第一章操作系統(tǒng)引論考研輔導

操作系統(tǒng)燕孝飛2011-02概述本課程共34學時。理論課主要內容：引論進程管理調度與死鎖存儲器管理文件管理設備管理教材及參考資料教材：湯子瀛等，《計算機操作系統(tǒng)》（修訂版），西安電子科技大學出版社參考書：范輝謝青松，操作系統(tǒng)原理與實訓教程，高等教育出版社孟慶昌，操作系統(tǒng)，中央廣播電視大學出版社杜松等，出現(xiàn)頻率最高的100種典型題型精解精煉清華大學出版社恩波翔高，2012計算機學科專業(yè)基礎綜合復習指南，復旦大學出版社幾點要求充分認識到操作系統(tǒng)的重要性。復習過程中的三種境界：加強理解，能夠用自己的語言描述出相關知識和原理。用專業(yè)術語描述相關原理。熟練運用相關知識進行解題。

第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論

1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結構設計

1.1操作系統(tǒng)的目標和作用

1.計算機系統(tǒng)的組成

硬件系統(tǒng)（裸機）：CPU、存儲器（主存、輔存）、I/O、I/O控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)：系統(tǒng)軟件、應用軟件系統(tǒng)軟件：管理計算機本身的操作。如操作系統(tǒng)、編譯….

應用軟件：提供給用戶進行解題。如，科學計算、事物管理2.計算機系統(tǒng)的層次結構

圖1.1計算機系統(tǒng)的層次結構3.操作系統(tǒng)的目標

目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標各有所側重。通常在計算機硬件上配置的OS，其目標有以下幾點：

1.方便性

2.有效性

3.可擴充性

4.開放性4.操作系統(tǒng)的地位

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成操作系統(tǒng)在硬件基礎上的第一層軟件是其他軟件和硬件之間的接口5.操作系統(tǒng)的作用

OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者

OS用作擴充機器6.推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力

不斷提高計算機資源利用率方便用戶器件的不斷更新?lián)Q代計算機體系結構的不斷發(fā)展1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式

從第一臺計算機誕生(1946年)到50年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)OS。計算機操作是由用戶采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統(tǒng)，即由程序員將事先已穿孔(對應于程序和數(shù)據(jù))的紙帶(或卡片)裝入紙帶輸入機(或卡片輸入機)，再啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，然后啟動計算機運行。當程序運行完畢并取走計算結果后，才讓下一個用戶上機。2.人工操作方式的特點特點:用戶獨占全機CPU等待人工操作缺點:計算機的有效機時嚴重浪費效率低3.脫機輸入/輸出方式

在采用脫機輸入輸出方式時，程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出都是在外圍計算機的控制下完成的，即它們是脫離主機進行的，故稱之為脫機輸入輸出操作。脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下：（1）減少了CPU的空閑時間。（2)提高I/O速度。圖1-2脫機I/O示意圖1.2.2單道批處理系統(tǒng)

單道批處理系統(tǒng)的處理過程

批處理是指計算機系統(tǒng)對一批作業(yè)自動進行處理的一種技術。單道批處理在內存中僅有一道作業(yè)。圖1-3單道批處理系統(tǒng)的處理流程2.單道批處理系統(tǒng)的特征

單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴格地說，它只能算作是OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的OS。該系統(tǒng)的主要特征如下：

(1)自動性

(2)順序性

(3)單道性1.2.3多道批處理系統(tǒng)

1.多道程序設計的基本概念在計算機內存中同時存放若干道已開始運行尚未結束的程序，它們交替運行，共享系統(tǒng)中的各種硬、軟件資源，從而使處理機得到充分利用。在該系統(tǒng)中，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為“后備隊列”；然后，由作業(yè)調度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調入內存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。圖1-6單道和多道程序運行情況2.多道批處理系統(tǒng)的特點

多道性：多道指內存中可同時駐留多道程序，某個時刻，某個作業(yè)占用CPU，若由于某種原因暫時不用CPU則系統(tǒng)讓第二個作業(yè)占用CPU。無序性多個作業(yè)完成的先后順序與它們進入內存的順序之間，并無嚴格的對應關系。調度性3.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：(1)資源利用率高；(2)系統(tǒng)吞吐量大；缺點：(1)平均周轉時間長；(2)無交互能力。適合大型科學計算、數(shù)據(jù)處理。

