计算机操作系统原理讲义.docx
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计算机操作系统原理讲义
《计算机操作系统》
课程参考书
1.[张]张尧学，史美林，计算机操作系统教程，清华大学出版社
2.[Stallings98]WilliamStallings,OperatingSystems（3rdedition）,清华大学出版社
3.*《操作系统：
设计与实现》（第2版）电子工业出版社
4.汤子瀛等,《计算机操作系统》,西安电子科技大学出版
5.[Vahalia]UreshVahalia,UNIX高级教程—系统技术内幕，清华大学出版社
课程要求
作业：
10%
平时：
20%
期中考试：
20%
期末考试：
50%
课程进度安排
日期
周次
讲课内容分章和分节的名称
课内时数
9．9
1
第一章绪论
4
1.1操作系统的历史
1.2操作系统的概念
1.3操作系统的功能
9．16
2
第二章操作系统用户界面
2
9．23
3
第三章进程管理
12
3.1进程的概念
3.2进程的描述
3.3进程状态及其转换
3.4进程控制
3.5进程互斥
3.6进程同步
3.7进程通信
3.8死锁问题
3.9线程
10．14
5
实验一进程管理
8
10．21
7
第四章处理机调度
2
4.1分级调度
4.2作业调度
4.3进程调度
4.4调度算法
4.5实时系统调度方法
10．28
8
实验二处理机调度
4
11．4
9
第五章存储管理
8
5.1存储管理的功能
5.2分区存储管理
5.3覆盖与交换技术
5.4页式管理
5.5段式与段页式管理
5.6局部性原理和抖动问题
11．25
12
实验三存储管理
4
12．2
13
第六章文件系统
8
6.1文件系统的概念
6.2文件的逻辑结构与存取方法
6.3文件的物理结构与存取设备
6.4文件存储空间管理
6.5文件目录管理
6.6文件存取控制
6.7文件的使用
6.8文件系统的层次模型
12．9
14
实验四文件管理
6
12．16
15
第七章设备管理
8
8.1引言
8.2数据传送控制方式
8.3中断技术
8.4缓冲技术
8.5设备分配
8.6I/O进程控制
8.7设备驱动程序
12．23
17
复习
2
第一章操作系统引论
1. 操作系统的作用、分类
2. 处理机、作业、存储、设备、文件管理
3. 常用OS的知识、新型操作系统
4. 用户界面
操作系统的英文名称为OperatingSystem，简称OS，它是计算机系统运行和工作必不可少的软件。
无论是巨型机、大型机，不是中小型机，也无论是台式个人计算机，便携式微型机，还是连接多台计算机的计算机网络，都离不开操作系统。
一个完整的计算机系统是由硬件（通常由中央处理机、存储器、I/O设备等部件组成，它构成了系统本身和作业赖以活动的物质基础和工作系统。
）和软件（程序、数据、文档的统称）两部分组成的（图1.1）。
其中软件部分又分为系统软件和应用软件。
应用软件指的是为了某一类的应用而设计的程序，或用户为了解决某个特定问题而编制的程序。
系统软件包括操作系统、语言处理程序和常用的例行服务程序。
操作系统是系统软件的基本部分。
系统软件由计算机公司提供，面向机器本身，其算法和功能不依赖于特定的用户。
它的主要任务是使得硬件所提供的能力可以得到充分的利用，支持用户应用软件的运行并提供恰当的服务。
因此，系统软件的设计必须十分注意其正确性及效率。
在计算机系统中，所有这些软、硬件资源（泛称资源）必须由一个统一的管理者来协调它们正确、可靠、高效地工作，这就是OS的使命。
所以，如果将构成计算机系统的一切硬件系统和软件系统称为资源，则操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程以及方便用户的程序的集合。
是最基本的系统软件，是硬件机器的第一级扩充（图1.2）。
图1.1计算机系统的组成
图1.2操作系统在计算机系统中的地位
操作系统的地位：
紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）
引入操作系统的目标：
☐有效性（系统管理人员的观点）：
管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程
☐方便性（用户的观点）：
提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别
☐可扩充性（开放的观点）：
硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作
一、操作系统的作用
可以从不同的观点来观察操作系统的作用。
