第1章操作系統(tǒng)概述

1、操作系統(tǒng)原理Principle of Operating System 劉揚(yáng) E-mail: Tel:程類型：課程類型：必修課必修課學(xué)時(shí)安排：學(xué)時(shí)安排：56學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)（114周周） 8學(xué)時(shí)上機(jī)學(xué)時(shí)上機(jī)學(xué)分：學(xué)分：3.5學(xué)分學(xué)分考核形式：考核形式：平時(shí)成績平時(shí)成績30%（實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)20%+作業(yè)作業(yè)5%+考勤考勤5%）+卷面卷面70%教材：教材：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(第四版第四版)湯小丹湯小丹等編著等編著 西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社參考：參考：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) (第四版第四版) 學(xué)習(xí)指導(dǎo)與學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解題解梁紅兵梁紅兵,湯小丹湯小丹 西

2、安電子科技大學(xué)出版西安電子科技大學(xué)出版社社課程安排計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件(裸機(jī))：中央處理機(jī)（CPU）、內(nèi)存、 外存、外部設(shè)備。軟件應(yīng)用軟件：為多種應(yīng)用而編制的程序，如：辦公自動化軟件、財(cái)務(wù)管理軟件、即時(shí)通信軟件等系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)（DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX）語言處理系統(tǒng)（命令解釋器、窗口系統(tǒng)、編譯、匯編程序）常用的例行程序（庫連接程序、 診斷排錯(cuò)程序）一般用戶程序員OS開發(fā)人員課程內(nèi)容課程內(nèi)容第一章、操作系統(tǒng)概述第一章、操作系統(tǒng)概述第二章、進(jìn)程管理第二章、進(jìn)程管理第三章、處理機(jī)死鎖與調(diào)度第三章、處理機(jī)死鎖與調(diào)度第四章、存儲器管理（內(nèi)存管理）第四章、存儲器管理（內(nèi)存管理）第五章、設(shè)備

3、管理（輸入輸出第五章、設(shè)備管理（輸入輸出I/OI/O管理）管理）第六章、文件管理第六章、文件管理第一章第一章 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)概述1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3 操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的基本特征1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的目標(biāo)操作系統(tǒng)的作用1.1.1 1.1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一組操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源，合理的對各類作硬件和軟件資源，合理的對各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)

4、度，以及方便用戶使用的業(yè)進(jìn)行調(diào)度，以及方便用戶使用的程序集合程序集合。 操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟硬資源的管理控系統(tǒng)軟硬資源的管理控制中心，它以盡量合理有效的方法制中心，它以盡量合理有效的方法組織多個(gè)用戶（進(jìn)程）共享計(jì)算機(jī)組織多個(gè)用戶（進(jìn)程）共享計(jì)算機(jī)的各種資源并提供使用接口。的各種資源并提供使用接口。1.1.2 1.1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)操作系統(tǒng)的目標(biāo)(1)方便性：方便性：(2)有效性：有效性： (3)可擴(kuò)充性：可擴(kuò)充性：(4)開放性：開放性：使計(jì)算機(jī)易學(xué)易用使計(jì)算機(jī)易學(xué)易用提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量能適應(yīng)硬件的發(fā)展，容易升級能適應(yīng)硬件的發(fā)展，容易升級具備可移植

5、性和互操作性具備可移植性和互操作性1.1.3 1.1.3 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用(1)用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口(2)計(jì)算機(jī)四類資源的管理者計(jì)算機(jī)四類資源的管理者(3)用作擴(kuò)充機(jī)器用作擴(kuò)充機(jī)器(1)用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 命令命令 圖形窗口方式圖形窗口方式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序用戶用戶軟件接口，給用戶提供軟件接口，給用戶提供3種方式種方式(2)計(jì)算機(jī)四類資源的管理者計(jì)算機(jī)四類資源的管理者處理機(jī)管理處理機(jī)管理對處理機(jī)進(jìn)行分配對處理機(jī)進(jìn)行分配進(jìn)程管理和調(diào)度進(jìn)程管理和調(diào)度存儲器管理存儲器管理對

6、內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充對內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充I/O設(shè)備管理設(shè)備管理接收用戶程序的接收用戶程序的I/O請求，分配設(shè)備，啟動設(shè)備請求，分配設(shè)備，啟動設(shè)備文件管理文件管理文件的存儲、信息的共享、信息的保密與保護(hù)文件的存儲、信息的共享、信息的保密與保護(hù)(3)用作擴(kuò)充機(jī)器用作擴(kuò)充機(jī)器裸機(jī)：裸機(jī)：無任何軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無任何軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)充機(jī)器：擴(kuò)充機(jī)器：覆蓋了軟件的機(jī)器，又稱虛擬機(jī)覆蓋了軟件的機(jī)器，又稱虛擬機(jī)1.21.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)（單道批處理系統(tǒng)（5050年代）年代）多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)（6060年代

