操作系统 笔记.docx
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操作系统笔记
网络操作系统
第一章概述
一操作系统概念
一个完整的计算机系统由两大部分组成：
计算机硬件和计算机软件。
计算机硬件是指计算机物理装置本身，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。
计算机软件包括系统软件和应用软件。
系统软件包括操作系统、编译程序、连接装入程序、数据库管理系统等；应用软件是为各种应用目的而编制的程序。
系统管理员:
合理的组织计算机工作流程,管理和分配计算机系统硬件及软件资源,使之能多个用户所共享.操作系统是计算机资源的管理者.
操作系统可定义为：
操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。
二os发展历史
手工操作阶段（无os）----批处理----多道程序系统----分时系统-----实时系统-----通用os----网络os----分布式os.
三操作系统的五大类型：
1批处理操作系统
（批处理技术是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。
多道程序设计技术是将多个作业存放在内存中并允许它们交替执行）用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户的作业组成一批作业之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流，然后启动操作系统，系统自动，依次执行每个作业。
最后有操作员将作业结果交给用户。
批处理操作系统的特点是：
多道和成批处理
2分时操作系统
一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户在使用。
用户交互式的向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，采用实践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到指令。
分时操作系统将CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片。
操作系统一时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。
每个用户轮流使用一个时间片而且是每个用户并不感到有别的用户存在
3实时操作系统
实时操作系统是指使计算基恩能够及时相应外部事件的请求在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。
实时操作系统要追求的目标是：
对外部请求在严格时间范围内做出反应，有高可靠性和完整性。
其主要特点是资源的分配和调度首先要考虑实时性然后才是效率。
此外，实时操作系统应有较强的容错能力。
4网络操作系统
网络操作系统是基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构标准开发的软件，包括网络管理，通信，安全，资源共享和各种网络应用。
其目的是相互通信及资源共享。
在其支持下，网络中的各台计算机能互相通信和共享资源。
其主要特点是与网络的硬件相结合来完成网络的通信任务
5分布式操作系统
它是分布计算机系统配置的操作系统。
大量的计算机通过网络被连接在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。
这种系统被称作分布式系统。
由于分布计算机体统的资源分布在系统的不同计算机上，操作系统对用户的资源需求不能像一般的操作系统那样等待有资源时直接分配的简单做法而是要在系统的各台计算机上搜索，找到所需资源后才能进行分配。
批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统是三种基本的操作系统类型。
如果一个操作系统兼有批处理、分时处理和实时处理系统三者或其中两者的功能，那就形成了通用操作系统。
四网络操作系统
通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算互连,实现信息交换,资源共享,可互操作和协作处理的系统.
1.计算机是互连的群体.
2.计算机是自治的,在网络协议控制下协调工作.
3.系统互连通过通信设施.
4.系统通过通信设施执行信息交换,资源共享,互操作.
五操作系统功能
（1）处理机管理。
是对处理机的分配和运行实施有效的管理。
在多道程序环境下，处理机的分配和运行是以进程为基本单位的，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理。
进程管理应实现下述主要功能：
①进程控制：
负责进程的创建、撤消及状态转换。
②进程同步：
对并发执行的进程进行协调。
③进程通信：
负责完成进程间的信息交换。
④进程调度：
按一定算法进行处理机分配。
（2）存储器管理。
存储器管理的主要任务是对内行进行分配、保护和扩充。
存储器管理实现下述主要功能：
①内存分配：
按一定的策略为每道程序分配内存。