从一般用户的观点，可把操作系统看做是用户与计算机硬件系统之间的接口；从资源管理观点，则可把OS视为计算机系统资源的管理者。
1．用户界面的观点
对于用户来说，对操作系统的内部结构并没有多大的兴趣，他们最关心的是如何利用操作系统提供的服务来有效的使用计算机。
因此操作系统提供了什么样的用户界面成为关键问题。
一般情况下，用户界面有两种方式：
（1）命令方式。
这是指由OS提供了一组联机命令（语言），用户可通过键盘键入有关的命令，来直接操作计算机系统。
（2）系统调用方式。
OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过调用相应的系统调用来操作计算机。
2．资源管理观点
这种观点把操作系统看作管理系统资源的程序集合，根据它所管理的资源类别来考虑操作系统的结构。
它在共享的前提下，以资源的分配、使用和回收作为出发点，来考虑操作系统各部分程序的功能和算法，解决并行环境中资源的管理问题。
通常，把操作系统分为处理机管理、存储管理、作业管理、设备管理、文件管理等五个主要部分，由这几部分程序的协调配合运行来完成用户的作业要求。
3．虚拟机观点
对于任何一个软件来说，它都有一个用户机器和一个基本机器。
用户机器是该软件和基本机器的结合，提供了该软件以及基本机器的的所有功能。
基本机器则是该软件运行的环境。
操作系统的用户机器提供了操作系统的全部功能（系统调用、命令、作业控制语言等等），又称操作系统虚机器。
它的基本机器则是硬件机器。
虚机器观点从功能分解的角度出发来考虑操作系统的结构，将操作系统分成若干个层次，每一层次完成特定的功能从而构成一个虚机器，并为上一层次提供支持，构成它的运行环境，通过逐个层次的功能扩充最终完成操作系统虚机器。
从而向用户提供全套的服务，完成用户的作业要求。
OS是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序的集合。
二、操作系统的ＯＳ的历史（形成和发展）
操作系统是在人们不断地改善计算机系统性能和提高资源利用率的过程中，逐步地形成和发展起来的。
随着机器硬件的功能和性能的不断提高，机器的处理能力越来越强，提供的资源越来越多。
如果仍然采用单个用户独占一台计算机的使用方式，势必造成相当大的浪费。
为了更加有效地使用机器的资源，希望有多个用户同时利用机器来完成各自的工作，即各个用户同时使用不同的资源（例如外部设备、CPU等），既相对独立，又彼此协调。
正是在这种实际要求面前，操作系统才得以问世。
下面是OS形成过程中的几个里程碑：
1.手工操作阶段
早期的计算机采用人工操作方式，由操作员将纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机）等输入设备，通过输入设备将程序和数据输入计算机，当程序完成并人工取走纸带和计算结果后，才让下一用户上机操作。
这种人工操作方式具有以下两个特点：
（１）用户独占全机。
一台计算机为一个用户独占，系统中的全部资源由他一人支配，因此用户可以较方便地使用各种资源，不会出现因资源已被其它用户占用而等待的现象。
但资源利用率却非常低。
（２）CPU等待人工操作。
用户仅在上机时才能将纸带或卡片装入相应的输入设备，显然，此时CPU空闲；当计算完成，进行当卸带取卡操作时，CPU又空闲。
可见，CPU的利用极不充分，这在运行短程序时尤为突出。
矛盾：
①使用不方便；②串行操作
可见，人工操作方式严重地降低了资源的利用率，此即所谓的人-机矛盾。
随着CPU速度的提高，CPU和I/O设备间不匹配的矛盾日益严重。
为缓和此矛盾，必须摆脱手工干预，实现作业的自动过渡，因此出现了成批处理。
2.早期批处理阶段
在计算机发展的早期阶段，用户上机时需自己建立、运行作业，并最后作结尾处理。
为了缩短作业的建立时间，人们研制了监督程序，它是一个常驻内存的小的核心代码。
当若干用户作业合成一个作业执行序列时，监督程序自动地依次执行。
早期的批处理可分为两种方式：
（1）联机批处理
联机输入输出：
程序和数据的输入输出都由主机控制的输入输出。
即慢速的输入/输出设备是和主机直接相连打交道的。
作业的执行过程大致为：
①用户提交作业；
②作业被做成穿孔纸带或卡片；
③操作员有选择地将若干作业合成一批，通过输入设备（输入机或读卡机）把它们存入磁带；
④监督程序读入一个作业（若系统资源能满足该作业要求）；
⑤从磁带调入汇编程序或编译程序，将用户作业源程序翻译成目标代码；
⑥连接装配程序把编译后的目标代码及所需的子程序装配成一个可执行程序；
⑦启动执行；
⑧执行完毕，由善后处理程序输出计算结果；
⑨再读入一个作业，重复步骤⑤-⑨；一批作业完成，返回到③，处理下一批作业。
早期的联机批处理系统实现了作业的自动过渡，同手工操作阶段相比，计算机的使用效率提高了。
