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引言 課程學(xué)習(xí)方法：以問題驅(qū)動學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實際 課程學(xué)習(xí)難點：概念、原理、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 是所有操作系統(tǒng)的一個抽象 Operating System Internals and Design principles,William Stallings,TsingHua University Press Applied Operating System Concepts,Abraham Silberschatz etc.,Higer Education Press 計算機操作系統(tǒng)，湯子瀛etc.,西安電子科技大學(xué)出版社（第三版） 第一章操作系統(tǒng)概述 第二章進程管理 第三章存儲管理 第四章外部設(shè)備管理 第五章文件管理 第一章操作系統(tǒng)概述 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：了解操作系統(tǒng)的地位。 什么是操作系統(tǒng)：四種基本觀點 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征、功能、類型。 基本概念：批處理、多道程序設(shè)計、作業(yè)、任務(wù)、進程與線程、接口、虛擬存儲、文件 觀點之一 用戶接口 用戶命令：指計算機用戶要求計算機系統(tǒng)為其工作的指示。 命令的表示形式： （1）字符形式：較靈活但因繁瑣而難記 （2）菜單形式(下拉菜單等) （3）圖形形式：因直觀而易記但不靈活 命令的使用方式： 1脫機使用方式（不用處理機控制的方式） 2聯(lián)機使用方式 關(guān)于現(xiàn)代OS的四種基本觀點之二 虛擬機器觀點 該觀點認為，操作系統(tǒng)式建立在計算機硬件按平臺上的虛擬機器，它為應(yīng)用軟件提供了許多比計算機硬件功能更強或計算機硬件所沒有的功能。 操作系統(tǒng)在虛擬機中充當(dāng)管理員和協(xié)調(diào)員的角色，管理計算機的軟硬件資源，并協(xié)調(diào)多任務(wù)、多進程的運行。 擴充：功能、計算機數(shù)量 基本觀點之三 該觀點認為，操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中各類資源的管理者，它負責(zé)分配、回收以及控制系統(tǒng)中的各類軟硬件資源。 跟蹤資源的使用狀況、滿足資源請求、提高資源利用率，以及協(xié)調(diào)個程序和用戶對資源的使用沖突。 監(jiān)視資源 分配/回收資源 保護資源 觀點之四 該觀點認為，操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)工作流程的組織者，它負責(zé)協(xié)調(diào)在系統(tǒng)中運行的各個應(yīng)用軟件的運行次序。 用于巨型機和大型服務(wù)器上，以批文件方式提交作業(yè)，請求主機逐個運行。 主機操作系統(tǒng)負責(zé)組織、協(xié)調(diào)各個作業(yè)的運行，報告執(zhí)行結(jié)果或錯誤信息。 減少了人工干預(yù)，提高了系統(tǒng)的效率。這種工作方式有利于有效利用造價高且性能強大的主機資源。 操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，管理和控制計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，合理的組織計算機的工作流程，以便有效利用這些資源為用戶提供一個功能強、使用方便的工作環(huán)境，從而在計算機與用戶之間起到接口的作用。 1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 50年代中期，第一個簡單批處理操作系統(tǒng)。 60年代中期，多道程序批處理系統(tǒng) 不久，分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng) 80年代，微機及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 推動操作系統(tǒng)發(fā)展的因素？ 