第3章操作系統(tǒng)基礎1

第3章操作系統(tǒng)基礎

操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)的功能模塊

典型操作系統(tǒng)概述本章要點本章基本要求基本知識點：

(1)了解操作系統(tǒng)的定義、發(fā)展和分類；(2)了解操作系統(tǒng)的基本功能；(3)掌握操作系統(tǒng)的操作界面和工作方式。重點與難點：操作系統(tǒng)的基本功能和基本特性。進程的概念及基本特性。地址變換。3.1.1什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它們管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，為用戶提供一個功能強大、使用方便和可擴展的工作環(huán)境。它是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件功能的擴充。操作系統(tǒng)在整個計算機系統(tǒng)中具有極其重要的特殊地位，它不僅是硬件與其他軟件系統(tǒng)的接口，也是用戶和計算機之間進行“交流”的界面

3.1.1什么是操作系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)硬件、軟件和用戶的關系3.1.2操作系統(tǒng)的分類

批處理操作系統(tǒng)

分時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)

通用操作系統(tǒng)

個人計算機操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)智能化操作系統(tǒng)CPU時間片程序1程序2程序N…...程序1程序3程序3程序排隊隊列CPU分時OS多用戶、多道程序共享一個CPU的OS。將CPU劃分為很小的時間片，采用循環(huán)輪作方式將這些CPU時間片分配給排隊隊列中等待處理的每個程序的處理方式。側重于及時性和交互性實時OS實時OS是實時控制系統(tǒng)和實時處理系統(tǒng)的統(tǒng)稱。實時控制系統(tǒng)用于過程控制。例如，控制飛行器、導彈發(fā)射、飛行過程的自動控制系統(tǒng)。實時處理系統(tǒng)主要指對信息進行及時的處理。例如，利用計算機預訂飛機票、火車票或輪船票等。分布式OS分布式操作系統(tǒng)是指通過網(wǎng)絡將大量計算機連接在一起，以獲取極高的運算能力、廣泛的數(shù)據(jù)共享以及實現(xiàn)分散資源管理等功能為目的的一種OS。它的優(yōu)點是：①分布性。它集各分散結點計算機資源為一體，以較低的成本獲取較高的運算性能。②可靠性。由于在整個系統(tǒng)中有多個CPU系統(tǒng)，因此當某一個CPU系統(tǒng)發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)仍舊能夠工作。3.1.3操作系統(tǒng)的基本特性

并發(fā)性:在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，計算機中有多個程序在同時運行。共享性:是指多個并發(fā)執(zhí)行的程序可以共享系統(tǒng)中的資源。虛擬性:是指通過虛擬技術把一個物理實體變?yōu)槎鄠€邏輯上的對應物。物理實體是實際存在的，而邏輯上的對應物是虛的，是用戶感覺上的東西。通過虛擬技術，可以實現(xiàn)虛擬處理器、虛擬內(nèi)存、虛擬外部設備等。異步性:程序執(zhí)行順序、完成時間等都是不可預知的。

3.1.4操作系統(tǒng)的基本功能現(xiàn)代操作系統(tǒng)功能示意圖操作系統(tǒng)用戶接口處理器管理存儲器管理設備管理文件管理操作系統(tǒng)的基本功能處理器管理：把CPU的時間合理地、動態(tài)地分配給各道程序，使CPU得到充分利用，同時使得各道程序的需求也能夠得到滿足。操作系統(tǒng)的基本功能存儲器管理：合理分配內(nèi)存和及時回收內(nèi)存；存儲保護；擴充內(nèi)存。設備管理：對除CPU和內(nèi)存外所有外部設備的管理。設備管理的目標是保證用戶方便的使用各種設備。操作系統(tǒng)的基本功能文件管理是對計算機系統(tǒng)中軟件資源的管理，目的是為用戶創(chuàng)造一個方便安全的信息使用環(huán)境。

文件管理功能包括：文件的結構及存取方法；文件的目錄機構及有關處理；文件存儲空間的管理；文件的共享和保護；文件的操作和使用。用戶接口有兩種類型：

命令接口：用戶通過交互命令方式直接或間接地對計算機進行操作。

程序接口：是為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設置的。程也稱為應用程序編程接口(ApplicationProgrammingInterface，API)，用戶通過API可以調(diào)用系統(tǒng)提供的例行程序，實現(xiàn)既定的操作。3.2.1進程及處理器管理進程:

