計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

課程要求 1 參考書 1 操作系統(tǒng) 精髓與設(shè)計(jì)原理 美 WilliamStallings著 陳向群等譯電子工業(yè)出版社 2 操作系統(tǒng)概念A(yù)brahamSilberschatz PeterBaerGalvin GregGagne著 鄭扣根譯高等教育出版社 3 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解梁紅兵 湯小丹西安電子科技大學(xué)出版社 2 學(xué)習(xí)方式 上課 42 上機(jī) 12 作業(yè) 3 認(rèn)真 獨(dú)立思考 功夫在平時(shí) 4 課程要求 課堂 關(guān)掉手機(jī) 認(rèn)真聽講 積極思考課后 學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn) 同學(xué)之間互相探討5 成績(jī)?cè)u(píng)定 百分制 期末卷面成績(jī)70 實(shí)驗(yàn)15 平時(shí)15 第一章操作系統(tǒng)引論 1 1操作系統(tǒng)的目標(biāo)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)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1 1 1操作系統(tǒng)的目標(biāo) 目前存在著多種類型的操作系統(tǒng)不同類型的操作系統(tǒng) 其目標(biāo)各有所側(cè)重 DOS UNIX OS 2 windows系統(tǒng) Linux 超級(jí)計(jì)算機(jī) Android iOS 兩大手機(jī)操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) OS OperatingSystem 是配置在計(jì)算機(jī)上的第一層軟件 是對(duì)硬件的首次擴(kuò)充 OS的主要目標(biāo) 方便性 有效性 可擴(kuò)充性 開放性 1 1 1操作系統(tǒng)的目標(biāo) 1 方便性 OS使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更易于使用 2 有效性 OS提高了系統(tǒng)資源的利用率 提高了系統(tǒng)的吞吐量 3 可擴(kuò)充性 OS必須能方便地增加新的功能和模塊 并能修改老的功能和模塊 以適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件 體系結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用發(fā)展的的要求 如微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 開放性 OS的開發(fā)應(yīng)該遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 特別是遵循開放系統(tǒng)互連OSI國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 1 1 2操作系統(tǒng)的作用 1 OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口OS處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間 用戶通過OS來使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 圖1 1操作系統(tǒng)作為接口的示意圖 2 OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要有四類資源 處理機(jī) 存儲(chǔ)器 I O設(shè)備以及文件 數(shù)據(jù)和程序 處理機(jī)管理 用于分配和控制處理機(jī) 存儲(chǔ)器管理 主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收 I O設(shè)備管理 負(fù)責(zé)I O設(shè)備的分配與操縱 文件管理 負(fù)責(zé)文件的存取 共享和保護(hù) 可見 OS確是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者 當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被多個(gè)用戶使用時(shí) OS必須對(duì)使用資源進(jìn)行授權(quán) 以協(xié)調(diào)諸用戶對(duì)共享資源的使用 1 1 2操作系統(tǒng)的作用 3 OS實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象OS是鋪設(shè)在計(jì)算機(jī)硬件上的多層軟件 它們不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能 而且隱藏了對(duì)硬件操作的細(xì)節(jié) 實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)硬件操作的多個(gè)層次的抽象模型 通常把覆蓋了I O軟件的機(jī)器稱為擴(kuò)充機(jī)器或虛機(jī)器 如果在I O管理軟件 第一層軟件 上再覆蓋上一層文件管理軟件 則用戶可利用該軟件提供的文件存取命令 來進(jìn)行文件的存取 依次類推 則用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計(jì)算機(jī) 形成一臺(tái)功能更強(qiáng)的虛機(jī)器 1 1 2操作系統(tǒng)的作用 1 2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1 2 1未配置操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1 人工操作方式由用戶采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 即由程序員將事先已穿孔的紙帶 或卡片 裝入紙帶輸入機(jī) 再啟動(dòng)它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī) 然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行 當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果后 才允許下一個(gè)用戶使用 這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn) 1 