7、）年代）分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)（6060年代）年代）實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)（6060年代）年代）1.2.1 1.2.1 無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)人工操作方式（人工操作方式（46465050年代）年代）1 1、工作方式、工作方式2 2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：用戶獨(dú)占全機(jī)、用戶獨(dú)占全機(jī)、CPUCPU等待人工操作等待人工操作（串行性串行性），），聯(lián)機(jī)輸入輸出方式聯(lián)機(jī)輸入輸出方式（輸入輸出都由主機(jī)控制）。）。3 3、問題、問題: :人機(jī)矛盾，人機(jī)矛盾，CPU和和I/O設(shè)備間不匹配設(shè)備間不匹配 。紙帶（卡片）紙帶（卡片）輸入機(jī)輸入機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)打印結(jié)果打印結(jié)果取走紙帶取走紙帶 脫機(jī)輸入輸出方式脫機(jī)輸入輸

8、出方式（輸入輸出在外圍機(jī)（輸入輸出在外圍機(jī)控制下完成）：控制下完成）： 1、減少、減少CPU的空閑時(shí)間的空閑時(shí)間2、提高提高I/O速度速度 輸入設(shè)備輸入設(shè)備外圍機(jī)外圍機(jī)輸入磁盤輸入磁盤輸入磁盤輸入磁盤輸出磁盤輸出磁盤輸出磁盤輸出磁盤外圍機(jī)外圍機(jī)主機(jī)主機(jī)輸出設(shè)備輸出設(shè)備1 1、過程：、過程：在在監(jiān)督程序（監(jiān)督程序（Monitor, OSMonitor, OS的雛的雛形）形）的控制下，把一批作業(yè)脫機(jī)輸入到磁的控制下，把一批作業(yè)脫機(jī)輸入到磁帶上，使這批作業(yè)能一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)得帶上，使這批作業(yè)能一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)得到處理。到處理。2 2、特征：、特征：(1)(1)自動性自動性無人工干預(yù)無人工干預(yù)(2)(

9、2)順序性順序性按進(jìn)入內(nèi)存的先后執(zhí)行按進(jìn)入內(nèi)存的先后執(zhí)行(3)(3)單道性單道性內(nèi)存中只保持一道作業(yè)內(nèi)存中只保持一道作業(yè).2單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)（1）單道程序程序的工作情況單道程序程序的工作情況CPU程序程序A運(yùn)行運(yùn)行I/O操作操作程序程序A運(yùn)行運(yùn)行外設(shè)外設(shè)1.2.3 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)1 1、多道：、多道：內(nèi)存中同時(shí)存在多個(gè)相互獨(dú)立程序。內(nèi)存中同時(shí)存在多個(gè)相互獨(dú)立程序。多道技術(shù)是多道技術(shù)是共享的共享的基礎(chǔ)?；A(chǔ)。CPUI/O設(shè)備設(shè)備程序程序B程序程序A程序程序A程序程序B輸入輸入輸入輸入輸出輸出輸出輸出I/O設(shè)備設(shè)備等等CPUt1t2t3 t4 t52 2、

10、多道批處理系統(tǒng)的特征：、多道批處理系統(tǒng)的特征：(1)多道性：多道性：內(nèi)存中有多道程序，可并發(fā)執(zhí)行內(nèi)存中有多道程序，可并發(fā)執(zhí)行(2)無序性：無序性：完成時(shí)間與進(jìn)入內(nèi)存先后無關(guān)完成時(shí)間與進(jìn)入內(nèi)存先后無關(guān)(3)調(diào)度性：調(diào)度性：作業(yè)從提交到完成經(jīng)兩次調(diào)度作業(yè)從提交到完成經(jīng)兩次調(diào)度作業(yè)調(diào)度：作業(yè)調(diào)度：外存（后備隊(duì)列）外存（后備隊(duì)列）內(nèi)存（選內(nèi)存（選多個(gè)）多個(gè)）進(jìn)程調(diào)度：進(jìn)程調(diào)度：分配處理機(jī)（選分配處理機(jī)（選1個(gè)內(nèi)存中的個(gè)內(nèi)存中的作業(yè)）作業(yè)）3 3、優(yōu)點(diǎn)：、優(yōu)點(diǎn)：(1)(1)資源利用率高資源利用率高(2)(2)系統(tǒng)吞吐量大系統(tǒng)吞吐量大原因原因(1)(1)資源忙資源忙 (2)(2)完成或運(yùn)行不下去時(shí)才切換完

