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1、操作系统原理学习笔记一 主 题： 操作系统原理学习笔记 内 容： 操作系统原理学习笔记一 操作系统概论 一、操作系统的地位及作用 1 、操作系统的地位 计算机系统由硬件系统和软件系统组成。 软件系统是指使计算机完成特定工作的程序的总称。 硬件系统是指组装成计算机本体和设备的具有机械、电、磁、声、光等不同物理特性 的各种器件和部件。 系统软件系统包括系统应用软件和操作系统： l 操作系统是用于管理和控制系统资源的程序，它是计算机系统中最基本的系统软 件。 l 系统应用软件包括了完成系统服务所需的各种程序。 计算机系统的层次结构图： 操作系统是最靠近硬件的系统软件处于核心地位。 层次结构图不只表示
2、软件的分类和层次， 还表示各个层次之间存在的一种单向服务关 系，即内层向外层提供了一组接口。 内层以事先约定好的方式通过接口为外层提供服务。 外层则通过该接口使用内层提供的服务功能实现本身的功能。 1 . 1 硬件系统 运算器、控制器、存储器以及输入输出设备。 操作系统存在的物质基础。 提供给操作系统的接口是机器的指令系统， 操作系统的程序使用指令系统提供的机器 指令功能实现对硬件的直接管理和控制。 1 . 2 操作系统 最靠近硬件，直接控制和管理硬件。 硬件系统在操作系统的管理控制下，功能得以充分发挥。 从用户观点看，引入操作系统后，计算机系统成为一台比硬件系统功能更强、服务质 量更高、使用
3、更方便的机器。 操作系统原理学习笔记一 提供给上层两种接口：操作接口和编程接口。 用户可以通过操作接口方便地使用计算机。 编程接口是一系列的系统调用，其它程序可以使用该接口使操作系统为其服务，使用 硬件资源和软件资源。 1 . 3 系统应用软件 由一系列的语言处理程序和系统服务程序构成。 系统应用层的程序是在操作系统的支持下工作的， 它们使用操作系统的系统调用和机 器指令编制程序。 对上层提供了编制源程序的语句和语法或调试命令、系统维护命令等。 系统应用程序属于系统软件，但要通过操作系统才能使用和控制系统资源。 1 . 4 应用软件 计算机用户为某一特定需要而专门设计的程序， 或者是用户为解决
4、某一个具体问题而 编制的程序。 使用其下层的系统应用程序提供的服务实现自己的特定功能。 2 操作系统的作用 2 . 1 屏蔽硬件物理特性和操作细节，为用户使用计算机提供便利。 通常，把没有任何软件支持，仅由计算机硬件、指令系统和微程序形成的计算机称为 裸机。 计算机问世的初期， 计算机工作者就是在裸机上通过手工操作和使用机器语言编程来 直接管理和控制硬件。 硬件体系越来越复杂，使用这种方式直接来管理和控制硬件成为一件十分困难的工 作。 编制一种通用的程序由计算机自己来管理和控制复杂的硬件和设备。 这就形成了早期 的操作系统。 操作系统完全屏蔽了硬件和设备的物理特性和操作细节。 操作系统是直接位
5、于裸机上层的软件， 由它管理和控制具有各种不同物理特性的硬件 和设备，完成各种复杂操作。 2 . 2 有效管理系统资源，提高系统资源使用效率。 当前计算机系统中可以同时运行多个程序，系统资源同时供多个程序共同使用。 系统资源是有限的，所以必定存在着多个程序对有限系统资源的竞争使用。 如果让各个程序自主地任意使用这些系统资源必定引起系统的混乱。 操作系统的主要任务之一是管理和控制系统资源，对资源进行合理分配和有效地管 理，不但满足多个程序的需要，同时还要最大限度地提高系统资源的使用效率。 操作系统的定义： 操作系统是计算机系统的最基本的系统软件，它用于有效地管理系统资源，并为用户 使用计算机提供
