計算機操作系統(tǒng)os chap01

計算機操作系統(tǒng)

ComputerOperatingSystems秦科

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MIT開放課程

教學安排總學時：72（上課64學時、上機8學時、課程設(shè)計）教學理論和綜合應(yīng)用相結(jié)合基礎(chǔ)課程考研的課程應(yīng)用價值成績構(gòu)成：期末考試占60%平時10%,實驗10%,課程設(shè)計10%,10%期中參考讀物AndrewS.Tanenbaum現(xiàn)代操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)：設(shè)計與實現(xiàn)WilliamStallings操作系統(tǒng)精髓與設(shè)計原理湯子瀛計算機操作系統(tǒng)課程特點內(nèi)容多涉及計算機各個方面內(nèi)容抽象不易找到直觀形象的例子概念性強太多的定義枯燥、授課難度較大課程規(guī)則因故不能上課,須事先請假,否則視為曠課;缺課達總學時20%以上,取消考試資格。按時完成作業(yè)以及Project第一章：引論Maps什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的發(fā)展與變革操作系統(tǒng)萬花筒相關(guān)硬件知識初識操作系統(tǒng)相關(guān)概念、層次結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)調(diào)用…1.1WhatIsAnOperatingSystem(1)Amoderncomputerconsistsof:OneormoreprocessorsMainmemoryDisksPrintersVariousinput/outputdevicesManagingallthesecomponentsrequiresalayerofsoftware–theoperatingsystem讓我們盡情想象一下：一個沒有操作系統(tǒng)的計算機世界？1.1WhatIsAnOperatingSystem(2)Figure1-1.Wheretheoperatingsystemfitsin.可以執(zhí)行機器的任何指令1.1TheOperatingSystemasanExtendedMachineFigure1-2.Operatingsystemsturnuglyhardwareintobeautifulabstractions.1.1TheOperatingSystemasaResourceManager允許多道程序同時執(zhí)行管理和保護存儲器、I/O設(shè)備以及其他資源多路復(fù)用時間空間1.2操作系統(tǒng)的歷史變革(1945–55)真空管和穿孔卡片(1955–65)晶體管和批處理系統(tǒng)(1965–1980)集成電路和多道程序設(shè)計(1980–Present)個人計算機1.2.1NOOSATALL1.2.2TransistorsandBatchSystems(1)Figure1-3.Anearlybatchsystem.1.2.2TransistorsandBatchSystems(2)Figure1-4.StructureofatypicalFMSjob.Figure1-5.Amultiprogrammingsystem

withthreejobsinmemory.1.2.3ICsandMultiprogramming1.2.3多道程序設(shè)計用戶程序監(jiān)督程序I/O操作A程序B程序C程序D程序調(diào)度A請求I/OB請求I/OC請求I/OA完成D請求I/OC完成B完成D完成程序1程序2程序3單道執(zhí)行多道執(zhí)行1.2.3多道程序設(shè)計多道批處理系統(tǒng)主要特征：多道性、無序性、調(diào)度性（進程調(diào)度和作業(yè)調(diào)度）。多道批處理的主要優(yōu)點提高了資源利用率和吞吐能力。多道批處理的主要缺點平均周轉(zhuǎn)時間長，沒有交互能力。1.2.3多道程序設(shè)計1、處理機管理：分配和控制CPU。2、存儲器管理：內(nèi)存分配與回3、I/O設(shè)備管理：I/O設(shè)備的分配與操縱。4、文件管理：文件的存取、共享和保護。5、作業(yè)管理：如何組織作業(yè)運行。1.2.4分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)的產(chǎn)生一臺計算機提供給多人同時使用分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時接收及時處理1.2.4分時系統(tǒng)特征多路性：多個用戶分時使用一臺計算機。獨立性：獨立運行，不混淆，不破壞。及時性：系統(tǒng)能在很短的時間得到回答。交互性：能實現(xiàn)人機對話1.2.5實時系統(tǒng)什么是實時系統(tǒng)？存在的必要性？“實時”的相關(guān)概念實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)的比較1.3微機操作系統(tǒng)發(fā)展歷程AgoodstorytoreadandthinkBillGatesStevenJobs1.4ComputerHardwareReviewFigure1-6.Someofthecomponents

ofasimplepersonalcomputer.2個大牛~~~DavidA.Patterson

JohnL.Hennessy

1.4.1CPUPipeliningFigure1-7.(a)Athree-stagepipeline.(b)AsuperscalarCPU.Figure1-8.(a)Aquad-corechipwithasharedL2cache.

