計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)os chap01

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

ComputerOperatingSystems秦科

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MIT開放課程

教學(xué)安排總學(xué)時(shí)：72（上課64學(xué)時(shí)、上機(jī)8學(xué)時(shí)、課程設(shè)計(jì)）教學(xué)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(jià)值成績(jī)構(gòu)成：期末考試占60%平時(shí)10%,實(shí)驗(yàn)10%,課程設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)WilliamStallings操作系統(tǒng)精髓與設(shè)計(jì)原理湯子瀛計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程特點(diǎn)內(nèi)容多涉及計(jì)算機(jī)各個(gè)方面內(nèi)容抽象不易找到直觀形象的例子概念性強(qiáng)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(qǐng)假,否則視為曠課;缺課達(dá)總學(xué)時(shí)20%以上,取消考試資格。按時(shí)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(wàn)花筒相關(guān)硬件知識(shí)初識(shí)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(gè)沒有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)世界？1.1WhatIsAnOperatingSystem(2)Figure1-1.Wheretheoperatingsystemfitsin.可以執(zhí)行機(jī)器的任何指令1.1TheOperatingSystemasanExtendedMachineFigure1-2.Operatingsystemsturnuglyhardwareintobeautifulabstractions.1.1TheOperatingSystemasaResourceManager允許多道程序同時(shí)執(zhí)行管理和保護(hù)存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備以及其他資源多路復(fù)用時(shí)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(jì)(1980–Present)個(gè)人計(jì)算機(jī)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(jì)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(qǐng)求I/OB請(qǐng)求I/OC請(qǐng)求I/OA完成D請(qǐng)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(jì)多道批處理系統(tǒng)主要特征：多道性、無(wú)序性、調(diào)度性（進(jìn)程調(diào)度和作業(yè)調(diào)度）。多道批處理的主要優(yōu)點(diǎn)提高了資源利用率和吞吐能力。多道批處理的主要缺點(diǎn)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，沒有交互能力。1.2.3多道程序設(shè)計(jì)1、處理機(jī)管理：分配和控制CPU。2、存儲(chǔ)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(hù)。5、作業(yè)管理：如何組織作業(yè)運(yùn)行。1.2.4分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生一臺(tái)計(jì)算機(jī)提供給多人同時(shí)使用分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時(shí)接收及時(shí)處理1.2.4分時(shí)系統(tǒng)特征多路性：多個(gè)用戶分時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。獨(dú)立性：獨(dú)立運(yùn)行，不混淆，不破壞。及時(shí)性：系統(tǒng)能在很短的時(shí)間得到回答。交互性：能實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話1.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)？存在的必要性？“實(shí)時(shí)”的相關(guān)概念實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的比較1.3微機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)展歷程AgoodstorytoreadandthinkBillGatesStevenJobs1.4ComputerHardwareReviewFigure1-6.Someofthecomponents

ofasimplepersonalcomputer.2個(gè)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(xiàn)，寫一篇關(guān)于CPU發(fā)展報(bào)告。要求不可原封不動(dòng)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(jìn)性與不足Figure1-9.Atypicalmemoryhierarchy.

Thenumbersareveryroughapproximations.1.4.2Memory(1)緩存要考慮的問題:何時(shí)導(dǎo)入新的內(nèi)容？導(dǎo)入到何處？何時(shí)導(dǎo)出舊的內(nèi)容？導(dǎo)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(jī)）Serveroperatingsystems（服務(wù)器）Multiprocessoroperatingsystems（多處理器）Personalcomputeroperatingsystems（個(gè)人計(jì)算機(jī)）Handheldoperatingsystems（掌上電腦）Embeddedoperatingsystems（嵌入式）Sensornodeoperatingsystems（傳感器）Real-timeoperatingsystems（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）Smartcardoperatingsystems（智能卡系統(tǒng)）……進(jìn)程Process地址空間AddressSpace文件File安全Security系統(tǒng)調(diào)用SystemCallshell1.6OperatingSystemConcepts1.6.1進(jìn)程本質(zhì)上是一個(gè)正在執(zhí)行的程序有自己的活動(dòng)狀態(tài)有哪些狀態(tài)？OS通過進(jìn)程表來維護(hù)進(jìn)程如何維護(hù)？要考慮哪些問題？1.6.1

