操作系統(tǒng)基礎(chǔ)

目錄第0章課程說明第一章緒論§1.1存貯程序式計算機§1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與O.S.的關(guān)系§1.3O.S.的形成與發(fā)展§1.4O.S.的定義與功能目錄第二章OS的運行環(huán)境§2.1硬件環(huán)境§2.2操作系統(tǒng)與其它系統(tǒng)軟件的關(guān)系§2.3OS與人的接口§2.4固件–––微程序設(shè)計概念§2.5

磁盤操作系統(tǒng)的運行環(huán)境及功能目錄§3.1進程概念第三章進程管理§3.2進程的狀態(tài)和進程控制塊§3.3進程隊列§3.4進程管理§3.5WindowsNT中的線程

第四章并行程序設(shè)計§4.6管程的概念§4.1順序程序設(shè)計和并行程序設(shè)計§4.2進程間的同步與互斥§4.3信號量§4.4同步機構(gòu)應(yīng)用§4.5進程間的通訊§4.7作業(yè)講評與復(fù)習(xí)目錄第五章作業(yè)和進程的調(diào)度§5.3進程調(diào)度§5.1作業(yè)狀態(tài)與處理流程§5.2作業(yè)的調(diào)度§5.4選擇調(diào)度算法是應(yīng)考慮的問題§5.5調(diào)度算法目錄第六章死鎖

§6.3死鎖研究的主要內(nèi)容§6.2死鎖的示例§6.1引論目錄第七章主存貯器管理

作業(yè)講評及復(fù)習(xí)§7.1主存管理的基礎(chǔ)§7.2實存管理§7.3虛擬存貯管理目錄§8.1設(shè)備管理基礎(chǔ)§8.2設(shè)備管理概述§8.3設(shè)備分配§8.4磁盤讀寫臂調(diào)度算法第八章設(shè)備管理目錄第九章文件系統(tǒng)§9.1文件、文件系統(tǒng)§9.2文件的邏輯組織和物理組織§9.3文件目錄§9.4文件存貯空間的管理§9.5文件系統(tǒng)安全性目錄課程說明一、自從世界上第一臺計算機ENIAC于1946年問世以來，計算機科學(xué)與軟件工程正在蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用已深入社會生活的各個領(lǐng)域。操作系統(tǒng)(OperatingSystem)是系統(tǒng)軟件的核心，無論是計算機的研制生產(chǎn)單位，還是用戶，都十分重視O.S.的研究和開發(fā)。舉例：MS-DOS從1.06.0,6.2,6.6版本

windows3.03.1window95特別是對將來準(zhǔn)備從事計算機應(yīng)用開發(fā)、計算機軟件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的科技人員，O.S.是一門重要的必修專業(yè)課程。我們要加以重視，認真學(xué)好。二、《O.S.》是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，一般是掌握以下課程之后，繼而進一步學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)、通訊、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息系統(tǒng)管理的必修課程。簡要歸結(jié)為：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算機導(dǎo)論C和pascal語言微機原理宏匯編語言電子技術(shù)計算機通訊計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫及語言軟件工程(信息系統(tǒng)分析)人工智能編譯原理OS信息管理系統(tǒng)開發(fā)

計算機應(yīng)用§1.1存貯程序式計算機存貯程序式計算機結(jié)構(gòu)特點數(shù)據(jù)處理科學(xué)計算各種管理問題建立數(shù)學(xué)模型(對問題的形式化定義)算法工具計算(對問題的形式化描述)(算法的實現(xiàn))計算器、算盤

1946年著名的匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼(VonNeuman)

總結(jié)了手工操作的規(guī)律以及前人研究計算機的經(jīng)驗教訓(xùn)后，提出了“存貯程序式計算機”方案(一種概念性結(jié)構(gòu))，從而使計算初步實現(xiàn)了自動化。

“存貯程序式計算機”也稱為VonNeuman型計算機，它由運算器、控制器、存貯器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部分組成。它的主要特點：(最初)1.

機器以運算器為中心

P2Pic1.1輸入設(shè)備存貯器M運算器ALU控制器V輸出設(shè)備指令圖1.1VonNeumanII型機器的結(jié)構(gòu)輸入/出設(shè)備與存貯器之間的數(shù)據(jù)傳送都要途徑運算器，各部分的操作及其相互之間的聯(lián)系都要由控制器集中控制。2.

采用存貯程序原理將程序(指令序列)和數(shù)據(jù)事先存放在存貯器中，運行時順序取出指令一條條地執(zhí)行CS＋IP代碼段指令指針3.

存貯器按地址訪問，它是一個順序、線性編址的一維空間，每個單元的位數(shù)是固定的。4.

指令在存貯器中基本是按其執(zhí)行順序依次存貯。

由指令計算器指明要執(zhí)行的指令在存貯器中的地址。5.

指令由操作碼和地址碼兩部分組成。6.

數(shù)據(jù)以二進制編碼，并采用二進制運算。7.

軟件與硬件完全分開，硬件結(jié)構(gòu)采用固定性邏輯，即其功能上是不變的，完全靠編制軟件來適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。上述特點中最根本的一點是采用存貯程序原理(即控制部件根據(jù)程序?qū)φ麄€計算機的活動實行集中過程控制，并根據(jù)程序規(guī)定的順序依次執(zhí)行每一個操作)。

應(yīng)該說，VonNeuman等人最初提出的這種結(jié)構(gòu)和特點為現(xiàn)代計算機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并起了很大的作用。

但由于當(dāng)時受硬件條件的限制，為降低造價，減少體積，提高可靠性，讓機器中大部分的功能都由軟件來完成。

隨著計算機應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，不斷提出了新的要求，并出現(xiàn)和完善了高級語言、操作系統(tǒng)，因由這種結(jié)構(gòu)和功能分配所產(chǎn)生的問題和矛盾越來越大，迫使人們不斷對這種結(jié)構(gòu)加以發(fā)展和改進?！?.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的關(guān)系

一、計算機系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)在的一個完整的計算機系統(tǒng)，不論是大型機、小型機、甚至微機和微處理機，都由兩大部分組成：即計算機的硬件部分和計算機的軟件部分。硬件：改進的VonNeuman機的五大部件

(輸/出設(shè)備、運算器、控制器、存貯器)軟件：系統(tǒng)軟件：管理計算機本身的操作，并為應(yīng)用程序提供編程環(huán)境應(yīng)用軟件：直接面向用戶，為之解決各類問題其中OS是計算機系統(tǒng)中重要的系統(tǒng)軟件，它是整個系統(tǒng)的控制中心，它控制和管理計算機系統(tǒng)的各類資源，并為其它系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序提供基本的服務(wù)。物理設(shè)備微程序機器語言O(shè).S.命令解釋器編譯編輯銀行系統(tǒng)，飛機訂票硬件系統(tǒng)軟件應(yīng)用程序圖1.2OSXENIXdos.UNIX.應(yīng)用程序裸機

(硬件)P4Pic1-61.

物理設(shè)備：集成電路芯片、導(dǎo)線、電源等電氣元件組成。2.

微程序：通常固化在只讀存貯器之中，直接控制物理設(shè)備并為其上層提供服務(wù)接口。3.

機器語言：微程序解釋的指令集合。

盡管微程序、機器語言實際上不是機器硬件，但由于它與機器硬件聯(lián)系密切，習(xí)慣上，把它們看成實際機器的一部分。4.

O.S.

的主要功能是使上述的硬件編程復(fù)雜性盡可能對程序員透明。5.

命令解釋器。編譯程序，雖由廠家提供，是系統(tǒng)軟件，但運行于用戶態(tài)(目態(tài))，并不受硬件保護，用戶可編制或修改。6.

硬件、軟件“虛擬機”

硬件常稱為裸機，它的功能即使很強，但它往往是不方便于用戶使用的，功能上相對來說也是有局限性的。

而軟件是在硬件基礎(chǔ)之上對硬件的性能加以擴充和完善。因而一個裸機在每加上去一層軟件后，就變成了一個功能更強的機器，我們通常把這“新的更強功能的機器”稱之為“虛擬機”。綜上所述，OS的主要目的

為了方便用戶。(OS為用戶與硬件之間的接口程序)

有效地管理和使用計算機系統(tǒng)資源，提高資源的利用率。例如：三個運行中的程序要求在一臺共享的打印機上輸出信號解決：通過在磁盤緩沖區(qū)里進行排隊管理，照顧到各程序平等地使用打印機顯然以上OS兩個目的有時是矛盾的。(一個軟件、一個硬件為重)a.

在發(fā)展早期，由于資源十分昂貴，從效率上考慮多，因而OS的許多理論也主要是討論如何優(yōu)化地使用這些資源。b.

