1、專題三：操作系統知識1、操作系統知識：1.1 基本概述操作系統是一個大型的軟件系統，是為了提高計算機系統資源硬件和軟件資源）的利用效率并方便用戶使用的一組程序，這些程序可以用軟件實現，也可以用固件 微程序設 計）實現。操作系統的基本特征是并發與共享。操作系統是運行在計算機硬件上的最基本的系統軟件，位于所有的軟件的最底層，為 計算機使用者提供了一種良好的操作環境，也為各種應用系統提供了基本的支持環境。它 在計算機系統中占據了特殊重要的地位，其它所有的軟件如匯編程序、編譯程序、數據庫 管理系統等系統軟件以及大量的應用軟件，都將依賴于操作系統的支持，取得它的服務。操作系統通過多任務并行的手段來達到多

2、用戶資源共享的目的。我們通常主要采用幾種不同的方法來考察操作系統。用戶觀點：可以把操作系統看作是用戶與計算機硬件系統之間的接口 系統調用 和聯機命令）；資源管理觀點：把操作系統看成計算機系統資源的管理者；進程角度：管理核心，對用戶進程和系統進程進行控制和協調；分層角度：從系統構造的角度出發，將系統分為若干個層，彼此依賴；操作系統的硬件基礎是：中斷和通道，中斷處理一般都在核心內完成。操作系統的類型與功能：根據使用環境和對用戶作業處理方式，操作系統的基本類型可以分為 3 大類：其特點是先將作業脫機輸入到外圍輸入設備，再由監督程序將作業成 批處理操作系統：批調入系統中進行處理。在早期的計算機中往往使

3、用這種類型的操作系統。 分時操作系統：多個用戶同時以會話方式控制自己程序的運行，每個用戶都感到似乎各 自有一臺獨立的、支持自己請求服務的系統。其特點是將 CPU 時間輪流分配給 內存各道作業使用，直至每個作業結束，這就保證了多個用戶能在較短時間內 與作業進行交互。 實時操作系統：系統往往是專用，系統與應用很難分離。其特點是能及時響應外部時間 的請求，并迅速完成對事件的處理。其設計原則是響應時間優先于資源利用 率。實時系統又分成實時過程控制和實時信息處理兩類。除了上述這幾類基本系統外，隨著計算機體系結構的發展，又出現了多處理機操作系統、分布式操作系統和網絡操作系統等等。1 / 16 操作系統的職

4、能是管理和控制計算機系統中的全部硬件、軟件資源，合理組織計算機工作 流程，并為用戶提供一個良好的工作環境和友好的接口，系統資源管理和提供用戶界面是 操作 操作系統的功能模塊： 處理器 機）管理： 其主要任務，是對處理機進行分配，并對其進行有效的控制和管理。在多道程序環境下，處理機的分配以線程為基本單位，因此對處理機的管理可 歸結為對線程的管理。 存儲管理： 其主要任務，是為程序的運行提供良好的環境，方便用戶使用存儲器，提高 存儲器的利用率，以及能從邏輯上來擴充內存。所以存儲管理應具有以下功 能：內存分配、內存保護、地址映射和內存擴充等。 設備管理： 其主要任務，是完成用戶提出的 I/O 請求，

5、為用戶分配 I/O 設備；提高 CPU 和 I/O 設備的利用率；提高 I/O 速度；以及方便用戶使用 I/O 設備。為實現上 述任務，設備管理應具有緩沖管理、設備分配和設備處理，以及虛擬設備等功 能。 采用通道、控制器和設備三級控制方法管理這些設備； 文件管理： 其主要任務，是對用戶文件和系統文件進行管理，以方便用戶使用，并保證 文件的安全性。為此，文件管理應具有文件存儲空間的管理，目錄管理，文件 的讀、寫管理以及文件的共享與保護等功能。 用戶接口：為了方便用戶使用操作系統，操作系統向用戶提供命令接口和系統調用接 口，在較晚出現操作系統中又向用戶提供了圖形接口。1.2 處理機管理處理器是計算

