嵌入式操作系統(tǒng)教程第一章課件

嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)1嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)1

第一章操作系統(tǒng)的基本概念2第一章操作系統(tǒng)的基本概念2第一章操作系統(tǒng)的基本概念§1.1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一、操作系統(tǒng)的基本概念1．操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)系。

中央處理機(jī)（CPU）

硬件子系統(tǒng)

存儲(chǔ)器裸機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

輸入輸出設(shè)備

操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言軟件子系統(tǒng)編譯程序···

應(yīng)用程序注：有的操作系統(tǒng)本身也包含了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和編譯程序等功能。3第一章操作系統(tǒng)的基本概念§1.1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一、操作硬件部分：構(gòu)成了系統(tǒng)本身和用戶作業(yè)賴以活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境。系統(tǒng)軟件：主要管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的操作；應(yīng)用軟件:主要解決用戶的問(wèn)題。2．操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用

應(yīng)用軟件系···統(tǒng)編譯軟件軟程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言件操作系統(tǒng)（底層）裸機(jī)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)4硬件部分：構(gòu)成了系統(tǒng)本身和用戶作業(yè)賴以活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的地位：是系統(tǒng)硬件之上的第一層軟件，為其他軟件提供單向支撐作用。裸機(jī)：沒(méi)有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)。虛擬機(jī)：對(duì)裸機(jī)功能的首次擴(kuò)充，把裸機(jī)改造成功能更強(qiáng)、使用更方便的機(jī)器。5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的地位：是系統(tǒng)硬件之上的第一層軟二、操作系統(tǒng)的功能1、對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件封裝和擴(kuò)充，提供一個(gè)計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口（API函數(shù)和SHELL命令），使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更易于使用；2、有效地控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件和軟件資源，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源利用率；3、合理地組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程，以改善系統(tǒng)性能。三、操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)大型的系統(tǒng)軟件，它管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的全部軟、硬件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，為用戶應(yīng)用程序的運(yùn)行提供一個(gè)友好的界面和良好的工作環(huán)境。6二、操作系統(tǒng)的功能1、對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件封裝和擴(kuò)充，提供一個(gè)計(jì)77一、中斷和中斷處理

1．幾個(gè)概念內(nèi)核：由HAL（硬件抽象層）中的程序模塊及進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等基本服務(wù)程序模塊組成的系統(tǒng)核心部分稱為操作系統(tǒng)的內(nèi)核。異步事件：與當(dāng)前正在做的事情不存在邏輯關(guān)系的事件。中斷：因異步事件的發(fā)生而迫使程序執(zhí)行流程發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

§1.2操作系統(tǒng)的內(nèi)核是由中斷驅(qū)動(dòng)的8一、中斷和中斷處理1．幾個(gè)概念內(nèi)核：由HAL（硬件抽象層2．中斷處理流程92．中斷處理流程9二、系統(tǒng)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)1．定時(shí)器：CPU周期性工作的保證。2．系統(tǒng)時(shí)鐘：由定時(shí)器發(fā)出的中斷請(qǐng)求。10二、系統(tǒng)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)1．定時(shí)器：CPU周期性工作的保證。10§1.3進(jìn)程和線程的基本概念一、進(jìn)程

1.概念：程序的一次運(yùn)行過(guò)程。

2.特征：動(dòng)態(tài)、并發(fā)、獨(dú)立、異步和機(jī)構(gòu)性。11§1.3進(jìn)程和線程的基本概念一、進(jìn)程1.概念：程序的二、進(jìn)程的概念1.進(jìn)程的實(shí)體:存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中且與進(jìn)程直接相關(guān)的實(shí)

體——代碼、進(jìn)程控制塊及數(shù)據(jù)集合。

※

可重入代碼：可共享的程序代碼。2.進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換

◆就緒狀態(tài):除CPU外，進(jìn)程獲取了其他所有必須得資源。

◆運(yùn)行狀態(tài)：就緒狀態(tài)進(jìn)程一旦獲取CPU，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

◆阻塞狀態(tài)：因自身原因而暫停執(zhí)行，轉(zhuǎn)入阻塞狀態(tài)。

◆進(jìn)程調(diào)度：在就緒進(jìn)程中選擇一個(gè)并使之運(yùn)行的工作。12二、進(jìn)程的概念1.進(jìn)程的實(shí)體:存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中且與進(jìn)程直接相3.進(jìn)程控制塊

為了記錄和跟蹤進(jìn)程的相關(guān)信息，操作系統(tǒng)用來(lái)記載相應(yīng)信息的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。133.進(jìn)程控制塊

為了記錄和跟蹤進(jìn)程的相關(guān)信息，操作系4.進(jìn)程的內(nèi)存映像

進(jìn)程控制塊（PCB）、進(jìn)程數(shù)據(jù)、程序代碼、進(jìn)程堆棧三、線程的概念

為了減少系統(tǒng)切換進(jìn)時(shí)的時(shí)間和空間開(kāi)銷，把進(jìn)程進(jìn)一步分割為更小的單位——線程。操作系統(tǒng)在進(jìn)行資源分配時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)空間資源，系統(tǒng)仍然以進(jìn)程為單位進(jìn)行分配，而對(duì)處理器資源則以線程為單位進(jìn)行分配。5.進(jìn)程控制塊鏈表