6、了便利的环境。 二、操作系统的功能 1 单道系统与多道系统 在早期的计算机系统中，每次只能运行一个程序，一个程序常常就是一道用户作业， 所以这种系统称为单道程序设计系统，简称单道系统。 处理机和所有的系统资源仅为这一道作业服务。 运行特点：C P U 与外部设备以串行方式工作，即 C P U 与外部设备交替运行。 早期计算机 C P U 每秒仅几千次，外部设备数量少而简单。 操作系统原理学习笔记一 随着计算机的运行速度提高，高速 C P U 与慢速设备之间的矛盾日益突出，串行工作方 式使 C P U 的使用效率大大降低。 在速度 5 0 万次/ 秒的机器上运行，C P U 运行 0 . 5 分
7、完成计算任务，但设备运行仍为 1 0 分钟。C P U 与设备运行时间比为 1 ：2 0 ，C P U 运行占 1 / 2 1 ，约 5 % 。在作业运行中约 9 5 % 的 时间内 C P U 都处于闲置状态。严重影响了整个计算机系统的使用效率。 为了解决单道系统的效率低下的问题，考虑到能否在 C P U 等待设备操作的闲置期间， 引进另一个程序来使用 C P U 。 多道程序设计（M u l t i p r o g r a m m i n g ）技术，使用这种技术开发出的操作系统，称为多 道程序设计系统，简称多道系统。 多道系统是指在计算机中同时存放若干道用户程序， 这些程序轮流使用 C
8、P U 在系统中 交替地运行。 多道系统的技术核心是实现了 C P U 与设备的并行工作。 在多道系统中，从宏观上看是多个程序在使用计算机同时运行，从微观上这些程序在 轮流交替地使用 C P U 执行。 在多道系统中操作系统的任务就是使 C P U 与设备高度并行， 最大限度地提高 C P U 的使 用效率。 2 . 操作系统的功能 2 . 1 存储管理 ( 1 ) 存储分配。为系统中运行的多个用户程序分配内存空间，完成相对地址向绝对地 址的变换。 ( 2 ) 存储安全和保护。保护内存区域不被非法访问。 ( 3 ) 存储共享。用户程序共同使用内存中的某些程序或数据。 ( 4 ) 存储扩充。操作
9、系统通过软件的方法为用户程序提供一个比物理内存空间大得多 的存储空间，这就是虚拟存储技术。 2 . 2 进程管理 进程管理实质上是对处理机进行管理。 ( 1 ) 进程控制。对多个进程的状态进行合理的控制，使它们合理有序地在系统内运行。 ( 2 ) 进程调度。按照一定的调度算法，动态地将处理机分配给某一个等待进程。进程 调度是操作系统的核心。 ( 3 ) 进程通信。交换信息，通过进程通信协调相关进程的推进速度。 2 . 3 设备管理 ( 1 ) 设备分配。多个任务竞争使用设备时，按照一定的分配策略合理地分配设备。 ( 2 ) 设备控制。通过设备驱动程序控制设备，使用户不必了解设备的物理特性和技术
10、 细节，就可以方便地使用和操作这些设备。 ( 3 ) 设备使用。提供统一的操作接口。 ( 4 ) 发挥设备和主机的并行工作能力。通过使用缓冲技术和虚拟设备工作方式，使主 机与设备的并行得到充分发挥。 2 . 4 文件管理 ( 1 ) 文件的组织和管理。提供文件的物理组织和文件的逻辑组织。 ( 2 ) 文件使用。提供对文件操作的统一接口。用户只需使用文件名就可以对文件进行 读取、写入、检索、修改等操作。 ( 3 ) 文件的保护和共享。杜绝对文件的非法访问，以免文件的破坏。允许多个用户可 以同时访问某些文件。 2 . 5 作业管理 ( 1 ) 作业的组织与管理。按照用户的要求和作业的性质调度作业进
11、入计算机运行。 操作系统原理学习笔记一 ( 2 ) 提供用户与计算机系统的接口。操作系统提供了两种用户接口: l 作业级接口：向用户提供作业控制语言和操作命令。 l 程序级接口： 提供一组系统调用， 又称广义指令. 用户程序通过接口向操作系统提 出资源申请，由操作系统为其服务。 三、操作系统的分类 1 批处理操作系统 对多个用户的作业进行成批处理的系统。 设计目标是提高系统资源的使用率和作业吞吐量。 为了减少人为干预，提高计算机的利用效率，把需要机器运行的若干程序按一定顺序 组织在一起成为一道作业，把它成批地交给计算机，让计算机自动地、按顺序逐个运行程 序。 采用这种批量处理运行程序的操作系统
