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1、总学时：64学时上课时间：1-13周（52学时）实验时间：7、8、11周（12学时）考试时间：第19周,1,操作系统原理复习大纲,任课教师：李 玲中南财经政法大学 信息与安全管理学院,考试内容,第1章 引论（基础）第2章 作业管理和用户接口（次重点）第3章 进程管理和处理机管理（重点）第4章 存储管理（重点）第5章 设备管理（重点）第6章 文件系统（重点）第7章 以后（含第8章）不作为考试范围,3,操作系统的概念操作系统的功能（5大功能）操作系统的类型：批处理、多道、多道批处理、分时、实时系统操作系统的特性和性能指标中断系统：中断的概念、中断的处理过程,4,第1章 引论,从操作系统的角度来看计
2、算机系统的组成：,操作系统的概念,5,操作系统的定义,操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的软件和硬件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。,6,操作系统的功能,处理机管理（CPU）（第3章）存储管理（内存）（第4章）设备管理（外设）（第5章）文件管理（外存上信息的管理）（第6章）-软件资源管理计算机的各种资源，提高计算机的利用率。作业管理（第2章）为用户提供方便易用的接口（界面）,7,硬
3、件资源,计算机发展分为四个阶段：194650年代末：第一代，电子管时代，无操作系统 50年代末60年代中：第二代，晶体管时代，批处理系统 60年代中70年代中：第三代，集成电路时代，多道程序系统 70年代中期至今：第四代，大规模、超大规模集成电路时代，分时系统、实时系统,操作系统的历史,8,早期的批处理分为2种：联机批处理 脱机批处理 联机批处理：由CPU直接控制作业的输入输出。脱机批处理：由卫星机（外围机）控制作业的输入输出。,批处理系统的分类,9,多道程序系统的特点,多道宏观上并行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用
4、CPU，多道程序交替使用CPU。,10,多道批处理操作系统的主要特征：（1）成批处理（2）多道程序运行分时操作系统的主要特征：（1）交互性（2）共享性（3）独占性实时操作系统的主要特征：（1）即时响应（2）高可靠性,11,操作系统的基本类型,12,操作系统的性能指标,RSA可靠性（Reliability）：系统正常工作的时间；可维修性（Serviceability）：从故障发生到故障修复所需要的时间；可用性（Availability）：系统在执行任务时能正常工作的概率。,P24第2、3、4、5、6、7、8、10、11、12、14、15、16、17、18、21,13,习题要求,用户和操作系统间的
5、接口：2种接口（程序接口和命令接口）系统调用：操作系统内提供的一些子程序命令接口分为2种：联机接口和脱机接口作业管理的基本概念作业、作业步作业管理的功能作业的输入与输出（3种）作业调度（作业的4种状态、JCB、3种作业调度算法）作业控制（2种方式：脱机方式和联机方式）,14,第2章 作业管理和用户接口,用户态和系统态,处理机在用户程序中执行称为用户态（目态）。处理机在系统程序中执行称为系统态（核心态、管态）。系统调用：调用程序（用户的源程序）在用户态，被调用程序在系统态。,15,联机输入/输出脱机输入/输出Spooling系统联机输入/输出：由CPU直接控制作业的输入输出。脱机输入/输出：由卫
6、星机（外围机）控制作业的输入输出。Spooling系统：外围设备同时联机操作。,2.3 作业的输入与输出,16,2.4 作业调度,2.4.1 作业的状态 作业从提交给系统直到它完成后离开系统前的整个活动过程，要经历四种不同状态：提交状态 后备状态 运行状态 完成状态,17,2.4.4 作业调度算法,作业调度是按照某种调度算法从所有处于后备状态的作业队列中挑选一个或多个作业进入主存中运行。1先来先服务调度算法（First Come First Served,FCFS）2短作业优先调度算法(Shortest Job First,SJF)3响应比高者优先调度算法,18,P44第1、2、3、4、5、6
7、、7、9、12、13,19,习题要求,进程及其有关概念：并发、进程的定义及特征、进程的类型进程管理：进程的状态及其转化、进程的组成、PCB、进程调度进程的同步与互斥：临界区、临界资源、用信号量机制解决进程同步和互斥问题（3个经典问题：生产者-消费者问题、读者-写者问题、哲学家进餐问题）进程通信：高级通信（消息通信：直接通信和间接通信）死锁：产生死锁的条件；解决死锁的对策,20,第3章 进程及处理机管理,21,3.2.1 进程的状态及其转换,3.2.2 进程的结构,1.进程的组成进程由三部分组成程序：是进程中能被进程调度程序选中，并在CPU上执行的程序代码段，它描述了进程所完成的功能。数据集合：