5.操作系統(tǒng)的定義

操作系統(tǒng)（OperatingSystem，簡稱OS）是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各類作業(yè)進行調度，以及方便用戶使用的程序的集合。它能以盡量有效、合理的方式組織和管理計算機的軟硬件資源，合理的組織計算機的工作流程，控制程序的執(zhí)行并向用戶提供各種服務功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效的使用計算機，使整個計算機系統(tǒng)能高效地運行。它是系統(tǒng)軟件的核心，是計算機處理時必不可少的非常重要的軟件。1.2.4分時系統(tǒng)

1.分時系統(tǒng)(Time-SharingSystem)的產(chǎn)生分時系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)人—機交互

(2)共享主機

(3)便于用戶上機主機終端圖1-7分時系統(tǒng)示意圖2.分時系統(tǒng)的思想采用時間片輪的方法，同時為許多終端用戶服務，對每個用戶能保證足夠快的響應時間，并提供交互會話的功能。時間片：將CPU的時間劃分成若干個片段,稱為時間片，操作系統(tǒng)以時間片為單位,輪流為每個終端用戶服務設計目標：對用戶的請求及時響應，并在可能條件下盡量提高系統(tǒng)資源的利用率。適合辦公自動化、教學及事務處理等要求人機會話的場合。3.分時操作系統(tǒng)工作方式

一臺主機連接了若干個終端,每個終端有一個用戶在使用,交互式的向系統(tǒng)提出命令請求。系統(tǒng)接受每個用戶的命令,采用時間片輪轉方式處理服務請求,并通過交互方式在終端上向用戶顯示結果,用戶根據(jù)上步結果發(fā)出下道命令4.分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題

為實現(xiàn)分時系統(tǒng)，其中，最關鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進行交互，即當用戶在自己的終端上鍵入命令時，系統(tǒng)應能及時接收并及時處理該命令，再將結果返回給用戶。此后，用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令，此即人—機交互。即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應能全部地及時接收并處理:(1)及時接收。

(2)及時處理。

5.分時操作系統(tǒng)特點多路性交互性獨立性及時性同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上：是多個人同時使用一個CPU微觀上：多個人在不同時刻輪流使用CPU用戶根據(jù)系統(tǒng)響應結果進一步提出新請求(用戶直接干預每一步)用戶感覺不到計算機為其他人服務（OS提供虛機器，各個用戶的虛機器互不干擾）系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應

6.影響響應時間的因素

終端數(shù)目多少調度算法（時間片的選?。┬畔⒔粨Q量和信息交換速度機器處理能力請求服務的時間長短及服務請求的分布

1.2.5實時系統(tǒng)

“實時”，是表示“及時”，而實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行。特點：及時性要求高，系統(tǒng)可靠性高。

1.實時操作系統(tǒng)的分類實時控制系統(tǒng)：通常是指以計算機為中心的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，又稱計算機控制系統(tǒng)。如：鋼鐵冶煉和鋼板軋制的自動控制、煉油、化工生產(chǎn)過程的自動控制,軍事控制等。實時信息處理系統(tǒng)：計算機及時接收從遠程終端發(fā)來的服務請求，根據(jù)用戶提出的問題對信息進行檢索和處理，并在很短時間內對用戶做出正確回答。例如：銀行，機票訂購系統(tǒng)、股市行情實時信息處理系統(tǒng)等。2.實時操作系統(tǒng)主要追求目標對外部請求在嚴格時間范圍內作出反應高可靠性安全性完整性實時系統(tǒng)必須和先進的技術裝備相結合（1）多路性（2）獨立性（3）及時性（4）交互性（5）可靠性3.實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較

1.2.6操作系統(tǒng)的發(fā)展

操作系統(tǒng)（包括其前身）成為獨立的程序，已有40年的歷史，它經(jīng)過60和70年代的大發(fā)展時期，到80年代雖已趨于成熟，但它仍繼續(xù)沿著兩個方向繼續(xù)向前發(fā)展，一個是隨著計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展，形成多處理機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)；另一個則是把操作系統(tǒng)應用于微機，形成微機操作系統(tǒng)。

1.多處理機操作系統(tǒng)