為了管理的方便，操作系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前不同的狀態(tài)，把那些具有相同狀態(tài)的進(jìn)程的進(jìn)程控制塊用鏈表組織。144.進(jìn)程的內(nèi)存映像

進(jìn)程控制塊（PCB）、進(jìn)程數(shù)據(jù)、§1.4進(jìn)程管理多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度發(fā)：按優(yōu)先級(jí)劃分若干的組，同組的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)相同，處理器以小于低級(jí)別隊(duì)列的時(shí)間片按FIFO方式優(yōu)先運(yùn)行從高級(jí)別隊(duì)列的進(jìn)程。一、進(jìn)程（線程）調(diào)度

系統(tǒng)中的所有就緒進(jìn)程，按照某種策略確定一個(gè)合適的進(jìn)程按規(guī)定的使用權(quán)限（可剝奪方式OR不可剝奪方式）讓處理器運(yùn)行它。1.調(diào)度策略時(shí)間片輪法:系統(tǒng)中的每個(gè)進(jìn)程輪流占用處理器運(yùn)行一個(gè)相同的時(shí)間片。優(yōu)先級(jí)調(diào)度：每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，級(jí)別的大小決定搶占處理器權(quán)利的大小(優(yōu)先級(jí)決定方式)。15§1.4進(jìn)程管理多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度發(fā)：按優(yōu)先級(jí)劃分若干的組

2.進(jìn)程切換

從正在運(yùn)行的進(jìn)程中收回處理器，然后再使待運(yùn)行的進(jìn)程占用處理器的過(guò)程。保存處理器PC寄存器的值保存處理器PSW寄存器的保存處理器SP寄存器的值保存處理器其它相關(guān)寄存器的值二、進(jìn)程（線程）的同步與通信1.直接制約

源于進(jìn)程間的相互合作，而受限制的行為。16

2.進(jìn)程切換

從正在運(yùn)行的進(jìn)程中收回處理器，然后再2.間接制約

源于對(duì)資源的共享。3.進(jìn)程同步進(jìn)程間制約性的合作運(yùn)行機(jī)制就為進(jìn)程同步。三、進(jìn)程的其它管理

1.進(jìn)程的創(chuàng)建和刪除進(jìn)程創(chuàng)建：分配PCB，并給PC和SP付值，置標(biāo)志位。進(jìn)程撤銷：回收資源，自內(nèi)存中刪除。

2.進(jìn)程的掛起和恢復(fù)

由相應(yīng)的進(jìn)程掛起服務(wù)模塊和恢復(fù)服務(wù)模塊執(zhí)行。172.間接制約

源于對(duì)資源的共享。3.進(jìn)程同步三、進(jìn)程§1.5存儲(chǔ)管理一、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的層次

可揮發(fā)性存儲(chǔ)裝置：系統(tǒng)掉電后，其所存儲(chǔ)的信息會(huì)丟失殆盡，屬存儲(chǔ)管理范疇。非揮發(fā)性存儲(chǔ)裝置：可永保存其上存儲(chǔ)的信息，屬設(shè)備管理范疇。18§1.5存儲(chǔ)管理一、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的層次

可揮發(fā)性存儲(chǔ)裝置：二、存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式分區(qū)

連續(xù)分配方式會(huì)形成許多碎片，雖然通過(guò)“緊湊”可以拼接，但是必須付出很多開(kāi)銷。因此產(chǎn)生了離散分配方式，如果離散分配基本單位是頁(yè)，則稱為分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式；如果離散分配基本單位是段，則稱為分段存儲(chǔ)管理方式

1.存儲(chǔ)空間的分頁(yè)

分頁(yè)存儲(chǔ):將一個(gè)進(jìn)程的邏輯地址空間分成若干個(gè)大小相等的片，稱為頁(yè)面或頁(yè)，并從0開(kāi)始為各頁(yè)加以編號(hào)。相應(yīng)地，也把內(nèi)存空間分成與頁(yè)面相同大小的若干個(gè)存儲(chǔ)塊(512B-8K)，稱為(物理)塊或頁(yè)框(frame)，也同樣為它們加以編號(hào)。在為進(jìn)程分配內(nèi)存時(shí)，以塊為單位將進(jìn)程中的若干個(gè)頁(yè)分別裝入到多個(gè)可以不相鄰接的物理塊中。19二、存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式分區(qū)

連續(xù)分配方式會(huì)形成許多碎片，

2.存儲(chǔ)空間的分段

引入分段存儲(chǔ)管理方式，主要是為了滿足用戶和程序員的下述一系列需要：方便編程、信息共享、信息保護(hù)、動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)鏈接。

分段：按程序自身的邏輯關(guān)系把作業(yè)的地址空間劃分為若干個(gè)程序段，每個(gè)程序段都有一個(gè)段名，且有一個(gè)段號(hào)。段號(hào)從0開(kāi)始，每一段也從0開(kāi)始編址，段內(nèi)地址是連續(xù)的。

