第一章 計算機系統(tǒng)概述

Linux系統(tǒng)程序設計

CCGQ

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課程目標

?掌握操作系統(tǒng)的基本原理

?計算機的構架

，操作系統(tǒng)的設計原理

并行性：同步，互斥，死鎖與饑餓

e具備Linux系統(tǒng)程序的開發(fā)，調試能力

Linux編程環(huán)境，與文件10編程

'Linux下多進程，多線程編程

」信號與進程間通訊

'Linux應用程序的調試

e具備網絡編程能力

cceo

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課程結構圖

操作系統(tǒng)基本原理Linux程序設計項目實踐

1.操作系統(tǒng)的基本概1.GNU/Linux編程基礎綜合應用各章的知識

念，原理。2.Linux的系統(tǒng)接口點應用的項目實踐

2.進程，線程。3.程序調試方法

3.并行性：同步，互斥，4.多進程，多線程以及

死鎖與饑餓進程間通信

5.常見庫函數及系統(tǒng)調

用API的應用舉例

6.網絡編程基礎

（第1?3章）（第4?12章）

（第13章）

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第1章

操作系統(tǒng)概論

cceo

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預習檢查

@計算機系統(tǒng)的基本構成

,處理器，主存，10模塊，系統(tǒng)總線

o中斷的分類

?程序中斷，時鐘中斷，10中斷，硬件失效中斷

?存儲器的層次結構

?Register->cache->mainmemory->disk

?操作模式分為？

?內核模式，用戶模式

。任何資源分配和調度策略都必須考慮的三個因素

?公平性，有差別的響應，有效性

cceo

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本草目標9黯匐&

?了解計算機的基本結構與指令的執(zhí)行

?掌握中斷的概念與中斷處理

u了解cache的作用與10的通信技術

?了解操作系統(tǒng)的基本概念

?了解操作系統(tǒng)發(fā)展的歷史

?掌握操作系統(tǒng)設計中的關鍵問題

?了解操作系統(tǒng)架構

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本章結構___________________上^易嵌教育

-71二

5基本構成

-處理器寄存器

?指令的執(zhí)行

f中斷?

f存儲器的層次結構?

f高速緩沖存儲器?

-10通信技術

-操作系統(tǒng)的目標和功能I

—操作系統(tǒng)的發(fā)展____

T取得的成就|

f現代操作系統(tǒng)的特征一

CCGQfLinux操作系統(tǒng)

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1-1基本構成

&處理器(processor)

。主存儲器(mainmemory)

」易失性的

--RealmemoryORprimarymemory

&輸入輸出模塊(IOmodules)

?二級存儲設備

』通信設備

,終端

@系統(tǒng)總線(systembus)

)為處理器，主存，和輸入/輸出模塊間提供通訊的設施

cceo

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1?1處理器

@兩個內部寄存器

」存儲地址寄存器(MAR)

確定下一次讀寫的存儲器地址

-?存儲緩沖寄存器(MBR)

寫入存儲器的數據

從存儲器中讀出的數據

?IOAR

IOBR

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1?1計算機部件:頂層視圖

CPU

I/OAR=I/O地址寄存器

I/OBR=I/O緩沖寄存器

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1?2處理器寄存器

@用戶可見寄存器

，優(yōu)先使用這些寄存器，減少對主存的訪問

-?由優(yōu)化編譯器負責

」C語言的"register”關鍵字

8控制和狀態(tài)寄存器

?控制處理器的操作

，由擁有特權的操作系統(tǒng)使用，控制程序的執(zhí)行

cceo

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1?2用戶可見的寄存器

?有處理器執(zhí)行的機器語言來引用

?對所有的程序都是可用的

?系統(tǒng)程序

，應用程序

。寄存器的類型

?數據寄存器

.，地址寄存器

索引(index)

段指針(segmentpointer)

棧指針(stackpointer)

cceo

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1?2用戶可見的寄存器

@地址寄存器

?索引

通過一個基值加上一個索引值來獲得有效地址

?段指針

主存被劃分成段

段的基地址+offset

?棧指針

指向棧的頂部

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1?2用戶可見的寄存器

?控制和狀態(tài)寄存器

」程序計數器

包含將取指令的地址

」指令存儲器

包含最近取得指令內容

?程序狀態(tài)字

?條件碼

?有處理器硬件設置(如，算數運算結果)

中斷的開關(Enable/Disable)

