第六章操作系统原理.doc

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1、第六章 操作系统原理第一节 操作系统概论一、什么是操作系统没有软件的计算机称为裸机，用户很难使用。操作系统（OS）：加在硬件基础上的第一层软件。组织、控制和管理计算机系统的各类资源的程序和数据结构的集合。是用户（应用程序）与计算机硬件之间的接口。二、操作系统的目标1、方便性：使计算机易学易用、共享资源 2、有效性：提高系统资源的利用率和吞吐量 3、可扩充性：能适应硬件的发展，容易升级 4、开放性：使应用程序具备可移植性和互操作性 第二节 操作系统的发展一、发展过程（1）、无操作系统的计算机系统（19451955） 计算机操作是由用户采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔

2、(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机， 然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一个用户上机。特点:1、 用户独占全机2、 CPU等待人工操作3、 独占性4、 串行性缺点:1、计算机的有效机时严重浪费2、效率低（2）、批处理系统 （1955-1965）1、单道批处理系统 批处理：是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。 作业：是用户一次请求计算机系统为其完成任务所进行的工作总和，由若干个作业步组成。 单道批处理在内存中仅有一道作业。 单道批处理系统的特征 A 、自动性 B 、顺序性 C 、单道性 2、

3、多道批处理系统 多道程序设计的基本概念 在计算机内存中同时存放若干道程序，交替运行，当前程序如因某种原因不能继续运行，将另一道投入运行，从而使处理机得到充分利用。 多道程序设计技术的出现依赖于通道技术、中断技术和缓冲技术。多道批处理系统的特点 A、多道，资源利用率高 B、系统吞吐量大 C、可提高内存和I/O设备利用率D、平均周转时间长E、无交互能力。（3）、分时系统（1965-1980） 1. 分时的概念 指多个用户分时使用CUP的时间，CPU的时间分成若干段，叫时间片，轮流分配给用户使用。一般时间片限短0.2S，用户请求响应时间2-3S，用户好像独占了CPU。2.分时操作系统工作方式 一台主

4、机连接了若干个终端每个终端有一个用户在使用交互式的向系统提出命令请求系统接受每个用户的命令采用时间片轮转方式处理服务请求并通过交互方式在终端上向用户显示结果用户根据上步结果发出下道命令3.分时操作系统特点 A、多路性：同时有多个用户使用一台计算机。宏观上：是多个人同时使用一个CPU；微观上：多个人在不同时刻轮流使用。B、交互性： 用户根据系统响应结果进一步提出新请求C、“独占”性：用户感觉不到计算机为其他人服务D、及时性：系统对用户提出的请求及时响应（4）、 实时系统 实时系统(Real-Time System)是用户请求的操作必须在规定的时间内进行处理并加以响应。如股票交易系统。 特点： 1

5、、实时系统的程序是预先编好的，用户不能更改。 2、及时性要求高，系统可靠性高。 实时操作系统的分类1、实时控制系统：生产过程控制系统，又称计算机控制系统。 如：钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、炼油、化工生产过程的自动控制,军事控制等。2、实时信息处理系统：根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间内对用户做出正确回答。例如：银行，机票订购系统、股市行情实时信息处理系统等。二、发展方向1. 多处理机操作系统 多处理机系统由多个独立的处理机组成，每个处理机都能够独立执行自己的程序。 处理机：CPU和内存。 多处理机操作系统即并行计算机系统。在统一的操作系统管理下，实现作业并行处理。2. 网

6、络操作系统 使网络上各计算机方便有效共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关通信协议程序的集合。 基本功能： 数据通信 资源管理 网络管理 提供网络服务 提供网络接口3. 分布式操作系统分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互联网络的连接而形成的系统。是网络操作系统的更高级的形式,它保持了网络操作系统的全部功能。网络和分布式的区别:A 分布具有各个计算机间相互通讯,无主从关系;网络有主从关系 B 分布式系统资源为所有用户共享;而网络有限制的共享 C 分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务4.微型机(个人）操作系统计算机在某一时间内为单用户服务,其追求目标是界面友好，