11、成或運(yùn)行不下去時(shí)才切換缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： (1)(1)作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間較長作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間較長 (2)(2)無交互能力無交互能力- -修改和調(diào)試極不方便修改和調(diào)試極不方便多道系統(tǒng)引發(fā)處理機(jī)管理、內(nèi)存管理、多道系統(tǒng)引發(fā)處理機(jī)管理、內(nèi)存管理、I/O設(shè)備管理、文件管理、作業(yè)管理等一設(shè)備管理、文件管理、作業(yè)管理等一系列問題，促成操作系統(tǒng)的形成。系列問題，促成操作系統(tǒng)的形成。問：多道程序需要什么技術(shù)作為支持？問：多道程序需要什么技術(shù)作為支持？ 必須有中斷和通道技術(shù)支持。必須有中斷和通道技術(shù)支持。 通道是一種控制一臺或多臺外設(shè)的硬通道是一種控制一臺或多臺外設(shè)的硬件機(jī)構(gòu)，能做到輸入輸出操作與件機(jī)構(gòu)，能做到輸入輸出

12、操作與CPU并行并行工作。工作。 中斷是輸入輸出結(jié)束時(shí)，向中斷是輸入輸出結(jié)束時(shí)，向CPU發(fā)出發(fā)出中斷信號，中斷信號，CPU響應(yīng)中斷請求，處理完后響應(yīng)中斷請求，處理完后繼續(xù)原來工作。繼續(xù)原來工作。1.2.4 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)1 1、分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生原因、分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生原因(1)(1)人機(jī)交互能力的需求（邊運(yùn)行邊調(diào)試）人機(jī)交互能力的需求（邊運(yùn)行邊調(diào)試）(2)(2)共享主機(jī)（設(shè)備昂貴）共享主機(jī)（設(shè)備昂貴）(3)(3)方便用戶上機(jī)（在終端上輸入、控制）方便用戶上機(jī)（在終端上輸入、控制）2 2、定義：、定義：一臺主機(jī)上連接了多個(gè)終端，同一臺主機(jī)上連接了多個(gè)終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶通過自己的終端，以交互時(shí)允許

13、多個(gè)用戶通過自己的終端，以交互方式使用計(jì)算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。方式使用計(jì)算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。3 3、分時(shí)技術(shù)：、分時(shí)技術(shù)：把處理機(jī)時(shí)間劃分成很短的把處理機(jī)時(shí)間劃分成很短的時(shí)間片時(shí)間片(如如100毫秒毫秒)輪流地分配給各個(gè)聯(lián)機(jī)輪流地分配給各個(gè)聯(lián)機(jī)作業(yè)使用，如果某個(gè)作業(yè)在分配的時(shí)間片用作業(yè)使用，如果某個(gè)作業(yè)在分配的時(shí)間片用完之前計(jì)算還未完成，該作業(yè)就暫時(shí)中斷，完之前計(jì)算還未完成，該作業(yè)就暫時(shí)中斷，等待下一輪繼續(xù)計(jì)算。等待下一輪繼續(xù)計(jì)算。主機(jī)主機(jī)終端終端 1終端終端 2終端終端 n4 4、分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題、分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時(shí)接收及時(shí)接收多路卡（多個(gè)多路卡（多個(gè)I/O端口）端口

14、）及時(shí)處理及時(shí)處理作業(yè)直接進(jìn)內(nèi)存、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)作業(yè)直接進(jìn)內(nèi)存、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)5 5、分時(shí)系統(tǒng)的特征、分時(shí)系統(tǒng)的特征(1)(1)多路性多路性 即同時(shí)性，宏觀上同時(shí)，微觀上即同時(shí)性，宏觀上同時(shí)，微觀上輪流輪流(2)(2)獨(dú)占性獨(dú)占性 每個(gè)用戶感覺獨(dú)占主機(jī)每個(gè)用戶感覺獨(dú)占主機(jī)(3)(3)及時(shí)性及時(shí)性 較短時(shí)間響應(yīng)較短時(shí)間響應(yīng)(2-3(2-3秒秒) )(4)(4)交互性交互性1.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)1 1、實(shí)時(shí)：、實(shí)時(shí)：及時(shí)響應(yīng)外部事件請求，在規(guī)定及時(shí)響應(yīng)外部事件請求，在規(guī)定的時(shí)間完成對該事件的處理，控制所有實(shí)的時(shí)間完成對該事件的處理，控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行。時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行。2 2、應(yīng)用需求：

