计算机科学导论-操作系统资料

1、讲座4:计算机操作系统，本讲座的内容，计算机系统组成的演变，主流操作系统文件路径，用户界面，计算机系统组成，软件系统实用程序：编译器，调试器，连接汇编程序。应用软件：专用软件包、用户开发程序、硬件系统裸机、完全没有软件的计算机系统；如何通过执行机器指令来使用输入输出功能？通过建立用户和计算机之间的接口(从用户的角度)为裸机配置的操作系统、操作系统、系统软件；裸机上的第一层软件由一系列程序模块组成；一种资源管理程序(从计算机系统设计者的角度来看)，它按照一定的策略分配、管理和调度计算机硬件和软件资源，并合理地组织计算机工作流，从而提高系统资源的利用效率。操作系统设计目标，(1)有效性：有效管理和

2、分配软硬件资源，合理组织计算机工作流程，提高资源利用率和系统吞吐量；(2)方便性：优秀的用户界面和界面，使其更容易使用计算机资源；(3)可扩展性：适应计算机硬件和体系结构的快速发展及其相应的更高的功能和性能要求；(4)开放性：支持不同厂商、不同类型计算机及其设备之间的网络集成和协同工作，实现应用程序的可移植性和互操作性。操作系统的形成和发展，顺序处理(手动操作阶段)，简单批处理系统，多通道批处理系统，分时系统，实时系统，手动操作阶段，计算机不配备操作系统，程序员直接使用计算机硬件系统将程序和数据发送到计算机内存中。按下开始按钮，计算机开始计算。一个简单的批处理系统，用户：他们不再直接与计算机打

3、交道，而是把自己的工作(卡片叠或纸带)交给计算机房的操作员。操作员：将多个作业按顺序分批放在一个输入设备上。监控程序，自动启动输入设备将一个作业读入磁带，然后依次将一个作业装入内存，并控制作业的操作和处理。因此，实现了作业之间的自动切换，并且提高了系统效率。输入作业结构，简单批处理、早期在线批处理、早期在线批处理和早期在线批处理两种控制模式。作业的输入、计算和输出是在中央处理器的直接控制下进行的。缺点：在输入/输出过程中，主机的速度降低到外围设备速度较慢的水平。CPU的利用率大大降低。因此，早期的离线批处理方法被引入。早期离线批处理，早期离线批处理的特点是，外围机器(小型卫星机器)代替主机完成

4、输入/输出工作的作业。离线输入技术：在外围设备的控制下，预先将作业从低速输入设备输入到磁带上，然后在中央处理器需要时，从磁带机高速直接输入到内存中，减少了中央处理器等待输入的时间。早期离线批处理的特点，离线输出技术，当CPU需要输出时，它将结果高速输出到磁带上，然后在外设的控制下，磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。主机和慢速外设可以并行工作。多通道批处理系统是指将多个程序同时放入内存，使它们在系统中交叉运行，并共享系统中的各种资源。当一个程序的执行被暂停时，中央处理器立即开始执行另一个程序。特点：多通道，宏观上并行(不同的任务分别在中央处理器和外围设备上执行)，微观上串行(在单个中央处理器

5、上交叉运行)。一种多通道编程的结构模型，例如，假设一个计算机系统有256k主存储器(不包括操作系统)、一个磁盘、一个终端和一个打印机。这三个作业分别命名为作业1、作业2和作业3。每次运行时间分别为5分钟、15分钟和10分钟。他们对资源的具体使用。乔布诺。作业1作业2作业3作业类型计算输入/输出类型输入/输出类型占用主内存50k 100k 80k要求磁盘条件否是要求终端条件否是要求打印机条件否是运行时间5分15分10分钟作业1主要使用中央处理器；作业2主要使用终端(键盘和显示器)；作业3主要使用磁盘和打印机。作业2和作业3需要较少的CPU时间。三个作业对资源的使用情况、简单批处理：作业按顺序执行

6、。作业1运行5分钟完成，作业2等待5分钟，然后需要15分钟完成，作业3等待20分钟开始执行，所有三个作业在30分钟后完成。在多批次处理中，三个作业被加载到主内存中并同时运行。因为他们几乎不同时使用同一种资源，所有三项工作将在15分钟内完成。整个系统的处理效率明显提高。批处理系统问题：(1)用户不能直接控制作业的操作(2)作业的周转时间过长。分时系统：多用户交互系统。多个用户通过交互共享同一台计算机。分时计算机系统与多个远近终端相连，多个用户可以在各自的终端上以交互方式在线使用计算机。分时系统的特点是：几个用户可以同时使用电脑。独立性：每个用户都有一个终端，独立运行，互不干扰。交互性：用户可以通

