計算機科學(xué)導(dǎo)論(第2版)第4章 操作系統(tǒng)

計算機科學(xué)導(dǎo)論 學(xué)習(xí)計算機專業(yè)的第一門基礎(chǔ)課程 本章要點： 操作系統(tǒng)概念 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史 操作系統(tǒng)的功能 操作系統(tǒng)的分類 操作系統(tǒng)的一些基本概念及組成 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 常用主流操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的新發(fā)展 操作系統(tǒng)概念 “操作系統(tǒng)就是合理管理并控制計算機系統(tǒng)內(nèi)各種軟、硬件資源，并能夠合理組織工作流程、方便用戶使用的程序的集合”。 例如： 操作系統(tǒng)概念 操作系統(tǒng)是緊鄰硬件的第一層軟件，是對硬件功能的首次擴充，任何一臺計算機都必須在其硬件平臺上加載相應(yīng)的操作系統(tǒng)之后，才能構(gòu)成一個可以正常運轉(zhuǎn)的計算機系統(tǒng)。 物理設(shè)備 操作系統(tǒng) 編譯程序編輯程序 D B M S 銀行應(yīng)用 系統(tǒng) 飛機票預(yù)定系統(tǒng) 瀏覽器 操作系統(tǒng)概念 (1) 系統(tǒng)加電，處理器復(fù)位，查找含有啟動指令的 (2) (3) 將自檢結(jié)果與中系統(tǒng)配置信息相比較。 (4) 如果自檢成功， 執(zhí)行引導(dǎo)塊程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)核心進行引導(dǎo)，操作系統(tǒng)核心進入內(nèi)存后即接管系統(tǒng)，繼續(xù)系統(tǒng)的初始化等工作。 (5) 操作系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)配置信息，執(zhí)行并啟動一些系統(tǒng)程序，完成整個系統(tǒng)的啟動。 作系統(tǒng)的歷史 輸入 /輸出設(shè)備之間串行工作，系統(tǒng)資源利用率低，計算機系統(tǒng)的可靠性也低。 具有較大的吞吐量、較高的資源利用率，但缺乏交互力。 資源利用率得到了更大的提高。分時系統(tǒng)則更是進一步提高了系統(tǒng)資源利用率，同時還具有及時的交互性。 強大的系統(tǒng)資源管理功能、豐富的應(yīng)用程序、種類繁多的應(yīng)用開發(fā)平臺、友好的圖形用戶界面。 作系統(tǒng)的功能 處理機管理 解決何時為多用戶、多任務(wù)分配 樣在多個任務(wù)之間進行調(diào)度、何時讓任務(wù)等待等問題，不同的系統(tǒng)，在調(diào)度策略上會根據(jù)調(diào)度目標(biāo)的不同而有所不同。 存儲管理 內(nèi)存分配 ，內(nèi)存保護 ，虛擬存儲 ，地址映射 。 I/ 記錄設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備分配，緩沖功能，設(shè)備獨立性功能。 文件管理 邏輯結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)，存取方式，方便的操作，目錄管理，安全，可靠性，共享等。 作系統(tǒng)的功能 屏蔽計算機系統(tǒng)硬件，提供給用戶簡單的使用系統(tǒng)或請求系統(tǒng)服務(wù)的接口 交互式接口： 命令接口， 程序級接口： 系統(tǒng)調(diào)用 作系統(tǒng)的功能 常用的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有 T、 絡(luò)操作系統(tǒng)除具有一般操作系統(tǒng)的功能外，還應(yīng)該具有以下功能： 網(wǎng)絡(luò)通信 網(wǎng)絡(luò)資源管理 網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 網(wǎng)絡(luò)管理 互操作 作系統(tǒng)的分類 主要特點是系統(tǒng)吞吐量大、系統(tǒng)資源利用率較高、平均作業(yè)周轉(zhuǎn)時間(作業(yè)從提交到結(jié)果輸出的時間 )較長，系統(tǒng)無交互力。 