1計算機硬件升級和信硬件的出現(xiàn) 2提供新的服務(wù)，方便使用 3提高計算機資源利用效率 4更正軟件錯誤 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：單處理機系統(tǒng)、多處理機系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò) 具體歷程 手工操作時期，沒有操作系統(tǒng) 早期的電子數(shù)字計算機是由成千上萬個電子管組成 操作和編程完全由手工進行，且編程只能用機器語言（二進制代碼） 程序員同時也是在上機期間獨占整臺計算機及其他相關(guān)設(shè)備，效率非常低。 單道批處理系統(tǒng)，早期操作系統(tǒng) 程序員首先將命令、程序和數(shù)據(jù)用匯編語言或FORTRAN語言寫在紙上，然后用穿孔機職稱卡片，最后將這些卡片交給操作員。 批處理程序（又稱為監(jiān)督程序，或管理程序），管理應(yīng)用程序的運行。 操作步驟： 1. 2. 3. 4. 單道批處理系統(tǒng)：評價 解決了作業(yè)間的自動轉(zhuǎn)接問題，減少了機器時間的浪費。 不管作業(yè)大小，只要它一旦占用處理機開始執(zhí)行，則它必須一直占據(jù)處理機，知道運行完畢。 資源利用率低 對短作業(yè)不公平，因為它們等待執(zhí)行的時間可能遠遠超過它們實際執(zhí)行的時間 交互性差，作業(yè)由批處理程序控制運行，用戶無法實時控制，如果運行中途出現(xiàn)故障，也只能停下來，重新運行。 多道批處理系統(tǒng)現(xiàn)代意義操作系統(tǒng) 引入： 單道批處理系統(tǒng)中，任意時刻只允許一道作業(yè)在內(nèi)存中運行，資源利用率低 為了提高系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，形成了多道批處理系統(tǒng) 多道是指允許多個程序同時存在于主存中，按照某種原則分派處理機，逐個執(zhí)行這些程序。 批處理：用戶提交的作業(yè)首先存放在外存，并排成一個隊列。然后，由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法從該隊列中一次選取一個或若干個作業(yè)裝入內(nèi)存執(zhí)行。 處理機自動切換 當(dāng)某個程序占用處理機執(zhí)行過程中遇到了輸入/輸出語句，可以啟動專門負責(zé)輸入/輸出的系統(tǒng)服務(wù)程序完成輸入/輸出操作，而處理機切換到另一個程序執(zhí)行。 多道程序設(shè)計技術(shù) 為了提高系統(tǒng)吞吐量和資源利用率，允許多個程序同時駐留內(nèi)存，使處理機在這些程序之間切換，在一段時間內(nèi)，執(zhí)行完多個程序的處理技術(shù)稱為多道程序設(shè)計技術(shù)（multiproramming） 現(xiàn)在操作系統(tǒng)大多都采用了多道程序設(shè)計技術(shù) 多道程序設(shè)計技術(shù)引發(fā)的問題 處理機的分配與回收 內(nèi)存的分配與保護 i/0設(shè)備的共享與效率 文件的有效管理 作業(yè)的組織 分時系統(tǒng)與實時系統(tǒng) 多道批處理系統(tǒng)：提高了資源利用率和吞吐量。但是，批處理系統(tǒng)交互性很差。為了改進響應(yīng)時間和性能，提供交互式操作環(huán)境，導(dǎo)致了分時系統(tǒng)的出現(xiàn) 分時系統(tǒng)的實質(zhì)是，在多道程序技術(shù)的基礎(chǔ)之上，為多個用戶配置一個聯(lián)機終端。 前臺和后臺 分時系統(tǒng)：分時+批處理功能 內(nèi)存：“前臺區(qū)”和“后臺區(qū)”，“前臺區(qū)”存放按時間片“調(diào)入”和“調(diào)出”的作業(yè)流，“后臺區(qū)”存放批處理作業(yè)。 僅當(dāng)前臺作業(yè)調(diào)入/調(diào)出，或前臺無作業(yè)可運行時，方才運行“后臺區(qū)”中的作業(yè)。 提供交互式快速的服務(wù)，同時在處理機空閑時運行后臺較大的批作業(yè)。 多道分時系統(tǒng) 允許在內(nèi)存中同時存放多道作業(yè)，并把具備運行條件的所有作業(yè)排成一個隊列，讓它們依次輪流地獲得一個時間片瀨運行 與單道分時系統(tǒng)相比較，由于作業(yè)數(shù)據(jù)都在內(nèi)存，不需要調(diào)入、調(diào)出開銷，所以多道分時系統(tǒng)具有較好的系統(tǒng)性能。 現(xiàn)代分時系統(tǒng)都屬于多道分時系統(tǒng)。 實時系統(tǒng) 分時系統(tǒng)為交互式作業(yè)提供了快速的響應(yīng)服務(wù)，但還不能滿足某些對響應(yīng)時間要求非常嚴格的任務(wù)需要。 