用戶獨(dú)占全機(jī) 2 CPU等待人工操作 2 脫機(jī)輸入 輸出 Off LineI O 方式 圖1 3脫機(jī)I O示意圖 優(yōu)點(diǎn) 減少了CPU的空閑時(shí)間 2 提高I O速度 1 2 1未配置操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1 2 2單道批處理系統(tǒng) 1 單道批處理系統(tǒng) SimpleBatchProcessingSystem 的處理過程 圖1 4單道批處理系統(tǒng)的處理流程 事先將一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上 并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序 Monitor 在其控制下 使這批作業(yè)能一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)處理 1 2 3多道批處理系統(tǒng) MultiprogrammedBatchProcessingSystem 1 多道程序設(shè)計(jì)的基本概念在60年代中期又引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) 這時(shí)內(nèi)存中同時(shí)存放若干個(gè)作業(yè) 并使它們共享系統(tǒng)資源且同時(shí)運(yùn)行 采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的批處理系統(tǒng)稱作多道批處理系統(tǒng) 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(gè)隊(duì)列 稱為 后備隊(duì)列 然后 由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)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(yùn)行情況 1 資源利用率高 讓CPU處于忙碌狀態(tài) 提高了內(nèi)存和I O設(shè)備的利用率 2 系統(tǒng)吞吐量大 3 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng) 4 無交互能力 2 多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 1 2 3多道批處理系統(tǒng) 1 2 4分時(shí)系統(tǒng) TimeSharingSystem 1 分時(shí)系統(tǒng)的引入分時(shí)系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS 用戶的需求具體表現(xiàn)在 1 人 機(jī)交互 2 共享主機(jī) 分時(shí)系統(tǒng)是指 在一臺(tái)主機(jī)上連接了多個(gè)配有顯示器和鍵盤的終端并由此所組成的系統(tǒng) 該系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)通過自己的終端 以交互方式使用計(jì)算機(jī) 共享主機(jī)中的資源 2 分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題 分時(shí)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互 即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時(shí) 系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)接收并及時(shí)處理該命令 再將結(jié)果返回給用戶 因此 存在兩個(gè)關(guān)鍵問題 及時(shí)接收在系統(tǒng)中配置一個(gè)多路卡 2 及時(shí)處理作業(yè)直接進(jìn)入內(nèi)存 采用輪轉(zhuǎn)運(yùn)行方式 1 2 4分時(shí)系統(tǒng) TimeSharingSystem 3 分時(shí)系統(tǒng)的特征 多路性 系統(tǒng)將多臺(tái)終端同時(shí)連接到同一臺(tái)主機(jī)上 并按分時(shí)原則為每個(gè)用戶服務(wù) 獨(dú)立性 每個(gè)用戶在各自的終端上進(jìn)行操作 彼此互不干擾及時(shí)性 用戶的請(qǐng)求在很短時(shí)間內(nèi)獲得響應(yīng) 交互性 1 2 4分時(shí)系統(tǒng) TimeSharingSystem 1 2 5實(shí)時(shí)系統(tǒng) RealTimeSystem 實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時(shí) 或即時(shí) 響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理 并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行 實(shí)時(shí)系統(tǒng)最主要的特征 是將時(shí)間作為關(guān)鍵參數(shù) 它必須對(duì)所接收到的某些信號(hào)做出 及時(shí) 或 實(shí)時(shí) 的反應(yīng) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的類型 工業(yè) 武器 控制系統(tǒng) 信息查詢系統(tǒng) 多媒體系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng) 實(shí)時(shí)任務(wù)的類型 周期性實(shí)時(shí)任務(wù)和非周期性實(shí)時(shí)任務(wù) 周期性實(shí)時(shí)任務(wù)是外部設(shè)備周期性發(fā)出激勵(lì)信號(hào)給計(jì)算機(jī) 要求按指定周期循環(huán)執(zhí)行 以便周期性控制某外部設(shè)備 非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)無明顯的周期性 但聯(lián)系著一個(gè)截止時(shí)間 2 硬實(shí)時(shí)任務(wù)和軟實(shí)時(shí)任務(wù) 硬實(shí)時(shí)任務(wù) HardReal timeTask HRT 系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對(duì)截止時(shí)間的要求 否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的結(jié)果 軟實(shí)時(shí)任務(wù) SoftReal timeTask SRT