在計算機高度普及的今天，強調(diào)方便用戶則是軟件設(shè)計更為重要的目標(biāo)，以至于“用戶友好”(userfriendly)已成為計算機術(shù)語中的常用詞。二、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與OS的關(guān)系

隨著計算機硬件的發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及OS都在不斷完善、發(fā)展，目前在市場上銷售的計算機，大部分仍然采用VonNeuman式計算機的結(jié)構(gòu)，不斷改進，今后仍然是如此。

我們知道VonNeuman型計算機的根本特點是–––集中順序過程控制。OS既是計算機系統(tǒng)中的一個重要組成部分，當(dāng)然也不能不反映這一特點。

微型計算機也同一般計算機系統(tǒng)一樣，由三個主要部分組成：處理機，存儲器和輸入輸出(又稱I/O)設(shè)備，其組織結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖所示，由圖可以看出微型計算機是以總線為紐帶來構(gòu)成計算機系統(tǒng)。CPU存儲器I/O

設(shè)備總線I/O

設(shè)備P3PIC1-4

當(dāng)微處理機與慢速的輸入輸出設(shè)備(如打印機或終端等設(shè)備)交換數(shù)據(jù)時是不經(jīng)過存儲器的，而是直接從(或向)輸入輸出設(shè)備接口(控制器)中的數(shù)據(jù)寄存器中讀(或?qū)?。當(dāng)微處理機與高速的輸入輸出設(shè)備(如磁盤)交換數(shù)據(jù)時，這些輸入輸出設(shè)備在控制器控制下首先將數(shù)據(jù)(通常是一組數(shù)據(jù))送住存儲區(qū)(或從存儲區(qū)取數(shù)據(jù))，也就是說微處理機與高速輸入輸出設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，必須經(jīng)由在存儲器。存貯程序式計算機1.缺陷：

I/O工作與運算器工作是串行的(以運算器ALU為中心)。是用控制器集中控制其它部件，控制器CU負擔(dān)過重。從而影響了機器速度和設(shè)備利用率的提高。2.微機中的改進：由于I/O數(shù)據(jù)通過運算器才能與存儲器進行交換，所以采用DMA。(輸入/出處理機)通道技術(shù)減輕CPU(控制器)負擔(dān)。3.在大中小型機中的改進

以主存為中心，讓I/O與CPU的運算并行，進而發(fā)展為分布處理和并行處理。

小型到大型的計算機系統(tǒng)多由中央處理機、輸入輸出處理機(又稱通道)、存儲器和輸入輸出設(shè)備組成，都是非總線結(jié)構(gòu)。存儲器成為這類計算機組成中的中心部分。

中央處理機需要從或向輸入輸出設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，它命令輸入輸出處理機來負責(zé)進行管理和控制。數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆肪€都需經(jīng)過存儲器/輸入輸出處理機，也就是說中央處理機不能直接從輸入輸出設(shè)備中取(或存)數(shù)據(jù)。處理機存儲器選擇通道成組

多路通道多路通道打印機終端...IBM370的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

P2PIC1-3三、常見OS簡介1.

DOS是配置在IBM-PC及兼容機上的磁盤操作系統(tǒng)。

單用戶、單任務(wù)(DOS:DiskOperatingSystem)用于控制和管理計算機系統(tǒng)的軟、硬件資源，DOS于1981年公布以來，其功能不斷增強，版本不斷更新DOS6.22。2.

UNIX及其變種（Linux），多用戶、多任務(wù)是從中小型機上移植下來的一個多用戶操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)具有許多DOS沒有的功能，是最常用的操作系統(tǒng)之一。例：在UNIX上的Informixfor4gL第四代語言的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，在銀行系統(tǒng)廣泛應(yīng)用開發(fā)程序。3.

OS/2

單用戶、多任務(wù)

是一個克服了DOS最大缺陷，并且有多任務(wù)處理功能的操作系統(tǒng)。(由于推銷不力，才不為人們熟悉。)4.

Windows

單用戶、多任務(wù)

是一個具有非常新穎用戶界面和多媒體處理功能的系統(tǒng)。從Windows3.03.195、98視窗/windowsNT->Win2000/XP/.NET，不斷發(fā)展與完善，現(xiàn)在許多軟件都基于Windows下開發(fā)，Delphi,VB,VC面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。具有a.圖形的用戶界b.多任務(wù)處理功能c.硬件獨立性構(gòu)成完整的操作環(huán)境。5.

MACSystemOS

是Apple公司著名的微機macintosh上的操作系統(tǒng)，具有類Windows功能。

6.

NOS網(wǎng)絡(luò)OS，在微機局部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，具有代表性的Netware、LANmanager和Vines。近年來最優(yōu)秀的Nos是Novell公司Netware3.11,3.12,4.10?！?.3O.S.的形成與發(fā)展

只有深刻地了解過去和現(xiàn)在，才能更好地迎接未來。下面我們首先簡單地回顧一下O.S.的形成和發(fā)展過程。一、自世界上第一臺計算機ENIAC(1800平方英尺)于1946年問世以來，計算機在運算速度、存儲容量、外設(shè)功能、元件工藝及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面都有了驚人的發(fā)展。通常，人們按照計算機元件工藝的演變過程，將其發(fā)展劃分為四個時代：電子管時代，晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路時代(46－58)(58－64)(64－74)(70年代中至今)巨型、微型、網(wǎng)絡(luò)化、智能化幾個方向發(fā)展與硬件發(fā)展相似，可將OS的演變和發(fā)展過程劃分為四個時代：單道批處理時代多道批處理分時、實時系統(tǒng)時代同時具有多方面功能的多方式系統(tǒng)時代和分布式系統(tǒng)時代操作系統(tǒng)的典型分類批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)二、第0代操作系統(tǒng)(40年代)計算機發(fā)展初期，計算機系統(tǒng)基本上僅由硬件組成(沒有OS)，整個系統(tǒng)是由用戶直接控制使用，又稱“手工操作”階段。輸入設(shè)備主機磁帶控制臺輸出設(shè)備卡片閱讀機

紙帶輸入機輔存遠控部件內(nèi)存紙帶打孔機

打印機早期計算機系統(tǒng)缺陷：因為計算機速度慢，存儲量小，外設(shè)又簡單，所以輔存主要借助磁帶。1.用戶上機時一人獨占全機資源。2.程序運行前的準(zhǔn)備時間過長。3.人機矛盾人的操作速度與機器運行速度相比，仍存在速度極不匹配的矛盾(CPU等待人工操作－裝卡片)。舉例：某程序機器運行十萬次/秒，需1小時。 人工操作需3分鐘，之比為60:3＝20:1

若機器運行六百萬次/秒，人工不變，之比為1:3

不能接受三、第1代操作系統(tǒng)(50年代)

為了緩和早期使用計算機時存在的人－機速度嚴重不匹配的矛盾，提高資源利用率，人們開始利用計算機系統(tǒng)中的軟件來代替操作員的部分工作，從而產(chǎn)生了最早的OS–––早期批處理系統(tǒng)–––(聯(lián)機批處理)基本思想：

設(shè)計一個常駐內(nèi)存的程序(monitor,監(jiān)督程序)，操作員有選擇地把若干作業(yè)合成一批，安裝輸入設(shè)備上，并啟動監(jiān)督程序，然后由監(jiān)督程序自動控制這批作業(yè)運行，從而減少部分人工干預(yù)，有效地縮短了作業(yè)運行前的準(zhǔn)備時間，相對地提高CPU的利用率。缺陷：1.I/O慢速，與CPU的高速不匹配t1t2t用戶程度計算繼續(xù)計算結(jié)束中斷CPU空閑I/O操作monitorI/O請求啟動I/OI/O完成2.用戶交互性差四、第2代操作系統(tǒng)(60年代初)1.硬件技術(shù)取得了兩個方面的重大進展(一)通道技術(shù)的引進(二)中斷技術(shù)的發(fā)展，使得通道具有中斷主機工作的能力2.為了提高資源利用率，人們開始使用輸入輸出緩沖、脫機輸入輸出、Spooling

等技術(shù)，尤其是引入了“多道程序設(shè)計”使簡單批處理系統(tǒng)發(fā)展為高級批處理系統(tǒng)。1）.輸入輸出緩沖由于CPU和外設(shè)按串行方式工作，使得其間速度矛盾不匹配，利用率低。CPUI/O忙閑閑閑閑忙忙忙…………t為了改變這種串行工作方式，人們首先采用了緩沖(buffering)技術(shù)使兩者在一定程度上并行操作。例如：在主存中建立兩個長度相同的緩沖區(qū)：B0,B1。對于一批待輸入的信息，首先將其中的一個記錄從設(shè)備上續(xù)入B0，隨后將下一個記錄從設(shè)備上讀入B1，與此同時CPU開始處理B0中的記錄。待CPU處理工作與輸入工作均結(jié)束后，則將下一記錄讀入B0，CPU同時處理B1中的記錄。如此重復(fù)直到將此批信息全部輸入。這種利用雙緩沖區(qū)實現(xiàn)的并行操作如圖。i0設(shè)備向Bi輸入記錄等待輸入結(jié)束CPU處理Bi中的記錄設(shè)備向B(i+1)mod2中輸入一記錄等待處理與輸入的結(jié)果i

(i+1)mod2Nbuffer空否？出口2）.脫機輸入輸出讀卡機打印機衛(wèi)星機輸入帶輸出帶輸入帶輸出帶主機磁帶機的傳輸速度比卡片機、光電機和打印機的速度快，用磁帶機代替這類低速外設(shè)可進一步縮短CPU與外設(shè)間速度上的差異，提高CPU的利用率。(實現(xiàn)主機與衛(wèi)星機的并行操作)3）.