但在这种批处理系统中，作业的输入输出是联机的，也就是说作业从输入机到磁带，由磁带调入内存，以至结果的输出打印都是由中央处理机直接控制的。
在这种联机操作方式下，虽然解决了作业自动转接，从而减少作业建立和人工操作时间。
但是随着处理机速度的不断提高，处理机和输入/输出设备之间的速度差距就形成了一对矛盾。
即在执行结果的输出过程中，主机CPU仍处于停止等待状态，这样慢速的输入/出设备和快速主机之间仍处于串行工作，CPU的时间仍有很大的浪费。
（2）脱机批处理
脱机批处理系统由主机和外围机（卫星机）组成。
为了解决输入机的低速问题，可将用户程序和数据，在一台外围机的控制下，预先从低速设备输入到磁带或磁盘上。
当CPU需要这些数据时，再直接从磁带或磁盘上高速地调入内存。
这样就大大地加速了输入过程。
类似地，当CPU需要输出时，可立即将输出数据送到磁带或磁盘上，以后再在外围机的控制下，把磁带或磁盘上的处理结果通过相应的输出设备输出。
这对程序的执行来说，显然是大大地加速了数据的输出过程。
脱机输入输出过程如下图所示。
慢速输入设备磁带机
外围机主机
慢速输出设备磁带机
脱机输入输出：
程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成的，或者说它们是脱离主机进行的，故称脱机输入输出。
矛盾：
①使用不方便；②串行操作——CPU利用率低
（3）批处理技术
在早期的脱机I/O方式中，事先把一批作业输入到磁带上，这意味着作业的处理是成批的；为使这一批作业能自动连续地进行处理，在系统中还需配置监督程序，在它的控制下，先把磁带上第一个作业装入内存，并将运行的控制权交给该作业。
当该作业处理完后，又把控制权还给监督程序，又由监督程序将第二个作业装入内存。
这样自动地一个作业一个作业地进行处理，直到磁带上的所有作业全部完成，这样就形成了早期的批处理系统。
可见，批处理系统是在解决人机矛盾和CPU与I／O速度不匹配的矛盾的过程中发展起来的，或者说，批处理技术旨在提高系统的吞吐量和资源的利用率。
该系统的主要特征：
①自动性（减少了手工操作）。
实现了作业的自动过渡，改善了CPU与I/O的使用情况，提高了计算系统的处理能力。
②顺序性。
磁带上的各道作业是顺序地进入内存的，各道作业完成的顺序与它们进入内存的顺序之间，在正常情况下应当完全相同，亦即先调入内存的作业先完成。
③单道性。
在某一时刻，内存中仅有一道程序在运行，仅当该程序完成或发生异常情况时，才调入后继程序进入内存运行。
缺点：
①平均周转时间长。
所谓周转时间是指从作业进行系统开始，到作业完成所经历的时间。
由于在批处理系统中，一个作业一旦运行便将运行到完成，这必然使许多短作业的周转时间显著增长；
②不能提供交互能力，用户使用机器不方便；
③CPU利用率较低（单道、串行）。
在进行批处理过程中，监督程序、系统程序和用户程序之间存在着一种调用关系，任何一个环节出了问题，整个系统都会停顿；用户程序也可能会败坏监督程序和系统程序，这时，只有操作员进行干预才能恢复。
后来，通道和中断技术的使用，导致了操作系统进行执行系统阶段。
所谓执行系统即是常驻内存的监督程序，不过其功能扩大了，它不仅要负责作业运行的自动调度，而且还要提供输入输出控制功能。
但是，这时计算机系统运行的特征仍是单道顺序地处理作业，即用户作业仍然是一道一道作业顺序处理。
那么，可能会出现两种情况：
一是对于以计算为主的作业，输入输出量少，外围设备空闲（计算型作业）；
二是对于以输入输出为主的作业，主机又会造成空闲（I/O型作业）。
这样，总的来说，计算机资源使用效率仍然不高。
因此操作系统进入了多道程序阶段：
多道程序合理搭配交替运行，充分利用资源，提高效率。
3. 多道程序系统
*多道程序设计技术及多道批处理系统
在早期批处理系统中，内存只存放一道程序，称为单道运行。
这种系统的管理很简单，不存在高度管理的问题。
但是这种单任务系统，对CPU的利用率极低。
其原因是CPU经常要与外界交换数据，即进行输入／输出操作。
而CPU的速度很快，外部设备的速度很慢，因此CPU除了花很少时间执行程序外，大部分时间在等待外设的输入／输出操作。
亦即当该程序进行I/O操作时，CPU便处于等待I/O完成状态，致使CPU空闲。
为提高CPU的利用率而引入多道程序技术，所谓多道程序技术是指“将一个以上的作业放在内存并允许它们交替执行，共享系统中的各种资源”。
当正在执行的程序因I/O而暂定执行时，CPU立即转去执行另一道程序；当第二道程序又因I/O而暂定执行时，CPU又转去执行第三道程序。
显然，多道程序设计技术提高了CPU的利用率，同时也显著改善了内存和I/O设备的利用率，从而也使系统的吞吐量获得大幅度提高。
允许多道程序运行的系统称为多道程序系统。
现代操作系统一般都基于多道程序设计技术。