②内存保护：
保证各程序在自己的内存区域内运行而不相互干扰。
③地址映射：
将地址空间的逻辑地址转换为内存空间与之对应的物理地址。
④内存扩充：
为允许大型作业或多作业的运行，必须借助虚拟存储技术去获得增加内存的效果。
（3）设备管理：
①设备分配：
根据一定的设备分配原则对设备进行分配。
为了使设备与主机并行工作，还需采用缓冲技术和虚拟技术。
②设备传输控制：
实现物理的输入输出操作，即启动设备、中断处现、结束处理等。
③设备独立性：
即用户向系统申请的设备与实际操作的设备无关。
（4）文件管理。
文件管理的主要任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题。
文件管理应实现下述功能：
①文件存储空间的管理：
负责对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配与回收等功能。
②目录管理：
目录是用来管理文件的数据结构，它能提供按名存取的功能。
③文件操作管理：
实现文件的操作，负责完成数据的读写。
④文件保护：
提供文件保护功能，防止文件遭到破坏。
（5）用户接口。
为方便用户使用操作系统，操作系统提供了用户接口。
操作系统通常提供如下几种类型的用户接口。
①命令接口：
提供—组命令供用户直接或间接控制自己的作业。
②程序接口：
提供一组系统调用供用户程序和其他系统程序调用。
③图形接口：
图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标将系统的各项功能、各种应用程序和文件直观、逼真地表示出来，用户可通过鼠标、菜单和对话框来完成各种应用程序和文件的操作。
六操作系统的运行环境
操作系统的运行环境主要包括计算机系统的硬件环境和由其它系统软件形成的软件环境，以及操作系统和使用它的人之间的关系。
硬件环境主要包括：
中央处理器（CPU）、存储系统、中断机制、I/O技术和时钟等方面。
下面主要说明CPU状态和中断机制。
特权指令：
只能由操作系统使用的指令。
如：
修改程序状态字、开关中断、置中断向量、启动设备执行I/O操作、设置硬件实时钟、停机等
非特权指令：
特权指令之外的指令，这些指令的执行不影响其它用户以及系统状态.如算术运算指令、逻辑运算指令、取数存数指令、访管指令等
1．CPU状态—管态和目态
计算机系统中，操作系统程序作为用户程序的管理者和控制者，享有用户程序所不能享有的某些特权，为避免错误地使用特权指令，将CPU的运行状态分为管态和目态。
由程序状态（PSW）寄存器内的标志触发器来进行标识。
管态又称为系统态或核心态，操作系统程序在管态下运行，能执行包括特权指令在内的所有指令。
目态又称为用户态或常态，外层用户程序在目态下运行，不可执行特权指令。
若出现特权指令、CPU能识别出程序非法使用指令，形成一个程序性中断事件，中止程序的执行。
目态--管态
其转换的唯一途径是通过中断
管态--目态
可用设置PSW（修改程序状态字）可实现
2．中断机制
（1）中断的定义：
所谓中断是指系统发生某一事件后，CPU暂停正在执行的程序转去执行处理该事件的程序过程，处理中断事件的程序称为中断处理程序，产生中断信号的那个部件称为中断源。
硬件的中断机构与处理这些中断的程序统称为中断系统。
（2）中断的类型
不同的计算机系统．其产生中断的原因及其处理方式均不同，通常将系统内的所有中断分为若干类。
①根据中断信号的含义和功能分为以下五类；
机器故障中断：
因机器发生错误（电源故障，内存读数错误等）而产生的中断，用以反映硬件故障，以便进入诊断程序。
I/O中断：
由输入/输出设备引起的中断，用以反映通道或外部设备工作状态。
外中断：
由各种外部事件引起的中断，用以反映外部的要求。
程序性中断：
因程序中错误使用指令或数据引起的中断，用以反映程序执行过程中发生的例外情况。
访管中断：
由于程序执行了“访管”指令（系统调用）而产生的中断，用于反映用户程序所请求操作系统为其完成某项工作。
②根据中断信号的来源分为两类；
中断，也称外中断，指来自CPU以外事件的中断，是与当前运行程序无关的暂停事件。
对它的处理不必完全依赖当前程序的运行现场，具有较低的中断优先级，可被临时屏蔽。
异常，也称内中断或陷入，指源自CPU内部事件的中断，是与当前运行程序相关的暂停事件，对其处理要依赖于当前程序的运行现场，均具有较高的优先级，一旦出现应立即处理。
③根据是否是当前程序期望的分为两类：
强迫性中断：
正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障或外部请求引起的
♦输入/输出（I/O）中断：
主要来自外部设备通道
♦程序性中断：
运行程序中本身的中断（如溢出,缺页中断,缺段中断,地址越界）
♦时钟中断
♦控制台中断
♦硬件故障
自愿性中断（访管中断）：
用户在程序中有意识安排的中断，是由于用户在编制程序时因为要求操作系统提供服务，有意使用“访管”指令（系统调用），使中断发生
♦执行I/O，创建进程，分配内存
♦信号量操作，发送/接收消息
第二章文件系统
本章主要讨论文件的组织结构,存取结构,保护以及文件系统空间管理等.
2.1文件系统的概念
操作系统对计算机硬件:
cpu管理,存储器管理,设备管理
计算机软件:
系统程序,应用程序,库函数,用户的数据.