較好的交互性；同時，系統(tǒng)資源利用率也得到了很大的提高 。 具有事件驅(qū)動的特點，往往是由外部事件來觸發(fā)系統(tǒng)的響應(yīng)；有實時性和高可靠性的要求。 作系統(tǒng)的分類 組成網(wǎng)絡(luò)的各臺計算機物理分散且高度自治，各計算機都有各自的軟、硬件資源，系統(tǒng)的主要目的是共享網(wǎng)絡(luò)資源、信息交換和協(xié)作。 具有普通計算機具有的通常功能，但同時具有實時系統(tǒng)的特征，通常是更小的具有一定硬件控制功能的系統(tǒng)。 些基本概念及組成 并發(fā) ： 并發(fā)通常指多個任務(wù)可以在同一個時間段內(nèi)同時執(zhí)行，即允許多個任務(wù)在宏觀上并行，微觀上仍然串行 操作系統(tǒng)內(nèi)核 (1) 處理機的工作狀態(tài)：用戶態(tài)，核心態(tài) (2) 操作系統(tǒng)內(nèi)核 ： 操作系統(tǒng)在核心態(tài)下運行的部分 些基本概念及組成 進程與線程 (1) 進程 ： 正在執(zhí)行中的程序。 (2) 線程 ： 也稱為輕量級進程，它是進程內(nèi)更小的執(zhí)行單位。 死鎖：多個進程同時處于永久的相互等待的狀態(tài)。 地址空間 (1) 物理空間 ： 物理內(nèi)存的連續(xù)的物理單元隔成物理地址，物理 地址的集合即為物理空間 。 (2) 邏輯空間 ： 進程的邏輯地址的集合，這個地址的開始值通常 為 0，一直到某個最大值。 些基本概念及組成 I/ (1) 字符設(shè)備 ： 以字符為單位發(fā)送或接收一個字符流。 (2) 塊設(shè)備 ： 信息存放在固定大小的塊中，這些塊有自己的地址 。 文件 (1) 文件： 可以長期保存在外存中的、被賦名了的、信息單元的集合 (2) 目錄：目錄是一些目錄項的列表，每個目錄項一般含有文件名，以及文件控制說明信息 (或文件的索引節(jié)點號 )。 些基本概念及組成 操作系統(tǒng) 存儲管理 進程管理 設(shè)備管理 文件系統(tǒng) 用戶接口 些基本概念及組成 用戶接口 (1) 命令接口 ： 在終端提示符的命令行輸入命令，并在提示符下返回命令的響應(yīng) 。 (2) 系統(tǒng)調(diào)用 ： 信息存放在固定大小的塊中，這些塊有自己的地址 。 系統(tǒng)調(diào)用 陷入 用戶空間 核心空 間 些基本概念及組成 進程管理 (1) 進程的描述 ： 用進程控制塊 (描述一個進程 。 (2) 進程的狀態(tài) ： 三個最基本的狀態(tài)：運行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)。 運行態(tài) 就緒態(tài) 阻塞態(tài) 些基本概念及組成 (3) 進程調(diào)度 ： 不同的系統(tǒng)會采用不同的調(diào)度算法 。 (4) 進程通信 ： 包括進程的同步與互斥、管道通信、 共享內(nèi)存、消息隊列 、 網(wǎng)絡(luò)通信。 些基本概念及組成 存儲管理(1) 單一分區(qū) ： 整個內(nèi)存除了操作系統(tǒng)外，另外的內(nèi)存空間只分配給一個進程使用 。 (2) 多分區(qū) ： 內(nèi)存除操作系統(tǒng)之外的空間劃分成多個分區(qū) 。 用戶進程 3 用戶進程 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 用戶進程 1 用戶進程 2 單一分區(qū) 多分區(qū) 些基本概念及組成 (3) 分頁存儲管理 ： 將用戶進程空間劃分為一些大小相同的稱之為“頁”的單位，物理內(nèi)存也劃分為與“頁”的大小相同的一些“塊”。 3 2 1 0 進程空間 物理空間 些基本概念及組成 (4) 分段 ： 進程的虛空間按照邏輯性來加以劃分，可以分為程序段、數(shù)據(jù)段、堆棧段等，然后利用動態(tài)多分區(qū)存儲管理的方式進行內(nèi)存管理。 (5) 段頁 ： 分頁與分段方式結(jié)合 。