例如，煉鋼/煉油控制系統(tǒng)、航空網(wǎng)絡(luò)售票系統(tǒng)等，對任務(wù)的響應(yīng)時間有更嚴格的要求 操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 個人計算機操作系統(tǒng)：UNIX、OS/2、WINDOWs系列、Windows NT、LINUX等 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)接口控制器及一些用于驅(qū)動的底層軟件，遠程登陸軟件和遠程文件訪問軟件。 分布式操作系統(tǒng)：將用戶的應(yīng)用程序分布在多臺處理機上同時運行。合理的調(diào)度個處理機，使整個系統(tǒng)獲得最大的并行度。 嵌入式操作系統(tǒng)（用于工業(yè)控制） 1.4操作系統(tǒng)的功能 操作系統(tǒng)的主要任務(wù) 管理處理機 管理存儲器 管理輸入/輸出設(shè)備 管理數(shù)據(jù)文件 提供接口服務(wù) 接口功能 接口，指操作系統(tǒng)為用戶提供的人機交互界面 命令接口：以命令方式供用戶通過鍵盤終端與計算機交互，如UNIX、DOS 圖形化用戶接口：Windows系列操作系統(tǒng)則提供了形象、生動的圖形化界面，用戶只需拖動并點擊鼠標(biāo)，便可輕松操作計算機 程序接口：以系統(tǒng)調(diào)用的形式供用戶編程時使用。幾乎各種操作系統(tǒng)都提供了系統(tǒng)調(diào)用，供程序設(shè)計 處理機管理 進程控制:創(chuàng)建和撤銷進程以及控制進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 進程同步：協(xié)調(diào)，互斥訪問臨界資源（？如多個打印機打印的內(nèi)容），協(xié)調(diào)執(zhí)行進度 進程通信：進程間的信息交換 進程調(diào)度：按一定算法從進程就緒隊列中選出一個進程，把處理機分配給它，使之運行。 存儲器管理任務(wù) 為多道程序的并發(fā)執(zhí)行提供良好的環(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 存儲器管理功能 內(nèi)存分配：靜態(tài)分配/動態(tài)分配、連續(xù)分配/非連續(xù)分配 內(nèi)存保護：系統(tǒng)內(nèi)存空間、用戶內(nèi)存空間 地址映射：邏輯地址->物理地址 內(nèi)存擴充：虛擬存儲技術(shù) 設(shè)備管理任務(wù) 為用戶程序分配i/0設(shè)備 完成用戶程序請求的i/0操作 提高處理機和i/0設(shè)備的利用率 改善人機界面 設(shè)備管理功能 緩沖管理 設(shè)備分配 設(shè)備處理：啟動設(shè)備、中斷處理 虛擬設(shè)備功能 RAID技術(shù)、磁盤調(diào)度 管理用戶文件和系統(tǒng)文件 管理文件的存儲空間 保證文件數(shù)據(jù)的安全 方便用戶使用文件 文件目錄管理 文件的邏輯組織與訪問方式 存儲空間的管理：文件的物理組織、空閑磁盤空間的管理 文件共享與安全 1.5現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征及基本概念 任務(wù)并行性：宏觀上，指系統(tǒng)中有多個任務(wù)同時運行；微觀上，指單處理機系統(tǒng)中的任務(wù)并發(fā)，即多個任務(wù)在單個處理機上交替運行（實際上串行）；或多個處理機系統(tǒng)中的任務(wù)并行，即多個任務(wù)在多個處理機上同時運行。 資源共享性：宏觀上，指多個任務(wù)可以同時使用系統(tǒng)資源；微觀上，指多個任務(wù)可以交替互斥的使用系統(tǒng)中的某個資源（實際上也是串行）。 1程序執(zhí)行結(jié)構(gòu)不確定，程序不可再現(xiàn) 2多道程序環(huán)境下，進程以異步方式執(zhí)行。 基本概念 多道程序設(shè)計 ：指，系統(tǒng)中允許多道程序同時準(zhǔn)備運行，當(dāng)正在運行的那道程序因為某種原因（比如等待輸入或輸出數(shù)據(jù)）暫時不能繼續(xù)運行時，系統(tǒng)將自動地啟動另一道程序運行；一旦原因消除（比如數(shù)據(jù)已經(jīng)到達或數(shù)據(jù)已經(jīng)輸出完畢），暫時停止運行的那道程序在將來某個時候還可以被系統(tǒng)重新啟動繼續(xù)運行。 協(xié)調(diào)因爭奪處理機或者輸入/輸出設(shè)備而產(chǎn)生的沖突，解決同步、互斥和死鎖問題。 防止各道程序之間的交叉和沖突，防止作業(yè)有意無意地破壞。 