第二章 操作系統(tǒng)
軟件是為了使用戶使用并充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)性能和效率的各種程序和數(shù)據(jù)的統(tǒng)稱。 軟件又分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是所有用戶使用的為了解決用戶使用計(jì)算機(jī)而編制的程序。 應(yīng)用軟件是為解決某特定的問題而編制的程序。 操作系統(tǒng)是硬件與所有其他軟件之間的接口，而且是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制和管理中心。
操作系統(tǒng)兩個(gè)重要作用：
1 管理系統(tǒng)中各種資源。所有硬件部分稱為硬件資源。而程序和數(shù)據(jù)等信息成為軟件資源。
2 為用戶提供良好的界面。
操作系統(tǒng)的特征：1 并發(fā)性。是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)程序，宏觀上看，這些程序是同時(shí)向前推進(jìn)的。在單CPU上，這些并發(fā)執(zhí)行的程序是交替在CPU上運(yùn)行的。 程序并發(fā)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①用戶程序與用戶程序之間的并發(fā)執(zhí)行。②用戶程序與操作系統(tǒng)程序之間的并發(fā)。 2 共享性。資源共享是操作系統(tǒng)程序和多個(gè)用戶程序共用系統(tǒng)中的資源。 3 隨機(jī)性。隨機(jī)性指：操作系統(tǒng)的運(yùn)行是在一個(gè)隨機(jī)的環(huán)境中，一個(gè)設(shè)備可能在任何時(shí)間向處理機(jī)發(fā)出中斷請求，系統(tǒng)無法知道運(yùn)行著的程序會(huì)在什么時(shí)候做什么事情。 沒有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)。 操作系統(tǒng)是硬件的第一層軟件擴(kuò)充。
操作系統(tǒng)的功能：
1 進(jìn)程管理：主要是對處理機(jī)進(jìn)行處理。隨著系統(tǒng)對處理機(jī)管理方法不同，其提供的作業(yè)處理方式也不同，例如有批處理方式，分時(shí)方式和實(shí)時(shí)方式。 2 存儲(chǔ)管理：主要是管理內(nèi)存資源。當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候，解決內(nèi)存擴(kuò)充問題，就是內(nèi)存和外存結(jié)合起來的管理，為用戶提供一個(gè)容量比實(shí)際內(nèi)存大的多的虛擬存儲(chǔ)器，這是操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能的重要任務(wù)。 3 文件管理。系統(tǒng)中的信息資源是以文件的形式存放在外存儲(chǔ)器上的。 4 設(shè)備管理。設(shè)備管理是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了CPU和內(nèi)存外的所有輸入，輸出設(shè)備的管理。 5 用戶和操作系統(tǒng)的接口。
操作系統(tǒng)的分類： 1 批處理操作系統(tǒng)。 兩個(gè)特點(diǎn)：一是多道，一是成批。多道是系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)容納多個(gè)作業(yè)，這些作業(yè)存放在外存中 ，組成一個(gè)后備作業(yè)序列，系統(tǒng)按一定的調(diào)度原則每次從后備作業(yè)中選取一個(gè)或多個(gè)作業(yè)放入內(nèi)存中運(yùn)行，運(yùn)行作業(yè)結(jié)束并退出運(yùn)行和后備作業(yè)進(jìn)行運(yùn)行均由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，從而在系統(tǒng)中形成一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)接的連續(xù)的作業(yè)流。而成批是系統(tǒng)運(yùn)行中不允許用戶和他的作業(yè)發(fā)生交互關(guān)系。 批處理系統(tǒng)追求的目標(biāo)是提高系統(tǒng)資源利用率和大作業(yè)吞吐量以及作業(yè)流程的自動(dòng)化。
2 分時(shí)系統(tǒng)。 分時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)連機(jī)使用計(jì)算機(jī)。
操作系統(tǒng)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式處理每個(gè)用戶的服務(wù)請求。
特點(diǎn)：①多路性。②交互性。又叫交互操作系統(tǒng)。③獨(dú)立性。④及時(shí)性。分時(shí)系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一的是響應(yīng)時(shí)間，是從終端發(fā)出命令到系統(tǒng)與應(yīng)答的時(shí)間。 通常計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用批處理和分時(shí)處理方式來為用戶服務(wù)。時(shí)間要求不強(qiáng)的作業(yè)放入后臺(tái)批處理處理，需要頻繁交互的作業(yè)在前臺(tái)分時(shí)處理。