6、機的心臟，在單用戶系統中或單道系統中，處理器為一個用戶或一個作 業服務，管理簡單。為了提高系統資源的利用率，引入了多道程序技術，即多個程序或作 業同時運行，爭用處理器，要解決處理器的分配調度的策略。因此引入了作業、進程和線 程的概念，基于操作系統對處理器的管理策略不同，其提供的作業處理方式也不同，又批 處理方式、分時處理方式、實時處理方式、多道成批處理方式和網絡環境下的處理方式 等。操作系統的核心位于硬件上，核心的目的是提供一種進程賴以生存的環境，其主要任 務就是接受中斷并做基本的處理，在進程之間切換處理器，處理進程之間的通信?；镜挠布Y構是：1）中斷結構：為了使輸入輸出活動與處理器的活動并

7、行，提出了中斷處理程 序；2）特權指令：僅供操作系統使用的指令集合；3）主存保護：多道程序系統中，必須對各進程使用的主存加以保護，以防止其 他進程的非法操作；2 / 16 4）時鐘：硬件時鐘以固定的時間間隔產生中斷信號，這對于實現處理器的調度 以及實現與時間有關的任務不可或缺；1.3 進程 概念：進程在操作系統中是一個十分重要的概念。進程是可并發執行的程序在一個數據集合上的運行過程?？梢哉f，進程是運行中的程序，是程序的一次運行活動。相對于程序，進 程是一個動態的概念，而程序是靜態的概念。進程具有 5 個基本特征：動態性：并發性：獨立性：異步性：結構特征：在操作系統中，進程是進行系統資源分配、調

8、度和管理的最小單位。另外需要注意的是，現代操作系統中還引入了線程 進程的狀態：Thread ）概念，它是處理器分配的最小單位。進程在運行中不斷地改變其運行狀態。通常，具有 3 種最基本的狀態。運行：正占用處理器就緒：只要獲得處理器即可運行。阻塞：正等待某個事件如 I/O 完成）的發生。在不少系統中，還增加了兩種基本狀態：新狀態：一個進程剛剛建立，但還未將它送入就緒隊列時的狀態。終止狀態：當一個進程已經正常結束或異常結束，系統已將它從就緒隊列 中移出，但尚未將它撤消時的狀態。下圖顯示了具有 5 種基本狀態的進程狀態圖另外，現在操作系統中有的還有掛起狀態。3 / 16 進程控制塊 PCB：進程由程

9、序、數據和進程控制塊組成。進程控制塊PCB 是進程實體的一部分，是操作系統中最重要的記錄型數據結構。PCB是進程存在的唯一標志，PCB 描述了進程的基本情 況。進程控制塊的作用，是使一個在多道程序環境下不能獨立運行的程序 含數據），成為 一個能獨立運行的基本單位，一個能與其他進程并發執行的進程。進程控制塊隨著進程的建立而產生，隨著進程的完成而撤消主要包括以下幾個方面的內 容：進程標識符信息 處理機狀態信息 進程調度信息 進程控制信息下圖是一個簡化的PCB示意圖。控制信息隊列訪問權限現場進程標識狀態優先級進程控制塊的組成方式分連接方式和索引方式兩種。進程管理：進程管理涉及到進程控制、隊列管理和進

10、程調度等。進程的生命過程是從它創建時開始，直至任務終止而撤消，其間會經歷各種狀態的轉換，它們都是在操作系統控制下完成的。操作系統提供了對進程的基本操作，也成為原語。這些原語包括創建原語、阻塞原語、終 止原語、優先級原語和調度原語。進程調度即處理器調度，它的主要功能是確定在什么時間將處理器分給哪個進程。進程調度的方法基本分為兩類：剝奪調度和非剝奪調度。進程調度的算法是服務于系統目標的策略，對于不同的系統與系統目標，常采用不同的調 度算法。如：先來先服務 優先數調度 輪轉法 死鎖問題 進程管理是操作系統的核心，進程管理中的死鎖是操作系統中一個比較特殊的問 題。所謂死鎖 Deadlock ），是指多

