操作系统重点操作系统重点第一章第一章 操作系统概论操作系统概论 一、操作系统的定义及目标一、操作系统的定义及目标定义：定义：操作系统是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。目标：目标：方便用户使用；扩大机器功能；管理系统资源；提高系统效率；构筑开放环境。 二、计算机系统的层次计算机系统的层次硬件层；操作系统层；支撑软件层；应用软件层 三、操作系统的资源管理技术三、操作系统的资源管理技术资源复用：资源复用：操作系统让众多进程共享有限的物理资源称为资源复用。分为空分和时分。空分复用空分复用-资源可以进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。时分复用时分复用-不能分割，进程在一个时间片内以独占方式使用整个物理资源。资源虚化：资源虚化：本质是对资源进行转化、模拟或整合，把一个物理资源转变为逻辑上的多个对应物。虚化技术可以解决某类物理资源数量不足的难题，能够为应用程序提供更易于使用、高效的虚拟资源，并创建更好的运行环境。资源抽象：资源抽象：指通过创建软件来屏蔽硬件资源的物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用，不考虑物理细节，对资源执行操作。资源复用和资源虚化的主要目标是解决物理资源数量不足的问题，资源抽象则用于处理资源复用和资源虚化的主要目标是解决物理资源数量不足的问题，资源抽象则用于处理 系统的复杂性，重点解决资源的易用性。系统的复杂性，重点解决资源的易用性。 四、操作系统的基础抽象四、操作系统的基础抽象进程抽象：进程抽象：进程是对于进入主存的当前运行程序在 处理器上操作的状态集的一个抽象。理论上每个进程都是独立执行的单元， 运行时至少需要处理器和主存；实际上， 若 干进程时分或空分复用这些资源。虚存抽象：虚存抽象：物理内存被抽象成虚拟主存，每个进程独占一个硕大的虚存空间。虚存通过对主存和磁盘的管理来实现。进程的虚拟主存中的内容存储在磁盘上，主存作为磁盘的高速缓存。文件抽象：文件抽象：为了方便对磁盘、磁带、光盘等存储设备的使用，通常将其抽象使得所存放 的信息可以表示为一个命名的逻辑字节流-文件。文件是磁盘等设备的抽象。文件抽象对于信息的存储、检索、更新、共享和保护带来很多好处。 五、开发（或学习）操作系统与开发（或学习）应用软件有什么不同五、开发（或学习）操作系统与开发（或学习）应用软件有什么不同开发（或学习）两者需要了解的知识领域不同。开发（或学习）操作系统需要了解计算 机硬件相关知识，开发（或学习）应用软件需要了解应用领域相关知识以及操作系统应用 相关知识。两者解决的问题不同。操作系统解决所有应用的基础和共性问题，应用软件解决某一特 殊问题。两者的地位不同。操作系统属于基础软件，具有通用性，是计算机系统不可缺少的组成 部分。应用软件具有专用性，其使用范围因专业、用户而不同。六、操作系统的六、操作系统的 6 大功能大功能处理机管理：处理机管理：进程控制和管理；同步和互斥；通信和死锁；线程控制和管理；处理器调度，分为作业调度，中级调度，低级调度等。存储管理：存储管理：存储分配；存储共享；地址转换与存储保护；存储扩充。设备管理：设备管理：设备分配；缓冲管理；设备驱动；设备独立性；实现虚拟设备。文件管理：文件管理：提供文件逻辑、物理组织方法；存取、使用方法；实现文件的目录管理、存取控制、存储空间管理。网络与通信管理：网络与通信管理：网上资源管理功能；数据通信管理功能；网络管理功能。用户接口：用户接口：分为程序接口和操作接口。 七、操作系统的七、操作系统的 4 大特性大特性并发性：并发性：指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。并行性并行性-指两个或两个以上的事件或活动在同一时刻发生，是并发的特例。共享性：共享性：指操作系统中的资源可被多个并发执行的进程所使用。分成两种资源共享方式：互斥访问和同时访问。异步性：异步性：给系统带来潜在危险，有可能导致与时间有关的错误。操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉任何一种随机事件，正确处理可能发 生的随机事件，正确处理任何一种产生的事件序列，否则将会导致严重后果。虚拟性：虚拟性：指操作系统中的一种管理技术，它是把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对 应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。在操作系统中，并发性、共享性和异步性的主体是进程（或者说程序）在操作系统中，并发性、共享性和异步性的主体是进程（或者说程序） 。部件之间的并行性是围绕进程并发性展开的，是进程并发性的一部分。部件之间的并行性是围绕进程并发性展开的，是进程并发性的一部分。 八、操作系统的分类及其特点八、操作系统的分类及其特点三种基本类型：批处理、分时操作、实时操作系统。三种基本类型：批处理、分时操作、实时操作系统。其他类型：微机、并行、网络、分布式、嵌入式操作系统。其他类型：微机、并行、网络、分布式、嵌入式操作系统。批处理操作系统：批处理操作系统：批量化处理作业方式的操作系统。优缺点：优缺点：用户提交作业后直至获得结果之前不再和计算机及他的作业交互，不利于调试和修改程序。分时操作系统：分时操作系统：允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统。实时操作系统：实时操作系统：指当外界事件或数据产生时，能接收并以足够快的速度予以处理，处理的结果又能在规定时间内来控制监控的生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。 