SRT不嚴(yán)格地聯(lián)系著一個(gè)截止時(shí)間 1 2 5實(shí)時(shí)系統(tǒng) RealTimeSystem 1 3操作系統(tǒng)的基本特性 1 3 1并發(fā) Concurrence 并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生 在多道程序環(huán)境下 是指在一段時(shí)間內(nèi) 宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行 并行性指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生 為使多個(gè)程序能并發(fā)地執(zhí)行 須為每個(gè)程序引入進(jìn)程 進(jìn)程是指在系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位 它是由一組機(jī)器指令 數(shù)據(jù)和堆棧等組成的 是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的活動(dòng)實(shí)體 多個(gè)進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行和交換信息 進(jìn)程和并發(fā)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中最重要的基本概念 1 3 2共享 Sharing 共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程 線程 共同使用 根據(jù)進(jìn)程對(duì)資源共享的方式 目前主要有兩種資源共享方式 互斥共享方式 系統(tǒng)中可供共享的某些資源 一段時(shí)間內(nèi)只能給一個(gè)進(jìn)程使用 只有當(dāng)這個(gè)進(jìn)程使用完畢并釋放資源后 其它進(jìn)程方可使用 同時(shí)訪問方式 系統(tǒng)中的另一類資源 同一段時(shí)間內(nèi)可以被多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問 1 3 3虛擬 Virtual 在OS中 通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物的功能稱為 虛擬 利用虛擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī) 虛擬內(nèi)存 虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等 時(shí)分復(fù)用技術(shù) 在虛擬處理機(jī)技術(shù)中 把一臺(tái)物理上的處理機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯上的處理機(jī) 在每臺(tái)邏輯處理機(jī)上運(yùn)行一道程序 虛擬設(shè)備技術(shù) 將一臺(tái)物理I O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的I O設(shè)備 并允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上I O設(shè)備 空分復(fù)用技術(shù) 利用存儲(chǔ)器的空閑空間分區(qū)域存放和運(yùn)行其它多道程序 以此來提高內(nèi)存的利用率 1 3 4異步性 Asynchronism 在多道程序的環(huán)境下 每個(gè)程序何時(shí)執(zhí)行 何時(shí)暫停都是未知的 即它們以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn) 但同時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)保證程序的執(zhí)行結(jié)果是可再現(xiàn)的 即只要運(yùn)行環(huán)境相同 一個(gè)作業(yè)的多次運(yùn)行都會(huì)得到相同的結(jié)果 1 4操作系統(tǒng)的主要功能 1 4 1處理機(jī)管理功能 進(jìn)程控制為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程 撤消已結(jié)束的進(jìn)程 以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 在設(shè)置有線程的OS中 進(jìn)程控制可創(chuàng)建若干個(gè)線程 提高系統(tǒng)的并發(fā)性 進(jìn)程同步為多個(gè)進(jìn)程 含線程 的執(zhí)行次序進(jìn)行協(xié)調(diào) 有兩種協(xié)調(diào)方式 進(jìn)程互斥方式 進(jìn)程同步方式 調(diào)度 調(diào)度包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步 1 作業(yè)調(diào)度從后備隊(duì)列中按照一定的算法 選擇出若干個(gè)作業(yè) 為它們分配運(yùn)行所需的資源 并為它們建立進(jìn)程 從而成為可能獲得處理機(jī)的就緒進(jìn)程 2 進(jìn)程調(diào)度從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中按照一定的算法選出一個(gè)進(jìn)程 把處理機(jī)分配給它 并為它設(shè)置運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng) 使進(jìn)程投入執(zhí)行 進(jìn)程通信實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的信息交換 使進(jìn)程能很好地相互合作 1 4 1處理機(jī)管理功能 1 4 2存儲(chǔ)器管理功能 1 內(nèi)存分配 為每道程序分配內(nèi)存空間 分配時(shí)要盡量提高存儲(chǔ)器的利用率 盡量減少不可用的內(nèi)存空間 碎片 允許正在運(yùn)行的程序申請(qǐng)附加的內(nèi)存空間 可采取靜態(tài)分配方式或動(dòng)態(tài)分配方式 2 內(nèi)存保護(hù)確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行 彼此互不干擾 絕不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù) 將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對(duì)應(yīng)的物理地址 1 4 2存儲(chǔ)器管理功能 4 內(nèi)存擴(kuò)充在邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存的容量 