.,計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),吳桂軍wugj參考書(shū)目:湯子瀛等著.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)西安電子科技大學(xué)出版社,.,2,第一章引論,本章要點(diǎn)操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程及基本操作系統(tǒng)類(lèi)型和新型操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能和特征,.,3,1.1操作系統(tǒng)的基本概念1.1.1操作系統(tǒng)的定義,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,.,4,引入操作系統(tǒng)主要可完成以下兩個(gè)方面的工作：(1)方便用戶使用。操作系統(tǒng)應(yīng)該提供給用戶一個(gè)良好的界面，用戶不必了解硬件和其它軟件的細(xì)節(jié)，就可以方便地使用計(jì)算機(jī)。(2)充分利用資源。操作系統(tǒng)應(yīng)該最大限度地發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的使用效率，合理地組織工作流程，使得計(jì)算機(jī)資源能為多用戶共享。,.,5,定義：操作系統(tǒng)是為了方便用戶和提高計(jì)算機(jī)的利用率，對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行組織和管理的程序集合。用戶廣義的概念，包括一般用戶和軟件開(kāi)發(fā)人員等；資源包括處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備等硬件資源和程序與數(shù)據(jù)等軟件資源。,.,6,1.1.2操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用1.對(duì)外職能用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口必須為用戶提供良好的界面，使用戶能夠感覺(jué)計(jì)算機(jī)是可用而且易用的。2.對(duì)內(nèi)職能組織和管理計(jì)算機(jī)資源，充分發(fā)揮資源的效能，提高利用率,.,7,1.1.3研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)1.用戶觀點(diǎn)2.資源管理的觀點(diǎn)計(jì)算機(jī)資源按性質(zhì)分四類(lèi):CPU、內(nèi)存、處部設(shè)備、信息文件對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，資源管理要做如下工作：(1)對(duì)資源使用情況進(jìn)行登記，這是資源管理的依據(jù)。(2)決定分配策略。(3)提供分配與回收算法。3.進(jìn)程觀點(diǎn)進(jìn)程分析計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)在處理過(guò)程中的基本對(duì)象，是系統(tǒng)中的活動(dòng)實(shí)體。,.,8,圖1-2資源分配與釋放過(guò)程,.,9,.,10,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展一方面操作隨著充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件性能的要求不斷發(fā)展,另一方面它也促進(jìn)了計(jì)算機(jī)硬件種類(lèi)的擴(kuò)充,使計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),功能越來(lái)越強(qiáng)大.1.2.1問(wèn)題的提出1.速度問(wèn)題人工操作速度和處理機(jī)計(jì)算速度嚴(yán)重不匹配2.作業(yè)差異3.CPU與外部設(shè)備的充分利用,.,11,1.2.3解決辦法1.減少人工干預(yù)批處理技術(shù)作業(yè)執(zhí)行序列、監(jiān)督或管理程序、自動(dòng)轉(zhuǎn)換聯(lián)機(jī)批處理方式2.改善速度匹配脫機(jī)批處理技術(shù),衛(wèi)星機(jī),輸入/出設(shè)備,1.2.3解決辦法1.減少人工干預(yù)批處理技術(shù)作業(yè)執(zhí)行序列、監(jiān)督或管理程序、自動(dòng)轉(zhuǎn)換聯(lián)機(jī)批處理方式2.改善速度匹配脫機(jī)批處理技術(shù),.,12,3.實(shí)現(xiàn)多道程序系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：以中央處理器為中心主存為中心中斷技術(shù)和通道技術(shù)通過(guò)軟件技術(shù)使CPU和I/O設(shè)備并行工作多道程序系統(tǒng)多道程序系統(tǒng)是指允許多個(gè)相互獨(dú)立的程序同時(shí)存在于內(nèi)存中，而且處于同時(shí)運(yùn)行的過(guò)程中。各道程序輪流占用CPU，交替執(zhí)行。問(wèn)題：如何共享資源、如何互斥和同步、如何提高內(nèi)存使用率、如何證程序安全,.,13,圖1-3CPU與I/O并行圖,.,14,1.2.3基本操作系統(tǒng)類(lèi)型1.批處理系統(tǒng)用戶不能直接干預(yù)作業(yè)的運(yùn)行過(guò)程作業(yè)提交之前用作業(yè)控制語(yǔ)言編制成作業(yè)說(shuō)明書(shū)或作業(yè)控制卡,與程序和數(shù)據(jù)一起提交給系統(tǒng)引入多道程序后,批處理系統(tǒng)有以下特征:(1)多道性(2)無(wú)序性(3)調(diào)度性：作業(yè)從提交到運(yùn)行完成需要經(jīng)過(guò)兩次調(diào)度，即作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度。