在1975年前后，打破了以單處理機體系結構為主的局面，形成了由多臺處理機通過互連網(wǎng)絡連接在一起的計算機系統(tǒng)。近年來所推出的大、中、小型機，大多數(shù)都在采用多處理機體系結構，甚至在高檔微機中也出現(xiàn)了這種趨勢。

多處理機結構

緊密耦合(TightlyCoupled)多處理機結構松散耦合(LooselyCoupled)多處理機結構

多處理機類型

主－從式獨立管理程序系統(tǒng)浮動式管理程序控制方式2.嵌入式操作系統(tǒng)1)什么是嵌入式系統(tǒng)：在各種設備、裝置或系統(tǒng)中，完成特定功能的軟硬件系統(tǒng)它們是一個大設備、裝置或系統(tǒng)中的一部分，這個大設備、裝置或系統(tǒng)可以不是“計算機”通常工作在反應式或對處理時間有較嚴格要求環(huán)境中由于它們被嵌入在各種設備、裝置或系統(tǒng)中，因此稱為嵌入式系統(tǒng)2）嵌入式系統(tǒng)軟件：用于提供系統(tǒng)所需的功能和靈活性硬件=（處理器、ASIC、存儲器…）用于提供所需的性能以及部分安全機制專用門陣列模擬I/O處理器核存儲器3)嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中的OS，稱為嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)，是運行在嵌入式智能芯片環(huán)境中，對整個智能芯片以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進行統(tǒng)一協(xié)調、調度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。4）典型嵌入式操作系統(tǒng)的特性

完成某一項或有限項功能；不是通用型的在性能和實時性方面有嚴格的限制能源、成本和可靠性通常是影響設計的重要因素占有資源少、易于連接系統(tǒng)功能可針對需求進行裁剪、調整和生成以便滿足最終產(chǎn)品的設計要求5）嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

通常配有源碼級可配置的系統(tǒng)模塊設計豐富的同步原語可選擇的調度算法可選擇內存分配策略定時器與計數(shù)器多方式中斷處理支持多種異常處理選擇多種通信方式支持標準Ｃ語言庫數(shù)學運算庫和開放式應用程序接口并發(fā)性（Concurrence）共享性（Sharing）虛擬性（Virtual）異步性（Asynchronism）1.3操作系統(tǒng)的基本特性

操作系統(tǒng)的基本特性1.并發(fā)性并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生。(與并發(fā)相似，但多指硬件支持）程序的并發(fā)執(zhí)行，有效地改善了系統(tǒng)資源的利用率和提高了系統(tǒng)的吞吐量，但它使系統(tǒng)復雜化，操作系統(tǒng)必須具有控制和管理各種并發(fā)活動的能力。

2.共享性

操作系統(tǒng)中與多個用戶的程序共同使用計算機系統(tǒng)中的資源所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內存中多個并發(fā)執(zhí)行進程共同使用。并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個最基本的特征，這兩者之間又是互為存在條件的。資源共享是以程序的并發(fā)為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題。若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效的管理，也必將影響到程序的并發(fā)執(zhí)行，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。

3.虛擬性

在操作系統(tǒng)中，所謂虛擬，是指把一個物理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。物理實體(前者)是實的，而后者是虛的，相應地，用于實現(xiàn)虛擬的技術，稱為虛擬技術。在OS中利用了多種虛擬技術，分別用來實現(xiàn)虛擬處理機、虛擬內存、虛擬外部設備和虛擬信道等。

4.異步性(Asynchronism)

在多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，但由于競爭資源等因素的限制，使進程的執(zhí)行不是“一氣呵成，而是以“走走停停”的方式運行。1.4操作系統(tǒng)的主要功能從資源管理觀點看，操作系統(tǒng)具有五大功能：處理機管理存儲器管理設備管理文件管理用戶接口

1.處理機管理

主要任務：是對處理機的分配和運行實施有效管理。對處理機管理，可歸結為對進程的管理。

進程管理的主要功能

進程控制：當用戶作業(yè)要運行時，應為之建立一個或多個進程，并為它分配除處理機以外的所有資源，將它放入進程就緒隊列。當進程運行完成時，立即撤消該進程，以便及時釋放其所占有的資源。進程控制的基本功能就是創(chuàng)建和撤消進程以及控制進程的狀態(tài)轉換。進程同步：所謂進程同步是指系統(tǒng)對并發(fā)執(zhí)行的進程進行協(xié)調。最基本的進程同步方式是使諸進程以互斥方式訪問臨界資源。