3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并在嚴(yán)格的時(shí)間范圍內(nèi)完成對該事件的處理。實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為一個(gè)特定應(yīng)用中的控制設(shè)備來使用。 分為兩類：①實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。②時(shí)信息處理系統(tǒng)。特點(diǎn)：及時(shí)響應(yīng)和高可靠性。
4 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)機(jī)交互的單用戶操作系統(tǒng)，它提供的聯(lián)機(jī)交互功能與分時(shí)系統(tǒng)所提供的功能很相似。 5 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過通信設(shè)施將地理上分散的具有自治功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來，實(shí)現(xiàn)信息交換，資源共享，互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)就是在原來的各自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作上，按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，使之包括網(wǎng)絡(luò)管理，通信，資源共享，系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的操作系統(tǒng)。 6 分布式操作系統(tǒng)。
研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)：1 從資源管理觀點(diǎn)：把操作系統(tǒng)分為處理機(jī)管理，存儲(chǔ)管理，設(shè)備管理，文件管理，用戶與操作系統(tǒng)的接口等5個(gè)主要部分。2 虛機(jī)器觀點(diǎn)：用戶不再直接使用硬件機(jī)器，而是通過操作系統(tǒng)來控制和使用計(jì)算機(jī)，從而把計(jì)算機(jī)擴(kuò)充為功能更強(qiáng)，使用更加方便的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的全部功能，稱為操作系統(tǒng)虛機(jī)器。
操作系統(tǒng)所涉及的硬件環(huán)境：1 特權(quán)指令與處理機(jī)狀態(tài)。特權(quán)指令和非特權(quán)指令。特權(quán)指令是只允許操作系統(tǒng)使用，而不允許一般用戶使用的指令。非特權(quán)指令之處的指令稱為非特權(quán)指令，非特權(quán)指令的執(zhí)行不影響其他用戶以及系統(tǒng)。 2 CPU狀態(tài)。 CPU交替執(zhí)行操作系統(tǒng)程序和用戶程序。 CPU的狀態(tài)屬于程序狀態(tài)字PSW的一位。大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將CPU執(zhí)行狀態(tài)分為管態(tài)和目態(tài)。 管態(tài)又叫特權(quán)態(tài)，系統(tǒng)態(tài)或核心態(tài)。CPU在管態(tài)下可以執(zhí)行指令系統(tǒng)的全集。通常，操作系統(tǒng)在管態(tài)下運(yùn)行。 目態(tài)又叫常態(tài)或用戶態(tài)。機(jī)器處于目態(tài)時(shí)，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令。用戶程序只能在目態(tài)下運(yùn)行，如果用戶程序在目態(tài)下執(zhí)行特權(quán)指令，硬件將發(fā)生中斷，由操作系統(tǒng)獲得控制，特權(quán)指令執(zhí)行被禁止，這樣可以防止用戶程序有意或無意的破壞系統(tǒng)。從目態(tài)轉(zhuǎn)換為管態(tài)的唯一途徑是中斷。從管態(tài)到目態(tài)可以通過修改程序狀態(tài)字來實(shí)現(xiàn)，這將伴隨這由操作系統(tǒng)程序到用戶程序的轉(zhuǎn)換。
中斷機(jī)制：中斷機(jī)制是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施之一，它在系統(tǒng)中起著通信網(wǎng)絡(luò)作用，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)對各種外部事件的響應(yīng)和處理。 中斷是實(shí)現(xiàn)多道程序設(shè)計(jì)的必要條件。 中斷是CPU對系統(tǒng)發(fā)生的某個(gè)事件作出的一種反應(yīng)。 引起中斷的事件稱為中斷源。中斷源向CPU提出處理的請求稱為中斷請求。發(fā)生中斷時(shí)被打斷程序的暫停點(diǎn)成為斷點(diǎn)。CPU暫�，F(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)為響應(yīng)中斷請求的過程稱為中斷響應(yīng)。處理中斷源的程序稱為中斷處理程序。CPU執(zhí)行有關(guān)的中斷處理程序稱為中斷處理。而返回?cái)帱c(diǎn)的過程稱為中斷返回。 中斷的實(shí)現(xiàn)實(shí)行軟件和硬件綜合完成，硬件部分叫做硬件裝置，軟件部分成為軟件處理程序。