分段地址中的地址具有如下結(jié)構(gòu)（二維的）：

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2.存儲(chǔ)空間的分段

引入分段存儲(chǔ)管理方式，主

3.存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式劃分

基本原理：將用戶程序劃分若干個(gè)段，然后再把每個(gè)段分成若干頁(yè)，并為每一段賦一個(gè)段名。

利用段表和頁(yè)表實(shí)現(xiàn)地址映射的過(guò)程:

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3.存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式劃分

基本原理：將用戶程序三、虛擬存儲(chǔ)器的概念1.虛擬存儲(chǔ)的迫切性有的作業(yè)很大，其所要求的內(nèi)存空間超過(guò)了內(nèi)存總?cè)萘?，作業(yè)不能全部被裝入內(nèi)存，導(dǎo)致該作業(yè)無(wú)法運(yùn)行。有大量作業(yè)要求運(yùn)行，但是由于內(nèi)存容量不足以容納所有這些作業(yè)，只能將少數(shù)的作業(yè)裝入內(nèi)存讓它們先運(yùn)行，而將其它大量的作業(yè)留在外存上等待。2.虛擬存儲(chǔ)的定義虛擬存儲(chǔ)器是指具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能，能從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)。其邏輯容量由內(nèi)存容量和外存容量之和所決定，其運(yùn)行速度接近于內(nèi)存速度，而每位的成本卻又接近于外存?？梢?jiàn)，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是一\種性能非常優(yōu)越的存儲(chǔ)器管理技術(shù)。22三、虛擬存儲(chǔ)器的概念1.虛擬存儲(chǔ)的迫切性2.虛擬存儲(chǔ)的定義2§1.6I/O與設(shè)備管理設(shè)備控制器：主要職責(zé)是控制一個(gè)或多個(gè)I/O設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。它包括：接收和識(shí)別命令、數(shù)據(jù)交換、標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)、地址識(shí)別、數(shù)據(jù)緩沖、差錯(cuò)控制等。驅(qū)動(dòng)程序：接收操作系統(tǒng)請(qǐng)求，并對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作的軟件一、I/O設(shè)備及其抽象二、操作系統(tǒng)的設(shè)備無(wú)關(guān)性設(shè)備的可尋址性:由外圍設(shè)備形成的地址區(qū)域——I/O或地址空間：23§1.6I/O與設(shè)備管理設(shè)備控制器：主要職責(zé)是控制一個(gè)或邏輯設(shè)備名的使用:操作系統(tǒng)規(guī)定用戶程序中應(yīng)使用邏輯設(shè)備名來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)，而不是使用物理設(shè)備的實(shí)際名稱。三、操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的管理設(shè)備描述表:通過(guò)對(duì)實(shí)際物理設(shè)備屬性的抽象而形成的設(shè)備屬性描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（DCT）。1.緩沖技術(shù)：為了緩和因處理器和外圍設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率的不匹配，需在主存區(qū)開(kāi)辟的一個(gè)緩沖區(qū)。2.設(shè)備調(diào)度：為了緩和多個(gè)進(jìn)程共享同一個(gè)設(shè)備資源而帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)，處理器必須針對(duì)設(shè)備的屬性按照某種預(yù)先設(shè)置的算法或策略對(duì)共享該設(shè)備資源的進(jìn)程調(diào)度。3.設(shè)備的分配：為競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)設(shè)備資源的進(jìn)程按預(yù)先設(shè)定的分配策略，在保證完整性和合理性的前提下，分配該設(shè)備資源。24邏輯設(shè)備名的使用:操作系統(tǒng)規(guī)定用戶程序中應(yīng)使用邏輯設(shè)備名來(lái)對(duì)§1.7文件管理一、文件、文件結(jié)構(gòu)和文件系統(tǒng)1.文件的基本概念信息的一種組織形式，是存放在外存儲(chǔ)器中的一組相關(guān)信息的集合，具有用于相互區(qū)別的名稱。2.文件的邏輯結(jié)構(gòu)字符流式文件：由字符序列組成，文件內(nèi)的信息不再劃分結(jié)構(gòu)。

記錄式文件：具有特定結(jié)構(gòu)，內(nèi)部信息劃分為多個(gè)記錄，用戶必需以記錄為單位來(lái)組織和使用信息。

連續(xù)結(jié)構(gòu)文件：以記錄存入的時(shí)間為。

有序結(jié)構(gòu)文件：按某項(xiàng)值大小排序。25§1.7文件管理一、文件、文件結(jié)構(gòu)和文件系統(tǒng)1.文件的基3.文件的物理結(jié)構(gòu)4.文件系統(tǒng)