8、程序运行时所需的数据区和工作区。这两者称为进程的实体。进程控制块（PCB）：包含了有关进程的描述信息、控制信息以及资源信息，是进程动态特征的集中反映。,22,进程调度算法,先来先服务调度算法(FCFS：First Come First Serve)短进程优先调度算法(Shortest Process First,SPF)时间片轮转法P68 例子,23,3.3 进程的同步与互斥,并发系统中，进程之间有两种不同的制约关系：1互斥关系，也称间接制约关系。有些资源需要互斥使用，各进程竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥。比如两个不同的进程同时要求使用打印机，如果我们不加以控制，打印出来的就是两
9、个内容的夹杂，为了避免这种情况的发生，各进程必须独占打印机。2同步关系，也称直接制约关系。指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。,24,临界资源：一次只允许一个进程使用的资源。如：打印机。临界资源可能是硬件，也可能是软件：变量，数据，表格，队列等。临界区:进程中访问临界资源的那段代码。,25,3.3.1 临界区,P,V 操作讨论,信号量的物理含义：S0表示有S个资源可用S=0表示无资源可用S0则|S|表示等待队列中的进程个数P(S)表示申请一个资源 V(S)表示释放一个资源。信号量的初值应该大于等于0,26,P，V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一
10、个V操作 当为互斥操作时，它们同处于同一进程 当为同步操作时，则不在同一进程中出现如果P(S1)和P(S2)两个操作在一起，那么P操作的顺序至关重要,一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时，同步P操作在互斥P操作前；而两个V操作的顺序无关紧要。,27,P,V 操作讨论,掌握3个经典问题：生产者-消费者问题读者-写者问题哲学家进餐问题,28,用信号量机制解决进程同步和互斥问题,3.4.1 进程通信的概念,进程通信：指进程之间的信息交换。按通信内容可以划分为2种：低级通信：进程之间控制信息的交换。信息交换量少，一般只传送一个和几个字节的信息，达到控制进程执行速度的作用。（例如，进程的同步和互斥）高
11、级通信：用户可以直接利用OS所提供的一组通信命令，高效地传送大量数据的一种通信方式。常引进共享存贮器和消息系统等技术。,29,3.4.2 消息通信,在消息通信中，进程间的数据交换是以消息为单位。程序员直接利用系统提供的一组通信命令（原语）来实现通信。因其实现方法的不同，又可分为：直接通信方式（消息缓冲机制）间接通信方式（邮箱通信方式）,30,直接通信方式：发送进程直接将消息发送给接收进程，并将它挂在接收进程的消息缓冲队列上。接收进程从消息缓冲队列中取得消息。故称为消息缓冲机制。间接通信方式：发送进程将消息发送到某个中间实体（一般称为邮箱）中，接收进程从中取得消息，所以称为邮箱通讯方式，在网络中
12、称为电子邮件系统。,31,3.4.2 消息通信,死锁Deadlock：是计算机系统中多道程序并发执行时，两个或两个以上的进程由于竞争资源而造成的一种互相等待的现象（僵局），如无外力作用，这些进程将永远不能再向前推进。,32,死锁的定义,产生死锁的原因1.系统资源不足：当系统中供多个进程所共享的资源，不足以同时满足它们的需要时，引起它们对资源的竞争而产生死锁；2.进程推进顺序不当：进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，导致进程的死锁。,33,3.5.2 产生死锁现象的条件,产生死锁的4个必要条件,互斥条件：出现死锁的系统中必须存在需要互斥使用的资源（临界资源）。占有等待条件：出现死锁的系统
13、中一定有这样的进程，它们已分配到了某些资源，并且在等待另外的资源。非剥夺条件：出现死锁的系统中一定有不可剥夺使用的资源。循环等待条件（环路条件）：存在一种进程的循环链，链中的每一个进程已获得的资源同时被链中的下一个进程所请求。,34,P105第1、2、3、4、5、8、9、10、11、19、20、21、22、23、24、25、26、31、32、33、34、35、37、38、39、40、41、42,35,习题要求,可变式分区/动态分区管理的原理，优缺点。覆盖与交换的概念。页式管理原理，地址变换过程及越界保护，请求分页管理中的缺页中断及其处理过程。联想存储器-快表页面置换算法，FIFO算法中的Bel