中斷裝置和中斷處理程序統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)。
一般將中斷源分為兩大類：強(qiáng)迫性中斷和自愿性中斷。
強(qiáng)迫性中斷是正在運(yùn)行的程序所不期望的，它們是或發(fā)生，何時(shí)發(fā)生事先無法預(yù)料，因而運(yùn)行程序可以在任意位置處被打斷。
中斷類型：1 輸入輸出中斷：這是來自通道或外部設(shè)備的中斷。2 硬件故障中斷 3 時(shí)鐘中斷，如硬件時(shí)鐘到時(shí)。 4 控制臺(tái)中斷，如系統(tǒng)控制員通過控制臺(tái)發(fā)出命令。 5 程序性中斷
自愿性中斷是正在運(yùn)行的程序有意識(shí)安排的，通常是由于程序員在編制程序時(shí)，因要求操作系統(tǒng)提供服務(wù)而有意使用訪管指令或系統(tǒng)調(diào)用，從而導(dǎo)致中斷的，所以又稱其為訪管中斷。 系統(tǒng)為每類中斷設(shè)置一個(gè)中斷處理程序。每個(gè)中斷處理程序都有一個(gè)入口地址PC及其運(yùn)行環(huán)境PSW，它們被稱為中斷向量，保存在內(nèi)存中固定的單元。 中斷響應(yīng)是解決中斷的發(fā)現(xiàn)和接受問題，是由中斷裝置完成的。中斷響應(yīng)是硬件對中斷請求作出響應(yīng)的過程，包括識(shí)別中斷源，保留現(xiàn)場，引出中斷處理程序等過程。 CPU每執(zhí)行完一條指令，便去掃描中斷寄存器，查詢有無中斷請求。若有中斷請求，則通過交換中斷向量進(jìn)入中斷處理程序，這就是中斷響應(yīng)。
系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，由硬件將中斷源分為若干個(gè)級(jí)別，稱為中斷優(yōu)先級(jí)。
中斷屏蔽是指在提出中斷請求之后，CPU不予響應(yīng)的狀態(tài)。它常常用來在處理某一中斷時(shí)防止同級(jí)中斷的干擾或在處理一段不可分割，必須連續(xù)執(zhí)行的程序時(shí)防止任何中斷事件的干擾。
CPU是否允許某類中斷，由當(dāng)前程序狀態(tài)字中的中斷屏蔽位決定。
屏蔽中斷源相當(dāng)于關(guān)中斷，處于關(guān)中斷狀態(tài)下執(zhí)行的程序段因盡量短，否則可能會(huì)丟失信息，也會(huì)影響系統(tǒng)的并發(fā)性。
中斷處理過程：1保存被中斷程序的現(xiàn)場。2分析中斷源，確定中斷原因。3轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。4恢復(fù)被中斷程序現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序。
操作系統(tǒng)向用戶提供兩類接口：一類是用于程序級(jí)的，另一類是用于作業(yè)控制一級(jí)的。1 程序級(jí)接口。 它由一組系統(tǒng)調(diào)用命令組成。與機(jī)器指令不同之處在于系統(tǒng)調(diào)用命令由操作系統(tǒng)核心解釋執(zhí)行。
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)向用戶提供的程序一級(jí)的服務(wù)，用戶程序借助與系統(tǒng)調(diào)用命令來向操作系統(tǒng)提出各種資源要求和服務(wù)請求。
一般系統(tǒng)調(diào)用可分為幾類：設(shè)備管理類，文件管理類，進(jìn)程控制類，進(jìn)程通信類，存儲(chǔ)管理類。 2 作業(yè)級(jí)接口。這類接口是系統(tǒng)為用戶在作業(yè)一級(jí)請求系統(tǒng)服務(wù)而設(shè)置的，用戶可利用這組接口組織作業(yè)的工作流程和控制作業(yè)的運(yùn)行。作業(yè)級(jí)接口分為聯(lián)機(jī)接口和脫機(jī)接口：①聯(lián)機(jī)接口。聯(lián)機(jī)接口由一組鍵盤操作命令組成，是用戶以交互方式請求操作系統(tǒng)服務(wù)的手段。鍵盤操作命令的作業(yè)控制方式靈活方便，用戶可以根據(jù)運(yùn)行情況隨時(shí)干預(yù)自己的作業(yè)，但是系統(tǒng)利用率不高 ②脫機(jī)接口。由一組作業(yè)控制命令組成，供脫機(jī)用戶使用。 這種接口主要是用于批處理方式操作系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)的操作過程由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度或系統(tǒng)操作員干預(yù)，因而系統(tǒng)利用率高。 處理機(jī)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的資源。