進程管理的主要功能（續(xù)）

此外，對于彼此相互合作、去完成共同任務的諸進程，則應由系統(tǒng)對它們的運行速度加以協(xié)調。進程通信：對于相互合作的進程，在它們運行時，相互之間往往要交換一定的信息，這種進程間所進行的信息交換稱為進程通信。進程調度：當一個正在執(zhí)行的進程已經(jīng)完成，或因某事件而無法繼續(xù)執(zhí)行時，系統(tǒng)應進行進程調度，重新分配處理機。進程調度是指按一定算法，如最高優(yōu)先算法，從進程就緒隊列中選出一進程，把處理機分配給它，為該進程設置運行現(xiàn)場，并使之投入運行。2.存儲器管理存儲器管理的主要任務:為多道程序的并發(fā)運行提供良好環(huán)境；便于用戶使用存儲器；提高存儲器的利用率；為盡量多的用戶提供足夠大的存儲空間。存儲器管理的功能內存分配：多道程序能并發(fā)執(zhí)行的首要條件是，各道程序都有自己的內存空間，因此，為每道程序分配內存是存儲器管理的最基本功能。內存保護：為保證各道程序都能在自己的內存空間運行而互不干擾，要求每道程序在執(zhí)行時能隨時檢查對內存的所有訪問是否合法。必須防止因一道程序的錯誤而擾亂了其它程序，尤其應防止用戶程序侵犯操作系統(tǒng)的內存區(qū)。

存儲器管理的功能（續(xù)）

地址映射：在多道程序的系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)必須提供把程序地址空間中的邏輯地址轉換為內存空間對應的物理地址的功能。地址映射功能可使用戶不必過問物理存儲空間的分配細節(jié)，從而為用戶編程提供了方便。內存擴充：由于物理內存的大小可能限制了大型作業(yè)或多個作業(yè)的并發(fā)執(zhí)行，為了滿足用戶的要求并改善系統(tǒng)性能，必須對內存加以擴充。但我們無須去真正地增加內存空間，而只須借助于虛擬存貯技術，便可獲得這樣地效果，使系統(tǒng)能運行內存要求量遠比物理內存大得多得作業(yè)，或讓更多得作業(yè)并發(fā)執(zhí)行。

3.設備管理

1)設備管理的主要任務:為用戶程序分配I/O設備；完成用戶程序請求的I/O操作；提高CPU和I/O設備的利用率；改善人機界面。

2)設備管理程序應具有的功能

緩沖管理：幾乎所有的外圍設備于處理機交換信息時，都要利用緩沖來緩和CPU和I/O設備間速度不匹配的矛盾，和提高CPU與設備、設備與設備間操作的并行程度，以提高CPU和I/O設備的利用率。設備分配：系統(tǒng)根據(jù)用戶所請求的設備類型和所采用的分配算法對設備進行分配，并將未獲得所需設備的進程放進相應設備的等待隊列。

設備處理：啟動指定的I/O設備，完成用戶規(guī)定的I/O操作，并對由設備發(fā)來的中斷請求進行及時響應，根據(jù)中斷類型進行相應的處理。虛擬設備功能：通常，把一次僅允許一個進程使用的設備稱為獨占設備。系統(tǒng)可通過某種技術使該設備成為能被多個用戶共享的設備，以提高設備利用率及加速程序的執(zhí)行過程?？墒姑總€用戶都感覺到自己在獨占該設備。

4.文件管理

文件存儲空間的管理目錄管理文件讀、寫管理文件保護向用戶提供接口

5.用戶接口

操作系統(tǒng)中有三種接口：命令接口、程序接口、圖形接口。1）命令接口：聯(lián)機用戶接口、脫機用戶接口2）程序接口3）圖形接口1.5操作系統(tǒng)的結構設計

1.5.1軟件工程的基本概念

無結構OS模塊化OS結構分層式OS結構1.5.2傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結構在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時，設計者只是把他的注意力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設計思想。這種OS是無結構的。主要是編制緊湊程序，便于利用內存，對