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  • 计算机操作系统汤小丹第4版)
    2021-11-24 10:50:36

    1.操作系统引论

    1.1操作系统的目标

    在计算机系统上配置操作系统,其主要目标是:方便性,有效性,可扩充性和开放性。

    1.2单道批处理系统

    首先由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存,并把运行控制权交给该作业;当改作业处理完成时,又把控制权还给监督程序,再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。计算机系统就这样自动的一个作业紧接一个作业地处理,纸质磁带上的所有作业全部完成,这样便形成了早期的批处理系统。虽然系统对作业的处理是成批进行的,但在内存中始终只保持一道作业,故称为单道批处理系统。

    缺点:单道批处理系统最主要的缺点是,系统中的资源得不到充分的利用。(每逢发出I/O请求后,cpu一直等待其完成后才继续运行,又因为I/O设备的低速性,更使得CPU的利用率显著降低)

    1.3多道批处理系统

    把作业放入外存中形成后备队列,每次选择若干个作业调入内存,让他们共享cpu等各种资源。在A运行时,利用其I/O操作而暂停执行的cpu空隙,可以调度另一个程序B,同理可以在B的I/O操作时调入程序C,多道程序交替运行,保证cpu一直处于忙碌状态。

    特征:多道性

              无序性

              调度性

    多道批处理的优缺点:

                                            资源利用高:程序交替运行,使CPU一直处于忙碌的阶段

                                            系统吞吐量大:cpu和其他资源一直保持忙碌状态,仅当作业完成或者运                                                                   行不下去的时候才进行切换,系统开销少 

                                           平均周转时间长:作业排队依次进行处理,周转时间长

                                            无交互能力:用户一旦将作业提交给系统之后,期间用户不能和自己的作                                                          业进行交互

    1.4分时系统

    用户需求:1.人机交互2.共享主机

    分时系统实现中的关键问题:1)及时接收:及时接收多个用户键入命令或数据

                                                   2)及时处理:作业直接进入内存并且采用轮转运行方式(为了避免一个作业长期独占处理器,引入了时间片的概念,每个作业每次只能运行一个时间片的时间,然后暂停这个作业,并调入下一个作业)   

    分时系统的特征:多路性,独立性,及时性,交互性 

    1.5实时系统 

    类型:工业(武器)控制系统、信息查询系统、多媒体系统、嵌入式系统

    实时任务的类型:

    周期性实时任务:外部设备周期性发出激励信号,希望计算机按指定周期进行周期循环执行,这样可以周期性的控制某个外部设备 

    非周期性实施任务:无明显的周期性只存在开始截至时间和完成截至时间(指某任务必须在某个时间之前开始和结束)

    硬实时任务:必须满足任务对截至时间的要求,不然就会产生难以预测的后果(用户工业,武器控制实时系统)

    软实时任务:和硬实时任务相反,软实时任务可以偶尔错过任务的截至时间,对系统的影响也不会很大(信息查询系统,多媒体系统)

    实时系统与分时系统的比较(存在考点)

    1.多路性:分时系统:主机以很快的速度周期性的扫描各个终端

                     实时系统:系统周期性的对多路现场信息进行采集,以及对多个对象或对各执行机构进行控制

    2.独立性:两个系统基本相同每个终端用户和系统交互时都是互不干扰的

    3.及时性:分时系统的响应时间主要是依据用户所能接受的等待时间确定的(多久的时间等待是用户可以接受的),而实时系统则是以控制对象要求的截止时间确定的(秒级到毫秒级)

    4.交互性:分时系统可以通过终端与系统进行广泛的人机对话,实时系统具有交互性,但这里人与系统的交换,仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务

    5.可靠性:分时系统要求系统可靠,实时系统要求系统高度可靠(毕竟人家差之毫秒可能会出大事) 

    1.6操作系统的基本特性

    并行和并发:

                    并行性:两个或多个事件在同一时刻发生。

                    并发性:两个或多个事件在同一间隔内发生。

    进程:没有进程的系统中,计算程序和I/O程序之间只能是顺序执行。引入进程之后对计算程序和I/O分别建立一个进程,两个进程之间就可以并发执行和交换信息,这样可以极大的提高系统资源的利用率,增加系统的吞吐量。