问题:
1.程序调用另外的库函数来减少编程工作.避开与硬件有关的部分.
2.编制的程序放在什么地方.
解决思想:
他们实际是对软件资源进行透明存放,令这些程序做到召之既来.
存储器的发展给软件资源的透明存取提供了物质基础.导致了文件系统的出现.
文件系统必须完成的工作:
1.合理的存放文件.
2.必须有一个可见的文件逻辑结构,按文件名存放.
3.文件在存储设备上按一定的顺序存放.-----物理结构.
4.完成文件的查找.
5.完成对文件的保护和共享.
2.2文件与文件系统
文件:
文件是一段程序或数据的集合-----一组赋名的相关联字符流的集合,或者是相关联记录的集合.
文件有两种:
1.赋名的字符流文件也叫无结构文件或流式文件.Unix,ms-dos采用无结构文件,并且把设备也看作是赋予特殊文件名的文件.
2.记录式文件-----用于信息管理.
文件系统
操作系统把与文件管理有关的软件和数据成为文件系统.-------负责建立文件,撤销,读写,修改和复制文件.
文件系统的特点:
1.友好的用户接口------文件结构和存放位置的透明.
2.对文件按名存取.
3.文件可以被多个用户或进程所共享.
4.文件系统用磁盘,光盘等作为存储介质.
文件的分类:
按性质和用途分:
系统文件库文件用户文件
按组织形式分:
普通文件目录文件特殊文件（设备文件）
2.3文件的逻辑结构与存取方法
2.3.1逻辑结构
文件的逻辑结构是用户可见结构.分为两大类:
字符流式的无结构文件和记录式的有结构文件.
好的逻辑结构的原则:
1.对信息改动时尽量减少对已有信息的改动.
2.查找快速.
3.应是文件信息占据最小的空间.
4.便于用户进行修改.
字符流式的无结构文件特点:
1.查找困难2.管理简单如:
源程序文件目标代码文件
记录式的有结构文件特点:
1.方便用户对记录的修改,查找,追加等操作.
什么是记录?
逻辑地址键属性属性值
记录式结构文件有一下几种:
1.连续结构2.多重结构（行列式）3.顺序结构（按某键的索引）
2.3.2存取方法
1.顺序存取法2.随机存取法3.按键存取法.
2.3.3搜索算法
1.线性搜索法,搜索所需要的时间与表格的大小的1/2成正比.
2.散列法.用h（k）将给定的k键变换为所对应的逻辑地址.
3.二分搜索法.用于顺序排列的键或记录.
2.4文件的物理结构与存储设备
2.4.1文件的物理结构
文件的存储设备通常划分为大小相等的物理块,512字节或1024字节.
文件信息也与存储设备对应为相等的逻辑块.
字符流式的文件每个物理块存放长度相等的文件
记录式文件长度可变-------导致逻辑地址道物理地址带来了额外的负担.
物理结构决定了逻辑块号到物理块号（物理地址）的变换.
常用的文件的物理结构:
1.连续文件
文件说明信息
文件A
第一物理块号（10）
文件长度（5）
10
11
12
13
14
逻辑块号01234
优点:
存取快速地址变换方便
缺点:
不能动态增长删除后,有零头空间不宜用来存放经常被修改的文件.
2.串联文件
文件说明信息
第一物理块号20
.
.
20
15
连接指针
15
22
3.索引文件
为每个文件建立一张索引表.
文件说明信息
索引表指针
.
.
逻辑块号
物理块号
0
20
1
15
2
22
3
25
2.4.2文件物理结构
存储介质:
磁盘,光盘,磁带
1.顺序存取设备,如:
磁带.
影响磁带的存取速度:
信息密度磁带带速块间间隙
2.直接存取设备,磁盘
磁盘结构:
扇区磁道柱面
2.5文件存储空间管理
文件存储空间管理实际就是空闲块的组织和管理问题.
有三种不同的空闲块管理办法:
1.空闲文件目录.
把空闲块号统一放在一个称为空闲文件目录的物理块中.
2.空闲块链
把文件存储设备上的所有空闲块链接在一起.
3.位示图.
在内存中划出若干个字节为每个存储设备建立一张位示图.按0,1表示.
2.5目录管理
为了迅速准确的完成文件名到文件物理块的转换------我们把文件名及其结构信息等按一定的组织结构排列,方便文件的搜索.
文件说明-----对该文件实施控制管理的控制管理信息.
把文件说明按一定的逻辑结构存放到物理存储块的一个表目中.