管理/用戶模式開關

其他

cceo

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1-3指令的執(zhí)行

@兩個步驟

，處理器從存儲器讀一條指令

fetches

J處理器執(zhí)行指令

excute

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1?3指令周期

取指階段執(zhí)行階段

CCGQ

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1-3取指令和執(zhí)行指令&

從存儲器中取一條指令

程序計數器(PC)保存下一次要取的指令地址

處理器每次取完指令后，者B遞增PC

cceo

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1?3指令寄存器

?取到的指令放置的位置

?動作分為四類

?處理器-存儲器

在存儲器和處理器之間傳遞數據

?處理器-io

處理器和I0模塊間傳遞數據

,數據處理

數據的算術操作和邏輯操作

?控制

改變執(zhí)行順序

CCGQ

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1?3理想計算機的特征

03415

地址

(a)指令格式

0115

數值

(b)整數格式

程序計數器(PC)=指令地址

指令寄存器(IR)=正在執(zhí)行的命令

累加器(AC)=臨時存儲體

(C)內部CPU寄存器

001=從存儲器中加載AC

0010=把AC的內容存儲到存儲器中

0101=從存儲器中加到AC中

(d)部分操作碼列表

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1?3程序執(zhí)行的例子9例1

取指階段執(zhí)行階段

存儲器CPU寄存器存儲器CPU寄存器

30019403O0|PC30019403O1|PC

3015941AC30159410003AC

30229411940IR30229411940IR

94000039400003

94100029410002

Step1Step2

存儲器CPU寄存器存儲器CPU寄存器

3001940301|PC30019403O2|PC

30159410003AC30159410005AC

z

30229415941IR30229415941V

94000039400003+2=5-J

94100029410002

Step3Ste]34

存儲器CPU寄存器存儲器CPU寄存器

30019403O2|PC30019403O3|PC

30159410005AC30159410005AC

3022941?2941IR30229412941IR

J

94000039400003

94100029410005

Step5StejD6

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1?3直接內存訪問(DMA)O腎鬻厝

?I0模塊直接和內存發(fā)生數據交換

?處理器允許I0模塊具有從存儲器中讀和往存儲器寫的

特權

?減輕處理器的負擔

cceo

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階段總結9黯匐詈

@計算機的基本構成，處理器，主存，10模塊，系統(tǒng)總

線。

&處理器的內部寄存器，有些是用戶可見的，有些是不

可見的，控制或狀態(tài)寄存器

?指令的執(zhí)行，分為取指令，執(zhí)行指令階段

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1?4中斷______________________________________9ts耀

?中斷處理器正常處理過程的機制

?多數的I0設備都比處理器慢的多

」處理器必須停止以等待設備

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CCGQ

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1?4無中斷時程序的控制流

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1-4中斷:短時間的IO等待

User

Program

?

WRTTIE

cceo(t>)Interrupts;shortI/Owuil

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1-4中斷:長時間的IO等待

UserUO

ProgramProarain

①

WRITE

WRITE

WRITK

cceo(c)Interrupts;longI/Owait

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1-4中斷處理程序

?服務于特定I0設備的程序

@一般是，操作系統(tǒng)的一部分

CCGQ

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1?4中斷

?掛起正常的執(zhí)行序列

中斷處理器

用戶程序

1

2

在這里

發(fā)生中斷z+1

CCGM

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1-4中斷周期

取指階段執(zhí)行階段中斷階段

不允許中斷

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1-4中斷周期

?處理器檢查中斷信號

」無中斷發(fā)生：

取當前程序的下一條指令

有中斷發(fā)生：

掛起當前程序的執(zhí)行

轉而執(zhí)行中斷處理例程

CCGQ

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1/0操作

處理器等待I/O操作

(b)有中斷(帶圓圈的數字

③圖1.5(b)中的數字)

(a)無中斷(帶圓圈的數字

CCGQ指圖1.5(a)中的數字)

大學佳嵌入式盛罌■

1?4程序時序:長時間的I0等待

時間

①

I/O操作②

I/O操作

處理器等待

⑤

②

③

處理器等待I/O操作I/O操作

處理器等待

⑤

③(b)有中斷(帶圓圈的數字:

圖1.5(b)中的數字)

cceo(a)無中斷(帶圓圈的數字

大學佳嵌入式盛罌指圖L5(a)中的數字)

1?4簡單中斷處理

硬件

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1?4中斷時存儲器和寄存器的改變__________9腎鬻,