必須建立高效、可靠和方便的文件系統(tǒng)，有效地管理和存取系統(tǒng)中的軟件資源和輔存空間 進程與線程 進程是指，程序的一次執(zhí)行，包括可執(zhí)行的程序、程序所需的數(shù)據(jù)和相關(guān)狀態(tài)信息。進程是擁有資源的最小實體，在傳統(tǒng)OS中，進程同時也是系統(tǒng)調(diào)度的最小單位。 線程是指，程序的一次相對獨立的運行過程；在現(xiàn)代OS中，線程是系統(tǒng)調(diào)度的最小單位。 作業(yè)時指計算機用戶在一次上機過程中要求計算機系統(tǒng)為其所做工作的集合；作業(yè)中的每項相對獨立的工作稱為作業(yè)步。通常，人們用一組命令來描述作業(yè)；其中，每個命令定義一個作業(yè)步。 作業(yè)的基本類型 脫機作業(yè) 聯(lián)機作業(yè) 在經(jīng)典的多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，任務(wù)與進程是等同的，都被認為是系統(tǒng)的最小工作單位 任務(wù)是從系統(tǒng)資源分配的角度描述程序在系統(tǒng)中的運行 進程則從處理器利用和工作流程控制的角度描述程序的執(zhí)行。 程序員習(xí)慣于稱呼進程，而工程師則習(xí)慣稱呼任務(wù) 系統(tǒng)調(diào)用時操作系統(tǒng)提供的最基本的一級服務(wù)，供用戶程序調(diào)用。 系統(tǒng)調(diào)用只能在程序中作為程序語句使用，不能單獨使用。 英文Interface在操作系統(tǒng)中具有接口和界面兩種含義。 接口多用于描述系統(tǒng)硬件之間的連接關(guān)系，以及軟件和程序模塊間的調(diào)用關(guān)系，如總線接口、打印機接口等。 界面多用于描述用戶與系統(tǒng)之間的操作環(huán)境，以及人機之間的交互方式和過程，如字符界面、圖形用戶界面等。 定義：為了能在有限的內(nèi)存空間中運行更大、更多的進程(程序)，可以將一部分磁盤空間虛擬為邏輯內(nèi)存，使用戶感覺到一個比物理內(nèi)存空間大得多的邏輯內(nèi)存空間，即實際物理內(nèi)存空間與虛擬的那部分邏輯內(nèi)存空間的總和，統(tǒng)稱為虛擬內(nèi)存空間。 特點：有了虛擬存儲技術(shù)，進程執(zhí)行時，只需要預(yù)先在物理內(nèi)存中裝入進程的一部分程序代碼和數(shù)據(jù)，進程即可開始執(zhí)行。 當(dāng)需要的程序代碼和數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存時，根據(jù)需要臨時裝入，而整個操作對用戶透明。 文件是若干相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，有的操作系統(tǒng)將程序、數(shù)據(jù)以及各種外部設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)稱為文件。唯一的文件名 對文件的操作包括文件的建立、修改、刪除、重命名、設(shè)置訪問權(quán)限等。 概括的說，文件就是命名了的字節(jié)流，它是現(xiàn)代操作系統(tǒng)對計算機系統(tǒng)中種類繁多的外部設(shè)備進行高度抽象的結(jié)果。 1.6操作系統(tǒng)分類 按照硬件平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同分類： 單機操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)和多機操作系統(tǒng)（并行操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、機群操作系統(tǒng)等） 根據(jù)操作系統(tǒng)在用戶界面的使用環(huán)境和功能特征的不同分類： 批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng) 現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常兼有分時和批處理功能 工作方式： 1. 2. 主要優(yōu)點：多道程序由操作系統(tǒng)自由調(diào)度執(zhí)行，大大降低了人工干預(yù)對系統(tǒng)性能的影響，資源利用率高，系統(tǒng)的吞吐量大。 缺點： （1） （2） 分時操作系統(tǒng) 提供了一個多用戶工作環(huán)境，一臺主機連接若干臺終端，每臺終端一個用戶使用。 用戶交互式地向系統(tǒng)提出聯(lián)機命令請求，系統(tǒng)接收所有用戶的命令，采用分時原則處理服務(wù)請求，再通過交互式終端顯示執(zhí)行結(jié)果。 