    共享:

            互斥共享方式:系统中有些资源,如打印机,磁带机等虽然可以提供多个进程使用,但在规定时间内只可以允许一个进程访问该资源。(如果有一个进程占用了资源,其他进程就不能访问资源)

            同时访问方式:允许多个进程对资源同时访问,这种资源类型比如磁盘。但所谓同时其实是宏观下的同时,在微观上,进程对资源访问是交替的。

    虚拟:将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应功能称为“虚拟”

    时分复用技术:利用某设备为一用户服务的空闲时间,转去为其他用户服务,使设备得到充分的利用。

    空分复用技术:空分复用技术是利用存储器的空闲分区域存放和运行其他的多道程序,以此来提高内存的利用率。

     

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    教材为西安电子科技大学 汤小丹老师 第四版
    视频/图片来源:https://www.bilibili.com/video/BV1jv41147h8?p=1
    操作系统系列目录
    第一章:操作系统引论
    第二章:进程的描述与控制
    第三章:处理机调度与死锁
    第四章:存储器管理
    第五章:虚拟存储器
    第六章:输入输出系统
    第七章:文件管理

    0.OS是什么?(os->operation system?)

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    1.1操作系统目标和作用

    1.1.1 目标

    目前存在着多种类型的OS,不同类型的OS,其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS,其目标有以下几点:

    • 方便性
      便于理解计算机
      通过接口方便地使用
    • 有效性
      提高系统资源利用率
      提高系统吞吐量
    • 可扩充性
      OS应方便修改、增加新模块或功能,以适应计算机硬件、 体系结构以及应用发展的要求。
    • 开放性
      OS应提供统一的开放环境,以实现应用的可移植性和互操作性
      不同的设备能通过网络加以集成,并能正确、有效地协同工作

    1.1.2 作用

    • 提供用户与计算机硬件系统之间的接口
      (1)命令方式:指由OS提供了一组联机命令 (语言), 用户可通过键盘输入有关命令,来直接操纵计算机系统。
      (2)系统调用方式:OS提供了一组系统调用,用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用,来操纵计算机。
      (3)图标–窗口方式:用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。
      (4)其他方式
    • 计算机系统资源的管理者
      在一个计算机系统中,硬件和软件资源归纳起来可分为四类:处理器、存储器、 I/O设备以及文件(数据和程序)。相应地,OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理。
    • 实现了对计算机资源的抽象
      一台完全无软件的计算机系统(即裸机),即使其功能再强,也必定是难于使用的。比如打印,只要点击打印即可,不用管打印的资源管理

    在这里插入图片描述

    1.1.3 主要发展动力

    • 不断提高计算机资源利用率
    • 方便用户(如接口)
    • 器件的不断更新换代 (如CPU芯片的发展)
    • 计算机体系结构的不断发展(如多处理机、网络)
    • 不断提出新的应用需求 (如多媒体、嵌入)

    1.2操作系统的发展过程

    1.2.1未配置操作系统的计算机系统(了解)

    1.人工操作方式。这种人工操作方式有以下两方面的缺点:
    (1) 用户独占全机。
    (2) CPU等待人工操作。

    2.脱机输入/输出(Off–Line I/O)方式
    这种脱机I/O方式的主要优点如下:
    (1) 减少了CPU的空闲时间。
    (2) 提高I/O速度。
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    1.2.2批处理系统

    1.单道批处理系统
    单道批处理系统是最早出现的一种OS,严格地说,它只能算作是OS的前身,而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此,该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。

    批处理是指用户将一批作业提交给操作系统后就不再干预,由操作系统控制它们自动运行。
    单道批处理系统在内存中只保持一道作业的批处理系统。

    特征:
    (1) 自动性
    (2) 顺序性
    (3) 单道性

    缺点: 系统资源利用不充分。

    1.2.3 多道批处理系统

    多道程序设计:多个作业存放在主存中,使它们同时处于运行状态,这些作业共享处理机时间和外围设备等资源

    好处:

    • 提高CPU的利用率。
    • 可提高内存和I/O设备利用率。
    • 增加系统吞吐量。

    缺点:

    • 周转时间变长
    • 无交互能力(比如有一个在打印,另一个打印只能等待)

    多道批处理系统是一种十分有效,但又非常复杂的系统,为使系统中多道程序间能协调地运行,系统必须解决下述一系列问题:

    (1) 处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要,又要能提高处理机的利用率。 
    (2) 内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必要的内存空间,使它们“各得其所”,且不会因某道程序出现异常情况而破坏其它程序。 
    (3)  I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系统中的I/O设备,以达到既能方便用户对设备的使用,又能提高设备利用率的目的
    (4) 文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据,使它们既便于用户使用,又能保证数据的安全性。
    (5) 作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序),系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织,以满足这些作业用户的不同要求。
    (6) 用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作系统,OS还应提供用户与OS之间的接口。

    1.2.4 分时系统

    在操作系统中加入了分时技术:即将处理机的运行时间分为时间片,将时间片轮流分配给各联机作业使用。
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    用户的需求表现:
    人—机交互。
    共享主机。
    便于用户上机。

    特征
    1.多路性
    2.独立性
    3.及时性
    4.交互性

    1.2.5 实时系统

    所谓“实时”,是表示“及时”,而实时系统(RealTime System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求,在规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时任务协调一致地运行。

    如:
    1、实时控制系统
    要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据,以尽快实施响应控制。如:工业控制;导弹发射;飞机飞行
    2、实时信息系统
    要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。如:订票系统;股票交易系统

    按任务执行时是否呈现周期性来划分

    • 周期性实时任务。
    • 非周期性实时任务。

    根据对截止时间的要求来划分

    • 硬实时任务(hard real-time task),系统必须满足任务对截止时间的要求,否则可能出现难以预测的结果。
    • 软实时任务(Soft real-time task),它也联系着一个截止时间,但并不严格,若偶尔错过了任务的截止时间,对系统产生的影响也不会太大。

    特征:
    多路性
    独立性
    及时性
    交互性
    可靠性

    1.3 操作系统的基本特性

    1.3.1并发

    区别并行和并发

    并行是指这一个时刻上面有着多个事件在执行,是一个瞬间的状态。
     
    并发是指在某一段时间间隔以内有着多个事件同时进行。
    在多道程序环境下,并发性是指在一段时间内,宏观上有多个程序在同时运行,但在单处理机系统中,每一时刻却仅能有一道程序执行,故微观上这些程序只能是分时地交替执行。

    引入进程
    程序为静态的,进程为程序的执行
    引入线程
    进程的更小的可执行单位,一个进程可以包含若干个线程

    1.3.2共享

    在这里插入图片描述

    在操作系统环境下,所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同,进程对资源共享的方式也不同,目前主要有以下两种资源共享方式:

    互斥共享方式

    系统中的某些资源,如打印机、磁带机,虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用,但为使所打印或记录的结果不致造成混淆,应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源,我们把这种资源共享方式称为互斥式共享。
    如a老师打印a试卷,b老师打印b试卷,他们共享打印机这个设备
     
     
    临界资源或独占资源:一段时间内只允许一个进程访问的资源。计算机系统中的大多数物理设备,以及某些软件中所用的栈、变量和表格,都属于临界资源,它们要求被互斥地共享。

    同时访问方式

    允许在一段时间内由多个进程 “同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的,而在微观上,这些进程可能是交替地对该资源进行访问。
    并发和共享是多用户(多任务)OS的两个最基本的特征。它们又是互为存在的条件。

    1.3.3虚拟

    是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的, 即实际存在的;而后者是虚的,是用户感觉上的东西。相应地,用于实现虚拟的技术,称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术,分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、 虚拟外部设备和虚拟信道等。

    时分复用技术(即分时使用方式)

    ⑴虚拟处理机技术:在虚拟处理机技术中,是通过多道程序设计技术,让多道程序并发执行的方法,来分时使用一台处理机的。
    ⑵虚拟设备技术:将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备,并允许每 个用户占用一台逻辑上的I/O设备,这样便可使原来仅允许在 一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源),变为在一 段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。
    在操作系统中,虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然,如果 n 是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数,则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1 / n