操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)存取和管理文件的一組軟件模塊。有序文件：文件的邏輯順序和在連續(xù)物理塊中的結(jié)構(gòu)中一致，稱其為…。鏈接文件：存儲(chǔ)文件的物理塊通過(guò)鏈表組織在一起。索引文件(隨機(jī)文件)：由指示文件的邏輯記錄和其所存儲(chǔ)的物理塊之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的索引表盒文件本身共同組成的文件。功能1：建立文件時(shí)分配存儲(chǔ)空間。功能2：回收被刪除文件占用的空間資源。功能3：提供文件和目錄間的操作接口，實(shí)現(xiàn)和實(shí)體的映射。功能2：為文件提供足夠的保護(hù)作用。263.文件的物理結(jié)構(gòu)4.文件系統(tǒng)有序文件：文件的邏輯順序和在連二、文件管理1.文件目錄及其結(jié)構(gòu)文件目錄：是一個(gè)記錄了文件的各個(gè)屬性信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通常包括:文件名、存儲(chǔ)位置、文件結(jié)構(gòu)、存取權(quán)限和相關(guān)使用信息。目錄文件：有文件目錄構(gòu)成的文件。27二、文件管理1.文件目錄及其結(jié)構(gòu)文件目錄：是一個(gè)記錄了文件的2.文件存儲(chǔ)空間的管理存儲(chǔ)空間的分配：以塊為單位——512B/1K/2K。空閑塊的組織：“位圖”O(jiān)R“鏈表”。282.文件存儲(chǔ)空間的管理存儲(chǔ)空間的分配：以塊為單位——512B§1.8宏內(nèi)核和微內(nèi)核一、內(nèi)核1.基本概念

裸機(jī)的首次抽象和封裝，是系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程進(jìn)行資源分配以及對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理和調(diào)度的程序模塊的集合。2.基本構(gòu)成和位置與硬件緊密相關(guān)、運(yùn)行頻率較高的公共基本操作程序模塊，關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，其將常駐內(nèi)存。3.基本功能中斷處理：中斷管理和處理為操作系統(tǒng)賴以活動(dòng)的基礎(chǔ)。29§1.8宏內(nèi)核和微內(nèi)核一、內(nèi)核1.基本概念2.基本構(gòu)成和4.其它相關(guān)概念二、宏內(nèi)核和微內(nèi)核系統(tǒng)的基本操作：承擔(dān)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O接口與設(shè)備、安全及對(duì)文件系統(tǒng)的控制和操作。進(jìn)程調(diào)度管理：通過(guò)調(diào)度器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中進(jìn)程和線程的cpu資源的分配。原語(yǔ)：內(nèi)核中，執(zhí)行時(shí)不可中斷的程序。用戶態(tài)（常態(tài)）：用戶只能使用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的一部分。

系統(tǒng)太（特態(tài)）：用戶可以使用全部的計(jì)算機(jī)指令。1.微內(nèi)核的引入

所謂微內(nèi)核技術(shù)，是指精心設(shè)計(jì)的、能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代OS核心功能的小型內(nèi)核，它與一般的OS(程序)不同，它更小更精煉，它不僅運(yùn)行在核心態(tài)，而且開(kāi)機(jī)后常駐內(nèi)存，它不會(huì)因內(nèi)存緊張而被換出內(nèi)存。微內(nèi)核并非是一個(gè)完整的OS，而只是為構(gòu)建通用OS提供一個(gè)重要基礎(chǔ)。

304.其它相關(guān)概念二、宏內(nèi)核和微內(nèi)核系統(tǒng)的基本操作：承擔(dān)系統(tǒng)時(shí)2.微內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)思想用以完成系統(tǒng)調(diào)用功能的程序模塊通常只進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，而把其余的工作通過(guò)消息傳遞給內(nèi)核之外的京城來(lái)處理。3.微內(nèi)核基本功能

(1)進(jìn)程(線程)管理

(2)低級(jí)存儲(chǔ)器管理

(3)中斷和陷入處理

312.微內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)思想3.微內(nèi)核基本功能(1)進(jìn)程(線程)管理4.宏內(nèi)核

內(nèi)部可被劃分成若干模塊，運(yùn)行時(shí)作為一個(gè)整體來(lái)完成任務(wù)。模塊間通過(guò)直接的函數(shù)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的通信。324.宏內(nèi)核

內(nèi)部可被劃分成若干模塊，運(yùn)行時(shí)作為一個(gè)整體§1.9操作系統(tǒng)的類型按功能特征的不同把操作系統(tǒng)分為：(1)

批處理操作系統(tǒng)(2)

分時(shí)操作系統(tǒng)(3)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(4)

單用戶操作系統(tǒng)一、批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)一般適用于大中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)可分為單道批處理操作系統(tǒng)和多道批處理操作系統(tǒng)兩種。33§1.9操作系統(tǒng)的類型按功能特征的不同把操作系統(tǒng)分為：1．單道批處理操作系統(tǒng)

單道批處理操作系統(tǒng)是早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中配置的一種操作系統(tǒng)類型。主要代表有：FMS（FORTRAN監(jiān)控系統(tǒng)）、IBYSY（IBM/7094）。

2．多道批處理操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)是在60年代中期以后計(jì)算中心（或數(shù)據(jù)中心）等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上所配置的一種操作系統(tǒng)。主要代表有：IBM360/370。

主要特征：(1)

成批處理。(2)

多道程序運(yùn)行。(3)

用戶脫機(jī)使用計(jì)算機(jī)。341．單道批處理操作系統(tǒng)2．多道批處理操作系統(tǒng)主要特征：(1)優(yōu)點(diǎn)：有利于提高系統(tǒng)資源利用率、增大作業(yè)吞吐量。缺點(diǎn)：無(wú)交互性，這給程序設(shè)計(jì)人員帶來(lái)很大的不便。二、分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)提供了多個(gè)用戶共同使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)的環(huán)境。主要代表：Unix、VAX/VMX、CTSS、MUTICS等。主要特征：(1)

多路性(2)

獨(dú)占性(3)

及時(shí)性(4)

交互性35優(yōu)點(diǎn)：有利于提高系統(tǒng)資源利用率、增大作業(yè)吞吐量。二、分時(shí)操作三、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要特征：(1)

即時(shí)響應(yīng)(2)

高可靠性(3)

專業(yè)性四、單用戶操作系統(tǒng)

是為個(gè)人用微型計(jì)算機(jī)所配置的操作系統(tǒng)。這類操作系統(tǒng)在處理機(jī)的調(diào)度、存儲(chǔ)保護(hù)等方面將簡(jiǎn)單得多，為用戶提供良好的工作環(huán)境和方便的用戶接口成為這類操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)。典型系統(tǒng)：MS-DOS、Windows、Linux等。36三、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要特征：(1)

即時(shí)響應(yīng)(2)

高可靠性(§1.10操作系統(tǒng)的Shell操作系統(tǒng)的“殼（shell）”:操作系統(tǒng)給自己提供了一個(gè)進(jìn)程。當(dāng)操作系統(tǒng)完成對(duì)自身的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化后，立即就創(chuàng)建一個(gè)根進(jìn)程來(lái)占有CPU。此進(jìn)程將提供一個(gè)人機(jī)交互的界面，通過(guò)此界面，它能接受用戶提出的任務(wù)要求，也能按用戶要求創(chuàng)建新的用戶進(jìn)程。37§1.10操作系統(tǒng)的Shell操作系統(tǒng)的“殼（shell§1.11操作系統(tǒng)的Shell系統(tǒng)的載入：38§1.11操作系統(tǒng)的Shell系統(tǒng)的載入：38嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)39嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)1

第一章操作系統(tǒng)的基本概念40第一章操作系統(tǒng)的基本概念2第一章操作系統(tǒng)的基本概念§1.1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一、操作系統(tǒng)的基本概念1．操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)系。

中央處理機(jī)（CPU）

硬件子系統(tǒng)

存儲(chǔ)器裸機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

輸入輸出設(shè)備

操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言軟件子系統(tǒng)編譯程序···

應(yīng)用程序注：有的操作系統(tǒng)本身也包含了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和編譯程序等功能。41第一章操作系統(tǒng)的基本概念§1.1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一、操作硬件部分：構(gòu)成了系統(tǒng)本身和用戶作業(yè)賴以活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境。系統(tǒng)軟件：主要管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的操作；應(yīng)用軟件:主要解決用戶的問(wèn)題。2．操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用

應(yīng)用軟件系···統(tǒng)編譯軟件軟程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言件操作系統(tǒng)（底層）裸機(jī)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)42硬件部分：構(gòu)成了系統(tǒng)本身和用戶作業(yè)賴以活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的地位：是系統(tǒng)硬件之上的第一層軟件，為其他軟件提供單向支撐作用。裸機(jī)：沒(méi)有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)。虛擬機(jī)：對(duì)裸機(jī)功能的首次擴(kuò)充，把裸機(jī)改造成功能更強(qiáng)、使用更方便的機(jī)器。43計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的地位：是系統(tǒng)硬件之上的第一層軟二、操作系統(tǒng)的功能1、對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件封裝和擴(kuò)充，提供一個(gè)計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口（API函數(shù)和SHELL命令），使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更易于使用；2、有效地控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件和軟件資源，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源利用率；3、合理地組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程，以改善系統(tǒng)性能。三、操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)大型的系統(tǒng)軟件，它管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的全部軟、硬件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，為用戶應(yīng)用程序的運(yùn)行提供一個(gè)友好的界面和良好的工作環(huán)境。44二、操作系統(tǒng)的功能1、對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件封裝和擴(kuò)充，提供一個(gè)計(jì)457一、中斷和中斷處理

1．幾個(gè)概念內(nèi)核：由HAL（硬件抽象層）中的程序模塊及進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等基本服務(wù)程序模塊組成的系統(tǒng)核心部分稱為操作系統(tǒng)的內(nèi)核。異步事件：與當(dāng)前正在做的事情不存在邏輯關(guān)系的事件。中斷：因異步事件的發(fā)生而迫使程序執(zhí)行流程發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

