操作系統(tǒng)理論

操作系統(tǒng)理論知識作者：Ares[12534756]2006-06-2619:13操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是一個大型的軟件系統(tǒng)，他的基本功能就是資源管理和方便用戶使用計算機系統(tǒng)(提供用戶接口)。資源管理功能包括處理器管理，存儲器管理，設備管理，文件管理，用戶接口包括作業(yè)級接口，程序級接口。操作系統(tǒng)是裸機上的第一層軟件，通過控制和管理計算機硬件資源，為應用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)的基本特點就是并發(fā)，共享，異步，和虛擬。操作系統(tǒng)的結構一般有兩種：層次結構，微內核結構，微內核是操作系統(tǒng)發(fā)展方向。操作系統(tǒng)(OperatingSystem,簡稱OS)是管理計算機系統(tǒng)的全部硬件資源包括軟件資源及數據資源；控制程序運行；改善人機界面；為其它應用軟件提供支持等，使計算機系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務界面。操作系統(tǒng)通常是最靠近硬件的一層系統(tǒng)軟件，它把硬件裸機改造成為功能完善的一臺虛擬機，使得計算機系統(tǒng)的使用和管理更加方便，計算機資源的利用效率更高，上層的應用程序可以獲得比硬件提供的功能更多的支持。操作系統(tǒng)是一個龐大的管理控制程序，大致包括5個方面的管理功能:進程與處理機管理、作業(yè)管理、存儲管理、設備管理、文件管理。目前微機上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows2000、Netware等。計算機資源可分為兩大類：硬件資源和軟件資源。硬件資源指組成計算機的硬設備，如中央處理機、主存儲器、磁帶存儲器、打印機、顯示器、鍵盤輸入設備等。軟件資源主要指存儲于計算機中的各種數據和程序。系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源都由操作系統(tǒng)根據用戶需求按一定的策略分配和調度。操作系統(tǒng)的處理器管理根據一定的策略將處理器交替地分配給系統(tǒng)內等待運行的程序。操作系統(tǒng)的設備管理負責分配和回收外部設備，以及控制外部設備按用戶程序的要求進行操作。操作系統(tǒng)的文件管理向用戶提供創(chuàng)建文件、撤消文件、讀寫文件、打開和關閉文件等功能。操作系統(tǒng)的存儲管理功能是管理內存資源。主要實現內存的分配與回收，存儲保護以及內存擴充。操作系統(tǒng)的作業(yè)管理功能是為用戶提供一個使用系統(tǒng)的良好環(huán)境，使用戶能有效地組織自己的工作流程，并使整個系統(tǒng)高效地運行。今天的操作系統(tǒng)至2005年為止，用于通用計算機上的分布的操作系統(tǒng)主要兩個家族：類Unix家族和微軟Windows家族。而主機系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)使用多樣的系統(tǒng)，并且很多和Windows、Unix都沒有直接的聯(lián)系。類Unix家族包括多個組織的操作系統(tǒng)，其中有幾個主要的子類包括SySTemV、BSD和Linux。這里'Unix'是一個商標，開發(fā)組織允許使用操作系統(tǒng)在一個定義前提下自由地開發(fā)。這名字是通用大型設置操作系統(tǒng)類似組織Unix。Unix系統(tǒng)運行在從巨型機到嵌入式系統(tǒng)的多種機器架構上。Unix主要使用于重要的商務服務器系統(tǒng)以及學院和工程環(huán)境中的工作站之上。和AT&AMp;TUnix不同，自由軟件比如Linux和BSD逐步開始流行，并且開始進入桌面操作系統(tǒng)領域。