以方便大作業(yè)的運(yùn)行和增加內(nèi)存中并發(fā)作業(yè)的道數(shù) 實(shí)現(xiàn)的功能 1 請(qǐng)求調(diào)入功能 允許在僅裝入部分用戶程序和數(shù)據(jù)的情況下 便能啟動(dòng)該程序運(yùn)行 2 置換功能 在內(nèi)存中無足夠的空間來裝入需要調(diào)入的程序和數(shù)據(jù)時(shí) 系統(tǒng)應(yīng)能將內(nèi)存中的一部分程序和數(shù)據(jù)調(diào)至硬盤上 以騰出內(nèi)存空間 3 地址映射 1 4 3設(shè)備管理功能 1 完成用戶進(jìn)程提出的I O請(qǐng)求 為用戶進(jìn)程分配其所需的I O設(shè)備 并完成指定的I O操作 2 提高CPU和I O設(shè)備的利用率 提高I O速度 方便用戶使用I O設(shè)備 緩沖管理利用緩沖來緩和CPU和I O設(shè)備速度不匹配的矛盾 提高CPU I O設(shè)備的利用率 設(shè)備分配為用戶分配完成進(jìn)程I O請(qǐng)求所需的設(shè)備和設(shè)備控制器 設(shè)備處理啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行真正的I O操作 響應(yīng)并處理設(shè)備控制發(fā)來的中斷請(qǐng)求 1 4 4文件管理功能對(duì)用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理以方便用戶使用 并保證文件的安全性 1 文件存儲(chǔ)空間的管理為每個(gè)文件分配必要的外存空間 提高外存的利用率和文件訪問的效能 2 目錄管理通過目錄的方式來組織文件 以實(shí)現(xiàn)文件的按名存取 并提高文件的檢索速度 3 文件的讀 寫管理和保護(hù) 1 4 5操作系統(tǒng)與用戶之間的接口 1 用戶接口 用戶接口分為 1 聯(lián)機(jī)用戶接口 允許用戶通過一組聯(lián)機(jī)命令直接控制自己的作業(yè) 聯(lián)機(jī)命令由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序組成 2 脫機(jī)用戶接口 該接口允許用戶通過作業(yè)控制語言間接控制自己的作業(yè) 3 圖形用戶接口 提供了窗口 圖標(biāo)和菜單等元素 使用戶通過指點(diǎn)設(shè)備和少量的鍵盤操作 取得OS的服務(wù) 2 程序接口OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用 供用戶程序調(diào)用OS的功能 1 4 6現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新功能 系統(tǒng)安全認(rèn)證技術(shù) 密碼技術(shù) 訪問控制技術(shù) 反病毒技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)的功能和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信 資源管理 應(yīng)用互操作 3 支持多媒體接納控制功能 實(shí)時(shí)調(diào)度 多媒體文件的存儲(chǔ) 1 5 1傳統(tǒng)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)OS是一個(gè)大型的系統(tǒng)軟件 其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了四代變革 1 5OS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是各種過程的集合 各過程之間可以相互調(diào)用 操作系統(tǒng)內(nèi)部不存在任何結(jié)構(gòu) 1 5 1傳統(tǒng)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 模塊化結(jié)構(gòu)OS采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù) 將OS按其功能劃分成若干個(gè)具有一定獨(dú)立性和大小的模塊 并規(guī)定好各模塊間的接口 使它們之間能夠交互 圖1 7模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3 分層式結(jié)構(gòu)OS 對(duì)模塊化結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn) 它將OS按其功能流圖的調(diào)用次序以及其他一些原則劃分為若干個(gè)層次 每一層代碼只能使用較底層代碼提供的功能和服務(wù) 并采用自底向上或自頂向下增添軟件的方法來研制OS 1 5 1傳統(tǒng)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) 易保證系統(tǒng)的正確性 易擴(kuò)充和易維護(hù)性 1 5 4微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核 micro kernel 是一種能夠提供必要服務(wù)的操作系統(tǒng)內(nèi)核 必要服務(wù)包括 任務(wù) 線程 交互進(jìn)程通信以及內(nèi)存管理等 將OS劃分為微內(nèi)核和多個(gè)服務(wù)器 OS內(nèi)核中只留下一些最基本的功能 而將其他功能盡可能從內(nèi)核中分離出去 用若干個(gè)運(yùn)行在用戶態(tài)下的進(jìn)程來實(shí)現(xiàn) 形成客戶 服務(wù)器 Client Server C S 模式 1 微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念足夠小的內(nèi)核 是一個(gè)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 運(yùn)行在核心態(tài) 開機(jī)后常駐內(nèi)存 不會(huì)因內(nèi)存緊張而被換出內(nèi)存 1 5 4微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu) 基于客戶 服務(wù)器模式 應(yīng)用 機(jī)制與策略分離 原理 所謂機(jī)制 是指實(shí)現(xiàn)某一功能的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu) 策略 是在機(jī)制的基礎(chǔ)上借助于某些參數(shù)和算法來實(shí)現(xiàn)該功能的優(yōu)化 通常 機(jī)制處于一個(gè)系統(tǒng)的基層 而策略處于系統(tǒng)的高層 采用面向?qū)ο蠹夹g(shù) 2