§1.2操作系統(tǒng)的內(nèi)核是由中斷驅(qū)動(dòng)的46一、中斷和中斷處理1．幾個(gè)概念內(nèi)核：由HAL（硬件抽象層2．中斷處理流程472．中斷處理流程9二、系統(tǒng)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)1．定時(shí)器：CPU周期性工作的保證。2．系統(tǒng)時(shí)鐘：由定時(shí)器發(fā)出的中斷請(qǐng)求。48二、系統(tǒng)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)1．定時(shí)器：CPU周期性工作的保證。10§1.3進(jìn)程和線程的基本概念一、進(jìn)程

1.概念：程序的一次運(yùn)行過(guò)程。

2.特征：動(dòng)態(tài)、并發(fā)、獨(dú)立、異步和機(jī)構(gòu)性。49§1.3進(jìn)程和線程的基本概念一、進(jìn)程1.概念：程序的二、進(jìn)程的概念1.進(jìn)程的實(shí)體:存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中且與進(jìn)程直接相關(guān)的實(shí)

體——代碼、進(jìn)程控制塊及數(shù)據(jù)集合。

※

可重入代碼：可共享的程序代碼。2.進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換

◆就緒狀態(tài):除CPU外，進(jìn)程獲取了其他所有必須得資源。

◆運(yùn)行狀態(tài)：就緒狀態(tài)進(jìn)程一旦獲取CPU，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

◆阻塞狀態(tài)：因自身原因而暫停執(zhí)行，轉(zhuǎn)入阻塞狀態(tài)。

◆進(jìn)程調(diào)度：在就緒進(jìn)程中選擇一個(gè)并使之運(yùn)行的工作。50二、進(jìn)程的概念1.進(jìn)程的實(shí)體:存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中且與進(jìn)程直接相3.進(jìn)程控制塊

為了記錄和跟蹤進(jìn)程的相關(guān)信息，操作系統(tǒng)用來(lái)記載相應(yīng)信息的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。513.進(jìn)程控制塊

為了記錄和跟蹤進(jìn)程的相關(guān)信息，操作系4.進(jìn)程的內(nèi)存映像

進(jìn)程控制塊（PCB）、進(jìn)程數(shù)據(jù)、程序代碼、進(jìn)程堆棧三、線程的概念

為了減少系統(tǒng)切換進(jìn)時(shí)的時(shí)間和空間開(kāi)銷，把進(jìn)程進(jìn)一步分割為更小的單位——線程。操作系統(tǒng)在進(jìn)行資源分配時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)空間資源，系統(tǒng)仍然以進(jìn)程為單位進(jìn)行分配，而對(duì)處理器資源則以線程為單位進(jìn)行分配。5.進(jìn)程控制塊鏈表

為了管理的方便，操作系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前不同的狀態(tài)，把那些具有相同狀態(tài)的進(jìn)程的進(jìn)程控制塊用鏈表組織。524.進(jìn)程的內(nèi)存映像

進(jìn)程控制塊（PCB）、進(jìn)程數(shù)據(jù)、§1.4進(jìn)程管理多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度發(fā)：按優(yōu)先級(jí)劃分若干的組，同組的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)相同，處理器以小于低級(jí)別隊(duì)列的時(shí)間片按FIFO方式優(yōu)先運(yùn)行從高級(jí)別隊(duì)列的進(jìn)程。一、進(jìn)程（線程）調(diào)度

系統(tǒng)中的所有就緒進(jìn)程，按照某種策略確定一個(gè)合適的進(jìn)程按規(guī)定的使用權(quán)限（可剝奪方式OR不可剝奪方式）讓處理器運(yùn)行它。1.調(diào)度策略時(shí)間片輪法:系統(tǒng)中的每個(gè)進(jìn)程輪流占用處理器運(yùn)行一個(gè)相同的時(shí)間片。優(yōu)先級(jí)調(diào)度：每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，級(jí)別的大小決定搶占處理器權(quán)利的大小(優(yōu)先級(jí)決定方式)。53§1.4進(jìn)程管理多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度發(fā)：按優(yōu)先級(jí)劃分若干的組

2.進(jìn)程切換

從正在運(yùn)行的進(jìn)程中收回處理器，然后再使待運(yùn)行的進(jìn)程占用處理器的過(guò)程。保存處理器PC寄存器的值保存處理器PSW寄存器的保存處理器SP寄存器的值保存處理器其它相關(guān)寄存器的值二、進(jìn)程（線程）的同步與通信1.直接制約

源于進(jìn)程間的相互合作，而受限制的行為。54

2.進(jìn)程切換

從正在運(yùn)行的進(jìn)程中收回處理器，然后再2.間接制約

源于對(duì)資源的共享。3.進(jìn)程同步進(jìn)程間制約性的合作運(yùn)行機(jī)制就為進(jìn)程同步。三、進(jìn)程的其它管理

1.進(jìn)程的創(chuàng)建和刪除進(jìn)程創(chuàng)建：分配PCB，并給PC和SP付值，置標(biāo)志位。進(jìn)程撤銷：回收資源，自內(nèi)存中刪除。

2.進(jìn)程的掛起和恢復(fù)