和一些Unix操作系統(tǒng)不同，像惠普公司的HPUX和IBM公司的AIX是設計僅運行在客戶購買的設備上，其中有一些特殊的（比如SUN公司的Solaris）可以運行在客戶購買設備和基于工業(yè)標準的PC上。APPLE公司的MACOSX是一個BSD特例，以取代早期小型市場上的蘋果公司MacOS，眾多流行的Unix操作系統(tǒng)正在走向一體。微軟公司的Windows操作系統(tǒng)家族起源于早期的IBMPC環(huán)境中的MS-DOS，現在版本是基于新的WindowsNT內核，第一次是在OS/2中制定。和Unix不同，Windows只能運行在32位和64位的x86CPU（如Intel或者AMD的芯片）上，盡管早期有版本運行于DECAlpha，MIPS和PowerPC體系結構。今天Windows是一個流行的操作系統(tǒng)，在全球桌面市場中占有90%左右的份額，同時在中低端服務器市場也有廣泛的應用，如Web服務器和數據庫服務器。大型機系統(tǒng)，比如IBM公司的Z/OS,和嵌入式操作系統(tǒng)比如QNX、eCOs和PalmOS都是和Unix和Windows無關的操作系統(tǒng)，而WindowsCE、WindowsNTEmbedded4.0和WindowsXPEmbedded都是和Windows相關的。老的操作系統(tǒng)停留在市場包括類似IBMWindows的OS/2、來自惠普的VMS（以前的DEC）;蘋果公司的MacOS操作系統(tǒng)、非Unix先驅蘋果公司MacOSX，以及AmiGAOS，第一個圖形用戶界面的操作系統(tǒng)，包括對于普通用戶的高級的多媒體能力。功能操作系統(tǒng)位于底層硬件與用戶之間，是兩者溝通的橋梁。用戶可以通過操作系統(tǒng)的用戶界面，輸入命令。操作系統(tǒng)則對命令進行解釋，驅動硬件設備，實現用戶要求。結構操作系統(tǒng)理論研究者有時把操作系統(tǒng)分成四大部分：驅動程序-最底層的、直接控制和監(jiān)視各類硬件的部分，它們的職責是隱藏硬件的具體細節(jié)，并向其他部分提供一個抽象的、通用的接口。內核-操作系統(tǒng)之最核心部分，通常運行在最高特權級，負責提供基礎性、結構性的功能。支承庫-(亦作“接口庫”)是一系列特殊的程序庫，它們指責在于把系統(tǒng)所提供的基本服務包裝成應用程序所能夠使用的編程接口(API),是最靠近應用程序的部分。例如，GNUC運行期庫就屬于此類，它把各種操作系統(tǒng)的內部編程接口包裝成ANSIC和POSIX編程接口的形式。外圍-所謂外圍，是指操作系統(tǒng)中除以上三類以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高級服務的部件。例如，在微內核結構中，大部分系統(tǒng)服務，以及UNIX/Linux中各種守護進程都通常被劃歸此列。當然，本節(jié)所提出的四部結構觀也絕非放之四海皆準。例如，在早期的微軟視窗操作系統(tǒng)中，各部分耦合程度很深，難以區(qū)分彼此。而在使用外核結構的操作系統(tǒng)中，則根本沒有驅動程序的概念。因而，本節(jié)的討論只適用于一般情況，具體特例需具體分析。操作系統(tǒng)中四大部分的不同布局，也就形成了幾種整體結構的分野。常見的結構包括：簡單結構、層結構、微內核結構、垂直結構、和虛擬機(VirtualMachine)結構。簡單結構很多商用操作系統(tǒng)都沒有清晰的整體結構，系統(tǒng)中的各個部件混雜在一起。這些操作系統(tǒng)往往是由很小的實驗性的項目逐步演化而來的，因而宏觀結構非常模糊。MS-DOS就是一個很好的例子，在設計之初，MS-DOS的設計目標是在比較有限的硬件資源上運行比較有限的應用程序，開發(fā)人員很可能都沒有預料到它日后在市場上的巨大成功，因而模塊之間的相對獨立性幾乎被忽略。相似的情況也發(fā)生在UNIX家族之中。早期的UNIX因為受限于當時的硬件能力，也一直都是采用非常簡單的、隨著UNIX的不斷發(fā)展這樣結構也很快成為了UNIX演進的瓶頸。其它采用這種簡單結構的操作系統(tǒng)還包括PalmOS5以前的PalmOS，以及很多其他的小型的嵌入式操作系統(tǒng)。