作業(yè)調(diào)度是指按照一定作業(yè)調(diào)度算法，從后備作業(yè)隊(duì)列中選擇一個(gè)或幾個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。進(jìn)程調(diào)度是指按照一定進(jìn)程調(diào)度算法，從在內(nèi)存的進(jìn)程中選擇一個(gè)進(jìn)程，將處理機(jī)分配給它，使之執(zhí)行。,.,15,批處理系統(tǒng)，特別是多道批處理系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是資源利用率高和系統(tǒng)吞吐量大。批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始，直到作業(yè)完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。在批處理系統(tǒng)中，由于作業(yè)需要排隊(duì)來(lái)依次進(jìn)行處理，因而作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。(2)無(wú)交互能力。在作業(yè)提交后，用戶不能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，不便于對(duì)作業(yè)的控制。,.,16,2分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)就是多個(gè)用戶對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行時(shí)間上的分享。,微觀上，每個(gè)用戶作業(yè)輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片；宏觀上，多個(gè)用戶同時(shí)工作，共享系統(tǒng)資源。,分時(shí)系統(tǒng)作為多道程序系統(tǒng)的一個(gè)典型代表，集中體現(xiàn)了多道程序系統(tǒng)的一些技術(shù)特征，成為當(dāng)今的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)主流,.,17,3實(shí)時(shí)系統(tǒng)“實(shí)時(shí)”是指系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)發(fā)生的外部事件(一般為一些隨機(jī)事件)，并以足夠快的速度完成對(duì)事件的處理。為了保證程序可靠運(yùn)行，系統(tǒng)應(yīng)提供安全措施，比如多級(jí)容錯(cuò)、硬件冗余等，避免因發(fā)生錯(cuò)誤或丟失信息而造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。實(shí)時(shí)系統(tǒng)相對(duì)于其它操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的及時(shí)響應(yīng)以及系統(tǒng)的可靠性。兩種類(lèi)型：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。,.,18,1.2.4新型操作系統(tǒng)1微機(jī)操作系統(tǒng)MS-DOS、Windows、OS/2、UNIX、Linux單用戶單任務(wù)、單用戶多任務(wù)、多用戶多任務(wù)2多處理機(jī)操作系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上分：緊密耦合型和松散耦合型多處理機(jī)系統(tǒng)所配置的操作系統(tǒng)分：對(duì)稱式和非對(duì)稱式（又稱為主從式）的,.,19,3網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)如同在單機(jī)上安裝操作系統(tǒng)可以方便用戶合理組織與管理計(jì)算機(jī)資源一樣，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上覆蓋一層網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)之后，用戶可以方便地使用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)用戶通信和資源共享，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。從功能上講，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)在內(nèi)的諸方面功能的一個(gè)系統(tǒng)軟件。,.,20,4分布式操作系統(tǒng)分布式處理系統(tǒng)是指由多個(gè)分散的處理單元經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)的連接而形成的，且可以實(shí)現(xiàn)分布處理的系統(tǒng)。處理單元自治性協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)資源管理動(dòng)態(tài)地分配任務(wù)能并行地運(yùn)行分布式程序。,.,21,1.3操作系統(tǒng)的特征與功能1.3.1操作系統(tǒng)的特征1并發(fā)（Concurrence）并發(fā)與并行的區(qū)別程序與進(jìn)程2共享（Sharing）是指內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用系統(tǒng)中的資源。資源共享的兩種方式并發(fā)與共享的關(guān)系3虛擬（Virtual）4異步性（Asynchronism）,.,22,從兩個(gè)不同的角度（1.1.1）討論操作系統(tǒng)的功能：1.資源管理協(xié)調(diào)、管理計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源，提高其利用率。