第一章-计算机操作系统-绪论

绪论
绪论
处理机管理 ‫ ٭‬多道环境下，处理机的运行及分配都是 以进程为单位，因此处理机管理可归结 为进程管理。
一、进程控制
‫ ٭‬创建/撤消进程 ‫ ٭‬迁移进程状态 ‫ ٭‬一般由进程控制原语完成
绪论
二、进程同步 ‫ ٭‬为使多个进程有条不紊地运行，应建立同步机制。 ‫ ٭‬包括进程互斥/同步，次序协调。 三、进程通信 ‫ ٭‬源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程 相互间有信息传递 ‫ ٭‬类型： ▪ 直接通信：进程A发message，进程B收message ‫ ٭‬间接通信： ▪ 进程A发message到中间实体（如mailbox），进程B 从中间实体收message
绪论
绪论
绪论
绪论
程序没有直接访问键盘，显示器，磁盘或者主存， 它们依靠操作系统提供的服务。
绪论
操作系统作为资源的管理者 操作系统有两个主要用途：防止硬件被失控的应用 程序滥用；在控制复杂而又通常广泛不同的低级硬 件设备方面，为应用程序提供简单一致的方法。它 通过几个基本的抽象概念（进程，虚拟存储器和文 件）实现这两个用途。
绪论
OS的主要功能(3)
四、调度（作业与进程） ‫ ٭‬作业调度： ▪ 为作业分配必要资源，调入内存建立进程， 并使之进入就绪队列。 ‫ ٭‬进程调度： ▪ 从就绪队列中选出进程，分配CPU，使之运 行。 ‫ ٭‬调度算法： ▪ FCFS、优先权等
绪论
虚拟存储器 也是一个抽象概念，为每个进程提供一个假象，好 像它在独占的使用主存。每个进程看到的存储器都 是一致的，称为虚拟地址空间。
绪论
文件是对I/O设备的抽象表示，虚拟存储器是对主 存和磁盘I/O设备的抽象表示，进程则是对处理器、 主存和I/O设备的抽象表示。
绪论
进程 进程：操作系统提供一种假象，似乎系统上只有这 个程序在运行。程序看上去独占的使用处理器，主 存和I/O设备。这些假象是通过进程的概念来实现 的。 进程是操作系统对运行程序的一种抽象；
绪论