內核結構內核是操作系統(tǒng)最核心最基礎的構件，因而，內核結構往往對操作系統(tǒng)的外部特性以及應用領域有著一定程度的影響。盡管隨著理論和實踐的不斷演進，操作系統(tǒng)高層特性與內核結構之間的耦合有日趨縮小之勢，但習慣上，內核結構仍然是操作系統(tǒng)分類之常用標準。內核的結構可以分為單內核(monolithickernel)、微內核(miCRokernel)、超微內核(nanokernel)、以及外核(exokernel)等。詳情參見操作系統(tǒng)內核。單內核結構是操作系統(tǒng)中各核心部件雜然混居的形態(tài)，該結構于1960年代(亦有1950年代初之說，尚存爭議)，歷史最長，是操作系統(tǒng)內核與外圍分離時的最初形態(tài)。微內核結構是1980年代產生出來的較新的內核結構，強調結構性部件與功能性部件的分離。20世紀末，基于微內核結構，理論界中又發(fā)展出了超微內核與外內核等多種結構。盡管自1980年代起，大部分理論研究都集中在以微內核為首的“新興”結構之上，然而，在應用領域之中，以單內核結構為基礎的操作系統(tǒng)卻一直占據著主導地位。在眾多常用操作系統(tǒng)之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等個別系統(tǒng)外，幾乎全部采用單內核結構，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows（微軟聲稱WindowsNT是基于改良的微內核架構的，盡管理論界對此存有異議）。微內核和超微內核結構主要用于研究性操作系統(tǒng)，還有一些嵌入式系統(tǒng)使用外核。基于單內核的操作系統(tǒng)通常有著較長的歷史淵源。例如，絕大部分UNIX的家族史都可上溯至I960年代。該類操作系統(tǒng)多數有著相對古老的設計和實現（例如某些UNIX中存在著大量1970年代、1980年代的代碼）。另外，往往在性能方面略優(yōu)于同一應用領域中采用其他內核結構的操作系統(tǒng)（但通常認為此種性能優(yōu)勢不能完全歸功于單內核結構）。實時與非實時“實時操作系統(tǒng)”（RealTimeOS）泛指所有據有一定實時資源調度以及通訊能力的操作系統(tǒng)。而所謂“實時”，不同語境中往往有著非常不同的意義。某些時候僅僅用作“高性能”的同義詞。但在操作系統(tǒng)理論中“實時性”所指的通常是特定操作所消耗的時間（以及空間）的上限是可預知的。比如，如果說某個操作系統(tǒng)提供實時內存分配操作，那也就是說一個內存分配操作所用時間（及空間）無論如何也不會超出操作系統(tǒng)所承諾的上限。實時性在某些領域非常重要，比如在工業(yè)控制、醫(yī)療器材、影音頻合成、以及軍事領域，實時性都是無可或缺的特性。常用實時操作系統(tǒng)有QNX、VxWorks、RTLinux等等，而Linux、多數UNIX、以及多數Windows家族成員等都屬于非實時操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)整體的實時性通常依仗內核的實時能力，但有時也可在非實時內核上建立實時操作系統(tǒng)，很多在Windows上建立的實時操作系統(tǒng)就屬于此類。在POSIX標準中專有一系用于規(guī)范實時操作系統(tǒng)的API，其中包括POSIX.4、POSIX.4a、POSIX.4b（合稱POSIX.4）以及POSIX.13等等。符合POSIX.4的操作系統(tǒng)通常被認可為實時操作系統(tǒng)（但實時操作系統(tǒng)并不需要符合POSIX.4標準）。16位、32位、64位所謂16位、32位、64位等術語有時指總線寬度，有時指指令寬度（在定長指令集中），而在操作系統(tǒng)理論中主要是指內存尋址的寬度。如果內存的尋址寬度是16位，那么每一個內存地址可以用16個二進制位來表示，也就是說可以在64KB的范圍內尋址。同樣道理32位的寬度對應4GB的尋址范圍，64位的寬度對應16Exabyte的尋址范圍。