11、個進程因競爭資源而造成的一種僵局 Deadly-Embrace ），若無外力作用，這些進程都將永遠不能再向前推進。4 / 16 死鎖的原因主要有兩點：競爭資源 進程推進順序非法 產生死鎖的 4 個必要條件是：互斥條件 保持和等待條件 不剝奪條件 環路等待條件 而針對產生死鎖的必要條件，有下列處理死鎖的方法：預防死鎖：其思想是不讓任一產生死鎖的必要條件發生。避免死鎖：其策略是不對用戶進程的推進順序加以限制，而在進程申請資源 時先判斷； 斷資源分配是否安全。檢測死鎖：采用資源請求分配圖的化簡方法來判斷是否發生了不安全狀態。解除死鎖：其主要是使用剝奪的方法來釋放資源、解除死鎖狀態。比較上面 4 種處

12、理方法，死鎖的檢測和解除措施，有可能使系統獲得較好的資源 利用率和系統吞吐量，但在實現上難度也最大。1.4 存儲管理現代計算機系統中的存儲系統通常是多級存儲體系，至少有主存內存）和輔存外存）兩級，有的系統有更多的級數。主存是由系統實際提供的存儲單元組成的一個連續地址空間，處理器可以直接存 取。它的存儲容量受到實際存儲單元的限制。輔存是指軟盤、硬盤、光盤和磁帶等一些外部存儲部件，常用來存放暫不執行的程序和數據，處理器不能直接訪問，需啟動I/O 設備，才能進行內存、外存交換。系統中主存的使用一般分系統空間和用戶空間兩個部分。把相對地址空間的程序轉換成絕對地址空間物理地址）空間上能夠執行的過程稱為地

13、址重定位，也稱為地址映射或地址映像。地址重定位有兩種：靜態重定位和動態重定 位。存儲管理應該提高存儲資源的利用效率，又方便用戶使用，存儲管理的任務應具有 下列功能。分配與回收 存儲擴充 共享與保護 實存管理： 實存的管理一般有三種分配方式。5 / 16 單一連續分配：一個作業占全部空間，靜態分配 固定分區分配：靜態，空間分區 可變分區分配：動態分配分區 交換：較小的空間運行較大的作業，采用的方法不對主存保護，引起沖突）其中，可變分區分配方法是目前的系統采用得較多的。它將主存空間按用戶要求動態地分 劃成若干個分區。為了消除分配中的外部碎片，系統還需要合并自由區和進行存儲拼接或 緊湊。關于實存的存

14、儲分配算法主要有 4 種。最佳適應算法 首次適應算法 最差適應算法 循環首次適應算法 虛存管理 虛擬存儲 簡稱虛存）不考慮實際主存的大小和數據存取的實際地址，只考慮相互有關的數 據之間的相對位置，其容量由計算機的地址位數決定。虛擬存儲通常涉及存儲空間大于計算機系統主存中可利用存儲空間時的尋址能力問 題。其特點是運行程序訪問的地址不是從主存中可以獲得的，即運行進程訪問的地址與主 存可用的地址分離。運行進程訪問的地址稱為虛地址，主存中可用的地址稱為實地址。一個運行進程可以 訪問的虛地址范圍稱為進程的虛地址空間，相應的，可使用的實地址范圍稱為實地址空 間。虛存的組織方式有 3 種。 分段存儲組織 一

15、個作業是由若干個具有邏輯意義的段組成。在分段系統中，允許程序 作業）占據主存中 段號、若干分離的分區，每個分區存儲一個程序分段。分段系統中的虛地址是一個有序對 段內位移）。系統為每個作業建立一個段表，其內容包括段號與主存起始地址的對應關 系、段長和狀態。 頁式存儲組織 與段式存儲組織相似。主存被劃分成若干個定長的頁，頁式系統中的虛地址是一個有序對 頁號、頁內位移）。系統為每個進程建立一個頁表，其內容包括進程的邏輯頁號與物理頁 號的對應關系、狀態等。 段頁式存儲組織6 / 16 綜合了上述兩種存儲組織的特點。主存被劃分成定長的頁，段頁式系統中虛地址形式是 段號、段內頁號、頁內位移）。表。系統為每

16、個進程建立一個段表，再為每個段表建立一個頁虛存管理的置換策略有幾種算法最優 OPT）算法：選擇淘汰不再使用或最遠的將來才使用的頁。隨機 RAND）算法：隨機的選擇淘汰的頁。先進先出 FIFO）算法：選擇淘汰主存駐留時間最長的頁。最近最少使用 LRU）算法：選擇淘汰離當前時刻最近的一段時間使用得最少的 頁。虛存管理策略的基礎是局部性原理進程往往不均勻地高度局部化地訪問主存。這種局 部性表現為時間局部性和空間局部性兩種。根據局部性原理的特性，提出了工作集理論。工作集是指進程頻繁訪問頁面的集合。工作 集理論要求，為了使進程能有效的運行，它的頁面工作集應駐留在主存中，以防止“ 顛 簸”又稱抖動，即指由