Spolling

技術(shù)定義：并發(fā)的外部設(shè)備聯(lián)機操作（偽脫機輸入輸出技術(shù)）。通道：專門控制I/O的硬件裝置，它基本上可獨立地控制外設(shè)與CPU并行操作，也稱I/O處理機(價格便宜，速度慢)。磁盤：一種比磁帶更快并能隨機存取的外部存儲設(shè)備(磁帶機，順序存貯)。主機與通道之間借助中斷相互通訊，通訊受主機直接控制。磁盤通道主機通道卡片機通道打印

機

spooling系統(tǒng)作業(yè)#這樣，利用主機與通道之間的并行性，可以使作業(yè)的輸入/輸出與主機運算并行，提高了系統(tǒng)效率。(節(jié)省了衛(wèi)星機，降低成本，而且并行操作)缺陷：

因為系統(tǒng)中作業(yè)之間仍以串行方式被處理，所以無法繼續(xù)提高CPU、內(nèi)存利用率，為從根本上解決這一問題，人們提到了多道程序設(shè)計技術(shù)。3.多道程序設(shè)計概念是指把一個以上的作業(yè)存放在主存中，并且同時處于運行狀態(tài)，使這些作業(yè)共享處理機時間和外部設(shè)備等其它資源(系統(tǒng)資源)對于一個單處理機系統(tǒng)來說，作業(yè)同時處于運行狀態(tài)只是一宏觀的概念其含義是指每個作業(yè)都已開始運行，但尚未完成。就微觀而言，在任一特定時刻，在處理機上運行的作業(yè)只有一個優(yōu)點與問題：

CPU利用率大大提高用戶無控制權(quán)，無交互性，延遲大引入多道程序設(shè)計技術(shù)的根本目的：

提高CPU的利用率，充分發(fā)揮并行性，

這包括：

程序之間；設(shè)備之間；設(shè)備與CPU之間均并行工作。舉例：以兩道程序為例，運行情況如下P7PIC1-8：用戶程序A用戶程序B監(jiān)督程序磁盤操作磁帶操作I/OAI/OB請求盤輸入啟動盤調(diào)度B請求帶輸入啟動帶結(jié)束中斷中斷處理

調(diào)度A中斷返回CPU空間，則可調(diào)度A，否則等待中斷處理

調(diào)度B結(jié)束中tCPU運行設(shè)備運行公式復(fù)雜些，因情況不同而變化作業(yè)：有兩道程序A、B，按下圖以多道程序方式運行，要求在右圖畫出它們的運行軌跡，并計算在60ms內(nèi)，CPU的利用率，假設(shè)起始時首先運行B，并允許忽略監(jiān)督程序切換A、B的時間。運行15msI/O20ms運行10msI/O10msABBAI/OI/O10ms60mstBA解：BAI/OI/O1060t20304050253545若在單道程序系統(tǒng)中，沒有任何并行情況存在，在任一特定時刻只有CPU或某一個設(shè)備在工作。例R.Turner提出的例子更具說服力為了說明多道程序的優(yōu)點，不妨參考RTurner提出的例子：某計算機系統(tǒng)，有256KB的主存(不包含操作系統(tǒng))，一個磁盤，一個終端和一臺打印機。同時提交的三個作業(yè)分別命名為JOB1、JOB2、JOB3。各作業(yè)運行時間分別為5min、15min和10min。它們對資源的使用情況如下表所示：作業(yè)名作業(yè)類型所需主存/KB所需磁盤所需終端所需打印機運用時間/minJOB1CPU型50不用不用不用5JOB2I/O型100不用需要不用15JOB3I/O型80需要不用需要10三個作業(yè)的執(zhí)行要求P7Tab1-1假定JOB1主要使用CPU處理數(shù)據(jù)，JOB2主要使用終端進行作業(yè)的輸入，JOB3運行時主要使用磁盤和打印機，后兩作業(yè)都只需要較少的CPU時間。對于簡單批處理情況，這些作業(yè)將按順序執(zhí)行。JOB1運行5min完成，JOB2在等待5min后，運行15min完成，JOB3在等待20min后開始執(zhí)行。三個作業(yè)全部完成需要30min(這三個作業(yè)是一批)。采用多道程序設(shè)計技術(shù)，可讓這三個作業(yè)并行運行。由于它們運行中幾乎不同時使用同一資源，所以三個作業(yè)可同時運行。JOB1在進行數(shù)據(jù)處理的同時，JOB2在終端上進行作業(yè)輸入，JOB3在使用磁盤和打印機。因此，JOB1只需5min完成，JOB2需15min完成，JOB3需10min完成。這樣三個作業(yè)全部完成的時間只需15min，顯然系統(tǒng)處理效率明顯提高。CPU利用率主存利用率磁盤利用率打印機利用率全部作業(yè)完成時間/min吞吐量/(作業(yè)·h–1)單道17%=5/(5+15+10)30%=(50+100+80)/256/333%=10/3033%=10/3030=5+15+106=3/(30/60)多道(三道作業(yè))多道程序與單道程序的平均資源利用率P8Tab1-2平均周轉(zhuǎn)時間/min18=(5+20+30)/333%=(5/15)90%=(50+100+80)/25667%=10/1567%=10/151512=3/(15/60)10=(5+15+10)/3吞吐量：單位時間(1小時)內(nèi)系統(tǒng)所處理的作業(yè)個數(shù)。周轉(zhuǎn)時間：從作業(yè)進入系統(tǒng)到作業(yè)完成退出系統(tǒng)所用的時間。平均周轉(zhuǎn)時間：同時參與系統(tǒng)運行的幾個作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間的平均值。4.幾個概念五、分時系統(tǒng)：是交互式系統(tǒng)和多道程序設(shè)計相結(jié)合。每一個用戶通過一臺終端與計算機相連，以交互式的命令使用系統(tǒng)，采用分享CPU的方法，使用戶感到自己獨占了整個計算機系統(tǒng)。例如SUN工作站上接好幾個終端可供多上用戶上機。CPUVART按口卡UARTRS-232中西文字符終端有CPU和存貯器，其中的EPROM含監(jiān)控程序串行異步收發(fā)器“時間片輪轉(zhuǎn)法”怎樣分享CPU？CPUt一個時間tPRG1PRG2…PRG1PRG2…未完例如：若有n=20個用戶，時間片大小ts=10毫秒，則每個用戶在n

ts=0.2秒內(nèi)至少能用ts=10ms的CPU，由于CPU的速度比人在終端上指令的時間快得多，則用戶似乎感到CPU為自己獨占。系統(tǒng)規(guī)定一個稱之為“時間片”的時間單位，所有終端用戶輪流享用一個時間片的CPU。分時系統(tǒng)的特性：多路性：多個用戶可以同時使用計算機(同時性)交互性：用戶直接控制操作過程(終端)獨占性：程序之間相互獨立，多個用戶同時使用，如像獨占計算機系統(tǒng)及時性：響應(yīng)時間合理優(yōu)點：促進計算機普通節(jié)省開支減少人員充分利用系統(tǒng)資源六、實時系統(tǒng)(Real-timeSystem)：

對外部事件及時響應(yīng)并處理應(yīng)用需要(工業(yè)控制、導(dǎo)彈)強調(diào)的是響應(yīng)速度–––專用特性特征：實時時鐘管理；過載保護(拋棄或延遲)

高可靠性、安全性；交互性差(與分時比)實時系統(tǒng)特點(1)“專用系統(tǒng)”無論批處理系統(tǒng)，還是分時系統(tǒng)，基本上都是多道程序系統(tǒng)，是屬于處理用戶作業(yè)的系統(tǒng)。系統(tǒng)本身沒有要完成的作業(yè)，它只是起著管理調(diào)度系統(tǒng)資源，向用戶提供服務(wù)的作用。這類系統(tǒng)可以說是“通用系統(tǒng)”。而許多實時系統(tǒng)則是“專用系統(tǒng)”，它為專門的應(yīng)用而設(shè)計。在此種系統(tǒng)中，系統(tǒng)本身就包含有控制某實時過程和處理實時信息的專用應(yīng)用程序。(2)實時系統(tǒng)用于控制實時過程，所以要求對外部事件的響應(yīng)要十分及時，迅速。能迅速處理外部中斷，較常用的中斷處理程序及有關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)基最好常駐主存儲器中。(3)可靠性對實時系統(tǒng)十分重要。重要的實時系統(tǒng)往往采用雙機系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的可靠性。(4)實時系統(tǒng)的設(shè)計常稱之為“隊列驅(qū)動設(shè)計”和“事件驅(qū)動設(shè)計”。其工作方式基本上是接受來自外部的消息(事件)，分析這些消息，而后調(diào)用相應(yīng)的消息(事件)處理程序進行處理。在某些計算機系統(tǒng)中配置的OS結(jié)合了批處理能力和交互作用的前臺/后臺方式提供服務(wù)。前臺以分時方式為多個聯(lián)機終端服務(wù)，當(dāng)終端用戶很少或在晚間時，系統(tǒng)是可以批量方式來處理送到機房的作業(yè)。七、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

