第3章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)1

第3章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)

操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)的功能模塊

典型操作系統(tǒng)概述本章要點本章基本要求基本知識點：

(1)了解操作系統(tǒng)的定義、發(fā)展和分類；(2)了解操作系統(tǒng)的基本功能；(3)掌握操作系統(tǒng)的操作界面和工作方式。重點與難點：操作系統(tǒng)的基本功能和基本特性。進(jìn)程的概念及基本特性。地址變換。3.1.1什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它們管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，為用戶提供一個功能強大、使用方便和可擴(kuò)展的工作環(huán)境。它是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件功能的擴(kuò)充。操作系統(tǒng)在整個計算機系統(tǒng)中具有極其重要的特殊地位，它不僅是硬件與其他軟件系統(tǒng)的接口，也是用戶和計算機之間進(jìn)行“交流”的界面

3.1.1什么是操作系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)硬件、軟件和用戶的關(guān)系3.1.2操作系統(tǒng)的分類

批處理操作系統(tǒng)

分時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)

通用操作系統(tǒng)

個人計算機操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)智能化操作系統(tǒng)CPU時間片程序1程序2程序N…...程序1程序3程序3程序排隊隊列CPU分時OS多用戶、多道程序共享一個CPU的OS。將CPU劃分為很小的時間片，采用循環(huán)輪作方式將這些CPU時間片分配給排隊隊列中等待處理的每個程序的處理方式。側(cè)重于及時性和交互性實時OS實時OS是實時控制系統(tǒng)和實時處理系統(tǒng)的統(tǒng)稱。實時控制系統(tǒng)用于過程控制。例如，控制飛行器、導(dǎo)彈發(fā)射、飛行過程的自動控制系統(tǒng)。實時處理系統(tǒng)主要指對信息進(jìn)行及時的處理。例如，利用計算機預(yù)訂飛機票、火車票或輪船票等。分布式OS分布式操作系統(tǒng)是指通過網(wǎng)絡(luò)將大量計算機連接在一起，以獲取極高的運算能力、廣泛的數(shù)據(jù)共享以及實現(xiàn)分散資源管理等功能為目的的一種OS。它的優(yōu)點是：①分布性。它集各分散結(jié)點計算機資源為一體，以較低的成本獲取較高的運算性能。②可靠性。由于在整個系統(tǒng)中有多個CPU系統(tǒng)，因此當(dāng)某一個CPU系統(tǒng)發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)仍舊能夠工作。3.1.3操作系統(tǒng)的基本特性

并發(fā)性:在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，計算機中有多個程序在同時運行。共享性:是指多個并發(fā)執(zhí)行的程序可以共享系統(tǒng)中的資源。虛擬性:是指通過虛擬技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槎鄠€邏輯上的對應(yīng)物。物理實體是實際存在的，而邏輯上的對應(yīng)物是虛的，是用戶感覺上的東西。通過虛擬技術(shù)，可以實現(xiàn)虛擬處理器、虛擬內(nèi)存、虛擬外部設(shè)備等。異步性:程序執(zhí)行順序、完成時間等都是不可預(yù)知的。

3.1.4操作系統(tǒng)的基本功能現(xiàn)代操作系統(tǒng)功能示意圖操作系統(tǒng)用戶接口處理器管理存儲器管理設(shè)備管理文件管理操作系統(tǒng)的基本功能處理器管理：把CPU的時間合理地、動態(tài)地分配給各道程序，使CPU得到充分利用，同時使得各道程序的需求也能夠得到滿足。操作系統(tǒng)的基本功能存儲器管理：合理分配內(nèi)存和及時回收內(nèi)存；存儲保護(hù)；擴(kuò)充內(nèi)存。設(shè)備管理：對除CPU和內(nèi)存外所有外部設(shè)備的管理。設(shè)備管理的目標(biāo)是保證用戶方便的使用各種設(shè)備。操作系統(tǒng)的基本功能文件管理是對計算機系統(tǒng)中軟件資源的管理，目的是為用戶創(chuàng)造一個方便安全的信息使用環(huán)境。

文件管理功能包括：文件的結(jié)構(gòu)及存取方法；文件的目錄機構(gòu)及有關(guān)處理；文件存儲空間的管理；文件的共享和保護(hù)；文件的操作和使用。用戶接口有兩種類型：

命令接口：用戶通過交互命令方式直接或間接地對計算機進(jìn)行操作。

程序接口：是為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的。程也稱為應(yīng)用程序編程接口(ApplicationProgrammingInterface，API)，用戶通過API可以調(diào)用系統(tǒng)提供的例行程序，實現(xiàn)既定的操作。3.2.1進(jìn)程及處理器管理進(jìn)程:

進(jìn)程是執(zhí)行起來的程序，是系統(tǒng)進(jìn)行資源調(diào)度和分配的一個獨立單位。進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊(PCB)三部分組成。

3.2.1進(jìn)程及處理器管理程序是用于描述進(jìn)程所要完成的功能。數(shù)據(jù)是進(jìn)程執(zhí)行時的操作對象。進(jìn)程控制塊PCB包含了有關(guān)進(jìn)程的描述信息、控制信息以及資源信息量。PCB是進(jìn)程的標(biāo)志。是進(jìn)程動態(tài)特性變化的集中反映。操作系統(tǒng)就是通過PCB實現(xiàn)對進(jìn)程的控制和管理。PCB存于系統(tǒng)空間，只有操作系統(tǒng)能夠?qū)ζ浯嫒?，用戶程序是不能訪問的，實際上用戶甚至感覺不到PCB的存在。動態(tài)性：進(jìn)程是運行著的程序，具有一定的生命周期。并發(fā)性：引入進(jìn)程的目的就是為了使其進(jìn)程實體能和其他進(jìn)程實體并發(fā)執(zhí)行。獨立性：是指進(jìn)程是一個能獨立運行、獨立進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。異步性：是指進(jìn)程按各自獨立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。結(jié)構(gòu)特征：為了管理進(jìn)程，系統(tǒng)為每個進(jìn)程創(chuàng)建一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄該進(jìn)程有關(guān)的狀態(tài)信息。制約性：由于系統(tǒng)資源有限，多個進(jìn)程在并發(fā)執(zhí)行過程中相互制約。進(jìn)程的基本特性進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換

在任何時刻，任何進(jìn)程都處于以下三種基本狀態(tài)之一。

就緒狀態(tài)。進(jìn)程已經(jīng)獲得除CPU之外的其他資源，只要再獲得CPU，就立即執(zhí)行的狀態(tài)。執(zhí)行狀態(tài)。進(jìn)程獲得了需要的所有資源正在處理機上執(zhí)行的狀態(tài)。阻塞狀態(tài)，也稱為等待狀態(tài)。阻塞狀態(tài)是指正在執(zhí)行的進(jìn)程由于發(fā)生某事件而暫時無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。就緒等待運行調(diào)度I/O完成I/O等待時間片到進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖進(jìn)程與程序

程序是進(jìn)程的軀體，是進(jìn)程的組成部分，一個進(jìn)程存在的目的就是執(zhí)行其所對應(yīng)的程序，沒有程序，進(jìn)程就失去了其存在的意義。但進(jìn)程與程序不一一對應(yīng)。一個程序可以多次執(zhí)行，可以產(chǎn)生多個不同的進(jìn)程。一個進(jìn)程也可以對應(yīng)多個程序。程序是靜態(tài)的，它描述的是靜態(tài)的指令集合及相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序可以脫離機器長期保存，即使不執(zhí)行的程序也是存在的，所以程序是無生命的。而進(jìn)程是動態(tài)的，它描述程序執(zhí)行起來的動態(tài)行為，所以進(jìn)程有生存期，有創(chuàng)建后存在、撤銷后消亡的特性。進(jìn)程與程序程序不具有并發(fā)性，不占用CPU、存儲器及輸入／輸出設(shè)備等系統(tǒng)資源，所以不會受到其他程序的制約和影響。而進(jìn)程具有并發(fā)性，在并發(fā)執(zhí)行時，由于需要使用系統(tǒng)資源，受到其他進(jìn)程的制約和影響。進(jìn)程控制進(jìn)程從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)都是在操作系統(tǒng)的控制下進(jìn)行。這種控制通過原語來實現(xiàn)。所謂原語是機器指令的延伸，它是由若干條機器指令構(gòu)成的用于完成特定功能的一段程序。為了保證操作的正確性，規(guī)定在一個原語執(zhí)行期間不許插入任何其他操作。用于進(jìn)程控制的原語主要有創(chuàng)建原語、撤銷原語、等待原語和喚醒原語等。①創(chuàng)建原語。一般在操作系統(tǒng)中，都采用樹型結(jié)構(gòu)來表示進(jìn)程之間的關(guān)系。一個進(jìn)程可以創(chuàng)建若干個新進(jìn)程，創(chuàng)建者稱為父進(jìn)程，被創(chuàng)建者稱為子進(jìn)程。父進(jìn)程為完成指定的任務(wù)創(chuàng)建若干子進(jìn)程，子進(jìn)程也可以再去創(chuàng)建自已的子進(jìn)程，如此下去，構(gòu)成一個進(jìn)程家族。