進程是執(zhí)行起來的程序，是系統(tǒng)進行資源調(diào)度和分配的一個獨立單位。進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊(PCB)三部分組成。

3.2.1進程及處理器管理程序是用于描述進程所要完成的功能。數(shù)據(jù)是進程執(zhí)行時的操作對象。進程控制塊PCB包含了有關進程的描述信息、控制信息以及資源信息量。PCB是進程的標志。是進程動態(tài)特性變化的集中反映。操作系統(tǒng)就是通過PCB實現(xiàn)對進程的控制和管理。PCB存于系統(tǒng)空間，只有操作系統(tǒng)能夠對其存取，用戶程序是不能訪問的，實際上用戶甚至感覺不到PCB的存在。動態(tài)性：進程是運行著的程序，具有一定的生命周期。并發(fā)性：引入進程的目的就是為了使其進程實體能和其他進程實體并發(fā)執(zhí)行。獨立性：是指進程是一個能獨立運行、獨立進行資源分配和調(diào)度的基本單位。異步性：是指進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進。結構特征：為了管理進程，系統(tǒng)為每個進程創(chuàng)建一套數(shù)據(jù)結構，記錄該進程有關的狀態(tài)信息。制約性：由于系統(tǒng)資源有限，多個進程在并發(fā)執(zhí)行過程中相互制約。進程的基本特性進程的狀態(tài)及其轉換

在任何時刻，任何進程都處于以下三種基本狀態(tài)之一。

就緒狀態(tài)。進程已經(jīng)獲得除CPU之外的其他資源，只要再獲得CPU，就立即執(zhí)行的狀態(tài)。執(zhí)行狀態(tài)。進程獲得了需要的所有資源正在處理機上執(zhí)行的狀態(tài)。阻塞狀態(tài)，也稱為等待狀態(tài)。阻塞狀態(tài)是指正在執(zhí)行的進程由于發(fā)生某事件而暫時無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。就緒等待運行調(diào)度I/O完成I/O等待時間片到進程狀態(tài)轉換示意圖進程與程序

程序是進程的軀體，是進程的組成部分，一個進程存在的目的就是執(zhí)行其所對應的程序，沒有程序，進程就失去了其存在的意義。但進程與程序不一一對應。一個程序可以多次執(zhí)行，可以產(chǎn)生多個不同的進程。一個進程也可以對應多個程序。程序是靜態(tài)的，它描述的是靜態(tài)的指令集合及相關的數(shù)據(jù)結構，程序可以脫離機器長期保存，即使不執(zhí)行的程序也是存在的，所以程序是無生命的。而進程是動態(tài)的，它描述程序執(zhí)行起來的動態(tài)行為，所以進程有生存期，有創(chuàng)建后存在、撤銷后消亡的特性。進程與程序程序不具有并發(fā)性，不占用CPU、存儲器及輸入／輸出設備等系統(tǒng)資源，所以不會受到其他程序的制約和影響。而進程具有并發(fā)性，在并發(fā)執(zhí)行時，由于需要使用系統(tǒng)資源，受到其他進程的制約和影響。進程控制進程從一個狀態(tài)轉換到另一個狀態(tài)都是在操作系統(tǒng)的控制下進行。這種控制通過原語來實現(xiàn)。所謂原語是機器指令的延伸，它是由若干條機器指令構成的用于完成特定功能的一段程序。為了保證操作的正確性，規(guī)定在一個原語執(zhí)行期間不許插入任何其他操作。用于進程控制的原語主要有創(chuàng)建原語、撤銷原語、等待原語和喚醒原語等。①創(chuàng)建原語。一般在操作系統(tǒng)中，都采用樹型結構來表示進程之間的關系。一個進程可以創(chuàng)建若干個新進程，創(chuàng)建者稱為父進程，被創(chuàng)建者稱為子進程。父進程為完成指定的任務創(chuàng)建若干子進程，子進程也可以再去創(chuàng)建自已的子進程，如此下去，構成一個進程家族。

創(chuàng)建進程的主要任務就是建立進程控制塊PCB。②撤銷原語。若干個進程在完成指定的任務后或因某種原因不再需要時由撤銷原語將其撤銷，以便釋放它所占用的資源。