14、ady异常现象。段式管理原理，地址变换过程及越界保护，请求分段管理中的缺段中断及其处理过程。,36,第4章 存储管理,地址空间和存储空间 用户编程所用的地址称为逻辑地址（或相对地址，或虚地址），由逻辑地址组成的空间称为地址空间（或程序地址空间）。其首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址来编址。不能用逻辑地址在内存中读取信息。内存的每个存储单元都有一个编号，这种编号称为内存地址（或称为物理地址，绝对地址，实地址）。内存地址的集合称为存储空间（或内存空间，物理地址空间）。,37,4.1.2 存储管理中使用的几个概念,地址重定位 当用户程序被装入计算机系统并请求执行时，存储管理首先要为它分配合适
15、的内存空间。该内存空间的起始地址是不固定的，而且逻辑地址与分到的内存空间的物理地址经常不一致。也就是说，每个逻辑地址在内存中没有一个固定的物理地址与之对应。为了保证程序的正确执行，必须根据分配给程序的内存空间对程序中指令和数据的存放地址进行重定位，即要把逻辑地址转换成物理地址。把逻辑地址转换成物理地址的工作称“地址重定位”或“地址映射”或“地址变换”。,38,4.1.2 存储管理中使用的几个概念,实现地址重定位的方法有两种：静态重定位和动态重定位。静态重定位：在装入一个程序时，把程序中的指令地址和数据地址全部转换为物理地址，在程序执行过程中就不需要再进行地址转换的工作。（地址转换工作是在程序执
16、行前集中一次完成的）动态重定位：在装入程序时，不立即进行地址转换，而是直接把程序装入所分配的内存区域中。然后，在程序执行过程中，每执行一条指令时都由硬件的地址转换机构将程序指令中的逻辑地址转换成物理地址。,39,4.1.2 存储管理中使用的几个概念,分区分配是指把主存划分成若干个连续的区域，每个用户占有一个，这样就实现了多个用户作业共享主存空间。根据分区方式的不同，可分为：固定式分区可变式分区,4.2.2 分区分配,40,从内存动态分配的过程中，可以看到，内存中的分区数目和大小随着系统的运行在不断发生变化，所以叫“可变式分区”。为了方便内存的分配和回收，可采用以下两种方法对可变式分区进行管理：
17、分区说明表和空闲区链。,41,2.可变式分区,空闲区链的管理方法,常用空闲区链的管理方法有三种：（1）首次适应算法（2）最佳适应算法（3）最坏适应算法,42,各种存储方法比较-1,43,44,各种存储方法比较-2,45,各种存储方法比较-3,存储管理方式小结-1,连续分配方式：指为一个系统或用户程序分配一个连续的空间，主要有：单一连续区分配；（）分区分配，是一种可用于多道程序的一种较简单的存储管理方式，又分为固定式分区和可变式分区。（）非连续/离散分配方式：为了减少因连续分配所产生的碎片，提高内存的利用率产生了非连续分配方式，它可将一个用户程序离散地分配到内存中的多个不相连接的区域中。其方式有
18、：a.分页存储管理；（4.3）b.分段存储管理；（4.5）c.段页式存储管理。（4.6）,46,虚拟存储管理：为了满足用户对内存的需要，进一步提高内存利用率，又形成了一种虚拟存储管理方式。其方式有：a.请求分页管理；（4.4）b.请求分段管理；（）,47,存储管理方式小结-2,P150第1、2、3、5、6、8、9、12、13、14、16、17、18、19、20、21、22、24、25、26、28,48,习题要求,在采用页式存储管理的系统中，某作业J的逻辑地址空间为4页（每页2048字节），且已知该作业的页表如下：试借助地址变换求出逻辑地址4865所对应的物理地址。,练习-1,49,4865/2
19、048 商=2 余=769页号：2 查页表块号：66=（110）2 769=（）2物理地址：,=（13057）10,50,练习-1,某程序在内存中分配3块内存，初始为空，访问页的走向为2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2，用FIFO和LRU算法分别计算缺页次数。FIFO-先进先出算法LRU-最近最久未使用淘汰算法,51,练习-2,FIFO 2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2块1 2 2 2 2 5 5 5 5 3 3 3 3块2 3 3 3 3 2 2 2 2 2 5 5块3 1 1 1 4 4 4 4 4 2 x x x x x x x x x共缺页中断9次,52,练习
