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1、操作系统教程,汤积华,前言,全书共9章，由三大部分组成：入门、原理和实例。第一章是入门，介绍操作系统的基本概念、特性以及硬件环境。第二章到第六章分别讲述处理器/进程管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理。第九章是实例，分别介绍UNIX、DOS、Windows和Linux系统。操作系统是计算机系统中的最重要的系统软件，操作系统也是计算机专业的主干课程之一。,第1章 概 论,磁盘操作系统（Disk Operating System，简称DOS）适用于单用户单任务环境。而后面将介绍的Windows则适用于单用户多任务环境。1.1 计算机系统一、计算机硬件系统主机（中央处理器CPU、内存储器）外
2、部设备（外存储器、输入设备、输出设备）1、运算器2、存贮器,1.1 计算机系统,3、控制器4、输入设备5、输出设备：显示器（软拷贝设备：信息显示过后不再存在）打印机（硬拷贝设备：信息打印出来可永久保存）通讯适配器（Modem、网卡）值得注意的是：IBM PC机的外设发展很快。二、计算机软件系统1、系统软件2、应用软件三、计算机系统层次结构参见P2 图1-1,1.2 操作系统的资源管理,从资源管理的观点来看，操作系统是管理计算机资源的软件。计算机系统的资源包括两大类：硬件资源和软件资源。参见P3 图1-2一、操作系统的功能1、处理器/进程管理2、存储管理3、文件管理4、设备管理5、作业管理二、操
3、作系统的层次结构参见P5 图1-3,1.3 操作系统的服务与分类,操作系统的设计目标是：1、使系统资源得到高效利用。2、为用户创造良好的工作环境。操作系统的服务功能主要有：1、装入与执行程序。2、I/O操作。3、文件使用。4、控制作业的运行。5、检测与处理错误。,1.3 操作系统的服务与分类,一、操作系统的分类1、批处理操作系统2、分时操作系统3、实时操作系统4、单用户操作系统5、网络操作系统6、分布式操作系统,1.3 操作系统的服务与分类,二、操作系统的服务接口有：面向程序级的内层接口1、系统功能调用面向作业控制级的外层接口(人机接口)2、作业控制语言3、终端控制命令4、图形用户接口(GUI
4、)Graphic User Interface,1.4 操作系统的特性,对于现代计算机系统而言，各种类型的操作系统都具有以下四个基本特性：1、并发性。2、共享性。3、虚拟性。4、不确定性。,1.5 操作系统的硬件环境,一、程序状态字（PSW）Program State Word一般把CPU执行状态分为管态和目态。管态下，CPU可执行所有指令;目态下，CPU只能执行非特权指令。PSW是CPU中一些特殊寄存器的有序集合，控制指令的执行顺序，保留和指示与程序有关的系统状态。通常包括三个部分：1、程序的基本状态。2、中断字。3、中断屏蔽码。,1.5 操作系统的硬件环境,二、中断机构 1、中断概念2、中
5、断类型3、中断优先级4、中断响应5、中断处理和中断返回 三、存储保护界限寄存器BR（Boundary Register）作业：P17 1（2.5.7.8）、2（5.7）,第2章 处理器管理,2.1 进程概念一、多道程序设计1、程序的顺序执行参见P19 图2-1程序的顺序执行有如下特点：1)顺序性2)封闭性3)无关性4)可再现性2、程序的并发执行参见P20 图2-2,2.1 进程概念,程序的新特性：1)异步性2)竞争性3)相互制约性4)与速度有关二、进程的定义进程具有动态性、并发性、异步性、独立性和结构性五大特征。三、进程的状态最基本的代表进程生命周期的三种状态：运行、就绪、等待。参见P21 图
6、2-3,2.1 进程概念,四、进程控制块进程由三部分组成：程序、数据集合和进程控制块。五、进程结构进程结构是一种树型结构。参见P24 图2-8用户进程系统进程,2.2 进程控制,所有程序模块分成两大类：进程模块：系统进程的程序实体(SPOOLing程序、磁盘管理程序、作业流控制程序)。非进程模块：不以进程形式独立运行的程序，即原语(软指令、机器指令的延伸、系统调用命令)。注意：只有在管态下运行的系统进程可直接访问内核原语。,2.2 进程控制,一、创建进程二、停止进程三、挂起进程四、激活进程五、阻塞进程六、唤醒进程,*2.3 进程调度,引起处理器调度的原因很多，可归纳为：1、正在执行的进程运行完
