第一章、作業系統引論

一、作業系統基礎

1、作業系統的定義：作業系統（Operating System, OS）是指控制和管理整個計算機系統的硬體和軟體資源，併合理的組織排程計算機的工作和資源的分配，以提供給使用者和其他軟體方便的介面和環境的程式集合。2、作業系統的目標： 方便、有效（提高系統資源的利用率，提高系統的吞吐量）、可擴充（模組化，層次化，微核心）、開放3、作業系統的作用：做使用者和計算機硬體系統之間的介面（命令，系統呼叫，圖示-視窗），管理資源（處理機，儲存器，I/O裝置，檔案），資源的抽象4、作業系統發展動力：提高利用率、更加方便、應用需求/體系結構/硬體不斷髮展

二 計算機發展史

1、無作業系統：人工操作（使用者獨佔全機、CPU等待人工操作、記憶體長期空閒），離線輸入/輸出（Off-Line I/O）（裝好紙帶再上機，節約CPU空間時間，提高I/O速度）2、單道批處理系統：有個監督程式將磁帶上的作業調入計算機，缺點是I/O太慢了，CPU空閒3、多批道處理系統：描述：作業放入外存，形成佇列，間隔執行。優點：資源利用率高，系統吞吐量大缺點：平均週期長、無互動能力存在問題：處理機，記憶體，I/O，檔案，作業，介面4、分時系統描述：提供多個終端，多個使用者使用，命令-反饋-命令第一章優點：人機互動，多使用者共享主機，實際實現：終端有緩衝區暫存使用者命令，作業直接進入記憶體，時間片輪轉方式（每個作業執行一個時間片，換下一個）特徵：多路性，獨立性，及時性，互動性，5、實時系統描述： 及時響應，規定時間內完成，控制所以實時任務協調一致的執行型別：工業（武器）控制系統、資訊查詢系統、多媒體系統、嵌入式系統實時任務的型別：週期性實時（指定週期）和非週期實時（開始截至和完成截止），硬實時（工業和武器，必須按時）和軟實時（偶爾錯，資訊查詢和多媒體）和分時系統比較：多路性、獨立性、及時性、互動性、可靠性6、微機時代a、單使用者單任務：一個使用者，執行一個任務8位機。CP/M，16位機MS-DOSb、單使用者多工：一個使用者，併發執行多個任務。Windowsc、多使用者多工：多個使用者共享主機，併發執行多個任務。Unix、Solaris、Linux

三、作業系統的基本特徵

1、併發

a、併發和並行巨集觀上一樣併發：兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。單處理機系統，微觀上交替執行並行：兩個或多個事件在同一時刻發生。          多處理機系統，微觀上同時執行b、進入程序程序：在系統中能獨立執行並作為資源分配的基本單位，由機器指令、資料和堆疊組成，是獨立執行的活動實體。多個程序之間可以併發執行和交換資訊

2、共享

概念：系統中資源可供記憶體中多個併發執行的程序共同使用。a.互斥共享方式描述：提出申請，資源空閒使用，不然等待例子：印表機、磁帶機等臨界資源（同一時間只允許一個程序訪問）b.同時訪問方式描述：允許多個程序“同時”訪問，微觀還是交替進行例子：磁碟裝置

共享以程序的併發為條件，系統不能對共享有效管理，影響程序的併發

3、虛擬

概念：通過某種技術讓一個物理實體變成若干邏輯上的對應物的功能。（虛擬處理機，虛擬記憶體，虛擬外部裝置，虛擬通道）（多重影分身之術）

a.時分複用技術

描述：利用某裝置為一使用者服務的空閒時間，為其他使用者服務，使裝置得到最充分的利用

虛擬處理機技術：利用多道程式設計，每個程式至少一個程序，讓多道程式併發

虛擬裝置技術：將I/O裝置虛擬為多臺邏輯上的I/O裝置

平均速度<=1/Nb.空分複用技術描述：利用儲存器的空閒空間分割槽域存放和執行其他的多道程式，以此提高記憶體的利用率虛擬儲存技術：通過分時複用記憶體，100M的程式執行在30M記憶體中，各部分分時進入記憶體執行空間佔用<=1/N4、非同步描述：就是為了讓程序更好的併發，系統會分配程序的執行順序（走走停停）