(b)Aquad-corechipwithseparateL2caches.1.4.1MultithreadedandMulticoreChipsHomework1題目：查閱資料文獻，寫一篇關(guān)于CPU發(fā)展報告。要求不可原封不動copy網(wǎng)絡(luò)上內(nèi)容闡述每一代CPU相比前一代CPU在技術(shù)上的先進性與不足Figure1-9.Atypicalmemoryhierarchy.

Thenumbersareveryroughapproximations.1.4.2Memory(1)緩存要考慮的問題:何時導入新的內(nèi)容？導入到何處？何時導出舊的內(nèi)容？導出到何處？1.4.2Memory(2)Figure1-10.Structureofadiskdrive.1.4.3DisksFigure1-11.(a)ThestepsinstartinganI/Odeviceand

gettinganinterrupt.1.4.4I/ODevicesFigure1-12.ThestructureofalargePentiumsystem1.4.5Buses8.33Mhz，2Byte66MHz，8Byte60MB/s133MHz1.5TheOperatingSystemZooMainframeoperatingsystems（大型機）Serveroperatingsystems（服務(wù)器）Multiprocessoroperatingsystems（多處理器）Personalcomputeroperatingsystems（個人計算機）Handheldoperatingsystems（掌上電腦）Embeddedoperatingsystems（嵌入式）Sensornodeoperatingsystems（傳感器）Real-timeoperatingsystems（實時操作系統(tǒng)）Smartcardoperatingsystems（智能卡系統(tǒng)）……進程Process地址空間AddressSpace文件File安全Security系統(tǒng)調(diào)用SystemCallshell1.6OperatingSystemConcepts1.6.1進程本質(zhì)上是一個正在執(zhí)行的程序有自己的活動狀態(tài)有哪些狀態(tài)？OS通過進程表來維護進程如何維護？要考慮哪些問題？1.6.1

進程Figure1-13.Aprocesstree.ProcessAcreatedtwochildprocesses,BandC.ProcessBcreatedthreechildprocesses,D,E,andF.1.6.2地址空間一個程序可以使用的地址的集合思考：一個進程的地址空間是否可以大于主存自身的空間？若干個進程地址空間之和是否可以大于主存自身的空間？文件系統(tǒng)目錄路徑絕對路徑相對路徑文件的訪問1.6.3文件Figure1-14.Afilesystemforauniversitydepartment.1.6.3文件1.6.4安全數(shù)據(jù)應(yīng)該受到保護存儲訪問保護、反病毒保護、實體安全保護處理傳輸完整、機密、認證、非否認1.6.5Shell是個什么東東？操作系統(tǒng)的殼用戶與OS之間的接口Unix：sh、bash等Windows：command.exe1.6.6系統(tǒng)調(diào)用可以深入到內(nèi)核的一個特殊過程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的過程假設(shè)用戶在用戶態(tài)下執(zhí)行程序，需要系統(tǒng)服務(wù)執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用指令操作系統(tǒng)進行參數(shù)檢查，找到所需進程，轉(zhuǎn)移控制權(quán)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用返回到用戶態(tài)Figure1-17.The11stepsinmakingthesystemcall

read(fd,buffer,nbytes).1.6.6系統(tǒng)調(diào)用Figure1-18.SomeofthemajorPOSIXsystemcalls.SystemCallsforProcessManagementFigure1-23.TheWin32APIcallsthatroughlycorrespond

totheUNIXcallsofFig.1-18.WindowsWin32APIFigure1-18.SomeofthemajorPOSIXsystemcalls.SystemCallsforFileManagement(1)Figure1-18.SomeofthemajorPOSIXsystemcalls.SystemCallsforFileManagement(2)Figure1-18.SomeofthemajorPOSIXsystemcalls.MiscellaneousSystemCalls

1.7操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)應(yīng)具有五方面的功能：1、處理機管理2、存儲器管理3、設(shè)備管理4、文件管理5、方便用戶使用的用戶接口。1.7.1處理機管理功能處理機管理的主要功能：按照一定的算法把處理機分配給進程（線程），并對其進行有效的管理和控制。1．進程控制進程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進程、撤消已結(jié)束的進程，以及控制進程在運行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。2、進程同步進程同步的主要任務(wù)是為多個進程的運行進行協(xié)調(diào)。兩種協(xié)調(diào)方式：①進程互斥方式，這是指諸進程（線程）在對臨界資源進行訪問時，應(yīng)采用互斥方式；②進程同步方式，指進程相互合作去完成共同的任務(wù)時，諸進程之間的協(xié)調(diào)。實現(xiàn)進程同步采用信號量機制。3．進程通信進程通信——是進程之間的信息交換。當相互合作的進程（線程）處于同一計算機系統(tǒng)時，通常在它們之間是采用直接通信方式，即由源進程利用發(fā)送命令直接將消息（message）掛到目標進程的消息隊列上，以后由目標進程利用接收命令從其消息隊列中取出消息。4.調(diào)度在后備隊列上等待的每個作業(yè)，通常都要經(jīng)過調(diào)度才能執(zhí)行。在操作系統(tǒng)中作業(yè)運行需經(jīng)作業(yè)調(diào)度和進程調(diào)度才能執(zhí)行完成。