15、、應(yīng)用需求：(1)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)：生產(chǎn)過程控制、作戰(zhàn)指揮實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)：生產(chǎn)過程控制、作戰(zhàn)指揮(2)實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)：訂購機(jī)票、情報(bào)檢索實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)：訂購機(jī)票、情報(bào)檢索3 3、幾種操作系統(tǒng)的比較、幾種操作系統(tǒng)的比較多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)CPUCPU時(shí)間分配時(shí)間分配作業(yè)運(yùn)行時(shí)獨(dú)占作業(yè)運(yùn)行時(shí)獨(dú)占時(shí)間段時(shí)間段分時(shí)分時(shí)事件發(fā)生時(shí)立事件發(fā)生時(shí)立即分配即分配內(nèi)存內(nèi)存同時(shí)存放多批作同時(shí)存放多批作業(yè)業(yè)同時(shí)存放多道程同時(shí)存放多道程序序存放預(yù)置的事存放預(yù)置的事件處理程序件處理程序響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間運(yùn)行期間不響應(yīng)運(yùn)行期間不響應(yīng)及時(shí)響應(yīng)及時(shí)響應(yīng)立即響應(yīng)立即響應(yīng)特殊要求特殊要求極大的

16、資源利用極大的資源利用率率公平面向多用戶公平面向多用戶高可靠性高可靠性面向用戶群面向用戶群委托用戶委托用戶普通用戶普通用戶定向用戶定向用戶批處理、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)是三種批處理、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)是三種基本基本的的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)。OS的進(jìn)一步發(fā)展：的進(jìn)一步發(fā)展：微機(jī)微機(jī)OS、嵌入式、嵌入式OS、網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)OS、分布式、分布式OS、移動、移動OS、智能化、智能化OS、網(wǎng)格網(wǎng)格OS、云、云OSOS發(fā)展的驅(qū)動力：提高資源利用率、發(fā)展的驅(qū)動力：提高資源利用率、方便用戶、體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展、互聯(lián)時(shí)方便用戶、體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展、互聯(lián)時(shí)代、移動時(shí)代代、移動時(shí)代1.3 操作系統(tǒng)的特征1、并發(fā)性、并發(fā)性2、共享性、

17、共享性3、虛擬性、虛擬性4、異步性、異步性1、并發(fā)性并發(fā)性并行性：多個(gè)事件在同一時(shí)刻同時(shí)發(fā)生并行性：多個(gè)事件在同一時(shí)刻同時(shí)發(fā)生并發(fā)性：多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)同時(shí)運(yùn)行并發(fā)性：多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)同時(shí)運(yùn)行單處理機(jī)系統(tǒng)：宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行。單處理機(jī)系統(tǒng)：宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行。多處理機(jī)系統(tǒng)：可能有并行。多處理機(jī)系統(tǒng)：可能有并行。2、共享性共享性(1)互斥共享方式互斥共享方式在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的臨界資源在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的臨界資源如：打印機(jī)等硬件；棧、變量、表格等如：打印機(jī)等硬件；棧、變量、表格等(2)同時(shí)訪問方式同時(shí)訪問方式在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程在一段時(shí)間內(nèi)允

18、許多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)同時(shí)”訪問某些訪問某些資源，微觀上資源，微觀上“輪流輪流”（交替訪問）（交替訪問）如：處理機(jī)、內(nèi)存、磁盤、可重入代碼如：處理機(jī)、內(nèi)存、磁盤、可重入代碼3、虛擬性虛擬性(1)虛擬：虛擬：通過某種技術(shù)把一個(gè)物理設(shè)備實(shí)通過某種技術(shù)把一個(gè)物理設(shè)備實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。(2)虛擬對象類型：虛擬對象類型：虛擬處理機(jī)：通過多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，虛擬處理機(jī)：通過多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法來實(shí)現(xiàn)讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法來實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存：虛擬存儲器技術(shù)虛擬內(nèi)存：虛擬存儲器技術(shù)虛擬外部設(shè)備：虛擬設(shè)備技術(shù)虛擬外部設(shè)備：虛擬設(shè)備技術(shù)4、異步性異步性異步性：進(jìn)

19、程是以人們不可預(yù)知的速度異步性：進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)的。向前推進(jìn)的。導(dǎo)致的原因：導(dǎo)致的原因：l多道環(huán)境的復(fù)雜性多道環(huán)境的復(fù)雜性l進(jìn)程的動態(tài)性進(jìn)程的動態(tài)性l每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行過程是不可預(yù)測的每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行過程是不可預(yù)測的1.4 操作系統(tǒng)的主要功能資源管理資源管理 1、處理機(jī)管理（硬件）、處理機(jī)管理（硬件）5、用戶接口、用戶接口2、存儲器管理（硬件）、存儲器管理（硬件）3、設(shè)備管理（硬件）、設(shè)備管理（硬件）4、文件管理（軟件）、文件管理（軟件）命令接口命令接口程序接口程序接口圖形接口圖形接口聯(lián)機(jī)用戶接口聯(lián)機(jī)用戶接口脫機(jī)用戶接口脫機(jī)用戶接口1.4.1 處理機(jī)管理進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷、掛起、