20、-2,LRU 2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2块1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3块2 3 3 3 5 5 5 5 5 5 5 5块3 1 1 1 4 4 4 2 2 2 x x x x x x x 共缺页中断7次,53,练习-2,在分页存储管理系统中，有一作业大小为4页，页长为2K，页表如下：试借助地址变换图（即要求画出地址变换图）求出逻辑地址4635所对应的物理地址。,54,练习-3,3,1,6,3,7,2,5,0,块号,页号,00010,00111,页表首址,+,0,10,物理地址为：14875,逻辑地址,55,练习-3,设备的分类；设备管理的功能4种I/O
21、控制方式通道技术设备处理的两种方式磁盘的物理性能和磁盘调度算法：3种先来先服务算法（FCFS）最短寻道时间优先算法（SSTF）扫描法（SCAN）,56,第5章 设备管理,通常将外围设备和内存之间数据传送的控制方式分为4类：（1）程序直接控制方式（2）中断控制方式（3）直接存储器存取（DMA）方式（4）通道控制方式,57,5.3.2 I/O控制方式的演变,字节多路通道数据选择通道数组多路通道:综合前二个优点（数据传送率和通道利用率都较高）,5.3.3 通道的类型,58,P181第1、2、3、4、5、7、8、9、13,59,习题要求,1、文件的逻辑结构（2种）和存取方法（3种）2、文件的物理结构（
22、4种）和存储空间管理（3种方法）3、文件结构与存储设备以及存取方法的关系（图6.12）4、文件目录结构（3种）,60,第6章 文件系统,文件组织的两种观点,用户观点/使用观点（逻辑结构）：研究的是用户思维中的抽象文件，也叫逻辑文件。其目的是为用户提供一种结构清晰、使用简便的逻辑组织。用户按此去存储、检索和加工处理有关文件信息。系统观点/实现观点（物理结构）：研究的是存储在物理设备介质上的实际文件，即物理文件。其目的是选择一些性能良好、设备利用率高的物理结构。系统按此和外部设备打交道，控制信息的传输和存储。,61,文件的逻辑结构是用户可见的结构。文件的逻辑结构分为两大类：字符流式的无结构文件和记
23、录式的有结构文件。,6.2.1 文件的逻辑结构,62,用户通过对文件的存取来完成对文件的修改和搜索等操作。常用的存取方法有3种：顺序存取：按照文件的逻辑地址顺序存取。在记录式文件中，按记录的排列顺序来存取。在流式文件中，在存取完一段信息之后，读写指针自动加上或减去该段信息的长度，指出下一个要访问的信息的位置。随机（直接）存取：允许用户根据记录的编号来存取文件的如何一个记录，或者是根据存取命令把读写指针移到准备读写信息的位置。按键（key）存取：按给定的键或记录名进行存取。此方法在数据库信息管理系统中被广泛应用。,6.2.2 文件的存取方法,63,常用的文件物理结构有：1.连续文件2链接文件3索
24、引文件4索引链接文件,64,6.2.3 文件的物理结构,65,6.2.4 文件结构与存储设备以及存取方法的关系,6.3 文件存储空间管理,文件存储空间管理是指文件存储空间的分配与回收管理。文件存储空间的分配与回收和内存的分配与回收是类似的。只不过内存的分配是以字节为单位。而文件存储空间的分配是以物理块为单位。空闲块的管理方法有三种：空白文件目录位示图空白块链,66,文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息。文件控制块是文件存在的标志，对每个文件都要设立一个文件控制块。JCB（Job Control Block）-作业控制块-作业存在的标志PCB（Pro
25、cess Control Block）-进程控制块-进程存在的标志,6.4.1 文件控制块（FCB）,67,P224第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11,68,习题要求,期末考试试卷的形式,一、填空题：（15小题，每空0.5分，共11分）例如：进程一般由（）、（）和（）三个部分组成。二、单项选择题：（10小题，每题1分，共10分）例如：操作系统本身是一种系统软件，它（）。A、只能管理软件 B、只能管理硬件 C、既不能管理软件，又不能管理硬件 D、既能管理软件，又能管理硬件,69,三、多项选择题：（5小题，每题2分，共10分）例如：作业的生命期内，共有提交、_四种状态。A.输入 B.
26、后备 C.运行 D.完成四、判断题：在你认为正确的题上写上“”；在你认为是错误的题上写上“”并改正。（10小题，每题2分，共20分）例如：系统处于不安全状态不一定是死锁状态。五、简答题：（4小题，每题5分，共20分）例如：对文件的存取有哪两种基本方式？,70,期末考试试卷的形式,六、计算题：（3小题，每题7分，共21分）对于页式存储管理，逻辑地址空间最大为8页，每页1024字节，主存共有16个存储块，则逻辑地址至少应为多少位？主存空间有多大？答案：13位；16K七、算法设计题（共1题，8分）关于信号量机制和PV操作如何定义信号量：要求写出信号量的初值理解PV操作的含义,71,期末考试试卷的形式,联系方式：李玲邮箱：手机：,72,