    空分复用技术

    ⑴虚拟磁盘技术:将硬盘划分为若干个卷,机器上便会有若 干个虚拟盘。
    ⑵虚拟存储器技术:将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器,以便从逻辑上来扩充存储器的容量。

    1.3.4异步

    由于资源等因素的限制,使进程的执行通常都不是“一气呵成”, 而是以“停停走走”的方式运行。

    内存中的每个进程在何时能获得处理机运行,何时又因提出某种资源请求而暂停,以及进程以怎样的速度向前推进,每道程序总共需多少时间才能完成,等等,都是不可预知的。
    由于各用户程序性能的不同,比如,有的侧重于计算而较少需要 I/O;而又有的程序其计算少而I/O多,这样,很可能是先进入内存的作业后完成;而后进入内存的作业先完成。或者说,进程是以人们不可预知的速度向前推进,此即进程的异步性。

    尽管如此,但只要运行环境相同,作业经多次运行,都会获得完全相同的结果。因此,异步运行方式是允许的,是操作系统的一个重要特征。

    1.4 操作系统的主要功能

    1.4.1处理机管理功能

    • 进程控制

    在传统的多道程序环境下,要使作业运行,必须先为它创建一个或几个进程,并为之分配必要的资源。当进程运行结束时,立即撤消该进程,以便能及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束的进程,以及控制进程在运行过程中的状态转换。

    • 进程同步

    为使多个进程能有条不紊地运行,系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式:
    ① 进程互斥方式, 这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时, 应采用互斥方式;
    ② 进程同步方式,指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间,由同步机构对它们的执行次序加以协调。

    • 进程通信

    在多道程序环境下,为了加速应用程序的运行,应在系统中建立多个进程,并且再为一个进程建立若干个线程,由这些进程(线程)相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程(线程)之间,又往往需要交换信息。
    例如,有三个相互合作的进程, 它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程;计算进程利用输入数据进行计算, 并把计算结果传送给打印进程;最后,由打印进程把计算结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。

    • 调度

    在后备队列上等待的每个作业,通常都要经过调度才能执行。在传统的操作系统中,包括作业调度和进程调度两步。
     
    ① 作业调度的基本任务,是从后备队列中按照一定的算法,选择出若干个作业,为它们分配其必需的资源(首先是分配内存)。 在将它们调入内存后,便分别为它们建立进程,使它们都成为可能获得处理机的就绪进程,并按照一定的算法将它们插入就绪队列。
    ② 而进程调度的任务,则是从进程的就绪队列中选出一新进程,把处理机分配给它,并为它设置运行现场, 使进程投入执行。

    1.4.2存储器管理功能

    • 内存分配

    OS在实现内存分配时,可采取静态和动态两种方式。
    在静态分配方式中,每个作业的内存空间是在作业装入时确定的;在作业装入后的整个运行期间, 不允许该作业再申请新的内存空间,也不允许作业在内存中“移动”;
    在动态分配方式中,每个作业所要求的基本内存空间, 也是在装入时确定的,但允许作业在运行过程中,继续申请新的附加内存空间,以适应程序和数据的动态增涨,也允许作业在内存中“移动”。

    • 内存保护

    内存保护的主要任务,是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行,彼此互不干扰。
    为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行,必须设置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制,是设置两个界限寄存器,分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统须对每条指令所要访问的地址进行检查,如果发生越界,便发出越界中断请求,以停止该程序的执行。

    • 地址映射

    一个应用程序(源程序)经编译后,通常会形成若干个目标程序;这些目标程序再经过链接便形成了可装入程序。这些程序的地址都是从“0”开始的,程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的; 由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”。“其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。此外,由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”, 其中的地址称为“物理地址”。
     
    在多道程序环境下,每道程序不可能都从“0”地址开始装入(内存), 这就致使地址空间内的逻辑地址和内存空间中的物理地址不相一致。使程序能正确运行,存储器管理必须提供地址映射功能,以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。

    • 内存扩充

    存储器管理中的内存扩充任务,并非是去扩大物理内存的容量,而是借助于虚拟存储技术,从逻辑上去扩充内存容量,使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多; 或者是让更多的用户程序能并发运行。这样,既满足了用户的需要,改善了系统的性能,又基本上不增加硬件投资。 为了能在逻辑上扩充内存,系统必须具有内存扩充机制, 用于实现下述各功能:
    (1) 请求调入功能。
    (2) 置换功能。