17、于進程頻繁的從輔存請求頁面而造成的過度的頁面調度）現象。1.5 設備管理：其主要任務是：實現對外部設備的分配和回收；啟動外部設備；控制輸入 / 輸出設備與處理器或主存之間交換數據；實現對磁盤的調度；處理設備的中斷；實現虛擬設備等。根據不同的方面，可以對設備進行分類。按數據組織方式：字符設備常對應于慢速設備）和塊設備常對應于快速設備）。按資源性質：獨占設備 如終端、打印機）、共享設備 如磁盤）和虛擬設備。外部設備和主存之間常用的傳輸方式有 4 種。程序控制方式 中斷方式 直接存儲訪問 DMA）方式通道方式 虛擬設備：采用假脫機技術，可以將低速的獨占設備改造成一種共享設備。簡稱為spooling技

18、術，利用多道程序技術，采用一組程序模擬一臺I/O 處理機7 / 16 設備分配有兩種方法，即靜態分配方法和動態分配方法。其中設備的動態分配算法與進程 調度相似，也具有一定的分配策略，如先請求先分配、優先級高者先分配等。例如，關于磁盤調度的算法就有以下幾種。先來先服務 FCFS）調度最短查找時間優先SSTF）調度：離磁頭最近的服務被響應SCAN調度 電梯算法）：在前進方向尋找最短的查找時間的 N步 SCAN調度 C-SCAN調度1.6 文件和文件系統文件是信息的一種組織形式，是存儲在輔助存儲器上的具有標識名的一組信息集合，它可以是有格式的，也可以是無格式的。與文件相關的概念有：數據項、記錄、文件

19、和數據庫。操作系統的文件系統包括兩個方面：負責管理文件的一組系統軟件；管理的對象文件。文件系統的主要目標是提高存儲器的利用率，接受用戶的委托實施對文件的操作。其 主要問題是管理輔助存儲器，實現文件從名字空間到輔存地址空間的轉換，決定文件信息 的存放位置、存放形式和存放權限，實現文件和目錄的操作，提供文件共享能力和安全設 施，提供友好的用戶接口。根據不同方面，可以對文件進行多種分類。按文件的用途分：系統文件、庫文件和用戶文件等。按文件的信息流分：輸入文件、輸出文件和輸入輸出文件等。按文件的組織形式分：普通文件、目錄文件和特殊文件等。按文件的安全屬性分：只讀文件、讀寫文件、可執行文件和不保護文件等

20、。文件的結構和組織 文件的結構是指文件的組織形式。文件的結構分為邏輯結構和物理結構。從用戶 的觀點所看到的文件組織形式稱為文件的邏輯結構，從實現觀點考察文件在輔助存儲器上 的存放方式稱為文件的物理結構。文件的邏輯結構可以分為兩種：無結構的字符流文件和有結構的記錄文件 也稱為有格 式文件）。其中，記錄文件由記錄組成，即文件內的信息劃分成多個記錄，以記錄為單位 組織和使用信息。其有幾種不同的類型，特別需要注意它們之間的區別。 堆文件：數據按先來后到的順序組織，是最簡單的記錄文件； 順序文件8 / 16 順序文件的記錄定長，記錄中的數據項的類型長度與次序固定，記錄按鍵值的約定次序組 織。 索引順序文

21、件 基于鍵的約定次序組織，而且維護鍵的索引和溢出區域。鍵的索引可以是多級索引。 索引文件基于記錄的一個鍵-數據項關系對來組織，依據記錄鍵值可以找到記錄存放位置。 直接文件 又稱哈希文件）記錄以它們在直接訪問存儲設備上的物理地址直接 直接得出其存儲位置。隨機）訪問。對于一個給定的記錄可以文件的物理結構側重于提高存儲器的利用效率和降低存取時間。文件的存儲設備通 常劃分為大小相同的物理塊，物理塊是分配和傳輸信息的基本單位。文件的物理結構是指 文件在存儲設備上的存儲方法，具有不同的文件分配策略，需要特別注意它們的特點和之 間的差別。 順序分配 連續分配）最簡單的分配方式。在文件建立預先分配一個連續的物