20、改變運(yùn)行優(yōu)先級等主動改變進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟，以協(xié)調(diào)資源共享；交換信息能力弱進(jìn)程通信：進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作；交換信息能力強(qiáng)，也可以用來協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的推進(jìn)進(jìn)程調(diào)度：作業(yè)和進(jìn)程的運(yùn)行切換，以充分利用處理機(jī)資源和提高系統(tǒng)性能；未必是進(jìn)程控制操作所引起（可能是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、I/O操作）l同一類型內(nèi)的公平性、高效率（吞吐量大）、作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間等完成完成處理機(jī)資源的分配調(diào)度處理機(jī)資源的分配調(diào)度等功能。處理機(jī)調(diào)等功能。處理機(jī)調(diào)度的單位可為度的單位可為進(jìn)程進(jìn)程或或線程線程。1.4.2 存儲管理存儲分配與回收存儲保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密；如：訪問合法性檢查、甚至要

21、防止從垃圾中竊取其他進(jìn)程的信息；地址映射（變換）：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址的映射；內(nèi)存擴(kuò)充（覆蓋、交換和虛擬存儲）：提高內(nèi)存利用率、擴(kuò)大進(jìn)程的內(nèi)存空間；管理目標(biāo)：提高管理目標(biāo)：提高利用率利用率、方便方便用戶使用、提供用戶使用、提供足夠的存儲空間足夠的存儲空間、方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。、方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。1.5.3 設(shè)備管理設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動程序（通常在內(nèi)核中）完成對設(shè)備的操作。還需處理外設(shè)的IRQ。設(shè)備獨(dú)立性(device independence)：提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)性；在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容（如FAX Modem作為Windows上的

22、打印機(jī)設(shè)備）。設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享I/O設(shè)備資源。l虛擬設(shè)備(virtual device)：設(shè)備由多個(gè)進(jìn)程共享，每個(gè)進(jìn)程如同獨(dú)占。緩沖區(qū)管理：匹配CPU和外設(shè)的速度，提高兩者的利用率（單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)和公用緩沖區(qū)）設(shè)備管理的目標(biāo)是：設(shè)備管理的目標(biāo)是：方便方便的設(shè)備使用、提的設(shè)備使用、提高高CPU與與I/O設(shè)備利用率設(shè)備利用率；1.5.4 文件管理文件的讀寫管理：快速的從磁盤讀出文件或者向磁盤寫入文件文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能。目錄管理：解決信息檢索問題。文件的屬性（如文件名）、單一副本賦予多文件名文件的安全性管理：解決存取控制等問題。系統(tǒng)設(shè)口令

23、哪個(gè)用戶、用戶分類哪個(gè)用戶組、文件權(quán)限針對用戶或用戶組的讀寫權(quán)”解決解決軟件資源軟件資源的的存儲存儲、共享共享、保密保密和和保護(hù)保護(hù)。聯(lián)機(jī)用戶接口聯(lián)機(jī)用戶接口1、適用：、適用：幾乎所有計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)中。幾乎所有計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)中。2、組成：、組成：命令命令+終端處理程序終端處理程序+命令解釋命令解釋程序程序3、過程：、過程：用戶在鍵盤上輸入命令；用戶在鍵盤上輸入命令；終端處理程序接收命令并顯示在屏幕上；終端處理程序接收命令并顯示在屏幕上；命令解釋程序解釋并執(zhí)行該命令。命令解釋程序解釋并執(zhí)行該命令。脫機(jī)用戶接口脫機(jī)用戶接口1、適用：、適用：批處理系統(tǒng)。批處理系統(tǒng)。2、組成：、組成：JCL+作業(yè)

24、說明書作業(yè)說明書+命令解釋程序命令解釋程序3、過程：、過程：用戶把對作業(yè)的控制用用戶把對作業(yè)的控制用JCL寫在寫在作業(yè)說明書上，命令解釋程序按照作業(yè)說作業(yè)說明書上，命令解釋程序按照作業(yè)說明書解釋并執(zhí)行。明書解釋并執(zhí)行。作業(yè)控制語言作業(yè)控制語言4、聯(lián)機(jī)命令舉例：、聯(lián)機(jī)命令舉例：UNIX：login；logout；DOS：copy；format；命令解釋程序：操作系統(tǒng)的最高層命令解釋程序：操作系統(tǒng)的最高層MS-DOS：COMMAND.COMUNIX：Shell2. 作業(yè)的組成作業(yè)說明書包括作業(yè)基本情況、作業(yè)控制、作業(yè)資源要求的描述；它體現(xiàn)用戶的控制意圖。如：預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間、要求的資源情況、執(zhí)行優(yōu)先級