7、毕。2、正在执行的进程因等待某事件发生而不能继续执行。3、为了实现进程同步而执行了某种原语操作。4、在剥夺调度中，有一个优先级更高的进程进入了就绪队列。5、在时间片轮转法中，时间片用完。,2.3 进程调度,一、处理器调度级别参见P27 图2-91、高级调度(作业调度、宏观调度)注意：一个作业被高级调度选中后，便可获得除CPU以处的必要的系统资源，如基本内存、设备资源等，被排入队列。2、中级调度(进程交换)注意：中级调度是为了提高内存的利用率和系统的吞吐量。3、低级调度(进程调度、微观调度)在进程为基本单位的系统中，进程调度是最基本的调度。,2.3 进程调度,二、调度的功能与时机进程调度程序的功
8、能是：按照某种调度算法，从就绪进程队列中挑选一个进程，将它移出就绪队列并置成执行态，同时立即启动CPU执行该进程。启动进程调度的时机为：两种。参见P28三、调度方式1、CPU周期的概念一进程在CPU上的一次连续执行过程，被称为该进程的一个CPU周期。2、调度方式1）剥夺式2）非剥夺式,2.3 进程调度,四、调度准则（1）尽量提高系统的吞吐量。（2）均衡利用资源，使CPU与外设尽量保持“忙”状态。（3）对所有的作业都应该公平，任何一个作业的完成前都不能被无限延迟。（4）若支持优先级，应对优先级高的进程提供优先服务。评估标准：（1）平均周转时间。（2）平均带权周转时间。（3）平均等待时间。,2.4
9、 调度算法,一、先来先服务算法（FCFS）二、最短者优先算法（SF）三、最高响应比者优先算法（HRRN）响应比R=响应时间/需运行时间=（已等待时间+需运行时间）/需运行时间=1+已等待时间/需运行时间四、轮转法（RR）五、最高优先级算法（HPF）两种：静态优先级和动态优先级六、多级反馈队列算法（RRMF）,2.5 线程概念,一、线程的引入二、线程的描述进程是“系统资源”和“程序代码的执行位置”的集合。线程是进程概念中“程序代码的执行位置”。三、线程的模式三种基本模式：单线程、单元线程和自由线程2.6 多处理器系统作业：P42 1(3.5.7.9)2(1.3.5),第3章 存储管理,存储器管理
10、也称存储管理，实际上是指内存管理。存储管理方案有：分区管理、分页管理、分段管理、段页式管理及虚存管理。3.1 概述内存管理，实际上是指内存用户区的管理，并不包括系统区。内存管理的目的是方便用户使用和提高内存的利用率。内存管理的主要任务是：（1）内存的分配与回收。（2）地址映射。,3.1 概述,（3）内存的共享。（4）存储保护。（5）存储扩充。3.2 地址映射 一、逻辑地址二、物理地址三、地址映射方式（1）静态映射。（2）动态映射。,3.3 分区管理,基本思想是：把内存空间划分成若干个大小可以不等的连续区域，每个用户作业分配一个区域，用户作业一次整体装入到这个区域中，并限制只能在这个区域中运行。
11、分区管理不同于其它存储管理方法的根本特征是：区域的连续和作业的整体装入。分配策略有：FF（First Fit）、BF（Best Fit）、WF（Worst Fit）、SF（Single best Fit）四种。SF是FF、BF和WF算法的一种变型算法。一、固定分区管理基本原理（参见P48）,3.3 分区管理,二、可变分区管理1.可变分区概念2.可变分区分配分配策略有：FF（First Fit）、BF（Best Fit）、WF（Worst Fit）三种。注意：BF算法不一定是最佳的，WF算法也不一定是最坏的。三、地址转换与存储保护,3.4 覆盖与交换,一、覆盖（Overlay）通常我们把可以在它
12、上面进行覆盖的内存区，叫做“覆盖区”，而可以相互覆盖的程序段叫“覆盖”。二、交换所谓交换是允许把一个作业装入内存之后，仍然能够把它换出内存（swapping out）或再换入（swapping in）内存，即指在内存与外存之间交换程序和数据。两种技术的比较：（参见P56）,3.5 分页管理,分页管理有：静态分页和动态分页两种。一、实现原理页块二、存储分配（1）直接映射（2）利用快表的地址映射三、碎片概念,3.6 分段管理,分段管理（参见P59）。一、分段的引入静态分段动态分段二、实现原理（1）作业地址空间和地址结构（2）存储管理和段表（3）地址变换过程三、分段与可变分区的区别四、分段与分页的区