22、理塊集，然后，按照邏輯文件中的信息 或記錄）順序，依次把信息 的文件。鏈接分配 串聯分配）或記錄）順序存儲到物理塊中。不適宜于需要經常修改這是按單個物理塊逐個進行的。在建立鏈接文件時，不須指定文件的長度，在文件的說明 信息中，只需指出該文件的第一個物理塊塊號，鏈接文件的文件長度可以動態的增長，只 需調整物理塊間的指針就可以插入或刪除一個信息塊。一般只適用于順序訪問，不適用于 隨機存取。 索引分配另一種對文件存儲不連續分配的方法。系統為每個文件建立一張索引表，索引表中的每一表項指出文件信息所在的邏輯塊號和與之對應的物理塊號。既適用于順序存取，也適用于 隨機存取。文件控制塊： FCB，和進程相似，

23、文件目錄有一級目錄、二級目錄和多級目錄結構；一級目錄：只有一個目錄表，每個表項對應一個文件；二級目錄：主目錄和用戶目錄；多級目錄：也稱為樹型目錄結構，從根目錄出發的層次結構；1.7 作業管理與用戶界面作業是系統為了完成一個用戶的計算任務或一次事務處理）所做的工作總和。操作系統 中 用 來 控 制 作 業 的 進 入 、 執 行 和 撤 消 的 一 組 程 序 成 為 作 業 管 理 程 序 。9 / 16 一般操作系統提供兩種作業控制方式。聯機作業方式 通過作業控制語言 JCL，也稱為作業控制命令）編寫用戶作業說明書。這種方式中，用戶不直接干預作業的運行，而是把作業與作業說明書一起提交系統。作

24、業調度主要是從后備狀態的作業中挑選一個 度相似，也具有若干的調度算法。先來先服務 FCFS）短作業優先 SJF）響應比高者優先 HRN）優先級調度或一些）作業投入運行。與進程調用戶界面： 也稱為用戶接口，是用戶與操作系統交互的途徑和通道，也是交互環境的控 制方式；操作系統的接口：可分為命令接口和程序接口。命令接口： 包含鍵盤命令和作業控制命令；程序接口： 程序接口又稱為編程接口、系統調用。程序經編程接口請求系 統服務，即通過系統調用，程序與操作系統進行通信。操作環境： 操作環境支持命令接口和程序接口，提供友好、易用的操作平臺。操作 系統的交換界面從早期的命令驅動方式發展道菜單驅動方式、圖形符號

25、驅動方 式和視窗操作環境。1.8 操作系統的結構1 無序結構法：整體結構或模塊組合結構以大型表格和隊列為中心）；2 層次結構法：分解成各個單向依賴的層次；3面向對象法：利用對象和對對象的操作加上保護組成操作系統；執行體對象進程，線程、文件和令牌等）和內核對象是網絡的心臟和靈魂，是向網絡計算機提供服務的特殊的操作系統。它在計算機操作系統下工作, 使計算機操作系統增加了網絡操作所需要的能力。例如象前面已談到的當你在 LAN 上使用字處理程序時 , 你的 PC 機操作系統的行為象在沒有構成LAN 時一樣，這正是 LAN 操作系統軟件管理了你對字處理程序的訪問。網絡操作系統運行在稱為服務器的計算機上

26、, 并由連網的計算機用戶共享 , 這類用戶稱為客戶。10 / 16 NOS與運行在工作站上的單用戶操作系統或多用戶操作系統由于提供的服務類型不同 而有差別。一般情況下，NOS是以使網絡相關特性最佳為目的的。如共享數據文件、軟件 應用以及共享硬盤、打印機、調制解調器、掃描儀和傳真機等。一般計算機的操作系統，如 DOS和 OS/2 等, 其目的是讓用戶與系統及在此操作系統上運行的各種應用之間的交互作 用最佳。為防止一次由一個以上的用戶對文件進行訪問，一般網絡操作系統都具有文件加鎖功能。如果沒有這種功能, 將不會正常工作。文件加鎖功能可跟蹤使用中的每個文件, 并確保一次只能一個用戶對其進行編輯。文件