2.用戶角度為用戶提供使用計(jì)算機(jī)的環(huán)境和服務(wù)。,計(jì)算機(jī)四大類(lèi)資源,CPU內(nèi)存外設(shè)信息文件,處理機(jī)管理,存儲(chǔ)器管理,設(shè)備管理,文件管理,用戶接口,1.3.2操作系統(tǒng)的功能,.,23,1處理機(jī)管理的功能進(jìn)程管理和作業(yè)管理1)進(jìn)程控制2)進(jìn)程同步3)進(jìn)程通信4)調(diào)度作業(yè)調(diào)度作業(yè)具有使用CPU的權(quán)力進(jìn)程調(diào)度真正獲得CPU,最重要內(nèi)容！第2章,.,24,2存儲(chǔ)器管理的功能1)內(nèi)存分配內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配足夠完整運(yùn)行的內(nèi)存空間，而且要提高存儲(chǔ)器的利用率。內(nèi)存分配的機(jī)制中應(yīng)具有以下結(jié)構(gòu)和功能：內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況，作為內(nèi)存分配的依據(jù)。內(nèi)存分配功能：系統(tǒng)按照一定的內(nèi)存分配算法為用戶程序分配內(nèi)存空間。內(nèi)存回收功能：系統(tǒng)對(duì)用戶不再需要的內(nèi)存根據(jù)釋放請(qǐng)求進(jìn)行回收。,.,25,2)內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)是指通過(guò)設(shè)置內(nèi)存保護(hù)機(jī)制來(lái)確保每道用戶程序都在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行，不能訪問(wèn)操作系統(tǒng)存放在系統(tǒng)區(qū)中的程序和數(shù)據(jù)，也不允許訪問(wèn)非共享的其它用戶程序內(nèi)存區(qū)。3)地址變換用戶應(yīng)用程序（源程序）經(jīng)編譯、鏈接而形成的可裝入程序，它所形成的邏輯單元編號(hào)（即邏輯地址）與裝入內(nèi)存后具體的內(nèi)存存儲(chǔ)單元編號(hào)（即物理地址）之間的對(duì)應(yīng)變換，需借助于相應(yīng)的地址變換硬件機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，以保證程序在執(zhí)行過(guò)程中可以在正確的內(nèi)存單元訪問(wèn)所需的指令或數(shù)據(jù)。,.,26,4)內(nèi)存擴(kuò)充大型文件系統(tǒng)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)邏輯擴(kuò)充請(qǐng)求調(diào)入功能。允許在僅裝入一部分用戶程序和數(shù)據(jù)的情況下，啟動(dòng)該進(jìn)程運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)繼續(xù)運(yùn)行時(shí)所需的程序和數(shù)據(jù)尚未裝入內(nèi)存時(shí)，可向OS發(fā)出請(qǐng)求，由OS將所需部分調(diào)入內(nèi)存，以便繼續(xù)運(yùn)行。對(duì)換功能。若內(nèi)存中已無(wú)足夠的空間來(lái)裝入需要調(diào)入的部分時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)將內(nèi)存中的一部分暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)調(diào)至磁盤(pán)上，以便騰出內(nèi)存空間，然后再將所需部分調(diào)入內(nèi)存。以上是第3章將要講述內(nèi)容。,.,27,3設(shè)備管理的功能設(shè)備管理是指根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求分配相應(yīng)的I/O設(shè)備，控制I/O操作過(guò)程，達(dá)到提高I/O速度和設(shè)備利用率的目的。設(shè)備管理具體包括以下內(nèi)容。1)緩沖管理緩沖管理的基本任務(wù)是管理好各種類(lèi)型的緩沖區(qū)，以緩和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最終達(dá)到提高CPU和I/O設(shè)備利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量的目的。最常見(jiàn)的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制，以及可供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩沖池機(jī)制。,.,28,2)設(shè)備分配設(shè)備分配的基本任務(wù)是根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，為其分配所需的設(shè)備，其中包括可能需要的相應(yīng)的控制器和通道。需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)設(shè)備表、設(shè)備控制表、控制器控制表、通道控制表等3)設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其基本任務(wù)通常是實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作，并能接收由設(shè)備控制器發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，給予及時(shí)的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。