7、使用方便，丰富的应用软件。A、MS-DOSB、微机多任务操作系统第三节 操作系统的特征一、并发性（Concurrence）1、并行与并发：并行性： 是指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性： 是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行。在微观上，这些程序是在交替执行的 。 二、共享性（Sharing） 系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。可分为两种资源共享方式：1、 互斥共享方式在一段时间内只允许一个进程访问该资源，这个资源称为临界资源。2、 同时访问方式宏观上“同时”：允许在一段时间内由多过进程同时对资源进行访问。微观上“轮流”（交替访问）：

8、对该资源进行访问。三、虚拟性（Virtual）虚拟：是指通过某种技术把一个物理设备实体变为若干个逻辑上的对应物。四、异步性（Asynchronism）异步性：进程是以人们不可预知的速度向前推进的，但结果要保证是固定的。第四节 操作系统的主要功能一、处理机管理 主要任务：是对处理机的分配和运行实施有效管理。对处理机管理，可归结为对进程的管理。1 进程的概念进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位。可以简单地理解为“进程是程序的一次执行”。“进程是可以和别的计算并发执行的计算”。2、程序与进程之间的区别： 进程更能真实地描述并发，而程序不能 进程

9、是由程序和数据两部分组成的 进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂的。而程序是相对长久的 程序是静态的，进程是动态的 一个程序可对应多个进程，反之亦然 进程具有创建其它进程的功能，而程序没有3、进程的分类： 系统进程：用于完成操作系统的各种功能的进程 用户进程：由用户启动的进程。 （系统进程优先于用户进程）最基本的系统进程这些进程是系统运行的基本条件，有了这些进程，系统才能正常运行。 smss.exe 该进程调用对话管理子系统，负责启动用户会话。 csrss.exe 子系统服务器进程 winlogon.exe 管理用户登录 services.exe 包含很多系统服务 lsass.exe 管理IP安

10、全策略以及IP安全驱动程序。(系统服务) svchost.exe 包含很多系统服务 SPOOLSV.EXE 将文件加载到内存中以便迟后打印。(系统服务) explorer.exe 资源管理器4、进程的基本状态及其转换进程的三种基本状态： 运行状态（Running）：也称为执行状态，进程占有CPU，并在CPU上运行就绪状态（Ready）：一个进程已经具备运行条件，但由于无CPU时间分配暂时不能运行的状态。等待状态（Blocked）：指进程因等待某种事件的发生而暂时不能运行的状态。阻塞态、挂起态、封锁态、冻结态、睡眠态（即使CPU空闲，该进程也不可运行）状态转换：在进程运行过程中，由于进程自身进展

11、情况及外界环境的变化，这三种基本状态可以依据一定的条件相互转换。 A 就绪运行: 被调度程序选中 B 运行就绪: 时间片运行完毕时,或有更高优先级的进程出现 C 运行等待:由于某一条件不满足，导致退出运行状态，等待某事件发生 D 等待就绪: 引起等待的条件被满足，等待的事件发生了5、进程控制块（Process Control Block） 系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构，用它来记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程。PCB的内容：调度信息：进程名；进程的内部标识；用户名；进程状态；进程优先级； .现场信息：记录了重要的寄存器；(虚)时钟等内容程序、数据、进程控制块被称为进程实体或

12、三要素。6、进程的特征 A、并发性：任何进程都可以同其他进程一起向前推进。B、动态性进程对应程序的执行；进程是动态产生，动态消亡的；进程在其生命周期内，在三种基本状态之间转换。C、独立性：进程是CPU调度的一个独立单位D、交互性：指进程在执行过程中可能与其它进程产生直接或间接的关系E、异步性：每个进程都与其相对独立的不可预知的速度向前推进F、结构性：进程的组成：程序+数据+PCB7、进程管理的主要功能A、进程控制：进程控制的基本功能就是创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。B、进程同步：所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调。最基本的进程同步方式是使诸进程以互斥方式访问临界资源。C、进程

13、通信：对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为进程通信。 D、进程调度：当一个正在执行的进程已经完成，或因某事件而无法继续执行时，系统应进行进程调度，重新分配处理机。进程调度是指按一定算法，如最高优先算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进程设置运行现场，并使之投入运行。 调度方式可剥夺式（可抢占式Preemptive）： 当有比正在运行的进程优先级更高的进程就绪时，系统可强行剥夺正在运行进程的CPU，提供给具有更高优先级的进程使用不可剥夺式（不可抢占式Nonpreemptive ）： 某一进程被调度运行后，除非由于它自身