T-M

N+I

控制線

/.+i]

程序計數器

Y中斷

服務通用寄存器

例程

Y+L返回\T-

棧指針

處理器

N

N+1用戶程序

主存儲器主存儲器

(a)在存儲單元N中的指令之后發(fā)生中斷(b)從中斷返回

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1?4多道程序設計O腎鬻厝

@處理器由多個程序要執(zhí)行

。執(zhí)行順序取決于他們的相對優(yōu)先級和他們是否在等待

I0

&一旦中斷處理完成，控制可能并不立即返回給這個用

戶程序

cceo

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1?5存儲器的層次結構

?存取速度越快，每位(Nt)的價格就越高

?容量越大，每位(b讓)的價格就越低

」容量越大，存取速度就越慢

cceo

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1?5存儲器的層次結構

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1?5有頂向下看詈

?每位的價格遞減

?容量增大

@存取時間遞增

。處理器訪問存儲器的頻率遞減

」局部性原理

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1?5局部性原理為什么有效?

?處理器的指令存儲訪問和數據存儲訪問呈現簇狀

」迭代循環(huán)

」子程序

?表和數據的操作

。在較短的時間內，處理器訪問存儲器中固定的簇

。大多數存儲訪問是對第一級存儲器中的指令和數據的

訪問

cceo

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1?5二級存儲器_______________________________9ts罐

@永久的，外部的

?存儲程序和數據文件(files,records)

CCGQ

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1?5磁盤高速緩沖存儲器

@主存儲器的一部分

?用于臨時保存從磁盤中讀出數據

@磁盤成簇寫

。從磁盤緩沖區(qū)讀數據，而不是從磁盤讀回

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1?6高速緩沖存儲器

?對操作系統(tǒng)不可見的

?提高內存的訪問速度

?處理器的速度遠比內存的速度快

?利用局部性原理

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1?6高速緩沖存儲器

cceo

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e包含內存某部分的內容的拷貝

?處理器首先檢查cache

-?如果存在(cachehit)

從cache傳遞給處理器

-?如果不存在cache中(cachemiss):

固定數據字節(jié)的數據

先讀入cache

然后從cache傳遞給處理器

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1-6cache/memory系統(tǒng)

存儲器地址

2〃

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1?6讀cache操作

開始

RA:讀地址

從CPU接收地址RA

包含RA的塊在高速訪問主存儲器

緩沖存儲器中嗎？中包含RA的塊

Yes

取RA中的字為主存儲器中的塊分

并傳遞給CPU配高速緩沖存儲器槽

為主存儲器中的塊載把RA中的字

入高速緩沖存儲器槽傳遞給CPU

大學佳我入土”一

1-6Cache的設計

@Cache的大小

)適當小的cache可以對性能產生顯著的影響

3塊大小(linesize)

」Cache與memory的數據交換單位

由小變大時，由局部性原理，命中率增加

，變得更大時，新近取得數據被用到的可能性，小于那些必須被移出

cache的數據再次用到的可能性，命中率開始降低。

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1-6Cache的設計

@映射函數

）決定讀入塊的數據將占據cache的那個單元

@替換策略

，決定誰被替換出去

，LRU（最近最少）使用算法

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1-6Cache的設計

?寫策略

-1何時memorywrite發(fā)生

」每當塊被更新后

Writethrough

」每當塊被替換時

Writeback

優(yōu)點：

?減少了存儲器械操作的次數

,缺點：

?主存中的數據處于過時狀態(tài)

?在多處理器或DMA操作中會引起麻煩

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1-7可編程IO9黯匐

。IO模塊執(zhí)行操作，不是處理器

。設置IO狀態(tài)寄存器中相應的位

g不采用中斷處理

g處理器要定期檢查IO模塊的狀態(tài)

cceo

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17中斷驅動的109黯匐

IssueReadPUTI/O

commandtoDosomething

0當10模塊準備交換數據是給處理I/Omodule一"?else

器發(fā)送中斷

Readstatus--Interrupt

ofl/O

&處理器保存執(zhí)行程序的上下文,module/OTCPU

專而執(zhí)行中斷處理程序

CheckError

e沒有等待statuscondition

Ready

?消耗處理器的時間，因為每一個Readword

fromI/O/OCPU

數據的讀寫都是由處理器來完成Module

Writeword

PU—*memory

intomemory

No

Done?