一些獨立自治的計算機，利用通信線路相互連接形式的一個集合體稱為計算機網(wǎng)絡(luò)。計算機連網(wǎng)的目的：資源共享使所有的程序、數(shù)據(jù)和其它資源可被網(wǎng)絡(luò)上任一個用戶使用，而不必考慮資源與用戶的物理位置，而且還能實現(xiàn)負載均勻。通過供給可替換的資源而達到高度的可靠性。

網(wǎng)絡(luò)上的計算機由于各機器的硬件特性不同、數(shù)據(jù)表示格式及其它方面要求的不同，在互相通信時為能正確進行并相互理解通信內(nèi)容，相互之間應(yīng)有許多約定，稱為協(xié)議或規(guī)程。因此通常將網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)定義：“網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS,NetworkOperatingSystem)是使網(wǎng)絡(luò)上各計算機能方便而有效地共享網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供所需的各種服務(wù)的軟件和有關(guān)規(guī)程的集合?！?/p>

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了應(yīng)具有通常操作系統(tǒng)應(yīng)具有的處理機管理、存儲器管理、設(shè)備管理和文件管理外，還應(yīng)具有以下兩大功能：(1)提供高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)通信能力；(2)提供多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，如：遠程作業(yè)錄入并進行處理的服務(wù)功能；文件傳輸服務(wù)功能；電子郵件服務(wù)功能；遠程打印服務(wù)功能?？偠灾?，要為用戶提供訪問網(wǎng)絡(luò)計算機各種資源的服務(wù)。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為了對網(wǎng)絡(luò)軟件實行標(biāo)準(zhǔn)化并進行集成，定義了一個軟件模型。這就是開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)。應(yīng)用層

表示層

會話層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層應(yīng)用層

表示層

會話層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層虛擬通信SMB協(xié)議不同傳輸協(xié)議NDIS協(xié)議虛擬通信傳輸媒體客戶機服務(wù)器OSI參考模型P14PIC1-9

按此模型一臺機器上的每層都假定它與另一臺機器上的同層“對話”(圖上用虛線表示，稱為虛擬通信)。模型中最下面四層又稱通信子網(wǎng)。駐留于上三層的軟件稱為通信子網(wǎng)的用戶。網(wǎng)絡(luò)軟件應(yīng)實現(xiàn)各層應(yīng)有的功能，并遵照各層間通信的協(xié)議。八、現(xiàn)代O.S.(1)用戶與系統(tǒng)交互時，多使用圖形用戶接口GUI(graphicuserinterface)。多媒體應(yīng)用技術(shù)使用十分廣泛。(2)多機系統(tǒng)，尤其對稱多處理器SMP(symmetricmultiprocessing)方式將被廣泛使用。(3)在操作系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上的改進和發(fā)展主要體現(xiàn)在：

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：只是把少量的本質(zhì)的功能放入內(nèi)核中，如中斷、進程間通訊IPC和基本的調(diào)度等功能放入微內(nèi)核。而其他的操作系統(tǒng)功能全由運行在用戶態(tài)的進程提供。微內(nèi)核方法簡化了操作系統(tǒng)的實現(xiàn)，并提供了靈活性，適合于分布式應(yīng)用環(huán)境。

多線程機制：當(dāng)一個應(yīng)用是由若干個相對獨立的任務(wù)構(gòu)成時特別有用，便于這些任務(wù)同時、并行運行，便于用戶開發(fā)應(yīng)用程序。

對稱多處理器(SMP)機制。分布式操作系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)設(shè)計中普遍采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)。九、分布式系統(tǒng)：分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計算機網(wǎng)絡(luò)，而不同的是分布式系統(tǒng)具有多機合作和堅強性。多機合作：自動的任務(wù)分配和協(xié)調(diào)堅強性：計算機或通路發(fā)生故障時，其它部分可自動重構(gòu)成一個新的系統(tǒng)，繼續(xù)工作§1.4O.S.的功能和特性一、O.S.功能OS：用以控制和管理系統(tǒng)資源，方便用戶使用的程序的集合

P4。O.S.是指軟硬件資源的控制中心，以盡量合理有效的方法組織多個用戶共享計算機的各種資源，方便用戶使用的程序集合?，F(xiàn)在的操作系統(tǒng)為了方便用戶使用，已經(jīng)做到了：(1)操作系統(tǒng)不但本身具有優(yōu)良的圖形用戶界面，而且與用戶界面生成環(huán)境一體化?？蔀橛脩糸_發(fā)的應(yīng)用程序自動生成圖形用戶界面。(2)操作系統(tǒng)與軟件開發(fā)環(huán)境一體化，可按用戶要求建立、生成、運行和維護應(yīng)用程序。(3)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一體化。(4)與通訊功能網(wǎng)絡(luò)管理一體化。

對操作系統(tǒng)的功能有著各種不同的認識，比較廣泛的看法是把操作系統(tǒng)看成是計算機系統(tǒng)的資源管理者。就是說操作系統(tǒng)主要負責(zé)管理系統(tǒng)資源，并調(diào)度對系統(tǒng)中各類資源的使用。處理機管理–––分配CPU給多個作業(yè)存貯器管理–––分配主存空間，保護主存內(nèi)信息安全I/O設(shè)備管理–––設(shè)備分配、優(yōu)化調(diào)度

提高設(shè)備使用率信息管理（文件管理）–––文件中信息管理重定位多道程序存貯保護存貯擴充－虛擬存貯器設(shè)備無關(guān)性設(shè)備分配設(shè)備傳輸控制二、O.S.的特性1.并發(fā)性：(共行性)各個程序并行運行的協(xié)調(diào)，互不影響，防止死鎖(進程調(diào)度)2.共享性：并行程序共享資源(CPU、存貯器、設(shè)備分配、數(shù)據(jù)共享)3.虛擬性4.不確定性作業(yè)：P171.61.12§2.1硬件環(huán)境一、中央處理機(CPU)1.

OS作為一個程序要在CPU上運行單個CPU–––單機系統(tǒng)多個CPU–––多機系統(tǒng)2.特權(quán)指令

在多用戶的多道程序設(shè)計環(huán)境中，計算機的指令系統(tǒng)中的指令必須分為兩部分特權(quán)指令非特權(quán)指令特權(quán)指令定義：指令系統(tǒng)中僅由OS使用的指令，不允許一般用戶使用，否則可能使系統(tǒng)陷入混亂。用途：啟動外設(shè)備，設(shè)置時鐘，清內(nèi)存等。用戶只能使用非特權(quán)指令，只有OS才能使用所有指令（包括特權(quán)指令）。3.程序運行有兩種狀態(tài)CPU有時執(zhí)行用戶程序，有時執(zhí)行操作系統(tǒng)的程序，這賴于處理機狀態(tài)的標(biāo)識，將處理機工作狀態(tài)劃分為：管態(tài)、目態(tài)。管態(tài)（系統(tǒng)態(tài)）一般指操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài)

簡稱管態(tài)，即OS運行態(tài)，可使用特權(quán)指令和非特權(quán)指令。目態(tài)（用戶態(tài)）用戶程序運行態(tài)，只允許訪問用戶程序自己的存貯區(qū)域，如果用戶程序在執(zhí)行時，企圖訪問OS所在的區(qū)域或想使用某個特權(quán)指令(如改變指令計算器的內(nèi)容)，就立即被捕俘，而被迫中止的執(zhí)行，然后由OS處理這一事件，這樣保證了OS的權(quán)利和使其程序不會被破壞。當(dāng)處理機處在目態(tài)中，不可使用特權(quán)指令。4.程序狀態(tài)字(PSW)

當(dāng)處理機處于管理態(tài)時，可以執(zhí)行全部指令(包括特權(quán)指令)使用所有資源，并具有改變處理機狀態(tài)的能力，而當(dāng)處理機處于目態(tài)時，就只能執(zhí)行非特權(quán)指令。

如何知道處理機當(dāng)前處于什么工作狀態(tài)呢？以及它下次要執(zhí)行哪條指令呢？為了解決這些問題，計算機有若干的特殊寄存器。(1)用特殊的寄存器存放狀態(tài)CS:IP(PC)–––程序計數(shù)器，指示下一條要執(zhí)行的指令。PSW–––程序狀態(tài)字，指示處理機狀態(tài)。PSW包含：條件碼：反映指令執(zhí)行后的結(jié)果特征。中斷屏蔽碼：指令出是否允許中斷(中斷優(yōu)先級)CPU的工作狀態(tài)：管態(tài)還是目態(tài)。IR：指令寄存器MARMBRIOARIOBRP21(2)M68000的程序狀態(tài)字(微機)16位字