特性： 多路性：一臺主機上同時連接多臺終端 獨立性：每個用戶各自通過自己的終端進行輸入/輸出，互不干擾。用戶感覺自己獨占終端和主機資源。 交互性 指能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致的運行的操作系統(tǒng)。 設(shè)計目標(biāo)：對外部請求必須及時響應(yīng)，在嚴格規(guī)定的時間內(nèi)完成某事件，要求系統(tǒng)具有極高的可靠性和完整性。 指，在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供網(wǎng)絡(luò)管理通信，安全、資源共享和各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等功能的操作系統(tǒng) 目標(biāo)：為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各計算機之間額通信和網(wǎng)絡(luò)資源共享，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。 分布式系統(tǒng)是指多個處理機通過通信線路互連而構(gòu)成的系統(tǒng)，系統(tǒng)的處理和控制功能分布在各個處理機上。 配置在分布式系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)成為分布式操作系統(tǒng)，它負責(zé)分布式系統(tǒng)中任務(wù)分配、資源管理等功能服務(wù)。 分布式系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡(luò)區(qū)別 1分布式系統(tǒng)中的所有資源都是共享的，由分布式操作系統(tǒng)進行集中、統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)對用戶透明。 2計算機網(wǎng)絡(luò)中允許每臺計算機配置自己的操作系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以架構(gòu)于不同的操作系統(tǒng)之上，范圍很廣。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)也不要求對網(wǎng)絡(luò)資源進行透明訪問，用戶可以清楚地知道提交的任務(wù)在哪臺計算機上完成的。 指運行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對整個嵌入式系統(tǒng)以及它所操作、控制的各種部件裝置等資源進行協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。 嵌入式操作系統(tǒng)在工業(yè)控制、軍事及民用設(shè)施中有著廣泛的應(yīng)用前景。 1.7現(xiàn)代主流操作系統(tǒng)簡介。 Windows 操作系統(tǒng) Windows是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)，它允許用戶同時運行多個應(yīng)用程序，或在一個程序中同時做幾件事情。系統(tǒng)為每個應(yīng)喲個程序打開一個窗口。用戶可以移動窗口，或在不同的應(yīng)用程序之間切換。 Windows NT及Windows 2000都屬于多用戶操作系統(tǒng)。Windows NT支持對稱多處理機、多線程、多個可裝卸文件系統(tǒng)，兼容POSIX標(biāo)準(zhǔn)（使操作系統(tǒng)具有移植性） UNIX是一個由C語言編寫的、多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)。(多進程) 已應(yīng)用于從嵌入式處理器到工作站、桌面系統(tǒng)，乃至服務(wù)于大群用戶的高性能多處理機系統(tǒng) Linux是UNIX變種，是一個源代碼開放的、多用戶操作系統(tǒng)。 Linux支持多用戶、多任務(wù)、分頁式虛擬存儲、動態(tài)鏈接庫、動態(tài)調(diào)整文件系統(tǒng)緩沖區(qū)大小等功能。
其網(wǎng)絡(luò)功能非常強大，幾乎能與當(dāng)前絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)互連。 |
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