撤銷進程的本質就是刪除進程控制塊PCB。進程控制③等待原語。一個處于執(zhí)行狀態(tài)的進程因等待某一事件(如等待輸人／輸出完成、等待另一進程發(fā)來消息等)而中止執(zhí)行時，可使用等待原語將自己轉變?yōu)榈却隣顟B(tài)。④喚醒原語。處于等待狀態(tài)而暫停執(zhí)行的進程，當其所等待的事件出現(xiàn)或所受的制約消失時，由喚醒原語將其喚醒，變換為就緒狀態(tài)。進程控制進程調(diào)度進程調(diào)度即處理器調(diào)度。進程調(diào)度的任務是為了控制、協(xié)調(diào)進程對CPU的競爭，按照一定的調(diào)度算法使就緒狀態(tài)的某一進程獲得CPU，使該進程轉換成運行狀態(tài)。

先來先服務法。進程調(diào)度總是把處理機分配給最先進入就緒隊列的進程。剛進入就緒隊列的進程排在隊尾，每次調(diào)度總是從就緒隊列中，選擇隊頭進程為之分配處理機，使之投入運行。該進程一直運行到完成或發(fā)生某事件而阻塞后，才放棄處理機。幾種進程調(diào)度算法最高優(yōu)先權優(yōu)先調(diào)度法。進程調(diào)度總是把CPU分配給就緒隊列中具有最高優(yōu)先權的進程。最高優(yōu)先權可在進程創(chuàng)建時設定，并在進程的生存期內(nèi)保持不變。也可在進程創(chuàng)建時給一個初值，隨進程的推進或隨其等待時間的增加而改變。前者稱為靜態(tài)優(yōu)先權，后者稱為動態(tài)優(yōu)先權。幾種進程調(diào)度算法時間片輪轉法。時間片輪轉法主要在分時系統(tǒng)中采用。系統(tǒng)將所有就緒進程按先來先服務的原則排成一個隊列，每次調(diào)度時，將CPU的使用權分配給隊頭進程，并令其執(zhí)行一個時間片。所謂時間片是指系統(tǒng)規(guī)定進程每次執(zhí)行的最長時間(例如100ms)，處于執(zhí)行狀態(tài)的進程時間片用完后即被剝奪CPU的使用權，并排到就緒隊列的末尾。幾種進程調(diào)度算法3.3.1WINDOWS操作系統(tǒng)WINDOWS是MicroSoft公司的產(chǎn)品。WINDOWS是一個單用戶多任務操作系統(tǒng)。

WINDOWS操作系統(tǒng)的特點

全新的圖形用戶界面。多任務并行執(zhí)行能力。靈活多樣的操作方式。功能強大的應用程序攜帶。外部設備的即插即用。系統(tǒng)配置的個性化。自由直觀的文件命名。

強大的多媒體表現(xiàn)能力。方便便捷的聯(lián)網(wǎng)手段。數(shù)據(jù)安全的得力措施。

3.3.2UNIX操作系統(tǒng)UNIX操作系統(tǒng)是一個多用戶、多任務的分時操作系統(tǒng)。其主要特點表現(xiàn)在以下方面：①多用戶的分時操作系統(tǒng)。②可移植性好。③可靠性強。④開放式系統(tǒng)。⑤向用戶提供了兩種友好的用戶界面。⑥具有可裝卸的樹型分層結構文件系統(tǒng)。⑦設備獨立性。3.3.3LinuxLinux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，它主要用于基于Intelx86系列CPU的計算機上。Linux有很多發(fā)行版本，較流行的有：RedHatLinux、DebianLinux、RedFlagLinux等。

3.3.4Mac操作系統(tǒng)

Mac操作系統(tǒng)是蘋果機專用系統(tǒng)，是基于Unix內(nèi)核的圖形化操作系統(tǒng)，正常情況下在普通PC機上無法安裝該操作系統(tǒng)?，F(xiàn)行的最新的系統(tǒng)版本是MacOSX10.7Lion,MacOSX已經(jīng)正式被蘋果公司改名為OSX。作業(yè)題

習題3:3-13-2、3-3的1、2、3、4、5習題2答案2-1選擇題：