四、作業系統的主要功能

處理機管理，儲存器管理，I/O裝置管理，檔案管理，提供介面

1、處理機管理

a.程序控制：為作業建立程序、撤銷已結束的程序，控制程序在執行中的狀態轉換

b.程序同步：為多個程序（含執行緒）的執行進行協調（程序互斥方式，程序同步方式）

c.程序通訊：實現相互合作程序之間的資訊交換

d.排程：作業排程（從後備佇列選出作業，建立程序，插入就緒佇列）和程序排程（從程序的就緒佇列選出程序分配處理機，投入執行）

2、儲存器管理

記憶體分配和回收、記憶體保護、地址對映、記憶體擴充

a.記憶體分配：

任務：分配空間，減少碎片記憶體，追加記憶體空間

實現：靜態分配，裝入記憶體時確定，不允許追加，不允許移動；動態分配，裝入記憶體時確定，可以追加和移動

b.記憶體保護

任務：在自己空間執行，互不干擾；不允許使用者程式訪問作業系統的程式和資料，也不允許使用者程式轉移到非共享的其他使用者程式中執行

記憶體保護機制：設定兩個界限暫存器（上界和下界），對每條指令要訪問的地址進行檢查，如果越界就停止該程式

c.地址對映任務：將地址空間中的邏輯地址轉為記憶體空間的實體地址。在硬體的支援下完成d.記憶體擴充

任務：用虛擬儲存技術，從邏輯上擴充記憶體容量

記憶體擴充機制：

請求調入（裝入部分使用者程式和資料就能啟動程式，後續再將其他部分調入記憶體），置換（若記憶體不夠，將暫時不用的程式和資料調至硬碟）

3、裝置管理

任務1：完成使用者程序提出的I/O請求，為使用者程序分配所需的I/O裝置，並完成指定的I/O操作

任務2：提高CPU和I/O裝置的利用率，提高I/O速度，方便使用者使用I/O裝置

緩衝管理，裝置分配，裝置處理，虛擬裝置

a.緩衝管理

作用：有效地緩和CPU和I/O裝置速度不匹配的矛盾，提高了CPU的利用率，進而提高系統吞吐量

手段：在記憶體中設定緩衝區，增加緩衝區容量

緩衝區機制：單緩衝，雙緩衝（能實現雙向同時傳送資料），公用緩衝池（能供多個裝置同時使用）

b.裝置分配

任務：根據使用者程序的I/O請求。系統現有資源情況以及按照某種裝置分配策略，為之分配所需的裝置

手段：系統中設定裝置控制表、控制器控制表等資料結構，用以記錄裝置及控制器等識別符號和狀態。根據這些表就能知道指定裝置是否可用，是否忙碌。針對不同的裝置型別採用不同的裝置分配方式。對獨佔裝置的分配還應考慮分配出去後系統是否安全。

c.裝置處理

任務：用於實現CPU和裝置控制器之間的通訊（CPU向裝置控制器發出I/O命令，要求他完成指定的I/O操作；CPU接收從控制器發來的中斷請求，並給予迅速的響應和處理）

處理過程：檢查I/O請求的合法性、裝置狀態是否空閒，讀取有關引數、設定裝置的工作方式，然後向裝置控制器發出I/O命令，啟動I/O裝置完成指定的I/O操作。

4、檔案管理

任務：對使用者檔案和系統檔案進行管理以便使用者使用，並保證檔案的安全性

檔案儲存空間的管理，目錄管理，檔案的讀寫管理，檔案的共享和保護

a.檔案儲存空間的管理

背景：多使用者環境，使用者自己管理檔案儲存，困難且低效

任務1：為每個檔案分配額外的外存空間，提高外存利用率，進而提高存取速度

任務2：設定相應的資料結構，記錄檔案儲存空間使用情況，以供分配時參考

任務3：分配和回收儲存空間

b.目錄管理

為了使使用者能方便地在外存上找到自己所需的檔案，通常由系統為每個檔案建立一個目錄項。目錄項包括檔名、檔案屬性、檔案在磁碟上的物理位置等。由若干個目錄項又可構成一個目錄檔案

任務1：為每個檔案建立一個目錄項，並對眾多的目錄項加以有效的組織，以實現方便的按名存取（即使用者只需提供檔名，就能對該檔案進行存取）

任務2：實現檔案共享，只需在外存保留一份該共享檔案的副本

任務3：提供快速的目錄查詢手段，以提高對檔案的檢索速度

c.檔案讀寫管理

任務：根據使用者的請求，從外存讀取資料或將資料寫入外存

過程：根據檔名檢索檔案目錄獲得外存地址，利用讀寫指標對檔案進行讀寫，然後修改讀寫指標，等待下一次讀寫。讀寫不會同時進行，所以共用一個指標

d.檔案保護

1.防止未經核准的使用者存取檔案

2.防止冒名頂替存取檔案3.防止以不正確的方式使用檔案5、作業系統與使用者間的介面a.使用者介面

描述：方便使用者直接或間接地控制自己的作業

1、聯機使用者介面：由一組鍵盤操作命令及命令解釋程式組成。使用者通過先後鍵入不同的命令來實現對作業的控制。2、離線使用者介面：為批處理作業的使用者提供，由作業控制語言JCL組成。使用者把對作業進行控制和干預的命令寫在作業說明書中，和作業一起提供給系統。呼叫命令解釋程式按照說明書執行，遇到作業結束語句停止。

3、圖形使用者介面：把各項功能、應用等封裝成圖示，選種圖示即可執行相應操作。

b.程式介面：

描述：為使用者程式在執行中訪問系統資源而設定，是使用者取得作業系統服務的唯一途徑。它是由一組系統呼叫組成，每一個系統呼叫都是一個能完成特定功能的子程式，每當應用程式要求OS提供某種功能時，便呼叫具有相應功能的系統呼叫

第二章 程序的描述和控制

一、程序的基本概念程式有順序執行和併發執行順序執行：單道批處理系統，使用者獨佔資源併發執行：多道程式系統，多道程式併發執行，共享資源，引入程序的概念

1、程式的順序執行及其特徵

 僅當前一操作(程式段)執行完後，才能執行後繼操作。S1:     a∶=x+y; S2:     b∶=a-5; S3:     c∶=b+1;

在進行計算時，總須先輸入使用者的程式和資料，然後進行計算，最後才能列印計算結果。