Yes

Nextinstruction

cceo<b)Interrupt-drivenI/O

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1-7DMA

@大量移動數據

?當數據完成后，產生中斷

?處理器只在開始結束時參與

」開始

?請求讀/寫

io設備的地址

開始讀寫的存儲單元

讀寫的數據大小

?結束

中斷處理例程

CCGQ

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1-7DMA

(a)程序控制I/O(b)中斷驅動I/O

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Z介紹了中斷處理的流程，以及中斷是多道程序設計的

關鍵。

2存儲器的層次結構和高速緩沖，高速緩沖是利用了局

部性原理。

Z10通信技術，分為可編程10,中斷驅動的10,以及DMA

操作。

cceo

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階段練習

?1

?2

?3

cceo

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2?1操作系統(tǒng)的概念C腎鬻厝

?控制應用程序執(zhí)行的程序

?應用程序和系統(tǒng)硬件之間的接口

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2-1操作系統(tǒng)的目標

@方便

」是計算機更易于使用

@有效

更有效的利用計算機資源

g擴展的能力

，不影響服務的情況下:有效的開發(fā)，測試和引入新的系統(tǒng)功能

cceo

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2?1計算機系統(tǒng)的層次視圖

2?1操作系統(tǒng)提供的服務9懿f

@程序開發(fā)

，編輯器和調試器

e程序執(zhí)行

&I0設備訪問

3文件訪問控制

U系統(tǒng)訪問

CCGQ

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2?1操作系統(tǒng)提供的服務

@錯誤檢測和響應

）內部或外部的硬件錯誤

?存儲器錯誤

.設備故障

，軟件錯誤

?算術溢出

試圖訪問被禁止的存儲器單元

，操作系統(tǒng)無法確認應用程序的請求

CCGQ

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2?1操作系統(tǒng)提供的服務

@審計

，收集各種資源的統(tǒng)計值

?監(jiān)控性能

」預測對將來功能的需求

」可用于記賬

CCGQ

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2?1操作系統(tǒng)

@作為資源管理器

?操作系統(tǒng)與普通的計算機軟件相同

?由處理器執(zhí)行的一段和一組程序

。操作系統(tǒng)經常釋放控制，并且必須依賴于處理器才能

恢復控制

cceo

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2?1操作系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)

存儲器I/O設備

打印

I/O控制器0

操作系照相

統(tǒng)軟件

-O

I/O控制器

?

?

程序和數據?

I/O控制器

/\

處理器???處理器

大學

2?1內核(kernel)

?操作系統(tǒng)中常駐內存的部分

。包含操作系統(tǒng)最常用的功能

?也稱為nucleus

cceo

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2?2操作系統(tǒng)的發(fā)展

?硬件的升級和新硬件的出現

?新的服務的需求

@糾正錯誤

CCGQ

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2?2操作系統(tǒng)的發(fā)展

@串行處理

）沒有操作系統(tǒng)

，在控制臺上執(zhí)行

顯示燈

觸發(fā)器

?輸入設備

?打印機

?調度時間

?準備時間

加載編譯程序，源程序

保存編譯好的程序

加載目標程序和公用函數連接

CCGQ

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2?2簡單批處理系統(tǒng)

g監(jiān)控程序

」控制事件的順序

，把控制權交給作業(yè)

.，作業(yè)完成后將控制權返回給監(jiān)控程序

CCGQ

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2?2作業(yè)控制語言（JCL）

?特殊的程序設計語言

?為監(jiān)控程序提供指令

，使用什么編譯器

，使用什么數據

CCGQ

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2?2硬件的特性

@內存保護

」不能改變監(jiān)控程序的內存區(qū)域

@定時器

.?防止一個作業(yè)獨占系統(tǒng)

。特權指令

/某些機器級指令只能由監(jiān)控程序執(zhí)行

?中斷

』早期的計算機模型沒有這項能力

cceo

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2?2操作模式

?用戶程序執(zhí)行在用戶模式

」某些區(qū)域是受保護的

）特權指令不允許執(zhí)行

觸監(jiān)控程序運行在系統(tǒng)模式

?內核模式

,可以訪問受保護區(qū)域

，執(zhí)行特權指令

CCGQ

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2?2系統(tǒng)利用率實例______________________9腎鬻,

從文件中讀一條記錄

執(zhí)行100條指令

往文件中寫一條記錄

總計

CPU利用率=—=0.032=3.2%

31

cceo

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2?2單道程序設計

?處理器必須等待10指令完成

ProgramARunWaitRunWait

Time.