    1.4.3设备管理功能

    设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备, 而设备管理的主要任务是,完成用户进程提出的I/O请求; 为用户进程分配其所需的I/O设备;提高CPU和I/O设备的利用率;提高I/O速度;方便用户使用I/O设备。为实现上述任务,设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理,以及虚拟设备等功能。

    • 缓冲管理

    CPU运行的高速性和I/O低速性间的矛盾自计算机诞生时起便已存在。 而随着CPU速度迅速、大幅度的提高,使得此矛盾更为突出,严重降低了CPU的利用率。如果在I/O设备和CPU之间引入缓冲,则可有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾,提高CPU的利用率,进而提高系统吞吐量。 因此,在现代计算机系统中, 都毫无例外地在内存中设置了缓冲区,而且还可通过增加缓冲区容量的方法,来改善系统的性能。
    最常见的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲机制,以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。

    • 设备分配

    设备分配的基本任务,是根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略,为之分配其所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间,还存在着设备控制器和I/O通道时,还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。
    为了实现设备分配,系统中应设置设备控制表、控制器控制表等数据结构,用于记录设备及控制器的标识符和状态。据这些表格可以了解指定设备当前是否可用,是否忙碌,以供进行设备分配时参考。在进行设备分配时,应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式。对于独占设备(临界资源)的分配,还应考虑到该设备被分配出去后,系统是否安全。 设备使用完后,还应立即由系统回收。

    • 设备处理

    设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是用于实现CPU和设备控制器之间的通信,即由CPU向设备控制器发出I/O命令,要求它完成指定的I/O操作;反之由CPU接收从控制器发来的中断请求,并给予迅速的响应和相应的处理。
    处理过程是:设备处理程序首先检查I/O请求的合法性,了解设备状态是否是空闲的,了解有关的传递参数及设置设备的工作方式。然后,便向设备控制器发出I/O命令,启动I/O设备去完成指定的I/O操作。设备驱动程序还应能及时响应由控制器发来的中断请求,并根据该中断请求的类型,调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统, 设备处理程序还应能根据用户的I/O请求,自动地构成通道程序。

    1.4.4文件管理功能

    • 文件存储空间的管理

    由文件系统对诸多文件及文件的存储空间,实施统一的管理。其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间,提高外存的利用率,并能有助于提高文件系统的运行速度。
    为此,系统应设置相应的数据结构,用于记录文件存储空间的使用情况,以供分配存储空间时参考;系统还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。为了提高存储空间的利用率,对存储空间的分配,通常是采用离散分配方式,以减少外存零头,并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为512 B~8 KB。

    • 目录管理

    为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件,通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又可构成一个目录文件。目录管理的主要任务,是为每个文件建立其目录项,并对众多的目录项加以有效的组织,以实现方便的按名存取。即用户只须提供文件名,即可对该文件进行存取。其次,目录管理还应能实现文件共享,这样,只须在外存上保留一份该共享文件的副本。此外,还应能提供快速的目录查询手段,以提高对文件的检索速度。

    • 文件的读写管理和保护

    (1) 文件的读/写管理。该功能是根据用户的请求,从外存中读取数据;或将数据写入外存。在进行文件读(写)时,系统先根据用户给出的文件名,去检索文件目录,从中获得文件在外存中的位置。然后,利用文件读(写)指针,对文件进行读(写)。一旦读(写)完成,便修改读(写)指针,为下一次读(写)做好准备。由于读和写操作不会同时进行,故可合用一个读/写指针。
     
    (2) 文件保护。① 防止未经核准的用户存取文件; ② 防止冒名顶替存取文件; ③ 防止以不正确的方式使用文件。

    1.4.5操作系统与用户之间的接口

    • 用户接口
    • 程序接口

    1.4.6现代操作系统的新功能

    • 系统安全
    • 网络的功能和服务
    • 支持多媒体
    展开全文
  • 计算机操作系统(第三版)_汤小丹 不是很全只到第7章 共310页 扫描版

空空如也

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