進(jìn)程Figure1-13.Aprocesstree.ProcessAcreatedtwochildprocesses,BandC.ProcessBcreatedthreechildprocesses,D,E,andF.1.6.2地址空間一個(gè)程序可以使用的地址的集合思考：一個(gè)進(jìn)程的地址空間是否可以大于主存自身的空間？若干個(gè)進(jìn)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(duì)路徑相對(duì)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(hù)存儲(chǔ)訪問保護(hù)、反病毒保護(hù)、實(shí)體安全保護(hù)處理傳輸完整、機(jī)密、認(rèn)證、非否認(rèn)1.6.5Shell是個(gè)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(gè)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(gè)系統(tǒng)調(diào)用指令操作系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)檢查，找到所需進(jìn)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(jī)管理2、存儲(chǔ)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(jī)管理功能處理機(jī)管理的主要功能：按照一定的算法把處理機(jī)分配給進(jìn)程（線程），并對(duì)其進(jìn)行有效的管理和控制。1．進(jìn)程控制進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程、撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。2、進(jìn)程同步進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。兩種協(xié)調(diào)方式：①進(jìn)程互斥方式，這是指諸進(jìn)程（線程）在對(duì)臨界資源進(jìn)行訪問時(shí)，應(yīng)采用互斥方式；②進(jìn)程同步方式，指進(jìn)程相互合作去完成共同的任務(wù)時(shí)，諸進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)。實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步采用信號(hào)量機(jī)制。3．進(jìn)程通信進(jìn)程通信——是進(jìn)程之間的信息交換。當(dāng)相互合作的進(jìn)程（線程）處于同一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通常在它們之間是采用直接通信方式，即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接將消息（message）掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊(duì)列上，以后由目標(biāo)進(jìn)程利用接收命令從其消息隊(duì)列中取出消息。4.調(diào)度在后備隊(duì)列上等待的每個(gè)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(yùn)行需經(jīng)作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度才能執(zhí)行完成。

-作業(yè)調(diào)度是從后備隊(duì)列中按照一定的算法，選擇出若干個(gè)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(jìn)程，插入就緒隊(duì)列。

-進(jìn)程調(diào)度是從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中選出一新進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，使進(jìn)程投入執(zhí)行。1.7.2存儲(chǔ)器管理功能存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)：為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)器的利用率以及能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。存儲(chǔ)器管理功能有4個(gè)：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(gè)作業(yè)運(yùn)行之前分配好內(nèi)存空間，在作業(yè)的整個(gè)運(yùn)行期間不再改變。②動(dòng)態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)在運(yùn)行前或運(yùn)行中，均可申請(qǐng)新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)增漲。內(nèi)存分配的機(jī)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(dāng)用戶不再需要的內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)能回收內(nèi)存的功能。2．內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)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(yùn)行，彼此互不干擾。內(nèi)存保護(hù)機(jī)制：是設(shè)置兩個(gè)界限寄存器，越界檢查都由硬件實(shí)現(xiàn)3．地址映射地址空間——目標(biāo)程序或裝入程序限定的空間，稱為“地址空間”。單元的編號(hào)稱為邏輯地址，又稱為相對(duì)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(yùn)行時(shí)，將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對(duì)應(yīng)的物理地址，稱為地址映射。4．內(nèi)存擴(kuò)充

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

（1）請(qǐng)求調(diào)入功能。在程序運(yùn)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(yùn)行。（2）置換功能。將內(nèi)存中的一部分暫時(shí)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(jìn)程提出的I/O請(qǐng)求；為用戶進(jìn)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(duì)于不同的系統(tǒng)，可以采用不同的緩沖區(qū)機(jī)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(jìn)程的I／O請(qǐng)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(shí)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(biāo)識(shí)符和狀態(tài)，以供進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)參考。③不同的設(shè)備類型（獨(dú)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(dòng)程序。設(shè)備處理其基本任務(wù)：是用于實(shí)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(qǐng)求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。處理過程：檢查請(qǐng)求的合法性→設(shè)備空閑否？→向控制器發(fā)I/O命令→啟動(dòng)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(duì)用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)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(chǔ)空間的管理——是對(duì)諸多文件及文件的存儲(chǔ)空間，實(shí)施統(tǒng)一的管理?；跀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（MCB）對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行分配和回收的功能。2．目錄管理為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)，并對(duì)眾多的目錄項(xiàng)加以有效的組