操作系统概论(1)

1第1章操作系统概论本章知识点：1.1操作系统的作用1.2操作系统的演变1.3操作系统的主要成就1.4操作系统举例(略)1.5操作系统的主要研究课题21.1操作系统的作用操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的接口程序模块，它是计算机系统的核心控制软件，其职能是控制和管理系统内各种资源，有效地组织多道程序的运行，从而为用户提供良好的工作环境，达到使用方便、资源分配合理、安全可靠等目的。操作系统是现有软件系统中最复杂的软件之一。Denning[美]认为，到目前为止，在操作系统的研究开发方面主要取得了进程、内存管理、信息保护与安全、调度与资源管理和系统结构等五项成就。31.1.1硬件系统和应用程序间的界面由操作系统定义的软、硬件和数据，给程序员提供了方便的界面，使程序员和应用程序更容易获取和使用计算机系统中的资源、工具和服务。41.1.1硬件系统和应用程序间的界面OS具有如下功能：①程序创建—提供多种工具和服务帮助编程。②程序执行—装载指令、数据，资源初始化。③I/O设备的访问—提供R/W操作来使用、控制I/O。④控制对文件的访问—识别I/O设备属性、存储介质上的文件结构、控制访问文件的保护机制（多用户）。⑤系统访问—为共享或公用系统提供控制访问。⑥查错和纠错—对运行中错误的应对。⑦簿记—资源的使用、程序执行情况的数据记录。51.1.2作为资源管理者作为资源管理器的操作系统：I/O设备内存处理器处理器I/O控制器I/O控制器I/O控制器操作系统软件程序和数据数据程序OS61.1.3推动操作系统发展的因素操作系统的演变主要基于以下因素：①硬件升级以及新的硬件类型；②新服务；③修补；71.2操作系统的演变操作系统发展至今已有三十多年。设计操作系统主要有两个目的：第一，为程序的开发和执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，操作系统对各个计算活动进行调度。81.2.1串行处理系统最早的计算机，从20世纪40年代末到50年代中期，程序员直接与硬件接触，根本没有OS。计算机运行在一个集成了指示器、各种开关、一些输入设备以及一个打印机的控制台之上。早期的这种系统存在两个问题：(1)上机安排难(2)启动时间长91.2.2简单批处理系统简单批处理系统是专业计算机操作员（或机器）按作业的性质将作业按类分成若干组，然后一组一组地来运行作业。在早期计算机系统中，引进简单批处理系统可以减少安装磁带、装入程序和返绕磁带等有关的工序浪费的时间，因此，也就减少了计算机的空闲时间。批处理系统实质上不提供用户和程序之间的交互功能。程序中的所有问题必须事先安排好，也不能进行联机修改。101.2.2简单批处理系统简单批处理系统的中心思想是，通过应用一种被称为监控器的软件，使用户不必再直接接触机器，而是先通过卡片机和纸带机向计算机控制器提交作业，由监控器将作业组织在一起构成一批作业，然后将整批作业放入由监控器管理的输入设备上，每当一个程序执行完毕返回监控器时，监控器已自动装入下一个程序。111.2.2简单批处理系统批处理系统存在很多不方便之处，主要有：用户不能与其作业交互以捕捉程序中的问题。用户程序中的所有问题必须事先安排好，否则程序的排错就可能在转储信息上盲目地进行。此外，对一个用户作业而言，可能需要较长的周转时间。在批处理系统中，为了避免有意或无意地读取他人的卡片，必须建立监控和用户两种操作态，使其只有在监控态下才能读控制卡。通过建立一组仅能在监控态下执行的特权指令，操作系统就能保证在任何时候都能控制整个系统。121.2.3多道程序批处理系统多道程序设计技术就是在内存中同时保持若干道程序，系统按某种调度策略交替执行这些程序，使CPU保持最少的空闲时间。多道程序设计的主要优点是通过将用户的CPU请求和I/O请求重叠起来的办法来有效地使用CPU和外设。它设法让CPU总有事情可做，以此来提高CPU和外设的利用率。131.2.3多道程序批处理系统设想一台电脑配备256KB的可用内存空间(未被OS占用的)，一个磁盘，一个终端和一台打印机。3个程序JOB1、JOB2和JOB3，同时被提交执行，如下表所列。JOB1JOB2JOB3作业类型偏重计算偏重I/O偏重I/O执行时间5min15min10min所需内存50KB100KB80KB是否需要磁盘NONOYES是否需要终端NOYESNO是否需要打印机NONOYES单道执行情况如图1.7多道执行情况如图1.8141.2.3多道程序批处理系统多道程序设计在提高资源利用率方面产生的效果单道程序设计多道程序设计处理机使用17%33%内存使用30%67%磁盘使用33%67%打印机使用33%67%经过时间30min15min吞吐率6jobs/h12jobs/h平均响应时间18min10min151.2.4分时系统分时系统是一种由调度策略和多道程序设计技术所构成的、同时供两个或多个用户使用的一种经济实惠的系统。