7、过终端与系统进行人机对话。及时性：用户的请求可以在短时间内得到回应。分时系统响应时间：指用户向系统发出终端命令开始响应所需的时间。它是分时系统的主要性能指标。为了提高资源的利用率，多通道编程技术也被应用到分时系统中。实时系统，处理对象：作业处理系统以作业为处理对象；实时系统处理随机的外部事件。主要应用：工业生产过程的自动控制；军事自动控制(如飞机操作和导弹发射等)；民航机票预订和查询(相关航班、航线、票价等。)；银行系统的贷款；信息检索系统等。实时系统的主要特征，即实时性，是由被处理的信息或受控过程所能承受的延迟决定的。通常可能是几秒、几毫秒、几微秒甚至几纳秒。高安全性和可靠性：实时系统控制和

8、处理的对象通常是重要的经济和军事目标，也可在现场直接控制和处理。双工机制通常用于重要的实时控制系统。通用操作系统，操作系统的三种基本类型：批处理系统、分时系统和实时系统。通用操作系统：系统具有批处理、分时处理和实时处理的功能。如果将分时和批处理相结合，分时任务作为前台任务，批处理作业作为后台任务，这就是分时批处理系统。通用操作系统不仅能满足用户的特殊要求，而且提高了资源的利用率，因此得到了广泛的应用。操作系统功能1内存管理功能2处理器管理功能3设备管理功能4文件管理功能5用户界面6网络和通信管理操作系统功能概述1内存管理主要包括：内存分配内存分配的主要任务是为每个程序分配内存空间，但应以最高的

9、内存利用率和减少不可用的内存空间为标准，并允许正在运行的程序申请额外的内存空间，以满足程序和数据动态增长的需要。内存保护内存保护的主要任务是确保每个用户程序都在自己的内存空间中运行，并且不会相互干扰，也就是说，用户程序永远不允许访问操作系统和其他用户的程序和数据。地址映射编译一个应用程序后，它通常会形成几个目标程序，这些目标程序被链接成可执行程序。内存扩展由于物理内存容量有限，很难满足用户的需求。内存管理的任务是借助虚拟内存技术在逻辑上扩展内存容量，而不增加物理内存，从而使用户感知的内存容量远远大于实际内存容量。2.处理器管理功能处理器管理的主要任务是分配处理器并有效地控制和管理它们的操作。在

10、多道程序设计环境中，处理器的分配和操作是基于进程的，因此处理器的管理可以理解为进程的管理。过程管理主要包括：过程控制过程同步过程通信调度、操作系统功能概述、3。设备管理功能设备管理主要包括：缓冲区管理为了缓解中央处理器和输入/输出设备之间的速度不匹配，提高中央处理器和输入/输出设备的利用率，提高系统吞吐量，许多操作系统通过设置缓冲区来实现。设备分配设备分配的基本任务是根据用户的输入输出请求为用户分配所需的设备。如果输入/输出设备和中央处理器之间有设备控制器和通道，就需要为分配的设备分配相应的控制器和通道。设备处理设备处理程序也称为设备驱动程序。其基本任务是实现中央处理器和设备控制器之间的通信。

11、设备独立性以及虚拟设备用户应用和使用的设备与实际运行的设备无关。4.文件管理功能文件管理主要涉及：文件存储空间管理、目录管理、文件操作、操作系统功能概述，5。用户界面为了使用户能够灵活方便地使用计算机和系统功能，操作系统还提供了一组友好的方式来使用其功能，称为用户界面，它包括两类：程序界面和操作界面。通过这些界面，用户可以方便地调用操作系统功能，有效地组织作业及其工作和处理流程，使整个系统高效运行。操作系统功能概述，操作系统逻辑结构，操作系统功能概述，6。网络和通信管理功能计算机网络源于计算机和通信技术的结合。从单机和终端之间的远程通信到世界各地成千上万台计算机的联网，计算机网络得到了广泛的应

12、用。网络操作系统至少具有以下管理功能：在线资源管理功能；数据通信管理功能；网络管理功能包括：故障管理、安全管理、性能管理、会计管理、配置管理和操作系统功能概述。操作系统的组成通常是指操作系统程序的基本单元，作为操作系统的组成部分。1内核大多数现代操作系统都采用进程的概念。为了解决系统的并发性、共享性和随机性，使进程协调工作，系统必须有一个软件来管理硬件处理器和相关资源，以便为进程的执行提供一个良好的运行环境。这部分是操作系统的核心。过程过程是描述静态程序的动态执行过程的单元。程序的一次执行创建一个进程，程序运行，进程结束。进程是并发编程的重要手段，它能够准确、动态地描述计算机系统中的并发性，更

13、好地解决包括处理器和内存在内的系统资源共享问题。线程是进程中的一个执行路径，每个进程中允许多个并行执行路径，因此线程是系统调度的独立单元。线程也可以被看作是一种组件，它是构成过程组件的一个较小的组件单元。操作系统功能概述、处理器管理和进程调度的概念和属性进程调度是现代操作系统的一个基本概念，也是并发程序出现后的一个重要概念。它是指程序在数据集上运行的过程，是资源分配和调度系统的独立单元，有时称为活动、路径或任务。过程，作为一个程序执行的过程，至少有两个属性：第一，它的活动，即过程的动态变化，总是有一个从创造到消亡的过程；第二个是它的并发性，也就是说，多通道程序中每个进程的执行进程总是与其他执行

14、进程同时执行。操作系统运行、进程状态和转换在计算机中，进程在大多数情况下处于以下三种状态：(1)运行状态：进程在处理器上运行，处理器获得了必要的资源和处理器，用户程序在处理器上运行。(2)阻塞状态：在等待某些事件完成时(例如，等待输入/输出操作完成)，进程暂时无法运行的状态。处于这种状态的进程不能参与竞争处理器，此时，即使分配了处理器，它也不能运行。(3)就绪状态：进程运行所需的所有条件都已满足，但进程无法运行，因为处理器资源的数量少于进程的数量，所以它必须等待处理器资源被分配，并在获得处理器后立即投入运行。操作系统运行、典型进程状态演变图、操作系统运行、进程状态和转换在具有挂起和激活的系统中

15、，添加了两个基本进程状态：挂起就绪和挂起阻塞。(1)挂起就绪：活动就绪进程通过自身或其他进程调用挂起原语进入的一种状态。处于静态就绪状态的进程没有资格竞争CPU，只有其他进程调用激活原语来激活它。(2)挂起阻塞：活动阻塞进程通过自身或其他进程调用挂起原语进入的一种状态。处于挂起阻止状态的进程在其挂起期间不会影响其等待事件。下图是具有挂起和活动状态的流程状态转换图。操作系统运行、静态进程状态转换图、操作系统运行、进程控制处理器管理的主要任务之一是进程控制，它由进程控制块实现。过程控制块印刷电路板及其组织模式(1)过程控制块印刷电路板过程控制块跟踪程序在执行过程中的状态，表示当前时刻的过程状态及其

16、与其他过程和资源的关系。过程控制块是过程存在的标志。当系统或父进程创建一个进程时，它实际上是它的一个进程控制块。过程控制块不仅指示过程的名称，还标记程序和数据集的物理位置。操作系统的操作，过程控制的过程控制内容1过程的创建在操作系统为程序构造过程控制块并分配地址空间之后，就创建了一个过程。2进程阻塞和唤醒进程阻塞意味着一个进程放弃处理器来等待一个事件，例如等待资源和输入/输出完成。当等待事件结束时，将产生一个中断，从而激活操作系统，并在系统的控制下唤醒被阻塞的进程，例如输入/输出操作的结束、某个资源的可用性或预期事件的发生。3进程撤销操作系统收回进程占用的地址空间和进程控制块，此时进程被撤销。

17、4.进程的暂停和激活、操作系统的操作、进程控制原语的概念原语通常由若干指令组成，用于实现特定的操作。它的功能是通过一个不可分割或不间断的程序来实现的。原语是操作系统的核心，由一组程序模块而不是进程组成，是操作系统的一个组成部分。它必须在受管状态下执行(一种机器状态，在这种状态下，在受管状态下执行的程序可以执行特权和非特权指令，这通常被定义为操作系统状态)，并且它是内存驻留的，而一些单独的系统不在受管状态下运行。进程的控制由相应的原语执行。操作系统操作、进程控制进程控制原语1进程创建原语2进程撤消原语3进程阻塞原语4进程唤醒原语5进程挂起原语6进程激活原语、操作系统操作、互斥和死锁进程互斥如果几个进程共享相同的关键资源，它们必须以互斥的方式使用关键资源，也就是说，当一个进程正在使用关键资源并且尚未完成使用时， 然后，其他进程必须推迟该资源的进一步操作，并且在当前进程的使用完成之前，它们不能插入它来使用该关键资源，否则将导致信息混乱和操作错误。 系统中同时有许多进程