,.,29,4)設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備設(shè)備獨(dú)立性是指應(yīng)用程序使用的邏輯設(shè)備名獨(dú)立于具體的物理設(shè)備，以使用戶編制的程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無(wú)關(guān)。虛擬設(shè)備就是虛擬技術(shù)在設(shè)備管理中的一種具體應(yīng)用。以上是第4章將要講述內(nèi)容。,.,30,4文件管理的功能文件管理是指對(duì)存儲(chǔ)在磁盤(pán)或磁帶上的文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。文件管理具體包括：對(duì)文件存儲(chǔ)空間的管理，目錄管理，文件的讀、寫(xiě)管理以及文件的共享與保護(hù)等功能。,.,31,1)文件存儲(chǔ)空間的管理由文件系統(tǒng)對(duì)諸多文件在存儲(chǔ)空間的占用情況進(jìn)行記錄，以供分配和回收空間時(shí)參考。分配和回收是以提高存儲(chǔ)空間的利用率為目標(biāo)的。2)目錄管理主要任務(wù)是為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)方便的按名存取；文件共享；快速的目錄查詢手段3)文件的讀、寫(xiě)管理和存取控制該功能規(guī)定文件讀、寫(xiě)的具體方式，以提高讀寫(xiě)效率。為了保障文件系統(tǒng)的安全，應(yīng)對(duì)文件存取施加限制措施，保證各個(gè)用戶以適當(dāng)?shù)臋?quán)限來(lái)使用文件系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)的安全性要求。以上是第5章將要講述內(nèi)容。,.,32,5.用戶接口為了方便用戶使用計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)向用戶提供了更易理解和進(jìn)行工作的命令接口、程序接口和圖形接口。這些接口對(duì)于不同層次、不同水平的用戶提供了快速、高效訪問(wèn)計(jì)算機(jī)的手段，對(duì)于計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展起到了非常重要的促進(jìn)作用。將在第2章簡(jiǎn)述。,.,33,1.4操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般觀點(diǎn)?1.4.1整體式系統(tǒng)一種非模塊化的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)一系列的過(guò)程明確定義的接口隨意調(diào)用操作系統(tǒng)與外部程序有統(tǒng)一的接口，即一組系統(tǒng)調(diào)用命令系統(tǒng)態(tài)（管態(tài)）、用戶態(tài)（目態(tài)）,.,34,整體式系統(tǒng)基本的結(jié)構(gòu)關(guān)系：(1)一個(gè)主過(guò)程，它接受和解釋系統(tǒng)調(diào)用命令，并調(diào)用相應(yīng)的過(guò)程(2)一組執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的服務(wù)過(guò)程，每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都有對(duì)應(yīng)的服務(wù)過(guò)程。(3)一組支持服務(wù)過(guò)程的實(shí)用過(guò)程，每個(gè)實(shí)用過(guò)程完成若干個(gè)服務(wù)過(guò)程所必須執(zhí)行的公共事務(wù)。MS-DOS早期的UNIX采用這種結(jié)構(gòu),所設(shè)計(jì)出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。這一方面會(huì)使所編制出的程序錯(cuò)誤很多，給調(diào)試工作帶來(lái)很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。,.,35,1.4.2模塊層次式系統(tǒng)一種模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)劃分成若干模塊按這些模塊的控制或服務(wù)關(guān)系進(jìn)行分層每層包含一個(gè)或若干個(gè)模塊層間調(diào)用不可反向兩種基本方法：自底向上法和自頂向下法,.,36,性質(zhì)：(1)Ai所提供的資源和功能構(gòu)成了建立Ai+1的全部基礎(chǔ)（單向依賴關(guān)系）。(2)從Ai擴(kuò)充到Ai+1時(shí)，并不一定是Ai的全部功能都同時(shí)被擴(kuò)充了，Ai的那些未經(jīng)擴(kuò)充的功能被看成是延續(xù)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時(shí)，把它看成是Ai+1的功能。(3)在定義Ai+1的新資源時(shí)所用到的Ai的資源，在Ai+1中不應(yīng)再出現(xiàn)。(4)頂層An的正確性可通過(guò)逐步證明以下的每一級(jí)虛擬機(jī)Ai的正確性來(lái)得到證實(shí)。,圖1-5自底向上分層設(shè)計(jì),.,37,2自頂向下（Top-down）法與自底向上法相反，自頂向下法是從目標(biāo)系統(tǒng)An出發(fā)，過(guò)渡到宿主系統(tǒng)A0的。為了實(shí)現(xiàn)An，設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)奶摂M機(jī)An-1，使得An能在An-1上實(shí)現(xiàn)。但An-1本身還無(wú)法獨(dú)立運(yùn)行，因此再設(shè)計(jì)一個(gè)新的虛擬機(jī)An-2來(lái)實(shí)現(xiàn)An-1。如此重復(fù)，便產(chǎn)生虛擬機(jī)序列An，An-1，A1，A1能在A0上獨(dú)立運(yùn)行