27、也可由用戶的口令加鎖, 以維持專用文件的專用性。NOS還負責管理 LAN用戶和 LAN打印機之間的連接。NOS總是跟蹤每一個可供使用的打印機以及每個用戶的打印請求 , 并對如何滿足這些請求進行管理 , 使每個端用戶的操作系統感到所希望的打印機猶如與其計算機直接相連。NOS還對每個網絡設備之間的通信進行管理, 這是通過 NOS中的媒體訪問法來實現的。NOS的各種安全特性可用來管理每個用戶的訪問權利 , 確保關鍵數據的安全保密。因此,NOS 從根本上說是一種管理器 嵌入式操作系統：, 用來管理連接、資源和通信量的流向。嵌入式系統是以應用為中心，軟硬件可裁剪的，適應應用系統對功能、可靠性、成 本、體

28、積、功耗等綜合性嚴格要求的專用電腦系統；主要由嵌入式 CPU、相關硬件、嵌入 式 OS 操作系統及應用軟件等組成。與通用型電腦系統相比，嵌入式系統功耗低、可靠性 高；功能強大、性能價格比高；實用性強，支持多任務；占用空間小，效率高；面向特定 應用，可根據需要靈活定制。數字電 嵌入式系統應用廣泛：可用于移動電腦平臺 PDA、掌上計算機），信息家電 視、機頂盒、網絡設備），無線通信設備 智能手機、股票接收設備），工業 / 商業控制 智 能工控設備、 POS/ATM機），電子商務平臺，甚至軍事應用等諸多領域。對于大多數用戶而言，嵌入式系統的應用有一定的難度。不論是硬件的造型、嵌入式 操作系統的選擇，

29、以及應用軟件的確定都是令人頭疼的事情。為了解決這難題，威達佳科 技推出了一系列從嵌入式硬件到操作系統的解決方案。WindowsCE.net 概述Windows CE .NET 是 Windows CE 3.0的后繼產品。 Windows CE .NET 為嵌入式市場重新設計，為快速建立下一代智能移動和小內存占用的設備提供了一個健壯的實時操作系統。 Windows CE .NET 具備完整的操作系統特性 個基于定制設備的 Windows CE所需的一切。, 集包和端對端開發環境，它包括了創建一WinCE.NET包含大量的新增特性和改進特性，如：藍牙 bluetooth）和 802.11 零配置設

30、定等無線技術；11 / 16 設備仿真特性使你可以對完整的設備環境進行仿真而無需任何額外的硬件投 資；在平臺向導方面，使您可以從眾多的預置設備設計中進行選擇，以便跳躍式的 開始你的開發流程；豐富的多媒體和Web 瀏覽功能，如Microsoft Internet Explorer6.0和 Windows Media 編解碼器 Codec）和控件原件。強大的聯網能力、強勁的實時性和小內存體積占用以及豐富的多媒體和Web瀏覽功能使得WindowsCE.NET成為各個不同領域嵌入式操作系統的首選。WinCE.NET為快速建立下一代智能移動和小內存占用的設備提供了一個健壯的實時操作 系統，利用 WinC

31、E.NET 就有可能創建一個您所需要的與眾不同的平臺，從而應用到各個領 域。移動電話 / 智能多媒體 自定義設備數字成像設備工業自動化設備 Internet / 媒體設備 PDA/ 移動手持設備住宅門禁 POS 設備頂置盒微內核 Web 板設備 Windows 客戶端 / 終端1.9 常用操作系統 UNIX 系統 UNIX 是一個 分時操作系統 。它利用最內層硬件提供的基本服務，向外層提供全部應用程序 所需要的服務。UNIX中的文件是字符流文件，在物理上組織為索引文件。工作目錄的概念：當前目錄 UNIX系統中的進程控制子系統負責進程同步、進程間通信、存儲管理及進程調度。UNIX系統中的進程調度采用動態優先數的算法。UNIX采用段頁式管理，分配的單位是塊 如每塊 8K 字節）。UNIX采用了 LRU最近最少使用算法）作為虛存中的淘汰算法。UNIX的文件系統用緩沖技術來調節系統