P20PIC2－1TSI2XNZVCI1I01513108430自陷

中斷位

(跟蹤)CPU狀態(tài)位

1：管態(tài)

0：目態(tài)中斷屏蔽位負數(shù)結(jié)果為0溢出…進位標(biāo)志位條件碼Trap

連機調(diào)試，排錯用優(yōu)先級0

7(3)不同的機器有不同的PSW，如：8088(FLAG)ATPZC溢出SDO……1510去向(增減)跟蹤符號零輔助進程奇偶進位PLI0Nr同上MPETTSEMPE任務(wù)特權(quán)標(biāo)志擴展任務(wù)切換仿真協(xié)處理器監(jiān)控保護允許80286

(32位字)IBM370

大型機的PSW程序狀態(tài)字

P21PIC2-2系統(tǒng)屏蔽鑰EMWP中斷碼ILCCC程序屏蔽指令地址0711153133353963位IBM370的程序狀態(tài)字PSWE是機器的控制方式，M位是機器校驗方式位，W位是等待狀態(tài)位，P位是處理器工作狀態(tài)位（0管態(tài)、1目態(tài)）。二、主存儲器(支持OS運行的硬件環(huán)境中一個重要方面)1.一個作業(yè)必須把它的程序和數(shù)據(jù)存放在主存中才能運行。多道程序放入，

互不影響–––保

護機構(gòu)OSOS空間用戶空間主存操作系統(tǒng)空間和

用戶程序空間2.存貯器類型RAM–––randomaccessmemory

可讀寫，隨機存貯器ROM–––readonlymemory只讀存貯器(不可改程序存貯)BIOSEPROM可改寫ROM，用特殊和紫外線照射芯片PROM可編程寫入，用有特殊PROM寫入器設(shè)備驅(qū)動器用戶OSRAMIBMPC在MS/DOS下內(nèi)存分區(qū)ROM48K8K基本輸入/出系統(tǒng)程序BIOS40K

ROM32KBCBASIC8KB空閑3.存儲分塊

存儲的最小單位稱為“二進位”，它包含的信息為0或1。存儲器最小單位編址單位是字節(jié)，有8位?！半p字”是由兩個字組成，以“四字”IBM大型機為“字”。兩個字節(jié)組成“字”。把存儲器分為“塊”便于管理分配，在為用戶分配主存空間時，以塊為最小單位：16字節(jié)(一塊)–––PC機

64字節(jié)(一塊)–––PDP-11機

2k字節(jié)(一塊)–––IBM370機、IBM大型機4.存儲保護

存放在主存的用戶程序和操作系統(tǒng)，以及它們的數(shù)據(jù)，很可能受到正在CPU上運行的某用戶程序的有意或無意的破壞，這可能會造成十分嚴懲的后果。所以對主存中的住處加以嚴格的保護，使操作系統(tǒng)及其它程序不被錯誤的操作所破壞，是其正確運行的基本條件之一。(1)界地址寄存器–––產(chǎn)生越界中斷(存貯器保護中斷)，在CPU中設(shè)置一對界限寄存器來存放該用戶作業(yè)在主存中的下限和上限地址。10005000OSUser1

Jump6000User2作業(yè)在主存中的上限地址將6000與上限地址5000比較，越界則越界中斷10006000下界上界(2)存儲保護鍵：(五位二進位/每塊組成)其中最左四位是保護鍵，最右一位是取保護標(biāo)志位。A塊B塊C塊001010100101000存儲鍵取保護位0－不保護1－保護如圖：…………001007鑰

Key11特權(quán)指令只要鍵匹配，存取均可鍵不匹配，則不可存是否可取要看保護位舉例：存A，取A，均可以(鍵Key匹配)

存B，取B，均不可以(鍵不匹配，且取保護)

存C，不可以(鍵不匹配)

取C，可以，因取保護位為0，即不保護取程序狀態(tài)字三、緩沖技術(shù)

上章已講，它是提高CPU利用率，目前廣泛使用多緩沖區(qū)技術(shù)設(shè)備利用率大為提高。

緩沖區(qū)是外部設(shè)備在進行數(shù)據(jù)傳輸期間專門用來暫存這批數(shù)據(jù)的主存區(qū)域。

目前許多計算機系統(tǒng)廣泛使用多緩沖區(qū)技術(shù)。以PDP-11的UNIX操作系統(tǒng)為例，整個系統(tǒng)有兩個緩沖池。一個緩沖池是為了磁盤之類的塊設(shè)備而設(shè)置的，該池共有15個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)大小為514K個字節(jié)。另一個緩沖池是為慢速字符設(shè)備而設(shè)置的，該池共有100個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)大小為8個字節(jié)。所有的緩沖區(qū)都用鏈指針鏈入不同的緩沖區(qū)隊列（詳見UNIX系統(tǒng)）。當(dāng)需要緩沖區(qū)時，就向操作系統(tǒng)提出請求，操作系統(tǒng)分給一塊相應(yīng)的空閑緩沖區(qū)供其使用。四、中斷技術(shù)中斷簡介：計算機必須能夠?qū)ξ⑻幚砥魍饷姘l(fā)生的事情作出響應(yīng)。例如，當(dāng)按動鍵盤上一個按鍵，或時鐘的報時信號來到，或軟盤驅(qū)動器工作完畢發(fā)出中斷信號時，均將引起微處理器的注意并處理相應(yīng)事件，這就是中斷。定義：CPU對系統(tǒng)中發(fā)生的異步事件的響應(yīng)P24(1)能充分發(fā)揮處理機的使用效率：因為輸入輸出設(shè)備可以用中斷的方式同CPU通訊，報告其完成CPU所要求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r和問題，這樣可以免除CPU不斷地查詢和等待，從而大大提高處理機的效率。(2)提高系統(tǒng)的實時處理能力：因為具有較高實時處理要求的設(shè)備，可以通過中斷方式請求及時處理，從而使處理機立即運行該設(shè)備的處理程序（也是該中斷處理程序）。中斷信號：發(fā)生某個事件時發(fā)出的信號中斷處理程序：處理中斷信號所指示的那個工作程序中斷源（中斷事件）：引起中斷的那個事件非屏蔽中斷請求中斷邏輯中斷指令

INT0溢出中斷

INT0除法錯

中斷單步中斷

T=1中斷控制器8259A可屏蔽中斷請求

IBM-PC中斷邏輯和中斷源P25PIC2-4圖中所表示的是IBM-PC的中斷源及中斷邏輯。在IBM-PC中有可屏蔽的中斷請求INTR，這類中斷主要是輸入輸出設(shè)備的IO中斷。這種IO中斷可以通過建立在程序狀態(tài)字PSW中的中斷屏蔽位加以屏蔽，此時即使有IO中斷，處理機也不予以響應(yīng)；另一類中斷是不可屏蔽的中斷請求，這類中斷是屬于機器故障中斷，包括內(nèi)存奇偶校驗錯以及掉電使得機器無法繼續(xù)操作下去等中斷源。它是不能被屏蔽的，一旦發(fā)生這類中斷，處理機不管程序狀態(tài)字中的中斷屏蔽位是否建立都要響應(yīng)這類中斷并進行處理。此外還有程序中的問題所引起的中斷(如溢出，除法錯都可引起中斷)和軟件中斷等，由于IBM-PC中具有很多中斷源請求，它們可能同時發(fā)生，因此由中斷邏輯按中斷優(yōu)先級加以判定，究竟響應(yīng)哪個中斷請求。中斷信號是發(fā)送給中央處理機并要求它處理的，但處理機又如何發(fā)現(xiàn)中斷信號呢？為此，處理機的控制部件中增設(shè)一個能檢測中斷的機構(gòu)，稱為中斷掃描機構(gòu)。通常在每條指令執(zhí)行周期內(nèi)的最后時刻掃描中斷寄存器，詢問是否有中斷信號到來。若無中斷信號，就繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。若有中斷到來，則中斷硬件將該中斷觸發(fā)器內(nèi)容按規(guī)定的編碼送入程序狀態(tài)字PSW的相應(yīng)位（IBM中是16~31位），稱為中斷碼。(一)中斷的類別一般中斷按其功能來分可有以下幾大類：(1)硬件故障中斷(不可屏蔽中斷)：電源故障中斷(2)輸入/輸出中斷：鍵盤、計時器、顯示器、磁盤I/O中斷(3)程序性中斷：除法錯誤中斷，溢出中斷，還包括：斷點中斷、單點中斷(調(diào)試用)(4)外部中斷：對CPU而言，它的外部非通道式裝置所引起的中斷。

如：時鐘中斷，操作員控制臺中斷，多機系統(tǒng)中CPU到CPU通訊中斷(5)軟中斷(訪管中斷)：用戶程序和操作系統(tǒng)之間只有一個相通的“門戶”，這就是訪管指令，如利用INTn中斷指令（SVC）發(fā)生的中斷，可以實現(xiàn)對OS功能的訪問(調(diào)用)。這五類中斷又可按中斷方式不同劃為：自愿中斷：是正在運行的程序的期待的事件，這種事件是由于執(zhí)行了一條訪管指令而引起的。(只有訪管中斷是它自愿)強迫性中斷：是由隨機事件引起的，并非由程序設(shè)計人員事先安排的。(二)中斷向量表