內存尋址范圍并非僅僅是對操作系統(tǒng)而言的，其他類型的軟件的設計有時也會被尋址范圍而影響。但是在操作系統(tǒng)的設計與實現中，尋址范圍卻有著更為重要的意義。在早期的16位操作系統(tǒng)中，由于64KB的尋址范圍太小，大都都采用“段”加“線性地址”的二維平面地址空間的設計。分配內存時通常需要考慮“段置換”的問題，同時，應用程序所能夠使用的地址空間也往往有比較小的上限。在32位操作系統(tǒng)中，4GB的尋址范圍對于一般應用程序來說是綽綽有余的，因而，通常使用一維的線性地址空間，而不使用“段”。.計算機操作系統(tǒng)試題22007年07月12日星期四18:01一、選擇題(選擇最確切的一個答案，將其代碼填入括號中，每空2分，共20分)1．某進程在運行過程中需要等待從磁盤上讀人數據，此時該進程的狀態(tài)是a.從就緒變?yōu)檫\行b.從運行變?yōu)榫途wc.從運行變?yōu)樽枞鹍.從阻塞變?yōu)榫途w2．可重定位內存分區(qū)分配目的為a.解決碎片問題b.便于多作業(yè)共享內存c.回收空白區(qū)方便d.擺脫用戶干預原語是a.一條機器指令b.若干條機器指令組成c.一條特定指令d.中途能打斷的指令設備i/o方式有如下三種：a.假脫機b.詢問c.聯(lián)機d.中斷e.通道f.脫機文件目錄的主要作用是a.按名存取b.提高速度c.節(jié)省空間d.提高外存利用率單機操作系統(tǒng)的共享資源是指a.內存、cpu、打印機b.內存c.cpud.打印機操作系統(tǒng)負責為方便用戶管理計算機系統(tǒng)的a.程序b.文檔資料c.資源d.進程沒有下列設備計算機無法工作a.軟盤b.硬盤c.內存d.打印機二、是非題(正確的劃丁，錯誤的劃X,20分)(V)1.進程的互斥和同步的相互制約一般不會同時發(fā)生。(V)2.多用戶操作系統(tǒng)在單一硬件終端硬件支持下仍然可以工作。(V)3，作業(yè)同步面向用戶而進程同步面向計算機內部資源管理控制。(X)4.實時操作系統(tǒng)的響應系數最小，設備利用率最低。(V)5.unix或linux操作系統(tǒng)的最大特點是分時、多用戶、多任務和倒樹型文件結構。(V)6.常用的緩沖技術是解決慢速設備與快速cpu處理之間協(xié)調工作。（V）7.死鎖是指兩個或多個進程都處于互等狀態(tài)而無法繼續(xù)工作。（V）8.多用戶操作系統(tǒng)一定是具有多道功能的操作系統(tǒng)。（V）9.一般的分時操作系統(tǒng)無法做實時控制用。（V）10.一個物理硬盤可以分成多個邏輯硬盤分區(qū)進行面向用戶文件系統(tǒng)的管理。三、填空題（40分）按資源分配，設備類型分為以下三類：獨享設備、共享設備和虛擬設備。文件的三種物理結構是順序、鏈接和索引。常用的進程調度算法有先來先服務（FCFS）、輪轉法（RR）和優(yōu)先數法。作業(yè)i/o方式有如下三種：聯(lián)機、脫機和假脫機。從用戶觀點看，unix系統(tǒng)將文件分三類：一般文件、目錄文件和特殊文件。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)提供的第一代用戶界面接口是命令行和系統(tǒng)調用。三代人機界面的發(fā)展是指：一維命令行、二維圖形和三維虛擬現實。四、問答題（20分）與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)相比，現代操作系統(tǒng)設計中采用了哪些先進技術？多用戶操作系統(tǒng)和網絡操作系統(tǒng)在共享資源方面有什么區(qū)別？什么叫操作系統(tǒng)？本課程主要講解內容（類型和功能）是什么？操作系統(tǒng)是管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源、有效的組織多道程序運行的系統(tǒng)軟件，是用戶與計算機之間的接口。試以生產者—消費者問題說明進程同步問題的實質。以一臺打印機為例，簡述spooling技術的優(yōu)點。一、 選擇題（20分，每空2分）1.c2.