多道程序設(shè)計(jì)是操作系統(tǒng)所采用的最基本，最重要的技術(shù)。其根本目的是提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。 衡量系統(tǒng)效率的尺度是系統(tǒng)吞吐量。所謂吞吐量是單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所處理作業(yè)的道數(shù)。 進(jìn)程是具有一定獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)程是系統(tǒng)核心資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。 進(jìn)程可以分為系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程兩類。 系統(tǒng)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)通常高與一般用戶進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。 從靜態(tài)的角度看，進(jìn)程是程序，數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊PCB三部分組成。
進(jìn)程和程序的區(qū)別是程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。 一個(gè)進(jìn)程可以執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)程序，一個(gè)程序也可以構(gòu)成多個(gè)進(jìn)程。
被創(chuàng)建的進(jìn)程成為子進(jìn)程，創(chuàng)建者稱為父進(jìn)程，從而構(gòu)成進(jìn)程家族。 操作系統(tǒng)的并發(fā)性和共享性正是通過進(jìn)程的活動(dòng)體現(xiàn)出來的。
(進(jìn)程特征)1 并發(fā)性。2 動(dòng)態(tài)性。3 獨(dú)立性。4 交往性。5 異步性。
進(jìn)行中的進(jìn)程可以處于以下三種之一：運(yùn)行，就緒，等待。
運(yùn)行狀態(tài)是進(jìn)程已經(jīng)獲得CPU，并且在CPU上執(zhí)行的狀態(tài)。顯然，在一個(gè)單CPU系統(tǒng)上，最多只有一個(gè)進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)。
就緒狀態(tài)，是一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)具備運(yùn)行條件，但是由于沒有獲得CPU而不能運(yùn)行所處的狀態(tài)。 等待狀態(tài)，也叫阻塞狀態(tài)或封鎖狀態(tài)。是進(jìn)程因等待某種事件發(fā)生而暫時(shí)不能運(yùn)行的狀態(tài)。
在任何時(shí)刻，任何進(jìn)程都處于且僅處于以上3種狀態(tài)之一。
為了便于系統(tǒng)控制和描述進(jìn)程的活動(dòng)進(jìn)程，在操作系統(tǒng)核心中為進(jìn)程定義為一個(gè)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，成為進(jìn)程控制塊PCB。
PCB信息可以分成為調(diào)度信息和現(xiàn)場信息兩部分。
每個(gè)進(jìn)程都有自己專用的工作存儲(chǔ)區(qū)，其他進(jìn)程運(yùn)行時(shí)不會(huì)改變它的內(nèi)容。 進(jìn)程是程序，數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊PCB三部分組成。
系統(tǒng)中進(jìn)程隊(duì)列分為3類：
�、倬途w隊(duì)列。②等待隊(duì)列。③運(yùn)行隊(duì)列。在單機(jī)系統(tǒng)中整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)。實(shí)際上，一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列中只有一個(gè)進(jìn)程。
進(jìn)程同步是進(jìn)程之間一種直接的協(xié)同工作關(guān)系，是一些進(jìn)程相互合作，共同完成一項(xiàng)任務(wù)。進(jìn)程之間間接相互作用構(gòu)成進(jìn)程同步。
各個(gè)進(jìn)程互相排斥使用這些資源，進(jìn)程之間的這種關(guān)系是進(jìn)程的互斥。 進(jìn)程之間的間接相互作用叫做進(jìn)程的互斥。
系統(tǒng)中一些資源一次只允許一個(gè)進(jìn)程使用，這個(gè)資源稱為臨界資源。而在進(jìn)程中訪問臨界資源的那一段程序稱為臨界區(qū)。
系統(tǒng)對臨界區(qū)的調(diào)度原則歸納為：當(dāng)沒有進(jìn)程在臨界區(qū)時(shí)，允許一個(gè)進(jìn)程立即進(jìn)入臨界區(qū);若有一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)在臨界區(qū)，其他要求進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程必須等待，進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)的要求必須在有限時(shí)間里得到滿足。 信號(hào)量。被P和V操作使用。 原語是由若干條機(jī)器指令構(gòu)成的一段程序，用以完成特定功能。 原語在執(zhí)行過程中不可分割。高級(jí)通信原語，解決大量信息交換問題。
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