(H)Uniprogramming

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2?2多道程序設計&

@當一個任務需要等待10,處理器可以切換到另一個任

務執(zhí)行

ProgramARunWaitRunWait

ProgramBWaitRunWaitRunWart

RunRunRunRun

CombinedWailWait

ABAB

Time.

(h)MuIGprogrammingwithtwoprograms

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2?2多道程序設計

(c)Multiprogrammingwitlithreeprograms

cceo

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2?2多道程序設計

OB3

J0B1J0B2

作業(yè)類型大量計算大量I/O

持續(xù)時間5分鐘15分鐘

需要的內存50MB100MB

75是MB

是否需要磁盤

否否否

是否需要終端否是是

是否需要打印機否否

CCGQ

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2?2多道程序設計

CPUCPU

存儲器存儲器

磁盤磁盤

A472山終端

打印機

作業(yè)歷

史記錄作業(yè)歷

史記錄

分鐘*

分鐘

(a)單道程序設計(b)多道程序設計

2?2引入問題

@內存管理

，多個程序保存在主存器中

。調度算法

j處理器決定執(zhí)行哪一個程序

cceo

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2?2分時系統(tǒng)

?利用多道程序設計處理多個交互式工作

?多個用分享處理器時間

?多個用戶同時通過終端訪問系統(tǒng)

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2-2CTSS系統(tǒng)詈

?MIT開發(fā)的第一個分時系統(tǒng)

2?3取得的成就

@進程

?內存管理

?信息保護和安全

。調度與資源管理

@系統(tǒng)結構

CCGQ

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@一個正在執(zhí)行的程序

?計算機中正在運行程序的實例

@可以分配給處理器并由處理器執(zhí)行的一個實體

8單一的順序的執(zhí)行線索，一個當前狀態(tài)和一組相關的

系統(tǒng)資源所描述的活動單元

cceo

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主存儲器處理器寄存器

進程索引IiI

程序計數器【

進程表基址寄存器

界限寄存器

其他寄存器

上下文

進程數據

A

程序

（代碼）

上下文

進程數據

程序

（代碼）

cceo

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2?3內存管理

@進程隔離

?自動分配和管理

?支持模塊化的程序設計

?保護和訪問控制

?長期存儲

CCGQ

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2?3虛擬內存詈

?允許程序員從邏輯的觀點來進行訪問存儲器

?滿足由多個作業(yè)同時駐留在內存中的要求

。當一個進程被寫到輔助存儲器中并且后繼進程被讀入

時，在連續(xù)的進程執(zhí)行之間不會脫節(jié)

cceo

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2?3分頁

@進程有許多固定大小的塊組成，這些塊成為頁

?虛擬地址由頁號(pagenumber)和頁中偏移量(offset)做

成

。每一頁可以放在內存的任意地方

觸分頁系統(tǒng)提供了虛地址和貯存中實地址(物理地址)的動

態(tài)映射。

?缺頁

)消除了進程全部載入內存中

」按需調頁

cceo

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2?3虛存

A.1

A.0A.2

A.5

B.0B.1B.2B.3

A.7

A.9

A.8

主存

B.5B.6

主存磁盤

主存包含許多長度固定的幀，其輔存（磁盤）可以保存許多長度固

長度與頁的大小相等.對一個要定的頁.一個用戶程序由很多頁

執(zhí)行的程序.它的一些頁或所有

頁必須在主存中組成.所有程序連同操作系統(tǒng)的

cceo頁都以文件的形式保存在磁盤中

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2?3虛存尋址詈

cceo

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2?3信息保護和安全

?可用性

J保護系統(tǒng)不被打斷

@保密性

）保證用戶不能讀到未授權訪問的數據

?數據完整性

）保證數據不被未授權修改

8認證

）涉及用戶身份的正確認證和消息或數據的合法性

cceo

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2?3調度和資源管理

@公平性

，給與相等或公平的機會訪問資源

3有差別的響應性

-?區(qū)分有不同服務要求的不同作業(yè)類

）滿足所有要求的分配和調度決策，并動態(tài)的調整

。有效性

」最大的吞吐量

」最小的響應時間

」容納可能多的用戶

cceo

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2?3操作系統(tǒng)的主要組件

來自進程的

服務調用

進程中斷

I/O中斷

短期調度器

（代碼）