IBMPC對不同的中斷事件規(guī)定了一個0～255之間的一個數(shù)，這些數(shù)代表了引起中斷的事件，它們稱為中斷類型。

對于每一個中斷類型，處理器必須有相應(yīng)的處理該類事件的程序(中斷例行程序)。

而中斷例行程序的地址稱為中斷向量，其字長為4字節(jié)，其中包含有中斷例行程序的段首址(CS的內(nèi)容)和段內(nèi)編置地址(IP元值)。將所有256個中斷類型中的中斷向量放在一張表上稱為中斷向量表，它在內(nèi)存區(qū)中占有最低階1k字節(jié)(地址00000H～003FFH)。如圖所示：IPCSIPCSIPCS0000000001000020000300004000050000600007003FC003FD003FE003FF(三)中斷進入CPU響應(yīng)后保護現(xiàn)場(主要是標(biāo)志位)PSW入棧保護斷點(現(xiàn)行的代碼段寄存器CS和指令計數(shù)IP)入棧中斷允許處理機從外部設(shè)備獲悉中斷類型，然后就把相應(yīng)的表中項目送入IP與CS(假設(shè)外部設(shè)備提供的類型是0001H，則0001H×4＝0004，把0004號單元內(nèi)的16位數(shù)值作為首址送IP，而把0004＋2＝0006號單元內(nèi)的16數(shù)值作為首址送CS。這樣一來，下一條要執(zhí)行的指令就是與中斷類型1相對應(yīng)的中斷例行程序的第一條指令。)New(IP)New(CS)Old(IP)Old(CS)Old(PSW)

IPCSPSW8086

4

N4

N+2中斷指針中斷處理(四)返回

如果中斷例行程序執(zhí)行時可能改變某些寄存器的值，那么中斷例行程序首先要保留初值，執(zhí)行結(jié)束后恢復(fù)它們，最后通過執(zhí)行一條叫“IRET”中斷返回指令，去恢復(fù)保留在推棧上的IP、CS以及各標(biāo)志之值，從而使中斷例行程序結(jié)束。(五)中斷優(yōu)先級

目前多數(shù)微型處理機有著多級中斷系統(tǒng)，即可以有多根中斷請求線（級）從不同設(shè)備連接到中斷邏輯。通常具有相同特性和優(yōu)先級的設(shè)備可連到同一中斷級（線）上，例如系統(tǒng)中所有的磁盤和磁帶可以是同一級，而所有的終端設(shè)備又是另一級。

與中斷級相關(guān)聯(lián)的概念是中斷優(yōu)先級。在多級中斷系統(tǒng)中，很可能同時有多個中斷請求，這時CPU接受中斷優(yōu)先級為最高的那個中斷，忽略其中斷優(yōu)先級較低的那些中斷。

如果在同一中斷級中的多個設(shè)備接口中同時都有中斷請求時，有兩種辦法：(1)固定的優(yōu)先數(shù)：每個設(shè)備接口給安排一個不同的、固定的優(yōu)先數(shù)順序。在PDP-11中是以該設(shè)備在總線中的位置來定，離CPU近的設(shè)備，其優(yōu)先數(shù)高于離CPU遠的設(shè)備。(2)輪轉(zhuǎn)法：用一個表，依次輪轉(zhuǎn)響應(yīng)，這是一個較為公平合理的方法。五、時鐘、時鐘隊列1.在計算機系統(tǒng)中設(shè)置時鐘其作用很多

如計算機程序中的死循環(huán)的解決，中斷處理，記錄設(shè)備使用情況分時系統(tǒng)的時間片，實時系統(tǒng)的實時控制等。

由上述時鐘的這些作用可以看到，時鐘是操作系統(tǒng)運行的必不可少的硬件設(shè)施，所以現(xiàn)在的微型機系統(tǒng)中均有時鐘。在微型機系統(tǒng)中，通常只有一個間隔時鐘(也用作絕對時鐘)，在大型機中時鐘類型通常要多些。2.分類絕對時鐘(系統(tǒng)時鐘)開機后自動修改初值由用戶輸入停機后時鐘仍自動修改。間隔時鐘：相對時鐘，初始值由用戶設(shè)定，觸發(fā)中斷等，停機后不再被修改。3.時鐘隊列由于時鐘數(shù)最少，程序需要，我們可以通過軟件為每個進程提供其需要的軟時鐘：ABCD……50ms1050隊列頭指針作業(yè)(進程)、程序段喚醒時間要求：A作業(yè)從現(xiàn)在起50ms后運行B作業(yè)從現(xiàn)在起60ms后運行C和D作業(yè)從現(xiàn)在起65ms后運行若A運行完后還要運行，則排在D后

則A時間為：50－10－5＝35ms，才能保證過50ms后又運行A。AD035…………§2.2操作系統(tǒng)與其它系統(tǒng)軟件的關(guān)系

OS是整個計算機系統(tǒng)的管理者，是系統(tǒng)的控制中心，它不但控制、管理著其它各種系統(tǒng)軟件，而且與其它系統(tǒng)軟件共同支持用戶程序的運行?？梢哉f操作系統(tǒng)和這些軟件構(gòu)成一個以O(shè)S為中心的“環(huán)境”，以便于用戶程序運行。OS的功能設(shè)計必須受這些系統(tǒng)軟件的功能強弱和完備與否的影響。一、作業(yè)、作業(yè)步、進程的關(guān)系作業(yè)：是用戶在一次上機活動中，要求計算機系統(tǒng)所做的一系列工作的集合。(也稱作任務(wù))作業(yè)步：一個作業(yè)一般可以分成幾個必須順序處理的工作單位(或步驟)。如：一個用高級語言寫的用戶作業(yè)，它的運行要分成三步：先編譯，再連接，最后運行。進程：一個作業(yè)步又可分為若干個作業(yè)步任務(wù)–––進程，而一個進程又可能要執(zhí)行多個線程，如下圖：用戶作業(yè)作業(yè)步作業(yè)步進程進程線程線程.........由用戶創(chuàng)建由用戶指定由系統(tǒng)創(chuàng)建作業(yè)、作業(yè)步進程和線程的關(guān)系線程是進程內(nèi)的一個相對獨立的可調(diào)度的執(zhí)行單元。二、重定位的概念1.引子PC機的CPU使用的16位寄存器，表示最大數(shù)為65535即FFFFH，CPU采用內(nèi)存分段方式，解決尋址大于64k空間內(nèi)存的問題：一段為64k內(nèi)存，用一個16位的地址值就可指向其中的任一字節(jié)，用另一個雙字節(jié)(16位)的值來標(biāo)示某一段的起點。例：每段16個字節(jié)，段值為2，段中的地址數(shù)為7，則16×2＋7＝39字節(jié)

絕對地址為39，相對地址為7。(1)絕對地址

–––存儲控制部件能夠識別的主存單元編號(或字節(jié)地址)，也就是主存單元的實際地址。(2)相對地址–––相對于某個基準(zhǔn)量(通常用零作基準(zhǔn)量)編址時所使用的地址，常用于程序的編寫和編譯過程中。因為多道程序系統(tǒng)中，主存將存放多道作業(yè)，而程序員在編寫程序時，不可能了解自己的程序?qū)⒎旁谥鞔嬷泻翁庍\行，不可能用絕對地址來編寫程序。(3)邏輯地址空間–––指一個被匯編、編譯或連接裝配后的目標(biāo)程序所限定的地址的集合。程序中相對地址的全體稱為邏輯地址空間。(4)物理地址空間–––相對于實際的主存地址空間。在多道程序環(huán)境下，用戶不可能決定自己使用的主存區(qū)，因而在編制程序時常按(以零作為基準(zhǔn)地址)相對地址來編寫。這樣，當(dāng)程序放入主存時，如果不把程序中與地址有關(guān)的“項”變成新的實際地址，而是原封不動的裝入，那么程序就不能正確執(zhí)行(除非有動態(tài)地址變換機構(gòu))。2.重定位：把程序中相對地址變換為絕對地址舉例：0LOAD1,6

2ADD1,8

4STORE1,10

6A

8B

10相對LOAD1,6

ADD1,8

STORE1,10

A

B100102104106108

程序裝入主存部分矛盾地址單元不變換會出錯100(1)靜態(tài)重定位它在程序裝入主存時，由連接裝入程序進行重定位，程序開始運行前，程序中各與地址相有關(guān)的項均已重定位完(即已將程序中的相對地址轉(zhuǎn)換成絕對地址了)。0LOAD1,6

2ADD1,8

4STORE1,10

6A

8B

10相對LOAD1,106

ADD1,108

STORE1,110

A

B100102104106108

程序裝入主存部分矛盾地址單元100(2)動態(tài)重定位重定位不是在程序裝入過程中進行，在處理機每次訪問主存時，由動態(tài)地址變換機構(gòu)(硬件)自動進行把相對地址轉(zhuǎn)換為絕對地址。