由相應(yīng)的進(jìn)程掛起服務(wù)模塊和恢復(fù)服務(wù)模塊執(zhí)行。552.間接制約

源于對(duì)資源的共享。3.進(jìn)程同步三、進(jìn)程§1.5存儲(chǔ)管理一、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的層次

可揮發(fā)性存儲(chǔ)裝置：系統(tǒng)掉電后，其所存儲(chǔ)的信息會(huì)丟失殆盡，屬存儲(chǔ)管理范疇。非揮發(fā)性存儲(chǔ)裝置：可永保存其上存儲(chǔ)的信息，屬設(shè)備管理范疇。56§1.5存儲(chǔ)管理一、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的層次

可揮發(fā)性存儲(chǔ)裝置：二、存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式分區(qū)

連續(xù)分配方式會(huì)形成許多碎片，雖然通過(guò)“緊湊”可以拼接，但是必須付出很多開(kāi)銷。因此產(chǎn)生了離散分配方式，如果離散分配基本單位是頁(yè)，則稱為分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式；如果離散分配基本單位是段，則稱為分段存儲(chǔ)管理方式

1.存儲(chǔ)空間的分頁(yè)

分頁(yè)存儲(chǔ):將一個(gè)進(jìn)程的邏輯地址空間分成若干個(gè)大小相等的片，稱為頁(yè)面或頁(yè)，并從0開(kāi)始為各頁(yè)加以編號(hào)。相應(yīng)地，也把內(nèi)存空間分成與頁(yè)面相同大小的若干個(gè)存儲(chǔ)塊(512B-8K)，稱為(物理)塊或頁(yè)框(frame)，也同樣為它們加以編號(hào)。在為進(jìn)程分配內(nèi)存時(shí)，以塊為單位將進(jìn)程中的若干個(gè)頁(yè)分別裝入到多個(gè)可以不相鄰接的物理塊中。57二、存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式分區(qū)

連續(xù)分配方式會(huì)形成許多碎片，

2.存儲(chǔ)空間的分段

引入分段存儲(chǔ)管理方式，主要是為了滿足用戶和程序員的下述一系列需要：方便編程、信息共享、信息保護(hù)、動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)鏈接。

分段：按程序自身的邏輯關(guān)系把作業(yè)的地址空間劃分為若干個(gè)程序段，每個(gè)程序段都有一個(gè)段名，且有一個(gè)段號(hào)。段號(hào)從0開(kāi)始，每一段也從0開(kāi)始編址，段內(nèi)地址是連續(xù)的。

分段地址中的地址具有如下結(jié)構(gòu)（二維的）：

58

2.存儲(chǔ)空間的分段

引入分段存儲(chǔ)管理方式，主

3.存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式劃分

基本原理：將用戶程序劃分若干個(gè)段，然后再把每個(gè)段分成若干頁(yè)，并為每一段賦一個(gè)段名。

利用段表和頁(yè)表實(shí)現(xiàn)地址映射的過(guò)程:

59

3.存儲(chǔ)空間的段頁(yè)式劃分

基本原理：將用戶程序三、虛擬存儲(chǔ)器的概念1.虛擬存儲(chǔ)的迫切性有的作業(yè)很大，其所要求的內(nèi)存空間超過(guò)了內(nèi)存總?cè)萘?，作業(yè)不能全部被裝入內(nèi)存，導(dǎo)致該作業(yè)無(wú)法運(yùn)行。有大量作業(yè)要求運(yùn)行，但是由于內(nèi)存容量不足以容納所有這些作業(yè)，只能將少數(shù)的作業(yè)裝入內(nèi)存讓它們先運(yùn)行，而將其它大量的作業(yè)留在外存上等待。2.虛擬存儲(chǔ)的定義虛擬存儲(chǔ)器是指具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能，能從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)。其邏輯容量由內(nèi)存容量和外存容量之和所決定，其運(yùn)行速度接近于內(nèi)存速度，而每位的成本卻又接近于外存?？梢?jiàn)，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是一\種性能非常優(yōu)越的存儲(chǔ)器管理技術(shù)。60三、虛擬存儲(chǔ)器的概念1.虛擬存儲(chǔ)的迫切性2.虛擬存儲(chǔ)的定義2§1.6I/O與設(shè)備管理設(shè)備控制器：主要職責(zé)是控制一個(gè)或多個(gè)I/O設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。它包括：接收和識(shí)別命令、數(shù)據(jù)交換、標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)、地址識(shí)別、數(shù)據(jù)緩沖、差錯(cuò)控制等。驅(qū)動(dòng)程序：接收操作系統(tǒng)請(qǐng)求，并對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作的軟件一、I/O設(shè)備及其抽象二、操作系統(tǒng)的設(shè)備無(wú)關(guān)性設(shè)備的可尋址性:由外圍設(shè)備形成的地址區(qū)域——I/O或地址空間：61§1.6I/O與設(shè)備管理設(shè)備控制器：主要職責(zé)是控制一個(gè)或邏輯設(shè)備名的使用:操作系統(tǒng)規(guī)定用戶程序中應(yīng)使用邏輯設(shè)備名來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)，而不是使用物理設(shè)備的實(shí)際名稱。三、操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的管理設(shè)備描述表:通過(guò)對(duì)實(shí)際物理設(shè)備屬性的抽象而形成的設(shè)備屬性描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（DCT）。1.緩沖技術(shù)：為了緩和因處理器和外圍設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率的不匹配，需在主存區(qū)開(kāi)辟的一個(gè)緩沖區(qū)。2.設(shè)備調(diào)度：為了緩和多個(gè)進(jìn)程共享同一個(gè)設(shè)備資源而帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)，處理器必須針對(duì)設(shè)備的屬性按照某種預(yù)先設(shè)置的算法或策略對(duì)共享該設(shè)備資源的進(jìn)程調(diào)度。3.設(shè)備的分配：為競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)設(shè)備資源的進(jìn)程按預(yù)先設(shè)定的分配策略，在保證完整性和合理性的前提下，分配該設(shè)備資源。62邏輯設(shè)備名的使用:操作系統(tǒng)規(guī)定用戶程序中應(yīng)使用邏輯設(shè)備名來(lái)對(duì)§1.7文件管理一、文件、文件結(jié)構(gòu)和文件系統(tǒng)1.文件的基本概念信息的一種組織形式，是存放在外存儲(chǔ)器中的一組相關(guān)信息的集合，具有用于相互區(qū)別的名稱。2.文件的邏輯結(jié)構(gòu)字符流式文件：由字符序列組成，文件內(nèi)的信息不再劃分結(jié)構(gòu)。