管理文件目录的作用:
1.完成对文件的创建,检索及维护.
2.解决存储空间的有效利用.
3.快速搜索.
4.文件命名冲突.
5.文件共享.
把文件说明称为文件的目录.--------也叫文件控制块（FCB）,包括:
1.文件名.
2.与文件名对应的内部标识
3.文件在存储设备上第一个物理块的地址.
2.6文件目录
单级目录:
将文件目录文件全部或部分调入内存,文件系统通过对该表的信息对文件创建,搜索,删除.
用户名
目录大小
控制
物理地址
….
Wang
Zhang
….
文件名
各种属性
物理始址
上图的二级目录结构
单级目录与多级目录的搜索时间比较:
单级目录搜索时间与单级目录表的长度n成正比.
二级目录与m+r成正比.（m是用户个数,r是每个用户的文件个数.）
m+r<=n,所以二级目录的搜索时间要快于单级目录.
树形多级目录结构具有的特点:
1.层次清楚
2.解决了文件重命名问题.
3.查找速度快.
打开文件和关闭文件的过程.:
系统提供两类特殊的操作:
把目录文件复制到内存的操作成为打开文件（fopen）,
删除文件的内存副本称为关闭文件（fclose）
2.6文件存取控制
文件的共享
文件的保护
文件的保密
实际是一个用户对文件的使用权限.即读,写,可执行
文件的存取控制应做到:
1.有权限的,让其进行相应的操作.
2.没有权限的,不让其进行相应的操作.
3.防止冒充
这些功能是由一组称为存取控制验证模块的程序提供.
有三种方式:
1.存取控制矩阵.
用户
文件名
WANG
LEE
ZHANG
A.C
RWE
RW
W
B.C
W
E
R
D.C
WE
R
RWE
2.存取控制表
文件名
用户
A.c
A组
RWE
B组
W
Wang
WE
3.口令方式
用户进入系统时存取文件时
2.7文件的层次模型
下层为上层提供服务,上层使用下层的功能.上下层之间无需了解对方的内部结构和实现方法.
共有八级层次:
1.用户接口,根据用户对文件的存取要求,把不同的系统调用加工改造成不同的内部调用格式.
2.符号文件系统层,完成第一层所提供的功能,并把第一层所提供的参数----文件名转化成系统内部的唯一标识符fd,-------搜索相应文件名的表目以找到fd,将fd作为参数传给第三层.
3.基本文件系统层.根据第二层的fd,找到文件的说明信息.存取控制表,文件逻辑结构,物理结构,第一个物理块地址.
4.存取控制验证层.根据存取控制信息喝用户访问要求,检验文件访问的合法性,实现文件的共享,保护.
5.逻辑文件系统层.根据文件的逻辑结构,找到所要进行操作的数据或记录的相对块号.
字符类文件:
逻辑地址--------按块长换算成相对块号.
记录文件:
根据键名或记录名搜索到相应的记录,得到对应的逻辑地址----转为相对块号.
6.物理文件系统层.相对块号------------------根据物理结构转换为物理地址.
7.文件存储设备分配模块和设备策略模块.
文件存储设备分配模块:
对空闲存储块的管理,分配,释放和组织.
设备策略模块:
物理块号-----设备所要求的地址格式,柱面号,磁道号,盘区号.
8.启动I/O层.设备处理程序执行具体的读或写文件操作.
7,8是文件系统和设备管理程序的接口层.
思考题
第二章设备管理
3.1设备的类别.
除了cpu和内存之外其他硬件设备成为外部设备.
种类繁多,特性各异操作方式的区别很大,使得设备管理非常复杂.
如:
装有cpu的网卡
虚拟终端和仿真终端技术,
X-WINDOWS等都作为一种设备和操作系统相连.
按设备的使用特性分:
1.I/O设备,外存设备终端设备等.
按设备的从属关系分:
2.分为系统设备和用户设备（如:
modem）.
按信息组织方式分:
3.块设备和字符设备.
对设备的分类目的在于简化设备管理程序.
不同的设备硬件对应于不同的管理程序.同类的设备利用相同的管理程序或作很少的改动.
3.2设备管理的功能和任务.
是最具复杂和多样性的部分.主要任务:
1.选择和分配I/O设备以便进行数据传输操作.
2.控制I/O设备和cpu（内存）之间交换数据.