系统吞吐量（systemthroughput）：
指系统在单位时间内所完成的作业数目。
多道批处理系统的特征：
①多道性。
计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；
②无序性。
多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系，即先进入内存的作业可能较后甚至最后完成，而后进入内存的作业又可能先完成。
③调度性。
作业从提交给系统开始直至完成，需要经过以下两次调度：
作业调度；进程调度。
④宏观上并行、微观上串行。
进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕；实际上，各道程序轮流地使用CPU交替执行。
优点：
①提高了CPU、内存、I/O的利用率；②系统的吞吐量显著提高。
缺点：
平均周转时间长；无交互能力。
在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理系统。
要处理的许多作业存放于外部存储器中，形成作业队列，等待运行。
当需要调入作业时，将由操作系统中的作业调度程序对外存中的一批作业，根据其对资源的要求和一定的调度原则，调几个作业进入内存，让它们交替运行。
当一个作业完成后，再调入一个或几个作业。
这种处理方式，在内存中总是同时存在几道程序，系统资源得到比较充分的利用。
多道程序及执行程序（常驻内存、功能扩大了的监控程序）的出现，标志着操作系统的初步形成。
2.分时系统
批处理方式下用户要得到自己的计算结果，必须等到系统处理完一批作业之后。
这样虽然提高了CPU和系统设备的利用率，却给用户带来了很大的麻烦。
为了解决两者的矛盾，引入了分时技术。
分时的概念
在计算机系统中，两个或两个以上事件按时间划分轮流地使用计算机系统中的某一资源称之为“分时”。
分时系统的实现一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务。
若干个用户通过各自的终端，同时使用同一台计算机系统，但他们彼此之间并不感觉到别的用户存在。
时间片是分时的时间单位。
多个用户按时间片轮转，即每道程序一次运行一个时间片，用户通过终端与计算机发生交互作用，他们彼此一般不感觉到有别的用户存在，好象整个系统为其所独占。
实现分时系统的关键是用户能与自己的作业交互作用，即用户在自己的终端上键入命令以请求系统服务，系统应能及时接收和及时处理该命令，并将处理结果立即返回给用户。
此后，用户又可键入下一条命令，这样便实现了人-机交互。
多道批处理系统和分时系统的出现标志着操作系统的基本形成。
3．实时系统（Real-TimeSystem）
所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
实时系统通常是在一个特定的应用中作为一种控制设备来使用的。
实时系统的一个主要特点在于有严格的时间限制，即每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在规定的时间范围内完成。
这就要求系统的一切活动都必须在一个严格的计时程序的控制下运行，中断信号对系统具有支配作用，而不象批处理系统（时间限制弱）和分时系统（时间限制不严格）那样在作业调度时较少地考虑时间上的要求。
实时系统往往具有一定的专用性。
与批处理系统、分时系统相比，实时系统的资源利用率可能较低。
实时系统可分为以下两大类：
（１）实时控制系统。
通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统。
这类系统要求实时采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理，进而自动地控制相应的执行机构，使某些参数（温度、压力、方位等）能按预定的规律变化，以保证产品质量和提高产量。
（２）实时信息处理系统。
计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题，对信息进行检索和处理，并在很短的时间内为用户做出正确的回答。
典型的实时信息处理系统有：
飞机订票系统、情报检索系统等。
实时系统与分时系统的比较：
操作系统
用途
交互能力
响应时间
可靠性
分时系统
通用
强
以用户能容忍的限度
有一定要求
实时系统
专用
弱
严格的时限
高要求
实时处理是以瞬间响应为特征的。
“实时”二字的含义是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速反应，其响应时间要求在称级、毫秒级甚至微秒级。
实时系统的出现和应用的日益广泛，以及多道成批系统和分时系统的不断改进，使操作系统日趋完善。