-作業(yè)調(diào)度是從后備隊列中按照一定的算法，選擇出若干個作業(yè)，為它們分配其必需的資源，將它們調(diào)入內(nèi)存后，為它們建立進程，插入就緒隊列。

-進程調(diào)度是從進程的就緒隊列中選出一新進程，把處理機分配給它，使進程投入執(zhí)行。1.7.2存儲器管理功能存儲器管理的主要任務(wù)：為多道程序的運行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用率以及能從邏輯上擴充內(nèi)存。存儲器管理功能有4個：1．內(nèi)存分配內(nèi)存分配有兩種方式：①靜態(tài)分配方式，每個作業(yè)運行之前分配好內(nèi)存空間，在作業(yè)的整個運行期間不再改變。②動態(tài)分配方式中，每個作業(yè)在運行前或運行中，均可申請新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動態(tài)增漲。內(nèi)存分配的機制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能：①內(nèi)存分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況。②內(nèi)存分配功能——為用戶程序分配內(nèi)存空間；③內(nèi)存回收功能——當用戶不再需要的內(nèi)存時，系統(tǒng)能回收內(nèi)存的功能。2．內(nèi)存保護內(nèi)存保護的主要任務(wù)：是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運行，彼此互不干擾。內(nèi)存保護機制：是設(shè)置兩個界限寄存器，越界檢查都由硬件實現(xiàn)3．地址映射地址空間——目標程序或裝入程序限定的空間，稱為“地址空間”。單元的編號稱為邏輯地址，又稱為相對地址。內(nèi)存空間——由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內(nèi)存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。地址映射——運行時，將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址，稱為地址映射。4．內(nèi)存擴充

借助于虛擬存儲技術(shù)從邏輯上去擴充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實際內(nèi)存容量大得多；擴充內(nèi)存必須具有內(nèi)存擴充機制：

（1）請求調(diào)入功能。在程序運行過程中，若所需的程序和數(shù)據(jù)尚未裝入內(nèi)存，可由OS從磁盤中將所需部分調(diào)入內(nèi)存，繼續(xù)運行。（2）置換功能。將內(nèi)存中的一部分暫時不用的程序和數(shù)據(jù)調(diào)出到磁盤上，然后再將所需調(diào)入的部分裝入內(nèi)存。1.7.3設(shè)備管理功能設(shè)備管理的主要任務(wù)：是完成用戶進程提出的I/O請求；為用戶進程分配其所需的I／O設(shè)備；提高CPU和I／O設(shè)備的利用率；提高I／O速度；方便用戶使用I／O設(shè)備。設(shè)備管理具有的功能：

1．緩沖管理：有效地緩和CPU和1／O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。對于不同的系統(tǒng)，可以采用不同的緩沖區(qū)機制2．設(shè)備分配①設(shè)備分配的基本任務(wù)，是根據(jù)用戶進程的I／O請求，按照某種設(shè)備分配策略，為之分配其所需的設(shè)備。②為了實現(xiàn)設(shè)備分配，系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置設(shè)備控制表、控制器控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄設(shè)備及控制器的標識符和狀態(tài)，以供進行設(shè)備分配時參考。③不同的設(shè)備類型（獨占、共享）而采用不同的設(shè)備分配方式。3．設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備處理其基本任務(wù)：是用于實現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，即由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I／O命令，要求它完成指定的I／O操作；反之由CPU接收從控制器發(fā)來的中斷請求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。處理過程：檢查請求的合法性→設(shè)備空閑否？→向控制器發(fā)I/O命令→啟動I/O執(zhí)行。1.7.4文件管理功能文件管理的主要任務(wù)：是對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。文件管理的主要功能：

1．文件存儲空間的管理——是對諸多文件及文件的存儲空間，實施統(tǒng)一的管理?；跀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（MCB）對存儲空間進行分配和回收的功能。2．目錄管理為每個文件建立目錄項，并對眾多的目錄項加以有效的組