从文件中读一条记录

执行100条指令

往文件中写一条记录

总计

CPU利用率=—=0.032=3.2%

31

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2・2单道程序设计

©处理器必须等待10指令完成

ProgramARunWaitRunWait

Time.

(H)Uniprogramming

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2・2多道程序设计&

@当一个任务需要等待10,处理器可以切换到另一个任

务执行

ProgramARunWaitRunWait

ProgramBWaitRunWaitRunWart

RunRunRunRun

CombinedWailWait

ABAB

Time.

(h)MuIGprogrammingwithtwoprograms

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2・2多道程序设计

(c)Multiprogrammingwitlithreeprograms

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2・2多道程序设计

OB3

J0B1J0B2

作业类型大量计算大量I/O

持续时间5分钟15分钟

需要的内存50MB100MB

75是MB

是否需要磁盘

否否否

是否需要终端否是是

是否需要打印机否否

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2・2多道程序设计

CPUCPU

存储器存储器

磁盘磁盘

A472山终端

打印机

作业历

史记录作业历

史记录

分钟*

分钟

(a)单道程序设计(b)多道程序设计

2・2引入问题

@内存管理

，多个程序保存在主存器中

。调度算法

j处理器决定执行哪一个程序

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2・2分时系统

❷利用多道程序设计处理多个交互式工作

❷多个用分享处理器时间

❷多个用户同时通过终端访问系统

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2-2CTSS系统詈

❷MIT开发的第一个分时系统

2・3取得的成就

@进程

❷内存管理

©信息保护和安全

。调度与资源管理

@系统结构

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@一个正在执行的程序

❷计算机中正在运行程序的实例

@可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体

8单一的顺序的执行线索，一个当前状态和一组相关的

系统资源所描述的活动单元

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主存储器处理器寄存器

进程索引IiI

程序计数器【

进程表基址寄存器

界限寄存器

其他寄存器

上下文

进程数据

A

程序

（代码）

上下文

进程数据

程序

（代码）

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2・3内存管理

@进程隔离

❷自动分配和管理

❷支持模块化的程序设计

❷保护和访问控制

❷长期存储

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2・3虚拟内存詈

©允许程序员从逻辑的观点来进行访问存储器

❷满足由多个作业同时驻留在内存中的要求

。当一个进程被写到辅助存储器中并且后继进程被读入

时，在连续的进程执行之间不会脱节

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2・3分页

@进程有许多固定大小的块组成，这些块成为页

©虚拟地址由页号(pagenumber)和页中偏移量(offset)做

成

。每一页可以放在内存的任意地方

触分页系统提供了虚地址和贮存中实地址(物理地址)的动

态映射。

❷缺页

)消除了进程全部载入内存中

」按需调页

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2・3虚存

A.1

A.0A.2

A.5

B.0B.1B.2B.3

A.7

A.9

A.8

主存

B.5B.6

主存磁盘

主存包含许多长度固定的帧，其辅存（磁盘）可以保存许多长度固

长度与页的大小相等.对一个要定的页.一个用户程序由很多页

执行的程序.它的一些页或所有

页必须在主存中组成.所有程序连同操作系统的

cceo页都以文件的形式保存在磁盘中

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2・3虚存寻址詈

cceo

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2・3信息保护和安全

❷可用性

J保护系统不被打断

@保密性

）保证用户不能读到未授权访问的数据

❷数据完整性

）保证数据不被未授权修改

8认证

）涉及用户身份的正确认证和消息或数据的合法性

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2・3调度和资源管理

@公平性

，给与相等或公平的机会访问资源

3有差别的响应性

-•区分有不同服务要求的不同作业类

）满足所有要求的分配和调度决策，并动态的调整

。有效性

」最大的吞吐量

」最小的响应时间

」容纳可能多的用户

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2・3操作系统的主要组件

来自进程的

服务调用

进程中断

I/O中断

短期调度器

（代码）