12、就称为批处理操作系统 1 . 1 单道批处理系统 处理机和所有的系统资源仅为一道作业服务。 解决了人工干预对机器运行效率的影响 1 . 2 多道批处理系统 处理机与设备并行工作方式， 处理机同时运行多道作业， 业轮流交替占用处理机运行。 不仅处理机，其它所有的系统资源均由多个作业共享。 批处理系统中作业以成批的方式自动运行，所以它适合运行那些经过调试的固定程 序。 2 分时操作系统 在分时系统中存在多个程序，它们轮流占用处理机运行。 所谓分时，就是把处理机的时间分成若干小的时间片，把每个时间片轮流分配给各个 程序。 用户感觉是在独自使用一台计算机资源。用户可以通过终端与计算机自由地进行交 互，
13、调试修改和运行自己的程序，并且可控制程序的运行。 分时操作系统主要基本特征： 同时性。 若干个用户能同时使用一台计算机系统， 从宏观上是各个用户在并行工作， 从微观上是各用户在轮流使用计算机。 独立性。各用户之间彼此独立地操作，互不干扰。 及时性。系统能在很短的时间内对用户的操作作出响应。 交互性。用户可以与计算机系统进行会话。 3 实时操作系统 实时就是“立即”、“现在”的意思，是指对随机发生的外部事件能及时作出响应和 处置。 实时操作系统可以分为两类：实时控制系统、实时信息处理系统。 实时操作系统的设计目标：实时响应、处置能力、高可靠性、安全性。 实时操作系统与分时操作系统的比较： ( 1
14、 ) 目标不同。分时系统通用性强。用户可以开发程序，修改、调试和运行应用程序。 实时系统具有特殊用途。系统中要预先装入处理各种外部事件的程序。不允许用户修改系 统内的程序。 操作系统原理学习笔记一 ( 2 ) 交互能力不同。分时操作系统具有较强的交互作用和会话能力。实时系统只响应 预先约定的用户请求，交互能力有一定限制。 ( 3 ) 响应时间不同。分时操作系统中是秒级。实时操作通常都是毫秒或微秒数量级。 四、L i n u x 操作系统概述 九十年代推出，多用户多任务操作系统，与 U N I X 兼容，具有 U N I X 最新的全部功能， 功能强大、性能优越、便于使用，源代码公开的免费操作系
15、统。 1 L i n u x 的发展历史 芬兰大学生 L i n u s T o r v a l d s 于 1 9 9 1 年 8 月。 L i n u s 在互联网上公布 L i n u x 版本 0 . 0 1 。 世界各地的 L i n u x 爱好者通过互联网陆续加入到 L i n u x 系统的开发中去。 1 9 9 4 年 3 月正式推出第一个功能完整、性能稳定的 L i n u x 内核版本 L i n u x 1 . 0 。 近年来商业软件公司加盟开发 L i n u x 不断地向高水平、高速度发展。 各种机器平台的 L i n u x 版本不断涌现。 商业软件公司把 L i
16、 n u x 内核与各种实用程序，如编译器、编辑器、窗口管理器等组合 在一起，形成了各种发行套件( d i s t r i b u t i o n ) 。 L i n u x 目前已经成为一个备受关注的稳定、健壮、功能强大的多用户多任务操作系统 可以在众多的计算机系统上运行。 由于 L i n u x 强大的网络管理功能，当前 L i n u x 已成为网上第二大通用操作系统。 据不完全统计，全世界使用 L i n u x 操作系统的人已经近千百万之多。 2 L i n u x 与 G N U 1 9 8 4 年，在 R i c h a r d S t a l l m a n 的组织下，提出开发基于自由软件思想的 G N U 的计划。 G N U 是 G N U