本節(jié)只介紹靜態(tài)重定位，關(guān)于動態(tài)重定位技術(shù)將在第七章介紹。當(dāng)操作系統(tǒng)為某目標(biāo)程序分配了一個以B為起始地址的連續(xù)主存區(qū)后，靜態(tài)重定位過程就是把每個與地址有關(guān)的項都加上“B-R”(設(shè)R是該程序編址時的基準(zhǔn)地址，通常R＝0)即可。如上例中B＝100，R＝0

小的源程序，編譯后立即執(zhí)行，不需要裝入程序來做任何工作。實際上許多用戶的程序往往要調(diào)用許多過程和子程序。過程和子程序首先要同主程序裝配起來，形成一個完整的大程序才能運行。過程和子程序很可能不是同一次編譯的。因此它們的地址空間之間不會已建立好某種正確關(guān)系，往往都是“可浮動”的相對地址空間。把這些過程和子程序找出來，并同主程序裝配起來，這就是連接-裝入程序的功能。它與編譯或匯編程序的功能密切相關(guān)。通常，連接裝入程序可分為絕對裝入程序和相對裝入程序。三、絕對裝入程序與相對裝入程序1.絕對裝入程序

在個人計算機中，用戶能使用的主存起始地址是可以知道的。這種機器上的編譯和匯編程序往往把源程序翻譯成絕對地址形成的目標(biāo)程序。當(dāng)需再次裝入目標(biāo)程序時，就十分簡單，沒有什么重定位問題，只有按其給出的起始地址，依次地讀入即可。2.相對裝入程序–––連接裝入程序(多數(shù)多道程序系統(tǒng)使用)

把主程序同被其調(diào)用的各子程序連接裝配成一個大的完整的程序，并裝入主存運行(重定位)?！?.3.OS與人的接口一、OS與人的接口有二個方面1.

用戶程序：可通過訪管指令SVC進入OS，即系統(tǒng)調(diào)用操作指令。2.

作業(yè)控

制說明作業(yè)控制語言聯(lián)機操作

用戶用作業(yè)控制語言編寫作業(yè)說明書(卡)來告訴OS，他對程序的運行意圖，在聯(lián)機操作情況下使用鍵盤命令和圖形用戶接口(GUI)。鍵盤命令會話語言(1)作業(yè)控制語言JCL

作業(yè)標(biāo)識命令

執(zhí)行命令用以標(biāo)識一個作業(yè)的開始用以標(biāo)識一個作業(yè)步的開始，并指出要執(zhí)行的程序名//[作業(yè)名]JOB操作數(shù),……//[作業(yè)步名]EXECPROG=過程名程序名PGM=程序名其它參數(shù)

數(shù)據(jù)定義命令：用來描述作業(yè)所使用的數(shù)據(jù)文件

定界命令：用以標(biāo)識一個數(shù)據(jù)文件的結(jié)束//數(shù)據(jù)集名DD以逗點分開的操作數(shù)其格式為：/

// JOB NAME=DONOVAN,

ACCOUNT=6.251,

TIMELIMIT=5,

PRIORITY=8,

//STEP1 EXEC PL1

//OUTPUT DD UNIT=TAPE9,

VOLUME=SER=0123,

DCB=(RECFM=FB,

LRECL=80,BLKSIZE=800)

//INPUT DD

PL/I程序

/

//STEP2 EXEC LINKER,COND=(4,LT,STEP1)

//OUTPUT DD DSNAME=REAL.LIVE.FILE

//INPUT DD DSNAME=&STEP1.OUTPUT

//SYSLIB DD DSNAME=PL1.LIBRARY

/

//STEP3 EXEC REAL.LIVE.FILE,MEMORY=100K

//OUTPUT DD UNIT=PRINTER

//INPUT DD

// 輸入數(shù)據(jù)

/

.

.

..

.

.第1作業(yè)步，PL/I編譯第2作業(yè)步，將PL/I的輸出與庫程序相連接(僅當(dāng)上一步?jīng)]有4級以上嚴重編譯錯誤時才執(zhí)行該作業(yè)步)第3作業(yè)步，執(zhí)行用戶程序(2)聯(lián)機作業(yè)控制–––終端命令、會話語言和圖形用戶接口。用戶在分時系統(tǒng)的終端上工作，直接通過鍵盤打入命令來控制其作業(yè)的運行，這種方式稱聯(lián)機作業(yè)控制方式。它不需要像脫機批處理作業(yè)那樣，除程序外還要提交一份作業(yè)控制說明來控制作業(yè)運行。但用戶必須借助終端命令或圖形用戶接口(GUI)與操作系統(tǒng)通訊，把用戶意圖告訴系統(tǒng)，以完成計算任務(wù)。

終端命令：終端命令也是一種語言，但不同于一般程序設(shè)計語言，也沒有標(biāo)準(zhǔn)化。因此各個系統(tǒng)往往按照自己的設(shè)計構(gòu)成一套命令。按功能來說大致都包含以下幾類命令：系統(tǒng)訪問命令、程序運行命令、程序開發(fā)命令、文件操作命令、資源分配命令、系統(tǒng)管理命令、前后臺作業(yè)轉(zhuǎn)換命令。舉例：(微機)dos.外部：Format、PRINT

內(nèi)部：DIR、COPY

會話語言：用戶在終端上以問答方式與系統(tǒng)相互作用時所使用的語言稱之為會話語言。例BASIC等。

以終端命令和命令語言方式來控制程序的運行雖然有效，但給用戶增加了很大的負擔(dān)，即用戶必須記住各種命令，并從鍵盤鍵入這些命令以及所需的數(shù)據(jù)，以控制他(她)們的程序的運行。圖形用戶接口的目標(biāo)是通過對出現(xiàn)在屏幕上的對象直接進行操作，以控制和操縱程序的運行。用鍵盤和鼠標(biāo)對菜單中的各種操作進行選擇，從而命令程序執(zhí)行用戶選定的操作，極大地方便了用戶，受到普遍歡迎。目前圖形用戶接口(GUI)是最為常見的人機接口(或用戶界面)形式。支持GUI的接口系統(tǒng)稱為窗口系統(tǒng)，它已成為操作系統(tǒng)的一個重要組成部分，Windows3.x(WindowsNT等系統(tǒng)使用)和X窗口系統(tǒng)(UNIX系統(tǒng)使用)。

GUI國際上為了促進GUI的發(fā)展于1988年制訂了GUI標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定GUI由以下部件構(gòu)成：(1)窗口(2)菜單(3)列表盒(4)表目盒(5)對話盒(6)按鈕(7)滾動桿基于GUI的應(yīng)用程序則采用圖形界面，生成主窗口，有菜單驅(qū)動，可使用對話框作為用戶界面。基于控制臺(終端命令)的應(yīng)用程序，它的輸出是基于文本的，不用生成窗口來處理信息。盡管在屏幕中基于控制臺的應(yīng)用程序是包含在一個窗口中，但窗口只顯示文本字符?！?.4固件–––微程序設(shè)計概念一、微程序設(shè)計與固件

自從微程序設(shè)計技術(shù)進入了實用階段以后，硬件和軟件之間的界面變得愈來愈不清楚了，許多原層軟件的功能通過微程序設(shè)計技術(shù)可以轉(zhuǎn)化為硬件，也就是通常所說的固化，故稱這些具有軟件功能的硬件為固件。

所謂微程序設(shè)計是指計算機控制器的操作，用微指令編成程序來實現(xiàn)。(每一條微指令都是計算機硬件中最基本的操作)微程并不是在主存中運行，而是在高速控制存儲器(控存)中運行。如把ROM、EPROM、PROM用作控存。優(yōu)點：控制線路的設(shè)計可以標(biāo)準(zhǔn)化；便于修改、維護、檢查；實現(xiàn)兼容，方便用戶，為發(fā)展系列機創(chuàng)造了良好的條件；可以實現(xiàn)仿真處理、程序可移植。二、微程序與OS在OS中有許多功能要被經(jīng)常地調(diào)用，要求其運行效率要高，而將這些功能用微程序–––固件來實現(xiàn)可比用軟件實現(xiàn)在速度上要快得多。OS中許多功能也常用固件實現(xiàn)的，如中斷管理等，不但可以改善系統(tǒng)性能，降低程序開發(fā)的成本器還能改善系統(tǒng)的保密性。作業(yè)：P392.22.82.161.現(xiàn)代OS為什么要劃分為管態(tài)、目態(tài)？2.對存貯器為何需設(shè)置越界中斷？存貯保護？在下述情況下對A、B、C的存取是否可以？A塊B塊C塊0010001001010000001PSWKey3.有四個作業(yè)A，B，C，D，要求定時喚醒運行，其要求如下：

A 20秒后運行，經(jīng)過40秒后再次運行。

B 30秒后運行。

C 30秒后運行，經(jīng)過25秒后再次運行。

D 65秒后運行。

請建立相應(yīng)的時鐘隊列?！?.1進程概念一、進程的引入進程的概念是操作系統(tǒng)中最基本、最重要的概念。它是在多道程序系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了刻劃系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的情況，描述系統(tǒng)內(nèi)部各作業(yè)的活動規(guī)律而引進的一個新的概念。1.多道程序系統(tǒng)的特點