4. 新一代操作系统
随着计算机技术的飞速发展，出现了智能计算和网络计算，并随之出现了微机操作系统、网络操作系统（NetworkperatingSystem）和分布式操作系统（DistributedOperatingSystem）等新型操作系统。
在这个阶段，计算机系统和操作系统的发展都异常迅速，操作系统技术逐渐成熟，新的技术不断引入，具有开放环境、高效数据处理、友好人机界面、强功能开发支持，以及网络互连与通信功能、多媒体处理功能等。
三、ＯＳ的特征
前面所介绍的三种基本OS，它们各有自己的特征，如批处理系统具有成批处理的特征，分时系统具有交互特征，实时系统具有实时特征，但它们都具有以下四个基本特征。
１．并发性（Concurrence）
并发性是指在某一时间间隔内，有若干个事件发生。
并行性——在某一时刻，可能有若干事件发生。
并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多道程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能分时地交替执行。
程序的并发执行能有效地改善资源利用率和提高系统的吞吐量，但显然会使操作系统由于增加了控制和管理各种并发活动的功能变得复杂化。
应该指出，通常的多个程序是不能并发执行的。
系统必须分别为每个程序建立进程，以随时记录各个程序由于并发执行而形成的“停停走走”的状态中的信息，以备该进程再次获得处理机时，能从中取得现场信息而继续运行下去。
所谓进程，简单地说，是指在系统中能独立运行和作为资源分配的基本单位，多个进程之间可以并发执行以及交换信息。
有关进程的概念将在后面的章节中详细阐述。
２．共享性（Sharing）
资源共享是指系统中的资源可供多个用户使用。
根据资源的属性，资源共享可有以：
（１）互斥共享——是指仅当一个作业（进程）使用完某资源并释放后，其他作业才能使用。
通常，人们把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为“临界资源”，如打印机、磁带机以及某些变量、表格等软资源都属于临界资源。
对临界资源必须采用互斥共享方式。
（２）同时共享——指允许在一段时间内，若干个作业同时对某一资源进行访问，典型的可同时共享的硬设备是磁盘；又如，可重入码程序则是一种可供同时共享的软资源。
“并发”和“共享”是操作系统的两个最基本特征，它们互为存在条件，即资源共享是以程序的并发执行为存在条件，没有并发执行，就不可能有共享；反之，若不能很好地实现共享，则程序的并发执行必将受到影响。
3.虚拟性（Virtual）
所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。
前者是实的，而后者是虚的，是用户感觉上的东西。
例如，在多道分时系统中，虽然只有一个CPU，但每个终端用户却都认为是有一个CPU在专门为他服务，亦即，利用多道程序技术可以把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU。
类似地，也可以把一台物理I/O设备虚拟为一台逻辑上的I/O设备。
在操作系统中虚拟的实现，主要是通过分时使用方法。
显然，如果ｎ为某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的１／ｎ。
4．异步性（Asynchronism）（不确定性）
不确定性有两种含义：
（1）程序执行的结果是不确定的，即对同一程序，使用相同的输入、在相同的环境下运行，但经多次运行，却可能获得完全不同的结果。
（2）多道程序环境下，每个程序在何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，都是不可预知的；或者说，进程是以异步方式运行的。
上述的第一种不确定性是绝对不允许的，因而也是操作系统必须解决的主要问题；而第二种不确定性却是允许的，这就是进程的异步性，是操作系统的一个重要特征。
四、操作系统的进一步发展
一般认为，以后新一代的OS应是智能型的。
一方面指OS的设计过程中以知识为基础，要有知识获取和学习功能并能建立相应的知识库和推理机制；另一方面是建立更加友好、更加方便的智能化接口。
采用倍受欢迎的多媒体技术，使计算机具有直接看、读、听、说、写、图案识别、气味区分等智能，新的人机通信模式或提示用户作出正确或明智的决策。
新一代的OS面对的将是一个超大规模的、多处理机并行的、开放、分布的硬件体系结构，因此，面向对象的技术必然会被广泛地用于以后的OS。
＊ 微机操作系统
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