3.为用户提供透明的接口,用户编程不必设计具体设备,还提供新增的设备和系统核心相连的入口.以便用户开发新的设备管理程序.
4.提高设备和设备之间,cpu和设备之间,进程于进程之间的并行操作度.以使操作系统获得最佳效率.
设备管理程序的功能:
1.提供和进程管理系统的接口.当进程要求设备资源时,该接口将进程要求转达给设备程序.
2.进行设备分配.
3.实现设备和设备,设备和cpu之间的并行操作.
4.进行缓冲区管理.Cpu,内存和比较慢外设之间的矛盾.
3.3数据传送控制方式.
遵循的原则:
1.数据传送速度足够快,能满足用户要求但不丢失数据.
2.系统开销小,所需的处理控制程序少.
3.那个充分发挥硬件资源的能力,让I/O尽量忙,cpu等待时间少.
外围设备和内存之间的数据传输控制方式有四种.
1.程序直接控制方式.
由用户进程来直接控制内存或cpu与外围设备之间的信息传送.
控制状态寄存器.
Cpu和外围设备只能串行工作.
适用于cpu速度慢,外围较少的系统.
2.中断方式.
3.DMA方式.（directmemoryaccess）
当所传的数据块全部结束时要求cpu中断处理,而中断方式在数据缓冲寄存器满时要求中断.
中断方式在处理时由cpu控制完成.
DMA方式在DMA控制器的控制下完成.
3.4中断技术
中断:
在计算机执行间,系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件,使得cpu暂时中断当前正在执行的程序而去执行相应的事件处理程序,待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程.
中断源:
引发中断的事件.
中断请求:
中断源向cpu发出的请求中断处理信号.
中断响应:
cpu收到中断请求后专相应的事件处理程序.
通过设置处理机状态字psw的中断允许位来开,关中断.（通过硬件来实现）
开关中断是为了保证某些程序执行的原子性
中断屏蔽:
在中断请求产生之后,系统用软件方式有选择地封锁部分中断而允许其余部分的中断仍能得到响应.
电源掉电是不可禁止和屏蔽的中断.
中断的分类与优先级:
根据中断源产生的条件,分为外中断和内中断.
外中断:
来自处理机和内存外部的中断（i/o设备的中断,esc键的中断,调试程序设的断点）
内中断:
在处理机内部和内存内部产生的中断.或称为陷入或异常.（地址非法,数据格式非法,除数为零,非法指令,）
unix系统外中断和陷入优先级分为8级.
如果中断源的优先级高于psw的优先级,则cpu响应中断源的中断请求.反之.
各中断源的优先级在系统时给定,在系统运行时固定,而处理机的优先级则根据执行情况由系统动态设定.
中断和陷入还有如下区别:
1.陷入通常由处理机在执行的现行指令引起,中断则是由于与现行指令无关的中断源引起.
2.陷入的处理程序提供的服务为当前进程所用.而中断处理程序提供的服务则不是为了当前的进程.
中断处理过程:
1.有来自于中断源的中断请求,cpu允许中断.
2.如果cpu相应中断,则cpu关中断.使其进入不可再次响应的中断状态.
3.保存被中断进程现场.
4.调用相应的中断处理子程序.
5.执行中断处理子程序.
6.退出中断,恢复被中断进程的现场.
7.开中断,cpu继续执行.
3.5缓冲技术.
3.5.1缓冲的引入.
Cpu和外设之间的速度不匹配.
计算机和打印机
好处:
减少了中断的次数.
实现缓冲的方法:
硬件缓冲器:
i/o控制器中的数据缓冲寄存器.
软件缓冲:
在内存中划出专用缓冲区.
3.5.2缓冲的种类
缓冲器属于临界资源,不允许多个进程同时对一个缓冲器操作.
单缓冲
双缓冲.
多缓冲:
把多个缓冲区连接起来,一部分用来专门输入,另部分用于输出.
缓冲池:
把多个缓冲区联起来统一管理.
3.6设备分配
由于设备,控制器等资源的有限性.不是每个进程随时随地的能得到这些资源.
进程必须首先向设备管理程序提出资源申请,然后,由设备分配程序根据相应的分配算法为进程分配资源.如果申请进程得不到它所申请的资源时,将被放入资源等待队列中等待,直到所需要的资源被释放.
3.6.1设备分配用数据结构.
1.设备控制表DCT（devicecontroltable）
设备控制表反映设备的特性,设备和i/o控制器的连接情况.包括设备标识,使用状
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