并行性，主存中存放多道作業(yè)，并同時處于運行多道作業(yè)；

制約性：各程序因資源競爭或并行程序間需要相互協(xié)同而引起的相互關(guān)系；

動態(tài)性：各程序在系統(tǒng)中所處的狀態(tài)不斷變化的。2.程序概念不確切由于在多道程序系統(tǒng)帶來的更為復(fù)雜的環(huán)境中，使程序具有了并行、制約和動態(tài)的特征，使得原有的程序概念已難以刻劃和反映系統(tǒng)中的情況了。(1)程序本身完全是一個靜態(tài)的概念(程序是完成某個功能的指令的集合)，而系統(tǒng)中各程序?qū)嶋H上處于不斷變化的狀態(tài)中程序概念反映不了這種動態(tài)性(有時要等待某種共享資源，或某些信息而暫時運行不下去，而當(dāng)使之暫停的因素消失后，程序又可恢復(fù)“執(zhí)行－暫停－執(zhí)行”)。(2)程序概念已不能反映了系統(tǒng)中的并行特性例：二個C源程序由一個C編譯程序完成，若用程序概念理解，就會以為主存中只有一個編譯程序運行(二個源程序只是編譯程序加工的數(shù)據(jù))，而無法說清主存中運行著二個任務(wù)。也就是說程序概念刻劃不清這種這種并行情況，反映不了它們的活動規(guī)律和狀態(tài)變化。二、進程的定義

進程是一個具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一定次可以并發(fā)執(zhí)行的運行活動。（一）進程同程序的差別：

1.進程是程序的執(zhí)行，屬于動態(tài)，程序是靜態(tài)的 2.進程的存在是暫時的，程序的存在是永久的?！耙淮芜\行活動”–––生命周期、誕生(建立)、死亡(撤消)。3.

進程＝程序＋數(shù)據(jù)＋PCB(進程控制塊，processcontrolblock)，即進程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序地執(zhí)行時所發(fā)生的活動。4.

一個程序可以對應(yīng)多個進程5.

一個進程可以包含多個程序例：主程序執(zhí)行過程中可調(diào)用其它程序(子程序)共同組成“一個運行活動”。主程序子程序1子程序2組成一次活動1.進程是一個能獨立運行的單位，能與其它進程并行地活動。2.進程是競爭計算機系統(tǒng)有限資源的基本單位，是一個可調(diào)度的實體。也是進行處理機調(diào)度的基本單位。（二）進程的特征：§3.2進程的狀態(tài)和進程控制塊一、進程的狀態(tài)及變化·進程有著“執(zhí)行－暫這－執(zhí)行”的活動規(guī)律，一般說來一個進程不是自始至終一口氣運行到底的?！じ鬟M程相互制約，當(dāng)使它暫停的原因消失后，它又可準(zhǔn)備運行。因此進程有多種狀態(tài)。1.三種基本狀態(tài)：(1)運行狀態(tài)(Running)

當(dāng)一個進程正在處理機上運行時，稱為運行狀態(tài)。(2)就緒狀態(tài)(Ready)

一個進程獲得了除處理機外的一切所需資源，一旦得到處理機即可運行，稱此進程處于就緒狀態(tài)。(3)等待狀態(tài)(Blocked)

一個進程正在等待某一事件發(fā)生而暫時停止運行，即使這時把處理機分配給此進程也無法運行。又稱為阻塞狀態(tài)。RunningReadyBlocked等待事件(系統(tǒng)服務(wù)請求，如請求I/O))被調(diào)度或分派時間片用完事件發(fā)生注：處理機的數(shù)目一般總是少于進程數(shù)，在單處理機系統(tǒng)中，只有一個進程可真正獲得處理。進程在系統(tǒng)中，其狀態(tài)可以變化，各狀態(tài)間變化如下圖所示：說明：就緒狀態(tài)的進程被進程調(diào)度程序選中后，就分配到處理機來運行，進入運行狀態(tài)。運行狀態(tài)的進程時間片用完不得不讓出處理機，變?yōu)榫途w狀態(tài)。運行狀態(tài)的進程需等待某一事件發(fā)生后，才能繼續(xù)運行，變?yōu)榈却隣顟B(tài)。等待狀態(tài)的進程：若其等待的事件已發(fā)生，變?yōu)榫途w狀態(tài)。AB就緒運行等待注：必先由等待狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)，再重新由調(diào)度程序來調(diào)度。例：I/O1I/O2

上面我們講了進程的三個基本狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換，對于進程是如何產(chǎn)生的，這需要和作業(yè)調(diào)度、作業(yè)狀態(tài)聯(lián)系起來考慮。作業(yè)調(diào)度程序負責(zé)對作業(yè)一級的處理。

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度到一個作業(yè)時，必然要為作業(yè)分配必需的資源和創(chuàng)建相應(yīng)的進程，這時作業(yè)進入執(zhí)行階段。2.進程與作業(yè)的關(guān)系

在此狀態(tài)下作業(yè)是以進程面貌參與活動的，其狀態(tài)變遷如圖下：

當(dāng)進程完成了自己的使命進入完成狀態(tài)時，它將被撤消，當(dāng)一個作業(yè)的相應(yīng)進程全部進入完成狀態(tài)時，該作業(yè)也就完成，進入完成狀態(tài)，進行撤消等善后處理工作。提交后備完成RunningReadyBlocked二、進程的描述

進程由三部分組成：程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊（PCB）。

進程是程序的一次執(zhí)行過程，那么，如何描述一個進程活動？進程由哪幾個部分組成的呢？1.進程控制塊

為了描述一個進程和其它進程以及系統(tǒng)資源的關(guān)系；為了刻畫一個進程在各個不同時期所處的狀態(tài)，人們采用了一個與進程相聯(lián)系的數(shù)據(jù)塊，稱為進程控制塊PCB。PCB：是用以記錄進程的有關(guān)信息的一塊主存，它是由系統(tǒng)為每個進程分別建立的。

當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個進程時，必須為它設(shè)置一個PCB，然后根據(jù)PCB的信息對進程實施控制管理，進程任務(wù)完成時，系統(tǒng)收回它的PCB，進程也隨之消亡。PCB包括三類信息：進程標(biāo)識信息：PID,PPID處理器狀態(tài)信息：PC,PSW,堆棧指針、寄存器進程控制信息：調(diào)度狀態(tài)信息、鏈接指針、通信信息IPC、資源使用信息

為了對進程作充分的描述，PCB通常應(yīng)具有的信息如下：(對不同OS所使用的PCB結(jié)構(gòu)也不同)PCB-ADDR

NAME

STATUS

NEXT

ALL-Q-NEXT

START-ADDR

PRIORITY

CPUSTATUS

Communication-information

PROCESS-family

OWN-resource對于簡單系統(tǒng)，PCB結(jié)構(gòu)較??；而在一些較復(fù)雜的系統(tǒng)中，PCB所含的內(nèi)容就比較多，比如，還可能有I/O、文件傳輸、控制信息。PCB結(jié)構(gòu)說明：(1)進程標(biāo)識符NAME：每個進程都必須有唯一的標(biāo)識符，可以用字符或編號表示。在創(chuàng)建一個進程時，由創(chuàng)建者給出進程的標(biāo)識符。(2)進程當(dāng)前狀態(tài)status：說明本課程目前處于何種狀態(tài)(運行、就緒、等待)，作為進程調(diào)度時分配處理機的主要依據(jù)。(只有當(dāng)進程處于就緒狀態(tài)時，才有可能獲得處理機)(3)當(dāng)前隊列指針NEXT：該項登記了處于同一狀態(tài)下的下一個PCB的地址，以此將處于同一狀態(tài)的所有進程勾鏈起來。而頭指針為隊列第一元素的地址，由OS掌握。PCB1PCB2PCBnReady-Q-Start就緒頭指針…(4)ALL-Q-NEXT總鏈指針：

所有進程的總鏈，進程PCB中的該項內(nèi)容是指向總鏈中的下一個PCB地址。

當(dāng)建立新進程時，查詢是否重名時方便。(5)程序開始地址START-ADDR:

該進程的程序?qū)拇说刂烽_始執(zhí)行。(6)進程優(yōu)先級PRIORIYT：

反映了進程要求CPU的緊迫程度，它通常由用戶預(yù)先提出或由系統(tǒng)指定。進程將以其優(yōu)先級的高低去爭奪CPU的權(quán)利。(7)CPU現(xiàn)場保護區(qū)CPUSTATUS：當(dāng)進程由于某種原因釋放處理機后，CPU現(xiàn)場信息被保存在PCB的該區(qū)域中，以便在該進程重新獲得處理機后，繼續(xù)執(zhí)行，通常被保護的信息有：工作寄存器，指令計數(shù)器以及PSW。(8)通信信息：Communication-info