13、别,3.7 段页式管理,段分页管理（参见P60）。一、实现原理三维地址空间（s,p,w）二、数据结构（1）段表SMT（2）页表PMT三、地址映射,3.8 虚拟存储器管理,一、基本概念二、请求分页管理1.请求调入及缺页中断处理2.淘汰算法（1）FIFO算法（2）LRU算法（3）LFU算法（4）NUR算法3.抖动与工作集作业：P70 1（1.5.9.16）2（5.8.10）4（5）,第4章 文件管理,4.1 概述一、文件概念文件是逻辑上具有完整意义的信息集合。文件名格式：文件名.扩展名二、文件系统的功能1、文件目录管理2、文件的组织3、文件存储空间管理4、文件操作5、文件的共享、保护和保密,4.1
14、 概述,三、文件分类（七类）1、按文件用途可分为系统文件、用户文件和库文件。2、按信息流向可分为输入文件、输出文件、输入/输出文件。3、按保存级别可分为可执行文件、只读文件、读写文件和不保护文件。等等。4.2 文件的存取方式一、文件的存储介质文件卷、块二、存取方式顺序存取和随机存取,4.3 文件目录管理,文件控制块FCB（File Control Block）一、一级目录结构二、二级目录结构主文件目录MFD（Master File Directory）用户文件目录UFD（User File Directory）三、树型目录结构（路径）四、无环图目录结构和通用图目录结构,4.4 文件的组织结构,
15、一、文件的逻辑结构1、流式文件2、记录式文件二、文件的物理结构1、磁带文件的物理组织2、磁盘文件的物理组织（顺序结构、链接结构、索引结构）三、记录的成组与分解1、记录的成组2、记录的分解,4.5 磁盘存储空间的管理,一、位示图注意：如果要求文件是物理上的顺序结构，则要找的是连续的空块。二、空闲块表空闲块表适合于顺序结构文件。三、空闲块链1、单块链接2、成组链接,4.6 文件的保护与保密,一、文件的共享共享范围、共享方式、共享时间二、文件的保护建立文件副本、建立备份或转储、文件访问的控制（存取控制表、文件访问表、文件使用权限）三、文件的保密隐藏文件目录、设置文件密码或口令、文件加密,4.7 文件
16、的操作与使用,一、文件操作（6种）建立文件、打开文件、写文件、读文件、关闭文件、删除文件。二、文件的使用4.8 虚拟文件系统VFS（Virtual File System），它是一种用于网络的分布式文件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。作业：P92 1（2.5.6.9）2（3.5.10）4（2）,第5章 设备管理,设备管理主要实现以下的功能：1、管理系统中所有的外设，使之有条不紊地工作。2、实施具体的I/O操作。5.1 概述设备管理性能可从以下几个方面来衡量：操作方便、并行操作程度高、实现输入/输出的均衡操作,5.2 I/O系统的结构,I/O系统的基本目标是向用户提供使用I
17、/O设备的方便接口以及充分发挥设备的利用率。I/O系统的基本任务：1、隐蔽设备的物理特性。2、提供独立于设备的统一接口。3、进行设备的分配和出错处理。I/O系统的层次结构从低到高包括：I/O中断处理程序；设备驱动程序及独立于设备的服务软件（逻辑I/O系统）。一、I/O中断处理程序二、设备驱动程序三、逻辑I/O系统,5.3 I/O缓冲区,引入缓冲区是为了：1、缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾。2、减少对CPU的中断次数。3、提高CPU和I/O设备之间的并行性。4、简化了中断机制，节省了系统开销。一、缓冲方式缓冲方式包括硬件缓冲方式和软件缓冲方式。二、缓冲区的设置1、缓冲区的使用方式2、缓冲区的组织,5.4 外围设备的分类与分配,5.5 存储设备简介,5.6 磁盘的调度,5.7 设备的操作,5.8 虚拟设备,第6章 作业管理,6.1 作业概念,第7章 并发进程,7.1 并发进程概念,7.1 并发进程概念,第8章 死锁,8.1 死锁的产生,第9章 操作系统实例,9.1 UNIX操作系统,9.1 UNIX操作系统,