25、等。l作業(yè)基本情況：用戶名、作業(yè)名、編程語言、最大處理時(shí)間等；l作業(yè)控制描述：作業(yè)控制方式、作業(yè)步驟的操作順序、作業(yè)執(zhí)行出錯(cuò)處理；l作業(yè)資源要求描述：處理時(shí)間、優(yōu)先級、內(nèi)存空間、外設(shè)類型和數(shù)量等；作業(yè)由作業(yè)由程序程序、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和和作業(yè)說明書作業(yè)說明書三部分組成。三部分組成。3. 作業(yè)的處理過程作業(yè)提交：l作業(yè)的輸入；作業(yè)執(zhí)行：l先到就緒，經(jīng)調(diào)度運(yùn)行，有I/O請求等待，I/O完成到就緒作業(yè)完成：l作業(yè)的輸出；4. 作業(yè)輸入方式無通道處理方式：l聯(lián)機(jī)（降低了CPU效率）：由主機(jī)直接控制輸入/輸出；I/O與作業(yè)處理不能并行。l脫機(jī)（人工干預(yù)）：通過磁帶或磁盤在外圍處理機(jī)與主機(jī)之間交換作業(yè)（需人工移動

26、）；用于主機(jī)不太快的情況。l直接耦合：通過共享外存在外圍處理機(jī)與主機(jī)之間交換作業(yè)；用于高速主機(jī)。有通道處理：輸入/輸出由主機(jī)和通道來承擔(dān)。l假脫機(jī)(spooling, Simultaneously Peripheral Operation On Line)：系統(tǒng)把作業(yè)處理的全過程劃分為相對獨(dú)立的三個(gè)部分-輸入流、處理流和輸出流。spooling-in/spooling-out進(jìn)程：控制輸入/輸出；l網(wǎng)絡(luò)：在網(wǎng)絡(luò)上一臺機(jī)器進(jìn)行作業(yè)輸入/輸出，在另一臺主機(jī)上運(yùn)行；5. 作業(yè)控制表(JCB, Job Control Block)作業(yè)名估計(jì)執(zhí)行時(shí)間優(yōu)先級（用于調(diào)度）作業(yè)說明書文件名程序類型（需調(diào)用的系

27、統(tǒng)程序）資源要求：（靜態(tài)，或中間可以隨作業(yè)步變化效率不高；動態(tài)分配作業(yè)狀態(tài)：提交、后備、執(zhí)行、就緒、等待、完成；在在運(yùn)行過程中運(yùn)行過程中，系統(tǒng)對作業(yè)進(jìn)行，系統(tǒng)對作業(yè)進(jìn)行管理管理的必要信息。的必要信息。程序接口程序接口1、目的：、目的：為用戶程序訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置。為用戶程序訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置。2、組成：、組成：一組系統(tǒng)調(diào)用一組系統(tǒng)調(diào)用3、系統(tǒng)調(diào)用：、系統(tǒng)調(diào)用：一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用是一個(gè)能完一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用是一個(gè)能完成特定功能的子程序。成特定功能的子程序。用戶程序用戶程序系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用命令命令系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能調(diào)用調(diào)用返回返回1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)OS模塊化模塊化OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分層式分層式OS結(jié)構(gòu)

28、結(jié)構(gòu)微內(nèi)核微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2、模塊化、模塊化OSOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理：按功能劃分模塊。原理：按功能劃分模塊。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)進(jìn)程管理進(jìn)程管理存儲器管理存儲器管理文件管理文件管理進(jìn)程進(jìn)程控制控制進(jìn)程進(jìn)程調(diào)度調(diào)度內(nèi)存內(nèi)存分配分配內(nèi)存內(nèi)存保護(hù)保護(hù)磁盤磁盤管理管理目錄目錄管理管理1、無結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)OSOS無結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)OS設(shè)計(jì)重點(diǎn)：功能的實(shí)現(xiàn)和高效率設(shè)計(jì)重點(diǎn)：功能的實(shí)現(xiàn)和高效率缺點(diǎn)：缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)、缺點(diǎn)：缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)、 錯(cuò)誤多、難以維護(hù)錯(cuò)誤多、難以維護(hù)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 提高了設(shè)計(jì)的正確性、可維護(hù)性；提高了設(shè)計(jì)的正確性、可維護(hù)性； 增強(qiáng)了增強(qiáng)了OS的可適應(yīng)性；的可適應(yīng)性； 加速了加速了OS的開發(fā)過程。的

29、開發(fā)過程。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 對模塊的劃分及對接口的規(guī)定不精確；對模塊的劃分及對接口的規(guī)定不精確； 未將共享資源和獨(dú)占資源加以區(qū)別；未將共享資源和獨(dú)占資源加以區(qū)別； 模塊間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系，使模塊間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系，使OS結(jié)構(gòu)不清。結(jié)構(gòu)不清。3、分層式、分層式OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)從從資源管理觀點(diǎn)資源管理觀點(diǎn)出發(fā)，出發(fā)，劃分層次劃分層次。在某一層次上代碼在某一層次上代碼只能調(diào)用低層次上的代碼只能調(diào)用低層次上的代碼，使，使模塊間的調(diào)用變?yōu)槟K間的調(diào)用變?yōu)橛行蛐杂行蛐?。系統(tǒng)每加一層，就。系統(tǒng)每加一層，就構(gòu)構(gòu)成一個(gè)比原來功能更強(qiáng)的虛擬機(jī)成一個(gè)比原來功能更強(qiáng)的虛擬機(jī)。有利于系統(tǒng)的。有利于系統(tǒng)的