進程劃分成固定的段，在段內(nèi)再分頁，這樣，最小的邏輯空間單位仍然是頁；而對于物理空間的管理則就采用分頁管理方式中的“塊”管理即可。 些基本概念及組成 I/ (1) 中斷 ： 設(shè)備完成輸入 /輸出后，如何通知系統(tǒng)、以便于進程的下一步執(zhí)行呢？這就要借助于中斷。 外設(shè) 產(chǎn)生中斷 些基本概念及組成 (2) I/： I/ 中斷處理程序 驅(qū)動程序 設(shè)備無關(guān)軟件層 用戶層 I/些基本概念及組成 文件系統(tǒng) (1) 文件命名 ： 對文件的訪問都是通過文件名進行 。 (2) 文件屬性 ： 常見的文件屬性有：文件創(chuàng)建者、創(chuàng)建時間、文件大小、 最近一次修改時間、最近一次存取時間、口令、各種文件 標(biāo)志等等。 (3) 文件操作 ： 創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉、讀、寫、文件定位、重命名 。 (4) 文件邏輯結(jié)構(gòu) ： 無結(jié)構(gòu)的字節(jié)序列 、有結(jié)構(gòu)的記錄式文件 。 (5) 文件的存取方式 ： 順序存取、隨機存取 。 (6) 文件的物理結(jié)構(gòu) ： 連續(xù)文件、鏈接文件、索引文件 。 些基本概念及組成 文件目錄管理(1) 路徑名 ： 絕對路徑名 ， 它由經(jīng)過根目錄到文件所在的子目錄的所有的目錄名的組合再加上文件名本身構(gòu)成，各個目錄或文件間用“ /”或“ ”分隔。如 / 相對路徑 ， 它常與工作目錄一起使用。工作目錄可以由用戶指定，如果未指定，通常就指的就是當(dāng)前目錄。 (2) 目錄的操作 ：創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉、讀、重命名、鏈接、取消鏈接。 作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 整體結(jié)構(gòu) 實質(zhì)上是沒有結(jié)構(gòu)，整個操作系統(tǒng)由若干的具有一定獨立功能的過程組成，過程和過程之間可以根據(jù)需要按事先定義的接口相互進行調(diào)用。 整體結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)按一定的功能模塊分層組織，下一層是相鄰上一層的基礎(chǔ)，層與層之間有嚴(yán)格的接口定義，只在相鄰層之間發(fā)生交互。 作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 虛擬機結(jié)構(gòu) 它以運行在裸機上的核心軟件 (虛擬機監(jiān)控軟件或某一種操作系統(tǒng) )為基礎(chǔ)，向上提供虛擬機的功能，每個虛擬機都像是裸機硬件的復(fù)制。 微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 盡量減小運行于核心態(tài)下的內(nèi)核，將操作系統(tǒng)的一些傳統(tǒng)功能作為服務(wù)器進程在用戶態(tài)下運行，內(nèi)核更多的是在多個服務(wù)器進程間以及用戶進程與服務(wù)器進程間進行消息傳遞。 流操作系統(tǒng)簡介 (1) 發(fā)展歷史 (2) 特點：統(tǒng)一的窗口和操作風(fēng)格 、豐富的應(yīng)用程序與應(yīng)用開發(fā)工具 、事件驅(qū)動程序的運行方式 、多任務(wù)的圖形化用戶界面 、支持網(wǎng)絡(luò)及多媒體技術(shù) ，提供豐富的應(yīng)用程序接口 、廣泛的硬件支持 。 流操作系統(tǒng)簡介 (1) 發(fā)展歷史 (2) 特點：多用戶、多任務(wù)、分時，友好的用戶接口 ，可裝卸的樹型結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng) ，設(shè)備文件化 ，較強的可移植性 。 流操作系統(tǒng)簡介 (1) 發(fā)展歷史 (2) 特點：友好的用戶接口 ，超強的可移植性 ， 模塊化設(shè)計的開源軟件 ，強大的通信及網(wǎng)絡(luò)功能 ，強大的健壯性 。 作系統(tǒng)的新發(fā)展