作为用户与计算机硬件系统之间的接口
用户 程序员
系统设计者
应用程序及实用程序 系统调用，命令，图标，窗口 操作系统 计算机硬件
图1－1 OS作为接口的示意图
绪论
应用软件：设计用于解决一个专门问题。如电子邮 件软件，库存控制软件，文档编辑程序等。 系统设计：提供一个一般的编程环境，从而程序员 可以生成特定的应用程序以适应他们客户的需要。 编程环境由程序设计工具（如编辑器和编译器）和 抽象（如文件和对象）组成。为了使机器资源更多 的花费在应用程序上，系统软件对机器资源的使用 应该尽可能少。
‫ ٭‬四、设备wenku.baidu.com立性和虚拟设备
▪ 独立性，即program与设备无关性，使program易于重 定向，增加了可移植性。 ▪ 虚拟设备
绪论
信息管理（文件系统管理）
‫ ٭‬任务：方便用户，提供安全性
‫ ٭‬一、文件存贮空间的管理 ▪ 例：creatfile：文件系统根据文件长度自动分配连 续或离散的扇区，并提供“一句柄”表示该文件。 ‫ ٭‬二、目录管理 ▪ 使用户按名存取，提高速度。 ‫ ٭‬三、文件的读、写管理和存取控制（保护）
绪论
操作系统作为虚拟机 #include <studio.h> int main() { printf(“hello, world\n”); }
Hello程序必需被转化为低级机器语言指令，然后 这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打好 包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。
绪论
思考 用MCS51编写hello，world程序？ 用MCS51编写读键盘输入，并输出的程序？
处理过程（图1.3）
‫٭‬ ‫٭‬ 监督程序（monitor） 概念：系统对作业的处理都是成批进行的、且 内存中始终只保持一道作业，称为单道批处理 系统（simple batch system）。 批处理系统的引入是为了提高系统资源的利用 率和吞吐量 概念：运行控制权 自动性、顺序性、单道性
‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬
绪论
设备管理
‫ ٭‬任务：提高I/O利用率和速度，方便用户
‫ ٭‬一、缓冲管理
▪ 缓冲区：用来解决CPU－I/O矛盾，如：CPU快则应多 创建缓冲区。
‫ ٭‬二、设备分配
▪ 包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收
绪论
‫ ٭‬三、设备处理
▪ 指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向 CPU发中断。 ▪ 设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求，自动地 构成通道程序。
绪论
通常的系统软件
C运行库： ‫ ٭‬标准输入输出库，如printf()和scanf()。 ‫ ٭‬数学库，如sqrt()。 ‫ ٭‬图形库，如drawCircle()等。 命令行解释程序（也称外壳程序），如windows下使用dir 命令，UNIX下使用ls命令可进行目录下的条目列表；Linux 的bash程序和Windows的cmd.exe程序都是命令行解释程序。 窗口系统：为应用程序提供了虚拟终端，应用程序可以用函 数读写窗口，好像该窗口是一个终端设备一样。例如 Macintosh desktop, Microsoft Windows desktop，Linux 的Gnome desktop等。 数据库管理系统，如Oracle或MySQL等。
绪论
程序的运行——Shell
unix> ./hello Hello,world unix> shell执行它的指令，等待输入。当我们输入后，逐一读取 字符到寄存器，再把它存放到存储器中。回车时，shell知 道我们已经结束了命令输入。然后shell执行一系列指令， 将目标文件中的代码和数据从磁盘拷贝到贮存，从而加载 hello文件。数据包括最终会被输出的字符串。 一旦hello目标文件中的代码和数据被加载到了存储器，处 理器就开始执行hello程序的主程序中的机器语言指令，将 串中的字节从存储器中拷贝到寄存器堆，再从寄存器中文件 拷贝到显示设备，最终显示到屏幕上。
绪论
研究操作系统的两种观点
‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬
作为计算机系统资源的管理者
处理机管理：分配和控制处理机 存储器管理：分配及回收内存 I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作 文件管理：文件存取、共享和保护

‫٭‬ ‫٭‬
作为扩充机器
把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。 分层扩充的特点。
绪论
分时系统（2）

‫٭‬ ‫٭‬
分时系统在实现中的关键问题
及时接收：多终端卡、输入缓冲区 及时处理：交互作业应在内存、响应时 间应短
绪论
分时系统(3) 分时系统的实现方法
‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬ 交互式作业直接进入内存 以分配时间片方式实现 类型： ▪ 单道分时系统 ▪ 具有前、后台的分时系统 – 仅当前台无作业或在调进、出时，才运行后 台批处理作业。 ▪ 多道分时系统 – 不需要调入、出开销。
绪论
翻译过程——编译系统 gcc –o hello hello.c 翻译过程分为四个阶段，执行这四个阶段的程序一 起构成编译系统。 ‫ ٭‬预处理阶段：读取头文件stdio.h的内容，并插 入到程序文本中去； ‫ ٭‬编译阶段：产生一个汇编语言程序。 ‫ ٭‬汇编阶段：翻译成机器语言，并且打包成为一种 可重定位目标程序的格式。 ‫ ٭‬链接阶段：printf存在于一个名为printf.o的单 独的预编译目标文件中，必须以某种方式并入到 hello.o中；