30、維護(hù)性和可靠性維護(hù)性和可靠性。硬件硬件a1a2分層原則被調(diào)用功能在低層：如文件系統(tǒng)管理設(shè)備管理設(shè)備驅(qū)動程序活躍功能在低層：提高運(yùn)行效率資源管理的公用模塊放在最低層：如緩沖區(qū)隊(duì)列、堆棧操作存儲器管理放在次低層：便于利用虛擬存儲功能最低層的硬件抽象層：與機(jī)器特點(diǎn)緊密相關(guān)的軟件放在最低層。資源分配策略放在最外層，便于修改或適應(yīng)不同環(huán)境調(diào)用跨越調(diào)用跨越的層次：相鄰層（最嚴(yán)格）、所有下層、部分下層的層次：相鄰層（最嚴(yán)格）、所有下層、部分下層分層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：l功能明確，調(diào)用關(guān)系清晰（高層對低層單向依賴），有利于保證設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性l低層和高層可分別實(shí)現(xiàn)（便于擴(kuò)充）；高層錯(cuò)誤不會影響到低層；避免遞歸調(diào)

31、用缺點(diǎn)：降低了運(yùn)行效率各系統(tǒng)對具體劃分各系統(tǒng)對具體劃分多少層次多少層次有有不同的看法不同的看法。操作命令解釋操作命令解釋虛空間分配虛空間分配作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度存儲管理存儲管理文件管理文件管理I/O控制控制進(jìn)程通信進(jìn)程通信進(jìn)程控制進(jìn)程控制低級調(diào)度低級調(diào)度輸入輸入/輸出啟動輸出啟動中斷管理中斷管理硬件硬件外層外層中層中層內(nèi)層內(nèi)層 右圖是荷蘭右圖是荷蘭科學(xué)家科學(xué)家Dijkstra與與1968年建造的第年建造的第一個(gè)層次結(jié)構(gòu)：一個(gè)層次結(jié)構(gòu)：SUE OS層次的設(shè)置大致原則層次的設(shè)置大致原則4、微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)微內(nèi)核(micro-kernel)：將更多操作系統(tǒng)功能放在核心之外，作為獨(dú)立的服務(wù)進(jìn)程運(yùn)行；l服務(wù)進(jìn)

32、程（或稱作“保護(hù)子系統(tǒng)”）l客戶進(jìn)程（系統(tǒng)客戶和應(yīng)用客戶）需支持多進(jìn)程本地過程調(diào)用 (LPC, Local Procedure Call)：一種進(jìn)程之間請求-應(yīng)答式的消息（Message）傳遞機(jī)制。消息：是一定格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。發(fā)起調(diào)用，送出請求消息請求消息到達(dá)并進(jìn)行處理送出回答消息整理回答消息，返回結(jié)果；如：對文件create, read, write把操作系統(tǒng)分成若干分別完成一組特定功能的把操作系統(tǒng)分成若干分別完成一組特定功能的服務(wù)進(jìn)程服務(wù)進(jìn)程，等，等待客戶提出請求；而待客戶提出請求；而系統(tǒng)內(nèi)核只實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能系統(tǒng)內(nèi)核只實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能(如：如：虛擬存儲、消息傳遞虛擬存儲、消息

33、傳遞)。微內(nèi)核微內(nèi)核 + C/S模式模式請求應(yīng)答處理機(jī)的處理機(jī)的2種狀態(tài)種狀態(tài)核心態(tài)核心態(tài)(系統(tǒng)態(tài)、管態(tài)系統(tǒng)態(tài)、管態(tài))：OS的管理程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所的管理程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處狀態(tài)。處狀態(tài)。用戶態(tài)：用戶程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處狀態(tài)。用戶態(tài)：用戶程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處狀態(tài)。(1)運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核 它提供所有它提供所有OS基本都具有的那些操作，如線程調(diào)度、基本都具有的那些操作，如線程調(diào)度、虛擬存儲、設(shè)備驅(qū)動、中斷處理等。這部分通常采用層虛擬存儲、設(shè)備驅(qū)動、中斷處理等。這部分通常采用層次結(jié)構(gòu)并構(gòu)成基本次結(jié)構(gòu)并構(gòu)成基本OS。(2)運(yùn)行在用戶態(tài)的并以客戶運(yùn)行在用戶態(tài)的并以客戶/服務(wù)器方式活動的進(jìn)程層