創(chuàng)建進(jìn)程的主要任務(wù)就是建立進(jìn)程控制塊PCB。②撤銷原語。若干個進(jìn)程在完成指定的任務(wù)后或因某種原因不再需要時由撤銷原語將其撤銷，以便釋放它所占用的資源。

撤銷進(jìn)程的本質(zhì)就是刪除進(jìn)程控制塊PCB。進(jìn)程控制③等待原語。一個處于執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程因等待某一事件(如等待輸人／輸出完成、等待另一進(jìn)程發(fā)來消息等)而中止執(zhí)行時，可使用等待原語將自己轉(zhuǎn)變?yōu)榈却隣顟B(tài)。④喚醒原語。處于等待狀態(tài)而暫停執(zhí)行的進(jìn)程，當(dāng)其所等待的事件出現(xiàn)或所受的制約消失時，由喚醒原語將其喚醒，變換為就緒狀態(tài)。進(jìn)程控制進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度即處理器調(diào)度。進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)是為了控制、協(xié)調(diào)進(jìn)程對CPU的競爭，按照一定的調(diào)度算法使就緒狀態(tài)的某一進(jìn)程獲得CPU，使該進(jìn)程轉(zhuǎn)換成運行狀態(tài)。

先來先服務(wù)法。進(jìn)程調(diào)度總是把處理機分配給最先進(jìn)入就緒隊列的進(jìn)程。剛進(jìn)入就緒隊列的進(jìn)程排在隊尾，每次調(diào)度總是從就緒隊列中，選擇隊頭進(jìn)程為之分配處理機，使之投入運行。該進(jìn)程一直運行到完成或發(fā)生某事件而阻塞后，才放棄處理機。幾種進(jìn)程調(diào)度算法最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度法。進(jìn)程調(diào)度總是把CPU分配給就緒隊列中具有最高優(yōu)先權(quán)的進(jìn)程。最高優(yōu)先權(quán)可在進(jìn)程創(chuàng)建時設(shè)定，并在進(jìn)程的生存期內(nèi)保持不變。也可在進(jìn)程創(chuàng)建時給一個初值，隨進(jìn)程的推進(jìn)或隨其等待時間的增加而改變。前者稱為靜態(tài)優(yōu)先權(quán)，后者稱為動態(tài)優(yōu)先權(quán)。幾種進(jìn)程調(diào)度算法時間片輪轉(zhuǎn)法。時間片輪轉(zhuǎn)法主要在分時系統(tǒng)中采用。系統(tǒng)將所有就緒進(jìn)程按先來先服務(wù)的原則排成一個隊列，每次調(diào)度時，將CPU的使用權(quán)分配給隊頭進(jìn)程，并令其執(zhí)行一個時間片。所謂時間片是指系統(tǒng)規(guī)定進(jìn)程每次執(zhí)行的最長時間(例如100ms)，處于執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程時間片用完后即被剝奪CPU的使用權(quán)，并排到就緒隊列的末尾。幾種進(jìn)程調(diào)度算法3.3.1WINDOWS操作系統(tǒng)WINDOWS是MicroSoft公司的產(chǎn)品。WINDOWS是一個單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)。

WINDOWS操作系統(tǒng)的特點

全新的圖形用戶界面。多任務(wù)并行執(zhí)行能力。靈活多樣的操作方式。功能強大的應(yīng)用程序攜帶。外部設(shè)備的即插即用。系統(tǒng)配置的個性化。自由直觀的文件命名。

強大的多媒體表現(xiàn)能力。方便便捷的聯(lián)網(wǎng)手段。數(shù)據(jù)安全的得力措施。

3.3.2UNIX操作系統(tǒng)UNIX操作系統(tǒng)是一個多用戶、多任務(wù)的分時操作系統(tǒng)。其主要特點表現(xiàn)在以下方面：①多用戶的分時操作系統(tǒng)。②可移植性好。③可靠性強。④開放式系統(tǒng)。⑤向用戶提供了兩種友好的用戶界面。⑥具有可裝卸的樹型分層結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)。⑦設(shè)備獨立性。3.3.3LinuxLinux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，它主要用于基于Intelx86系列CPU的計算機上。Linux有很多發(fā)行版本，較流行的有：RedHatLinux、DebianLinux、RedFlagLinux等。

3.3.4Mac操作系統(tǒng)

Mac操作系統(tǒng)是蘋果機專用系統(tǒng)，是基于Unix內(nèi)核的圖形化操作系統(tǒng)，正常情況下在普通PC機上無法安裝該操作系統(tǒng)。現(xiàn)行的最新的系統(tǒng)版本是MacOSX10.7Lion,MacOSX已經(jīng)正式被蘋果公司改名為OSX。作業(yè)題

習(xí)題3:3-13-2、3-3的1、2、3、4、5習(xí)題2答案2-1選擇題：