操作系统概述

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浙江大学操作系统公开课

基础知识

概述

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成

计算机软件是指程序和与程序相关的文档的集合

按功能可把软件分为“系统软件”和“应用软件”两部分

• 系统软件：操作系统语言处理系统、数据库管理系统；
• 应用软件：各种管理软件、工程软件包、辅助软件包；

通常把未配置任何软件的计算机称为“裸机”

操作系统可以被看作是计算机系统的核心，统管整个系统资源，制定各种资源的分配策略，调度系统中运行的用户程序，协调他们的资源调度，使系统高校、有序地工作。

发展的动力：

提高计算机资源的利用率的需要

方便用户使用计算机的需要

硬件技术不断发展的需要

计算机体系结构发展的需要

注：操作系统是在“裸机”上加载的第一层软件，是对计算机硬件系统功能的首次扩充； 操作系统另一种定义：操作系统是一组能有效地组织和管理计算机硬件和软件资

操作系统的定义： 

合理地组织计算机工作流程，以及方便用户使用计算机的一个大型程序

操作系统的功能： 

处理机管理：进程控制，进程同步，进程通信、调度、实施CPU分配

存储器管理：内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充

设备管理：缓冲管理，设备分配，设备管理

文件管理：存储空间管理，目录管理，读写管理和保护

与用户有关的接口：用户接口，程序接口，人机交互

单道批处理系统 

特点：单路性、独占性、自动性、封闭性、顺序性

缺点：系统的资源得不到充分的利用

多道批处理系统  

特点：多路性、共享性、自动型、封闭性、无序性、调度性

优点：

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

缺点：

平均周转时间长，无交互能力

分时系统

分时系统是指在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端，由此所组成的系统，该系统允许多个用户同时通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。采用了“时间片轮转”的处理机调度策略

实时系统 

实时系统是指系统能及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.

处理机管理的问题

处理机管理 

进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令，数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体，多个进程可以并发执行和交换信息

程序是一个在时间上严格有序的指令集合

在单道程序设计下，系统具有的特点：

• 资源的独占性
• 执行的顺序性
• 结果的再现性

在多道程序设计下，系统具有的特点：

• 执行的并发性
• 相互的制约性
• 状态的多变性（不可再现性）

并发、并行、串行

• 从宏观上看是并行，同时在内存的多个程序都在执行着，互不影响；

• 从微观上看是串行，由于CPU 在任何时刻只能执行一个程序，因此这些程序轮流占用CPU，交替执行着

• 把“逻辑上相互独立的程序，在执行时间上相互重叠，一个程序的执行还没有结束，另一个程序的执行已经开始” 的这种特性称为程序执行的并发性

理解进程

进程是程序的一次执行过程

进程的运行活动是建立在某个数据集合上的

进程是在获得资源的基础上从事自己的运行活动

note:进程特征

结构特征：动态性、并发性、独立性、异步性

注：

• 进程是一个动态的概念

• 不同进程可以执行同一个程序

• 每一个进程都有自己的生命周期

• 进程之间具有并发性，进程间会相互制约

程序和进程的区别

(1) 程序是指令的有序集合，是静态的，进程是程序在处理机上的一次执行过程，是动态的。程序的存在时永久的，而进程是有生命周期的，它因创建而产生，因调度而运行，因撤销而消亡；

(2) 进程是程序的一次执行过程，程序是进程赖以存在的基础；进程具有并发性，而程序并发执行会失去可再现性；

(3) 进程是系统分配和调度的独立单位,进程由程序、数据集合和进程控制块组成

进程的状态

创建、就绪、运行、阻塞

a. 一个进程从运行状态变为就绪状态， 一定会引起另一个进程从就绪变为运行

b. 一个进程从运行状态变为阻塞状态， 一定会引起另一个进程从运行状态变为就绪状态；这种因果变迁绝对不可能发生，因为一个CPU 不可能真正同时运行两个进程

c. 一个进程从阻塞状态变为就绪状态， 不一定会引起另一个进程从就绪状态变为运行状态

注：进程的三个组成部分：程序、数据集合、进程控制块（PCB）

进程控制块是进程存在的唯一标示

a. 作用：通过PCB，使原来不能独立运行的程序，成为一个可以独立运行的基本单位，一个能够并发执行的进程

b. 包含信息：进程标识符、处理机状态、进程调度信息、进程控制信息

操作系统中把做出“决定把CPU分配给谁用”的程序称为“进程调度程序”

常用的进程调度算法：

• a. 先来先服务调度算法

• b. 时间片轮转调度算法：为就绪队列中的每一个进程分配一个称为“时间片”的时间段，它是允许该进程占用CPU的最长时间长度

• c. 优先数调度算法：优先数高的先调度，若相同则先来先服务

• d. 多级队列调度算法：时间片调度和优先数调度算法的结合

进程调度程序的主要功能

a. 记录系统中所有进程的有关情况，比如进程的当前状态，优先数等

b. 确定分配处理机的算法

c. 完成处理机的分配

d. 完成处理机的回收

为了对进程进行有效的管理和控制， 操作系统要提供若干基本的操作以便能创建进程、撤销进程、阻塞进程、唤醒进程， 把具有这种特性的程序称为“原语” ，原语的不可分割性，通常利用屏蔽中断的方法

程序接口：操作系统在程序一级给予用户的支持

命令接口：操作系统在控制一级给予用户的支持 CPU指令系统中的指令分为两类 a. 操作系统和用户都能使用的指令，非特权指令

b. 只能由操作系统使用的指令，特权指令

访管指令

系统调用命令的程序属于操作系统，它应该在管态下执行；用户程序只有通过计算机系统提供的访管指令才能实现由目态转为管态， 进而调用这些功能程序的目的；访管指令属于非特权指令，功能是执行它就会产生一个软中断， 促使中央处理机由目态转为管态，进入操作系统并处理该中断。