九、根据批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、微机操作系统、网络操作系统、九、根据批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、微机操作系统、网络操作系统、 分布式操作系统、嵌入式操作系统的主要差异分析操作系统的发展创新方向或途径分布式操作系统、嵌入式操作系统的主要差异分析操作系统的发展创新方向或途径上述操作系统具有管理系统资源的核心功能和相似的资源管理技术，批处理操作系统和 分时操作系统的主要差异在于使用方式或作业控制方式不同，这种不同属于调度策略范畴， 不属于内核范畴，两种操作系统完全可以具有相同的内核。实时操作系统的实时性属于系统性能范畴，系统性能的约束对操作系统内核的结构及算 法的影响是深刻的。实时操作系统内核与其它操作系统的内核往往不具有可替换性。微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统与嵌入式操作系统的差异则与硬件体系 结构的差异密切相关。这类操作系统往往可以通过改造、扩充或裁剪某一通用操作系统生成。由上分析，操作系统的发展创新围绕内核和外围特性等方面展开，具体途径有使用方式 的改变、性能要求、硬件体系结构的适应性要求等。 十、操作系统用户接口十、操作系统用户接口程序接口：程序接口：又称应用编程接口 API，允许运行程序调用操作系统的服务和功能。 许多操作系统的程序接口由一组系统调用组成，用户程序使用“系统调用” 就可获得操作系统的底层服务，使用或访问系统的各种软硬件资源。操作接口：操作接口：又称作业级接口，为用户提供的操作控制计算机工作和提供服务手段的集合。通常有操作控制命令、图形操作界面(命令)、以及批处理系统提供的作业控 制 语言(命令)等实现手段。 十一、系统调用的概念十一、系统调用的概念系统调用是为了扩充机器功能、增强系统能力、方便用户使用而在内核中建立的过程 （函数） ，它是用户程序或其它系统程序获得操作系统服务的唯一途径，也称为广义指令。 机器指令由硬件实现，广义指令（系统调用）是由操作系统在机器指令基础上实现的过 程或子程序。 12、陷入或异常处理机制：陷入或异常处理机制：在操作系统中，实现系统调用功能的机制。 13、访管指令访管指令由于系统调用而引起处理器中断的机器指令称为访管指令（陷入指令或异常中断指令） 。第第 2 章章 处理器管理处理器管理 1、特权指令、操作系统、用户程序特权指令、操作系统、用户程序特权指令：特权指令：是只能提供给操作系统的核心程序使用而用户程序不能使用的指令。通常操作系统都引入程序状态字 PSW 来区别不同的处理器工作状态。处理机状态：处理机状态：在执行不同程序时，根据执行程序对资源和机器指令的使用权限把处理器 设置成不同状态。处理器状态可划分为管理状态（管态）管理状态（管态）和用户状态（目态）用户状态（目态） 。管理状态：管理状态：程序可以执行全部指令，访问所有资源，具有改变 CPU 状态的能 力； 用户状态：用户状态：程序只能执行非特权指令。处理器模式转换：处理器模式转换：用户态用户态核心态：核心态：程序执行系统调用请求操作系统服务，执行系统调用；程序运行时，产生中断或异常事件。中断是目态到管态转换的唯一途径。核心态核心态-用户态：用户态：操作系统可以通过执行加载程序状态字 LPSW 的特权指令，实现操 作 系统向用户程序的转换。 二、中断的概念二、中断的概念中断是指程序执行过程中，当发生某个事件时，中止 CPU 上现行程序的运行，引出处 理该事件的程序执行的过程。 三、进程的定义和属性三、进程的定义和属性 定义：定义：进程是一个可并发执行的具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次执行过 程，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。 属性：结构性：属性：结构性：进程包含了数据集合和运行于其上的程序。每个进程至少包含三个组成要素：程序块、数据块和进程控制块。 共享性：共享性：同一程序运行于不同数据集合上时，构成不同的进程。多个不同的进程可以共享相同的程序，所以进程和程序不是一一对应的。动态性：动态性：进程由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡。程序是一组有序指令序列，作为一种系统资源是永久存在的。 独立性：独立性：进程是系统中资源分配和保护的基本单位，也是系统调度的独立单位。 制约性：制约性：并发进程之间存在着制约关系，进程在进行的关键点上需要相互等待或互 通消息，以保证程序执行的可再现性和计算结果的唯一性。 并发性：并发性：在一个单处理器系统环境下，各个进程轮流占用处理器。 4、进程的状态及转换进程的状态及转换 三态：运行态（三态：运行态（running）：）：进程占有处理器正在运行。就绪态（就绪态（ready）：）：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行。等待态（等待态（wait）：）：又称为阻塞态或睡眠态，不具 备 运行条件，正在等待某个事完 成。 转换：运行态转换：运行态等待态：等待态：等待使用资源或某事件发生；等待态等待态就绪态：就绪态：资源得到满足或事件发生；运行态运行态就绪态：就绪态：运行时间片到；出现有更高 优先权进程；就绪态就绪态运行态：运行态：CPU 空闲时选择一个就绪进 程。 5、进程（或进程映像）的组成结构进程（或进程映像）的组成结构进程的结构包括：进程控制块；进程程序块；进程核心栈；进程数据块。 其中内容随着进程的执行不断发生变化，某时刻进程的内容及状态集合称为进程映像。六、进程和程序的异同点六、进程和程序的异同点进程和程序关系密切，两者都包含了几乎相同的程序指令以及数据结构，实体上有较多 的重合/相同部分。两者在概念上完全不同。程序是进程执行的脚本，包括数据定义和操作定义。进程是程 序的动态执行过程，按照操作定义对数据进行加工处理。进程和程序是执行和被执行的关 系。在实体结构上，进程和程序都具有一定的结构。进程包括进程控制块、程序块和数据块。 进程控制块对进程运行的过程进行控制。程序同样包