14、的原因不能运行，否则一直运行下去各种进程调度算法先进先出进程调度算法（FIFO）：按照进程就绪的先后次序来调度进程 优点:实现简单 缺点:没考虑进程的优先级 基于优先数的调度（HPFHighest Priority First）：优先选择就绪队列中优先级最高的进程投入运行优先级根据优先数来决定时间片轮转程序调度算法(RRRound Robin) 把CPU划分成若干时间片,并且按顺序赋给就绪队列中的每一个进程，进程轮流占有CPU，当时间片用完时，即使进程未执行完毕，系统也剥夺该进程的CPU，将该进程排在就绪队列末尾。同时系统选择另一个进程运行。多队列反馈调度算法：将就绪队列分为N级，每个就绪队列

15、分配给不同的时间片，队列级别越高，时间越长，级别越小，时间片越小，最后一级采用时间片轮转，其他队列采用先进先出； 系统从第一级调度，当第一级为空时，系统转向第二个队列，.当运行进程用完一个时间片，放弃CPU时，进入下一级队列；等待进程被唤醒时，进入原来的就绪队列；当进程第一次就绪时，进入第一级队列 二、存储管理存储器管理的主要任务: 为多道程序的并发运行提供良好环境； 便于用户使用存储器； 提高存储器的利用率； 为尽量多的用户提供足够大的存储空间存储器管理的功能： 内存分配：多道程序能并发执行的首要条件是，各道程序都有自己的内存空间，因此，为每道程序分配内存是存储器管理的最基本功能。 内存保护

16、：为保证各道程序都能在自己的内存空间运行而互不干扰，要求每道程序在执行时能随时检查对内存的所有访问是否合法。必须防止因一道程序的错误而扰乱了其它程序，尤其应防止用户程序侵犯操作系统的内存区。地址映射：在多道程序的系统中，操作系统必须提供把程序地址空间中的逻辑地址转换为内存空间对应的物理地址的功能。地址映射功能可使用户不必过问物理存储空间的分配细节，从而为用户编程提供了方便。内存扩充：由于物理内存的大小可能限制了大型作业或多个作业的并发执行，为了满足用户的要求并改善系统性能，必须对内存加以扩充。但我们无须去真正地增加内存空间，而只须借助于虚拟存贮技术，便可获得这样地效果，使系统能运行内存要求量远

17、比物理内存大得多得作业，或让更多得作业并发执行。 三、设备管理1、设备管理的主要任务:A、为用户程序分配I/O设备；B、完成用户程序请求的I/O操作；C、提高CPU和I/O设备的利用率；D、改善人机界面。2、设备管理程序应具有的功能A、缓冲管理：几乎所有的外围设备于处理机交换信息时，都要利用缓冲来缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾，和提高CPU与设备、设备与设备间操作的并行程度，以提高CPU和I/O设备的利用率。B、设备分配：系统根据用户所请求的设备类型和所采用的分配算法对设备进行分配，并将未获得所需设备的进程放进相应设备的等待队列。 C、设备处理：启动指定的I/O设备，完成用户规定的I

18、/O操作，并对由设备发来的中断请求进行及时响应，根据中断类型进行相应的处理。D、虚拟设备功能：通常，把一次仅允许一个进程使用的设备称为独占设备。系统可通过某种技术使该设备成为能被多个用户共享的设备，以提高设备利用率及加速程序的执行过程。可使每个用户都感觉到自己在独占该设备。 四、文件管理1、文件存储空间管理：为新文件分配外存空间，收回释放的文件空间2、文件操作一般管理：文件的创建、删除、打开、关闭等 3、目录管理：实现文件的按名存取4、文件读写管理和存取控制：保证信息安全，读写接口管理5、方便用户使用，提供用户界面： 命令界面：用户直接或间接地控制自己的作业程序界面：用户程序取得操作系统服务的唯一途径图形界面：容易识别的各种图标五、作业管理1、作业调度：作业调度是指根据系统的能力和当前作业的运行情况，按一定策略，从后备作业队列中选出一批作业，为它们分配所需的I/O设备和存储空间，将它们调入内存并为之建立相应的进程，使之成为具有获得处理机资格的侯选进程。2、作业控制：作业控制是指作业从进入系统开始，直到运行完成的整个过程中，用户可通过某种形式向系统发出各种命令，以对自己的作业进行控制和管理。