記錄式文件：具有特定結(jié)構(gòu)，內(nèi)部信息劃分為多個(gè)記錄，用戶必需以記錄為單位來(lái)組織和使用信息。

連續(xù)結(jié)構(gòu)文件：以記錄存入的時(shí)間為。

有序結(jié)構(gòu)文件：按某項(xiàng)值大小排序。63§1.7文件管理一、文件、文件結(jié)構(gòu)和文件系統(tǒng)1.文件的基3.文件的物理結(jié)構(gòu)4.文件系統(tǒng)

操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)存取和管理文件的一組軟件模塊。有序文件：文件的邏輯順序和在連續(xù)物理塊中的結(jié)構(gòu)中一致，稱其為…。鏈接文件：存儲(chǔ)文件的物理塊通過(guò)鏈表組織在一起。索引文件(隨機(jī)文件)：由指示文件的邏輯記錄和其所存儲(chǔ)的物理塊之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的索引表盒文件本身共同組成的文件。功能1：建立文件時(shí)分配存儲(chǔ)空間。功能2：回收被刪除文件占用的空間資源。功能3：提供文件和目錄間的操作接口，實(shí)現(xiàn)和實(shí)體的映射。功能2：為文件提供足夠的保護(hù)作用。643.文件的物理結(jié)構(gòu)4.文件系統(tǒng)有序文件：文件的邏輯順序和在連二、文件管理1.文件目錄及其結(jié)構(gòu)文件目錄：是一個(gè)記錄了文件的各個(gè)屬性信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通常包括:文件名、存儲(chǔ)位置、文件結(jié)構(gòu)、存取權(quán)限和相關(guān)使用信息。目錄文件：有文件目錄構(gòu)成的文件。65二、文件管理1.文件目錄及其結(jié)構(gòu)文件目錄：是一個(gè)記錄了文件的2.文件存儲(chǔ)空間的管理存儲(chǔ)空間的分配：以塊為單位——512B/1K/2K?？臻e塊的組織：“位圖”O(jiān)R“鏈表”。662.文件存儲(chǔ)空間的管理存儲(chǔ)空間的分配：以塊為單位——512B§1.8宏內(nèi)核和微內(nèi)核一、內(nèi)核1.基本概念

裸機(jī)的首次抽象和封裝，是系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程進(jìn)行資源分配以及對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理和調(diào)度的程序模塊的集合。2.基本構(gòu)成和位置與硬件緊密相關(guān)、運(yùn)行頻率較高的公共基本操作程序模塊，關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，其將常駐內(nèi)存。3.基本功能中斷處理：中斷管理和處理為操作系統(tǒng)賴以活動(dòng)的基礎(chǔ)。67§1.8宏內(nèi)核和微內(nèi)核一、內(nèi)核1.基本概念2.基本構(gòu)成和4.其它相關(guān)概念二、宏內(nèi)核和微內(nèi)核系統(tǒng)的基本操作：承擔(dān)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O接口與設(shè)備、安全及對(duì)文件系統(tǒng)的控制和操作。進(jìn)程調(diào)度管理：通過(guò)調(diào)度器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中進(jìn)程和線程的cpu資源的分配。原語(yǔ)：內(nèi)核中，執(zhí)行時(shí)不可中斷的程序。用戶態(tài)（常態(tài)）：用戶只能使用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的一部分。

系統(tǒng)太（特態(tài)）：用戶可以使用全部的計(jì)算機(jī)指令。1.微內(nèi)核的引入

所謂微內(nèi)核技術(shù)，是指精心設(shè)計(jì)的、能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代OS核心功能