34、服務(wù)器方式活動的進(jìn)程層 除內(nèi)核外，除內(nèi)核外，OS所有其它部分被分成若干個(gè)相對獨(dú)立的所有其它部分被分成若干個(gè)相對獨(dú)立的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)一組服務(wù)，成為服務(wù)進(jìn)程（服務(wù)器）。進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)一組服務(wù)，成為服務(wù)進(jìn)程（服務(wù)器）。第一章第一章 總結(jié)總結(jié)操作系統(tǒng)定義，設(shè)計(jì)目標(biāo)，3個(gè)作用，3種基本類型，操作系統(tǒng)的4個(gè)特征本章作業(yè)1、操作系統(tǒng)的作用是什么？2、操作系統(tǒng)以什么方式組織用戶使用計(jì)算機(jī)？3、早期監(jiān)督程序（Monitor）的功能是什么？4、什么是作業(yè)控制語言？什么是作業(yè)說明書？5、試述多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的基本思想。為什么采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可以提高資源利用率？6、什么是分時(shí)系統(tǒng)？其主要特征是什么？適用于

35、哪些應(yīng)用？ 補(bǔ)充 常用的操作系統(tǒng)MS DOSMS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000UNIXLinuxMS DOS1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持軟盤的個(gè)人操作系統(tǒng)；1983年：DOS2.0：PC XT，支持硬盤和目錄的層次結(jié)構(gòu)，并提供豐富的系統(tǒng)命令；1984年：DOS3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)，它把286作為一個(gè)快速的8086使用；1987年：DOS3.3：提供對IBM PS/2的支持（如3.5軟驅(qū)），提供了更多的應(yīng)用；1988年：DOS4.0：支持大于32M的硬盤；1991年：

36、DOS5.0：改進(jìn)對擴(kuò)展內(nèi)存的支持；IBM PC, CPU 8088/8086, BIOS單用戶單任務(wù)單用戶單任務(wù)，簡單分層簡單分層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，16位位MS DOS的歷史的歷史MS DOS的結(jié)構(gòu)DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一組與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序組成，實(shí)現(xiàn)基本的輸入/輸出功能；DOS核心：提供一套獨(dú)立于硬件的系統(tǒng)功能：內(nèi)存管理、文件管理、字符設(shè)備和輸入/輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等；命令處理程序：對用戶命令進(jìn)行分析和執(zhí)行；BIOS(基本輸入/輸出系統(tǒng))DOS核心命令處理程序BIOS(基本輸入/輸出系統(tǒng))DOS核心命令處理程序MS DOS的特點(diǎn)字符用戶界面。

37、作業(yè)管理：命令行，批處理程序（BAT文件），菜單式。編程時(shí)通過軟中斷調(diào)用(int 21h)來使用系統(tǒng)功能。不區(qū)分用戶。準(zhǔn)多任務(wù)：通過內(nèi)存駐留程序TSR(Terminated and Stay Resident)來實(shí)現(xiàn)，通過時(shí)鐘中斷或鍵盤中斷熱鍵hotkey來激活其他任務(wù)。不支持虛擬存儲，沒有存儲保護(hù)。采用段式分配(內(nèi)存塊)，可直接訪問的最大地址空間為1MB。其余的內(nèi)存只能通過作為擴(kuò)展內(nèi)存(XMS)或擴(kuò)充內(nèi)存(EMS)來使用。lXMS是段式分配，通過內(nèi)存數(shù)據(jù)搬移來使用XMS區(qū)域lEMS是頁式分配，通過頁面的映射來使用EMS區(qū)域l或者用支持保護(hù)方式的編程工具文件系統(tǒng)為FAT(File Alloca

38、tion Table)格式（磁盤卷，多級目錄，文件名 8+3 個(gè)字符；分區(qū)容量最大為2GB）；有文件屬性，沒有區(qū)分用戶的訪問權(quán)限保護(hù)。設(shè)備驅(qū)動程序在系統(tǒng)起動時(shí)加載。分為字符設(shè)備和塊設(shè)備。MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 20001990年：Windows 3.0（成功版本），16位OS，借見Apple Macintosh給出友好的用戶界面；1993年：Windows NT 3.1, 32位OS，支持DOS和Windows應(yīng)用程序；1999年12月：Windows 2000(Professional, Server, Advanced Server)，32位OS；CPU 80386單用戶多任務(wù)單用戶多任務(wù)（分時(shí)系統(tǒng)），（分時(shí)系統(tǒng)），16位位/16和和32位混合位混合/32位位Windows的歷史的歷史安全子系統(tǒng)登錄進(jìn)程Win32客戶OS/2客戶POSIX客戶OS/2子系統(tǒng)Win32子系統(tǒng)POSIX子系統(tǒng)硬件抽象層系