‫٭‬
特征
多道性、无序性、调度性：作业调度、进程调度

‫٭‬
缺点
平均周转时间长、无交互能力
绪论
1.2.4分时操作系统
‫٭‬
分时系统的产生
概念：指一台主机上连接了多个带有显示器 和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机 中的资源，各个用户都可通过自己的终端以 交互方式使用计算机。 ‫٭‬ 是用户的需求： ▪ 人机交互性 ▪ 共享主机 ▪ 便于用户上机
绪论
操作系统与其它系统软件的区别 操作系统直接作用于硬件之上，为其他系统软件和 应用软件提供接口。 通用的操作系统与应用领域无关。操作系统可支持 许多应用领域软件。 应用程序使用操作系统所提供的资源抽象，从而使 用硬件资源部件。 操作系统允许不同的应用程序通过它所提供的资源 管理策略来共享硬件资源。
特征
绪论
图1－3
开始 是 把下一个作业 的源程序转换 为目标程序
还有下一 个作业？
否
停止
是
源程序 有错吗？
否
运行目标程序
装配目标程序
绪论
1.2.3
‫٭‬ ‫٭‬
多道批处理系统
基本概念
多道：系统中同时驻留多个作业 多道引入的优点： ▪ 提高CPU利用率 ▪ 提高内存和I/O设备利用率 ▪ 提高了系统吞吐量
绪论
1.2
操作系统的历史和基本类型
1.2.1手工操作阶段 人工操作方式
‫٭‬ ‫٭‬ 如纸带输入机。 特点是用户独占全机及CPU等待人工操作。
1.2.2
‫٭‬ ‫٭‬
早期批处理
脱机I/O方式（图1.2）
引入I/O机的概念，解决前者的缺点。 特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O速度。
绪论
绪论
二、内存保护 ‫ ٭‬例：设臵上、下界寄存器，每条指令进行越界检查 （一般是硬件实现） 三、地址映射 ‫ ٭‬地址范围 地址 ‫ ٭‬逻辑空间 逻辑地址相对地址（） ‫ ٭‬物理空间 物理地址（绝对地址） 四、内存扩充 ‫ ٭‬利用虚存技术，从逻辑上扩充内存容量 ‫ ٭‬系统应有：请求调入/臵换功能以支持虚存技术
绪论
一般系统软件设计的最初动机，主要是提供一些程序员可以 使用的功能以备应用软件调用。后来，系统软件（特别是操 作系统）实现了另一个重要目的：使应用程序能够以有序的 方式去共享硬件。共享提高了系统整体的性能。
操作系统是系统软件的一部分，它保证共享的实现最安全和 有效。它是“最贴近硬件”的软件实现，其它的系统软件和 所有的应用软件把操作系统作为使用硬件的一个界面。操作 系统程序员编写控制硬件的软件（实现共享和抽象），给应 用程序员提供一个可以使用的软件环境。
绪论
文件
文件只不过是字节序列。每个I/O设备，包括磁盘，键盘， 显示器，甚至网络，都可以被看成是文件。系统中的所有输 入输出都是通过使用Unix I/O的一小组系统函数调用读写 文件来实现的。
这个简单而精致的抽象概念非常强大，它使得应用程序能够 同一地看待系统中可能含有的所有各式各样的I/O设备。例 如，处理磁盘文件内容的应用程序员可以非常幸福地无需了 解具体的磁盘技术。而同一程序可以在使用不同磁盘技术的 不同系统上运行。
Linux中，最上面的四分之一的地址空间预留给操 作系统中的代码和数据。底部的四分之三用于存放 用户进程定义的代码和数据。
绪论
绪论
存储管理
‫ ٭‬目的：方便用户使用，且提高存贮器利用率 一、内存分配 ‫ ٭‬静态分配： ‫ ٭‬动态分配：作业在内存中可移动 ‫ ٭‬为此，需内存分配的数据结构及内存分配和回 收功能
第 1 章
绪 论
1.1
操作系统概念
操作系统概念（p2）
‫ ٭‬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 户的程序集合。 ‫ ٭‬它就像是指挥者，协调计算机所有的组 件，并使得各个组件能依照某个计划协 同工作。
绪论
效率和功能是一个操作系统可用的关键因素。操作 系统的效率为计算机上所有软件的性能提高提供了 平台，研究操作系统的一个最重要的原因是学习如 何获得最好的性能。 另外，操作系统提供了一系列功能以支持用户程序 的执行。提供较少功能的高性能操作系统实际上会 迫使应用程序做更多的工作。为了在编程中充分使 用系统的功能，需要理解系统是如何设计的。
并发与并行；在并发运行中，交错执行的机制称为 上下文切换。
绪论
在helloworld示例中，有两个同时运行的进程： shell进程和hello进程。最开始，只有shell进程 在运行，等待输入。当我们让它运行hello程序时， shell通过调用一个专门的函数，即系统调用，来 执行我们的请求，系统调用会将控制权传递给操作 系统。 操作系统保存shell进程的上下文，创建一个新的 hello进程及其上下文，然后将控制权传给新的 hello进程。在hello进程终止后，操作系统恢复 shell进程的上下文，并将控制权传回给它，继续 等待下一命令行输入。