分时系统的主要优点是：当程序正在执行时，允许用户与计算机交互，从而大大缩短了系统的响应时间，增加了用户调试程序和控制程序运行的灵活性。161.2.4分时系统分时系统通常采用的实现方法是：先对每一用户作业分定一个时间片，再按轮转方式来执行这些作业。用户作业可以继续运行直至其时间片执行完或发生一个（I/O）中断，才暂停此作业的运行而让另一作业运行，暂停的作业则等到再次轮到它时又可继续运行下去，系统中的作业都用这种方式轮转执行。171.2.5实时系统实时系统是在响应时间方面有严格制约的专用系统。实时系统与其他普通的系统之间的最大不同之处就是要满足处理与时间的关系。实时系统与分时系统的区别在于：在分时系统中，快速响应是需要的，但不是必需的；在实时系统中，处理事务必须在适合于此系统的特定时间限额内完成。181.2.5实时系统实时操作系统主要是为联机实时任务服务的，相比分时系统它有其自身的特点：(1)与分时系统一样具有多路性和独立性。(2)对外部实时信号必须能及时响应，响应的时间间隔要足以控制发出实时信号的那个环境。(3)整体性强。(4)有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。(5)要求有高可靠性和安全性，系统的效率则放在第二位。191.3操作系统的主要成就操作系统是现有软件系统中最复杂的系统软件之一。到目前为止，操作系统已取得了5项主要成就：进程、内存管理、信息的保护与安全性、调度与资源管理、系统结构。201.3.1进程进程是操作系统结构的基础。进程就是：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。进程由以下3部分组成：①一个可执行的程序；②该程序所需的相关数据(变量、工作空间，缓冲区等)；③该程序的执行上下文(Context)。211.3.1进程典型的进程实现···ibh进程索引上下文进程表列内存······数据程序上下文数据程序j进程A进程Bi寄存器PC基址寄存器b限制寄存器h···其他寄存器进程B正在执行；进程A被中断221.3.2存储管理操作系统的5条存储管理原则：①进程隔离。②自动分配和管理。③支持组件编程—存储器共享使得一个程序具有对另一程序的存储空间进行寻址得可能性。④长时间存储。⑤保护和存取控制。操作系统通常用虚拟存储器和文件系统来满足。231.3.2存储管理看待存储系统的两种不同观点虚拟处理器读、写复制文件虚拟存储器长期存储设备(b)操作系统设计者观点实际处理器虚拟地址映射器(地址转换器)存储器地址内存交换辅存(a)用户观点241.3.3信息保护和安全性同计算机系统和存储在其中的信息的存取控制有关的4种保护策略：①不共享：进程完全独立，资源有排它控制权。②共享原始程序或数据文件：一个物理上存在的程序可以在多个虚拟地址空间中出现，对写操作要加以保护。③无存储子系统：进程被分为多个子系统。系统服务进程不保存用户应用进程的信息；用户应用进程也无法知道系统服务进程的算法。④控制信息的分布：用户和应用程序都要进行安全检查，而数据和其他资源都有一个安全级别。251.3.3信息保护和安全性同操作系统有关的安全和保护工作可分为以下3类：①访问控制：管理用户对整个系统、子系统和数据的访问，并且管理进程对系统中各种资源和目标的访问。②信息流控制：管理系统中的数据流以及传递给用户的数据流。③确认：所提供的访问及信息流控制机制；这些机制所支持的访问及安全策略。261.3.4调度和资源管理操作系统的核心任务之一就是管理各种可获得的资源以及合理地调度它们。任何资源分配和调度策略都必须考虑公平性：给竞争资源的进程以平等的访问权限，以免某些进程“饿死”。不同敏感性：区分具有不同服务请求的不同类型的任务（既要考虑全局又要考虑局部）。效率：在公平和效率的限制下，操作系统最好能有最大化吞吐量、最小化响应时间。271.3.5系统结构随着操作系统性能的增强，以及基础硬件复杂性的增加，操作系统的大小和复杂性也不断增加，这就导致了许多问题(如、存在bugs、性能未达到等)。为了有效管理系统资源和控制操作系统的复杂性，人们开始极大地重视操作系统的软件结构。对大型操作系统，仅仅组件化编程还是不够的，现在越来越多地用到体系结构分层和信息抽象技术。见P18-21，表1.4281.5操作系统的主要研究课题进程描述和控制内存管理并发控制调度I/O管理文件管理安全性网络与分布计算29q!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfQiUlXp#