第3章操作系统基础知识

1、12第第3 3章章 操作系统基础知识操作系统基础知识 操作系统操作系统OSOS（Operating SystemOperating System）是计算机系）是计算机系统中重要系统软件，其统中重要系统软件，其功能功能是是管理和控制管理和控制计算机软计算机软件和硬件件和硬件资源资源，使计算机各部分协调工作；合理组，使计算机各部分协调工作；合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供友好的织计算机工作流程，为用户使用计算机提供友好的人机接口，方便用户使用计算机系统。人机接口，方便用户使用计算机系统。3计算机系统层次结构计算机系统层次结构 计算机系统计算机系统层次结构层次结构可以分为四级：可以分为四

2、级：硬硬件件、操作系统操作系统、系统程序系统程序和和应用程序应用程序。应用程序应用程序操作系统操作系统系统程序系统程序硬件硬件图图3.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构4虚拟机磁盘网络接口I/O物理设备CPU时钟机器语言（指令集）操作系统程序语言和编译、 编辑器命令解释器 (Shell)金融系统航空定票科学与工程游戏硬硬件件系统系统程序程序应用程序用户用户用户用户用户用户电源，键盘等用户用户用户用户操作操作系统系统53.1 操作系统简介操作系统简介3.1.1 3.1.1 操作系统发展历程操作系统发展历程1. 1. 手工操作阶段手工操作阶段2. 2. 批处理阶段批处理阶段3. 3. 操

3、作系统完善操作系统完善61. 手工操作阶段手工操作阶段 从第一代计算机诞生到从第一代计算机诞生到20世纪世纪50年代中期年代中期还未出现操作系统，这时的计算机采用人工操还未出现操作系统，这时的计算机采用人工操作方式。其过程是：作方式。其过程是： 71. 手工操作阶段手工操作阶段使用计算机的步骤如下：使用计算机的步骤如下： 将程序和数据通过手工操作记录在穿孔纸带或卡将程序和数据通过手工操作记录在穿孔纸带或卡 片上；片上； 将纸带装入纸带输入机，启动纸带输入机将程序将纸带装入纸带输入机，启动纸带输入机将程序 和数据读入计算机；和数据读入计算机； 计算机执行程序。计算机执行程序。 一个独立的程序称为

4、一个一个独立的程序称为一个作业作业，一个，一个作业作业处理处理完毕才能处理另一个完毕才能处理另一个作业作业。8脱机输入输出技术脱机输入输出技术 除除主机外主机外另设一台另设一台外围控制机，外围控制机，且只与且只与输入输输入输出设备连接，出设备连接，并不与并不与主机连接主机连接，由它完成，由它完成输入输出输入输出任务。任务。 程序或数据通过程序或数据通过外围控制机外围控制机输入到磁带上，等输入到磁带上，等待主机使用。待主机使用。输出时输出时主机负责将数据从内存输出到主机负责将数据从内存输出到磁带磁带，由由外围控制机外围控制机将磁带上的数据输出到设备上。将磁带上的数据输出到设备上。 在这种系统中，

5、输入输出脱离主机，在这种系统中，输入输出脱离主机，减少了减少了CPUCPU等待人工的时间等待人工的时间，提高了，提高了CPUCPU的利用率和输入输出的利用率和输入输出速速度度。将这种工作方式称为脱机输入输出方式。将这种工作方式称为脱机输入输出方式。 92. 批处理阶段批处理阶段 所谓所谓批处理系统批处理系统是指加载在计算机上的一是指加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。地成批地处理一个或多个用户的作业。 单道批处理系统单道批处理系统 假脱机技术假脱机技术 多道批处理系统多道批处理系统 10 单道批处理

6、系统单道批处理系统 将将一批作业一批作业以脱机方式输入到磁带上，由驻留内以脱机方式输入到磁带上，由驻留内存的存的监督程序监督程序将磁带上的作业装入内存交给将磁带上的作业装入内存交给CPUCPU进行处进行处理，当一个作业运行完毕或出现异常时，再装入后继理，当一个作业运行完毕或出现异常时，再装入后继程序。程序。 系统对系统对作业作业的处理的处理成批进行成批进行，但在内存中，但在内存中仅有一仅有一道程序道程序处于处于运行状态运行状态，这就是，这就是单道批处理系统单道批处理系统。 监督程序监督程序就是操作系统最初萌芽。就是操作系统最初萌芽。11单道批处理系统单道批处理系统: 任一时刻任一时刻只允许只允

7、许一个程序一个程序在系统在系统中执行。一个程序执行结束后才能执行下一个程序。中执行。一个程序执行结束后才能执行下一个程序。 时间时间tCPU程序程序A程序程序B程序程序C12 单道批处理系统单道批处理系统提高了计算机提高了计算机系统吞吐量系统吞吐量，减少了主机空闲时间，在一定程度上提高了系统减少了主机空闲时间，在一定程度上提高了系统资源利用率资源利用率。但在内存中。但在内存中只有一道程序只有一道程序，所以仍，所以仍然然不能充分利用系统资源不能充分利用系统资源。 例如：程序要求输入数据时，输出设备空闲。例如：程序要求输入数据时，输出设备空闲。程序要求输出数据时，输入设备空闲。程序要求输出数据时，

8、输入设备空闲。单道批处理系统单道批处理系统 13 假脱机技术假脱机技术 2020世纪世纪6060年代初期，计算机年代初期，计算机硬件技术硬件技术在在两方面两方面获获得重要进展：得重要进展：一是一是通道通道的引入，的引入，二是二是中断中断的出现。的出现。 通道：通道：也称为输入输出（也称为输入输出（I/OI/O）处理机处理机，它与，它与CPUCPU并并行工作行工作，专门用于控制输入输出设备。，专门用于控制输入输出设备。 中断：中断：在程序执行过程中，出现某种紧急事件时，在程序执行过程中，出现某种紧急事件时，cpucpu暂停执行现行程序，转去执行事件处理程序，执行后暂停执行现行程序，转去执行事件处

9、理程序，执行后再返回到再返回到被暂停的程序被暂停的程序继续执行。继续执行。 I/OI/O处理机处理机输入输出结束时向输入输出结束时向CPUCPU发出发出中断请求中断请求，CPUCPU通过通过响应中断响应中断获取获取I/OI/O处理机状态，提交输入处理机状态，提交输入/ /输出任输出任务。由务。由I/OI/O处理机完成作业的处理机完成作业的输入输入/ /输出。输出。14 在在CPUCPU控制下，控制下，作业输入输出作业输入输出数据由数据由I/OI/O处理机处理机完成，完成，I/OI/O处理机处理机取代了取代了外围控制机外围控制机。这项技术被称为这项技术被称为假脱机技术假脱机技术。 通道通道和和中

10、断中断技术的应用使技术的应用使CPUCPU与与I/OI/O设备设备并行工作，解决了并行工作，解决了CPUCPU和和I/OI/O设备速度匹配问设备速度匹配问题，同时为分时操作系统的诞生奠定了硬件题，同时为分时操作系统的诞生奠定了硬件基础。基础。 15 多道批处理系统多道批处理系统 6060年代中期年代中期引入引入多道程序设计多道程序设计（Multi_Multi_ Programming)Programming)技术技术。 作业预先在作业预先在外存中排成一个队列外存中排成一个队列，称为，称为后备队列后备队列。由由作业调度程序作业调度程序从后备队列中从后备队列中选择若干个作业选择若干个作业装入装入内

11、内存存，使它们交替运行。当正在运行的程序因输入输出操，使它们交替运行。当正在运行的程序因输入输出操作而暂停执行时，作而暂停执行时，系统运行另一道程序系统运行另一道程序。这样多个程序。这样多个程序共享共享CPUCPU，使，使CPUCPU始终处于始终处于忙碌状态忙碌状态。 多道程序设计技术应用于批处理系统，形成了多道多道程序设计技术应用于批处理系统，形成了多道批处理系统。批处理系统。16等待数据输出等待数据输出调度程序调度程序程序程序C程序程序B程序程序ACPU时间时间磁盘控制器磁盘控制器多道程序运行情况示意图多道程序运行情况示意图17多道程序系统多道程序系统:多道程序同时在执行。多道程序同时在执

12、行。程序程序A程序程序C程序程序A程序程序B程序程序C程序程序CCPU时间时间t18 为了使为了使多道程序间多道程序间能够能够协调工作协调工作，监督程序，监督程序需要解决以下系列管理问题：需要解决以下系列管理问题：作业调度作业调度：合理调度作业，使系统中硬件资源有：合理调度作业，使系统中硬件资源有效利用；效利用；CPUCPU管理管理：多个作业交替运行，需要合理安排处理：多个作业交替运行，需要合理安排处理机时间；机时间；内存管理内存管理：为每道程序分配必要的内存空间；：为每道程序分配必要的内存空间；I/OI/O设备管理设备管理：为多道程序分配输入输出设备：为多道程序分配输入输出设备。19 在计算

13、机系统中在计算机系统中应该有一组专用软件应该有一组专用软件，负责负责控制控制和和管理管理软硬件资源，合理组织工作软硬件资源，合理组织工作流程，方便用户使用计算机，这就是流程，方便用户使用计算机，这就是多道批多道批处理操作系统处理操作系统。 多道批处理系统的出现，标志着操作系多道批处理系统的出现，标志着操作系统已经形成。统已经形成。203. 操作系统的完善操作系统的完善 分时系统分时系统的出现标志着操作系统进入完善阶段。的出现标志着操作系统进入完善阶段。 基本思想是基本思想是：将：将CPU时间时间分成若干个分成若干个时间片时间片，在，在一个时间片一个时间片运行运行一个作业一个作业，在下一个时间片

14、运行，在下一个时间片运行另一另一个作业个作业，在短时间内所有作业都能得到轮流执行。，在短时间内所有作业都能得到轮流执行。 从整体上看每个作业都在运行，用户请求可以得从整体上看每个作业都在运行，用户请求可以得到及时响应，这就是计算机分时操作系统。到及时响应，这就是计算机分时操作系统。 如如:MS-DOS、Windows、Unix和和Linux等。等。213.1.2 常见操作系统简介常见操作系统简介 DOSDOS操作系统操作系统 WindowsWindows操作系统操作系统 多道批处理系统多道批处理系统 UNIX操作系统操作系统 Linux操作系统操作系统221. DOS操作系统操作系统 DOS是

15、磁盘操作系统是磁盘操作系统(Disk Operating System)，是一种是一种单用户单用户、单任务单任务的微型机操作系统，它由的微型机操作系统，它由IBM公司委托公司委托Microsoft公司开发。公司开发。 DOS主要功能主要功能是是命令处理命令处理、文件管理文件管理和和设备管设备管理理。它采用汇编语言编写，系统开销小，运行效率。它采用汇编语言编写，系统开销小，运行效率高，但资源管理功能简单，字符型用户界面，操作不高，但资源管理功能简单，字符型用户界面，操作不太方便。太方便。232. Windows操作系统操作系统 Windows XP有有三个版本：三个版本： WindowsXP H

16、ome Edition有良好的数字媒体平有良好的数字媒体平台，适合家庭用户和游戏爱好者；台，适合家庭用户和游戏爱好者； Windows XP Professional为商业用户设计，有高为商业用户设计，有高级别的可扩展性和可靠性；级别的可扩展性和可靠性； Windows XP 64-Bit Edition可以满足电影特效制可以满足电影特效制作、作、3D动画、工程设计和科学计算等对大内存、高浮动画、工程设计和科学计算等对大内存、高浮点运算的专业技术需要。点运算的专业技术需要。24Windows的主要特点的主要特点 面向对象图形界面面向对象图形界面：方便用户使用。：方便用户使用。 统一的用户界面统

17、一的用户界面：应用程序界面相似。：应用程序界面相似。 与设备无关的图形操作与设备无关的图形操作：支持即插即用技术。：支持即插即用技术。 多任务处理多任务处理：同时运行多个程序。：同时运行多个程序。 先进的内存管理先进的内存管理：根据程序大小适当的分配内存。：根据程序大小适当的分配内存。 多种系统管理工具多种系统管理工具：资源管理器、系统工具等。：资源管理器、系统工具等。 内置的网络通信功能内置的网络通信功能：支持多种网络传输协议。：支持多种网络传输协议。 出色的多媒体功能出色的多媒体功能：对音频、视频编辑和播放。：对音频、视频编辑和播放。253. UNIX操作系统家族操作系统家族 UNIX操作

18、系统是一个操作系统是一个通用的通用的、交互式交互式分时分时网络网络操作系统。操作系统。1969年美国贝尔实验室在年美国贝尔实验室在DEC公司的小型公司的小型机机PDP-7上开发成功，上开发成功，1971年移植到年移植到PDP-11上。上。1973年年用用C语言重写语言重写UNIX，具有较高的易读性和可移植性，具有较高的易读性和可移植性，为为UNIX迅速推广和普及应用奠定了基础。迅速推广和普及应用奠定了基础。20世纪世纪70年年代中后期，代中后期，UNIX源代码的免费扩散引起很多大学、研源代码的免费扩散引起很多大学、研究机构和公司的兴趣，大众参与为究机构和公司的兴趣，大众参与为UNIX的改进、完

19、的改进、完善、传播和普及起了重要作用。善、传播和普及起了重要作用。264. Linux操作系统操作系统 Linux是芬兰籍科学家是芬兰籍科学家Linus Torvalds于于1991年编写年编写的一种操作系统。的一种操作系统。Linux操作系统可用于操作系统可用于386、486或奔或奔腾处理器的更高档次个人计算机上，腾处理器的更高档次个人计算机上，具有具有UNIX操作系操作系统的全部功能统的全部功能。 目前目前Linux软件包带有软件包带有X-Windows图形界面管理图形界面管理器，通过窗口、图标和菜单对系统进行管理。软件包还器，通过窗口、图标和菜单对系统进行管理。软件包还包括文本编辑器，高

20、级语言编辑器等许多软件。包括文本编辑器，高级语言编辑器等许多软件。273.1.3 操作系统分类操作系统分类 根据操作系统功能特征和使用环境可以分为三种根据操作系统功能特征和使用环境可以分为三种基本类型：基本类型：批处理系统、分时系统和实时系统批处理系统、分时系统和实时系统。新类型的操作系统不断出现：新类型的操作系统不断出现： 网络操作系统；网络操作系统； 分布式操作系统；分布式操作系统； 个人计算机操作系统；个人计算机操作系统； 多处理机操作系统；多处理机操作系统； 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 。281. 批处理系统批处理系统 批处理批处理操作系统的主要特征是操作系统的主要特征是多道性、成批

21、性多道性、成批性。 多道性多道性是指在内存中可同时驻留多道程序，并允许是指在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，有效地提高系统资源利用率和吞吐量。它们并发执行，有效地提高系统资源利用率和吞吐量。 成批性成批性是指作业成批进入系统，成批处理。作业完是指作业成批进入系统，成批处理。作业完成顺序与进入内存顺序没有紧密联系，先进入内存的作成顺序与进入内存顺序没有紧密联系，先进入内存的作业可能后完成。业可能后完成。批处理系统缺点是缺乏人机交互性。批处理系统缺点是缺乏人机交互性。292. 分时操作系统分时操作系统 分时操作系统分时操作系统（Time-Sharing Operating Syste

22、m ）的特征）的特征是是多路性、交互性、独占性多路性、交互性、独占性和和及时性及时性。 分时系统分时系统允许允许一台主机一台主机同时连接同时连接多台多台交互终端，每个用户独交互终端，每个用户独占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。 分时系统分时系统将将CPU时间划分成时间划分成若干个片段若干个片段，称为，称为时间片时间片。操作。操作系统系统以时间片为单位以时间片为单位轮流为每个终端用户服务，系统对每个用户轮流为每个终端用户服务，系统对每个用户提出的请求都能及时响应，用户感觉不到其他用户存在。用户以提出的请求都能及时响应，用户感觉不到其他用户存在。用户以交互方式

23、使用计算机，共享主机资源。交互方式使用计算机，共享主机资源。 303. 实时系统实时系统 实时操作系统实时操作系统（Real-Time Operating System）的特征是）的特征是实实时性、高可靠性。时性、高可靠性。 实时性实时性是指计算机能是指计算机能及时响应外部事件请求及时响应外部事件请求，在规定时间内，在规定时间内完成事件的处理任务。实时系统更加注重完成事件的处理任务。实时系统更加注重稳定性和可靠性稳定性和可靠性。 实时实时操作系统可分为操作系统可分为实时控制系统实时控制系统和和实时信息处理系统实时信息处理系统两大两大类。类。实时控制系统实时控制系统用于用于工业控制工业控制和和宇

24、航控制宇航控制等；等；实时信息处理实时信息处理用用于于情报查询情报查询、信息检索信息检索和和航空订票系统航空订票系统等。等。314. 网络操作系统网络操作系统 网络网络操作系统（操作系统（Network Operating System）基于计算机网络。除具备普通操作）基于计算机网络。除具备普通操作系统所具备的功能外，还具有网络管理模系统所具备的功能外，还具有网络管理模块、通信、安全和资源共享等模块。块、通信、安全和资源共享等模块。325. 分布式操作系统分布式操作系统 分布式分布式操作系统（操作系统（Distributed Operating System）是网络操作系统的更高级形式，它建立

25、）是网络操作系统的更高级形式，它建立在计算机在计算机网络基础网络基础之上，有效地解决了之上，有效地解决了地域分布地域分布很广很广的若干台的若干台计算机之间资源共享计算机之间资源共享、并行处理并行处理等等问题。特征是统一性、共享性、可靠性和透明性。问题。特征是统一性、共享性、可靠性和透明性。336. 个人计算机操作系统个人计算机操作系统 个人计算机（个人计算机（PC）操作系统是一种）操作系统是一种单用户单用户多任务多任务操作系统。操作系统。 主要主要设计目标设计目标是是易用性易用性和和响应性响应性。 例如：例如：MS- DOS，Windows，OS/2。347. 多处理机操作系统多处理机操作系统

26、 具有具有公共内存公共内存和和时钟的时钟的多多CPU系统称为系统称为多处多处理机系统理机系统，它们共享计算机总线和外部设备。，它们共享计算机总线和外部设备。 建立在建立在多处理机系统上的操作系统多处理机系统上的操作系统称为称为多处多处理机操作系统理机操作系统，也称为并行操作系统或紧耦合系，也称为并行操作系统或紧耦合系统。统。 358. 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式操作系统嵌入式操作系统（Embedded Operating System）是一种）是一种支持嵌入式计算机支持嵌入式计算机的软件，的软件，由一个由一个体积很小的体积很小的内核内核及一些可以根据需要定制的及一些可以根据需要定制的

27、系统模系统模块块组成，能运行在各种不同硬件平台上，提供基本组成，能运行在各种不同硬件平台上，提供基本的程序运行环境和接口。的程序运行环境和接口。 著名嵌入式操作系统有著名嵌入式操作系统有Vxwork、Palm OS和和Windows CE等。等。363.2.1 操作系统作用操作系统作用操作系统有操作系统有两个两个重要重要作用作用： u 1. 管理系统管理系统资源资源u 2. 提供友好提供友好界面界面3.2 操作系统作用及特征操作系统作用及特征371. 管理系统资源管理系统资源 计算机系计算机系统资源统资源包括包括处理机处理机、存储器存储器、输输入输出设备入输出设备、程序和数据程序和数据及各种信

28、息。及各种信息。操作系统负责管理软硬件资源，使它们协调一操作系统负责管理软硬件资源，使它们协调一致地工作；致地工作；为应用程序分配所需资源，提供基本运行环境。为应用程序分配所需资源，提供基本运行环境。382. 提供友好界面提供友好界面 操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。操作系统为用户使用计算机提供了灵活方便的操作系统为用户使用计算机提供了灵活方便的操作手段，即提供友好的用户界面（接口）。操作手段，即提供友好的用户界面（接口）。大多数操作系统提供两种操作接口，即大多数操作系统提供两种操作接口，即命令接命令接口和程序接口口和程序接口。39（1）命令接口命令

29、接口操作系统提供的操作系统提供的人机交互界面人机交互界面，称为，称为命令接口命令接口。两种命令接口两种命令接口：字符型字符型命令接口，允许用户通过命令接口，允许用户通过键盘键盘输入命令操作计输入命令操作计算机。算机。图形图形命令接口：允许用户通过命令接口：允许用户通过窗口或图标窗口或图标操纵计算机。操纵计算机。40 字符字符命令接口命令接口41（2）程序接口程序接口 程序接口也称为程序接口也称为系统调用系统调用，由一组系，由一组系统调用命令组成。在编写的程序中通过系统调用命令组成。在编写的程序中通过系统调用命令获得操作系统服务。统调用命令获得操作系统服务。423.2.2 操作系统功能操作系统功

30、能从资源管理角度说，操作系统从资源管理角度说，操作系统功能功能包括：包括： 作业管理、作业管理、进程管理、进程管理、存储管理存储管理、设备设备管理管理和和文件管理文件管理5个主要部分。个主要部分。431. 作业管理作业管理 作业管理作业管理是为了合理组织是为了合理组织工作流程工作流程，对对作业作业进行进行控制和管理控制和管理。 作业管理作业管理包括作业包括作业输入输入、作业、作业调度调度和和作业作业控制控制。442. 进程管理进程管理进程管理进程管理也称为处理机管理。处理机（也称为处理机管理。处理机（CPU）是计算机中最宝贵的硬件资源，程序只有获得是计算机中最宝贵的硬件资源，程序只有获得处理机

31、才能运行。主要对处理机才能运行。主要对处理机（处理机（CPU）进行）进行分配和管理分配和管理。在计算机系统中，以。在计算机系统中，以进程为基本进程为基本单位单位分配和使用分配和使用处理机处理机，因此对，因此对处理机管理处理机管理最最终归结为对终归结为对进程管理进程管理。 进程管理进程管理主要功能是主要功能是进程控制进程控制、进程调进程调度度、进程同步进程同步及及进程通信进程通信。453. 存储管理存储管理 存储管理存储管理是指对是指对内存资源内存资源进行进行管理管理，主要主要任务任务是为是为多道程序运行多道程序运行提供良好环提供良好环境，方便用户使用存储器，提高境，方便用户使用存储器，提高内存

32、利用内存利用率率。 存储管理主要包括存储管理主要包括存储分配存储分配、存储保存储保护护、虚拟虚拟存储器存储器和和地址映射地址映射。464. 文件管理文件管理 文件管理文件管理主要负责主要负责软件资源软件资源管理，包管理，包括文件括文件存储空间存储空间管理、管理、目录目录管理、管理、文件存文件存取控制取控制、文件、文件共享与保护共享与保护。475. 设备管理设备管理 设备管理设备管理是指对计算机是指对计算机外部设备外部设备（打印（打印机、显示器等）进行机、显示器等）进行分配、控制和管理分配、控制和管理，使用，使用户户不必过多了解接口技术不必过多了解接口技术而方便地使用外部设而方便地使用外部设备。

33、备。 设备管理主要功能有设备管理主要功能有缓冲区管理缓冲区管理、设备分设备分配和设备控制配和设备控制。483.2.3 操作系统特征操作系统特征1. 并发性并发性（Concurrence）2. 共享性（共享性（Sharing）3. 虚拟性虚拟性（Virtual）4. 异步性（异步性（Asynchronism）491. 并发性（并发性（Concurrence） 并发性：并发性：是指两个或两个以上事件在同是指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生，从微观上看是交替进一时间间隔内发生，从微观上看是交替进行，从宏观上看是同时发生。行，从宏观上看是同时发生。 并发性并发性是指在计算机系统中是指在计算机系统

34、中同时存在同时存在多多个程序个程序，从宏观上看，从宏观上看这些程序这些程序同时运行同时运行。 用户用户程序之间程序之间可以可以并发并发执行，执行，用户程序用户程序与与操作系统程序操作系统程序也可以也可以并发并发执行。执行。502. 共享性（共享性（Sharing） 所谓所谓共享共享，是指在操作系统控制下，系，是指在操作系统控制下，系统统资源资源可供可供多个多个并发并发执行的程序执行的程序共同使用。共同使用。在支持多道程序系统中，多个并发执行的程在支持多道程序系统中，多个并发执行的程序必然会共享某些资源。序必然会共享某些资源。并发性和共享性并发性和共享性是所有操作系统具有的两个基是所有操作系统具

35、有的两个基本特征。它们互为依存条件，共享以程序的并本特征。它们互为依存条件，共享以程序的并发执行为前提条件，并发以资源共享为基础。发执行为前提条件，并发以资源共享为基础。513. 虚拟性（虚拟性（Virtual） 虚拟虚拟是指操作系统通过是指操作系统通过某种技术某种技术将一个将一个物物理实体变成多个逻辑对应物理实体变成多个逻辑对应物，或将，或将多个物理实多个物理实体体变成变成一个一个逻辑逻辑对应物对应物。操作系统的这种特性。操作系统的这种特性称为虚拟性。称为虚拟性。 如：如：多道程序系统将一个物理多道程序系统将一个物理CPU变成变成多个逻辑多个逻辑CPU；虚拟存储器管理将多种物理；虚拟存储器管

36、理将多种物理存储设备变成一个虚拟存储器。存储设备变成一个虚拟存储器。 524. 异步性（异步性（Asynchronism） 进程进程以人们以人们不可预知的速度不可预知的速度向前推进。向前推进。内内存中存中每个每个进程进程何时能获得处理机何时能获得处理机，何时因得不，何时因得不到所需资源而暂停，每道程序需要多少时间执到所需资源而暂停，每道程序需要多少时间执行完成等，都是行完成等，都是不可预知的不可预知的。很可能。很可能先先进入内进入内存存的作业的作业后完成后完成，而，而后后进入内存进入内存的作业的作业先完成先完成。这就是操作系统的异步性。这就是操作系统的异步性。533.3 作业管理作业管理 作业

37、作业是用户提交给系统的是用户提交给系统的独立任务独立任务，操，操作系统以作系统以作业作业为单位为单位管理用户任务。管理用户任务。 3.3.1 基本概念基本概念 要求计算机系统为其完成要求计算机系统为其完成计算任务计算任务的的集集合合称为称为作业作业。 作业作业由由程序程序、数据数据和和作业说明书作业说明书三部分三部分组成。组成。54 处理处理一个作业一个作业通常经过通常经过若干个相对独立又相若干个相对独立又相互关联的加工步骤互关联的加工步骤，如编辑、编译或汇编、连接，如编辑、编译或汇编、连接和执行等，一个和执行等，一个相对独立相对独立的处理的处理步骤步骤称为一个称为一个作作业步（业步（Job

38、Step）。）。 一个作业步一个作业步可以由一个进程来完成，作业可以由一个进程来完成，作业的处理要经过多个进程执行。的处理要经过多个进程执行。 用户作业用户作业可以分为两大类：可以分为两大类：批处理作业批处理作业和和交交互式作业互式作业。551. 批处理作业批处理作业 在在批处理系统批处理系统中，中，多个作业多个作业由输入设由输入设备依次输入到备依次输入到辅存中辅存中，形成，形成作业流作业流。 作业调度程序作业调度程序按一定策略按一定策略选择多个选择多个作业作业投入运行。投入运行。562. 交互式作业交互式作业 交互式作业交互式作业又称为又称为终端作业终端作业或或会话式作会话式作业业。在分时系

39、统中，通常将。在分时系统中，通常将分时用户分时用户的的一次一次登录登录作为作为一个作业一个作业。用户一次登录可以完成。用户一次登录可以完成很多工作。很多工作。 573.3.2 作业调度作业调度 作业控制作业控制和和作业调度作业调度是作业管理的主要任务。是作业管理的主要任务。 作业控制作业控制包括控制作业输入、运行和计算结果的包括控制作业输入、运行和计算结果的输出。输出。 作业调度作业调度是根据作业控制块信息，按一定策略选是根据作业控制块信息，按一定策略选取若干作业进入内存获得处理机运行。取若干作业进入内存获得处理机运行。 操作系统为每个进入系统的作业建立一个操作系统为每个进入系统的作业建立一个

40、作业控作业控制块（制块（JCB），），记录作业调度的相关信息。记录作业调度的相关信息。JCB是作是作业存在的标志，作业退出系统时业存在的标志，作业退出系统时JCB随之撤销随之撤销。 58常见的作业调度算法常见的作业调度算法1. 先来先服务算法先来先服务算法 按作业进入系统作业后备队列先后次序按作业进入系统作业后备队列先后次序挑选作业。这种算法容易实现，但效率低。挑选作业。这种算法容易实现，但效率低。2. 最短作业优先算法最短作业优先算法 系统选取估计系统选取估计计算时间最短计算时间最短的作业投入的作业投入运行。这种算法使平均作业运行。这种算法使平均作业周转时间短周转时间短，且，且易于实现，但效

41、率不高。易于实现，但效率不高。593.4 进程管理进程管理 从微型计算机到大型计算机，所有从微型计算机到大型计算机，所有多道程序操作系统多道程序操作系统都建立在都建立在进程进程的概念的概念之上，操作系统之上，操作系统所有功能所有功能都与都与进程进程有关。有关。603.4.1 进程定义进程定义 在在多道程序多道程序系统中，多个程序同时进入系系统中，多个程序同时进入系统，处理机交替执行每个程序，每个程序的执统，处理机交替执行每个程序，每个程序的执行都是走走停停，一个程序的行都是走走停停，一个程序的活动规律活动规律是：是： 推进推进暂停暂停推进推进暂停暂停 613.4.1 进程定义进程定义 当一个程

42、序暂停时，需要将其当一个程序暂停时，需要将其现场信息现场信息作作为为断点断点保存起来，保存起来，以便以便以后能从断点处以后能从断点处继续执继续执行行。这样，在多道程序系统中需要一块。这样，在多道程序系统中需要一块特殊区特殊区域域保存保存断点断点。因此程序的概念已不能如实地反。因此程序的概念已不能如实地反映程序执行时的特征，需要一个更准确地描述映程序执行时的特征，需要一个更准确地描述程序执行状态的术语，这就是程序执行状态的术语，这就是进程（进程（process）。）。621. 进程定义进程定义进程的定义进程的定义: 进程是具有一定独立功能的程序段关于一进程是具有一定独立功能的程序段关于一个数据集

43、合的一次运行活动。个数据集合的一次运行活动。63不同角度不同角度对对进程进程的解释的解释: 进程进程是程序的是程序的一次执行一次执行。 进程进程是是一个程序及其数据一个程序及其数据在处理机上执在处理机上执行时所发生的行时所发生的活动活动。 进程进程是程序在一个数据集合上的运行过是程序在一个数据集合上的运行过程，是程，是系统资源系统资源分配分配和和调度调度的基本单位。的基本单位。642. 进程组成进程组成三部分三部分组成：组成： 程序块程序块：由由指令代码指令代码组成，代码必须是组成，代码必须是纯代码纯代码， 即在运行期间不修改自身。即在运行期间不修改自身。 数据块数据块：进程执行时进程执行时所

44、需数据所需数据和和工作单元工作单元以及以及开开 辟的工作区辟的工作区。 进程控制块进程控制块（Process Control Block，PCB）：）： 一个一个数据结构，数据结构，其中包含其中包含描述描述和和管理进程管理进程所所 需需全部信息全部信息。如进程标识、进程所属用户标识、。如进程标识、进程所属用户标识、 进程状态、调度参数、现场信息和程序地址等。进程状态、调度参数、现场信息和程序地址等。65 创建进程时创建进程时建立建立PCB，撤消进程时撤消进程时收回收回PCB。PCB是是进程进程存在的惟一存在的惟一标志标志。 程序程序、数据数据和和进程控制块进程控制块构成进程实体。构成进程实体。

45、程序和数据位于内存中程序和数据位于内存中用户空间用户空间，进程控制块，进程控制块位于位于系统空间系统空间。663. 进程的基本特征进程的基本特征 动态性：动态性：进程进程是是程序程序的的一次执行一次执行。进程因创建而产。进程因创建而产生、由调度而执行、由撤消而消亡。进程具有生命期。生、由调度而执行、由撤消而消亡。进程具有生命期。 并发性：进程并发性：进程可以可以并发执行并发执行。 独立性：独立性：进程在系统中能独立进程在系统中能独立运行运行，独立，独立分配资源分配资源和和独立接受调度独立接受调度。进程是系统资源分配的。进程是系统资源分配的基本单位基本单位。 异步性：异步性：每个进程每个进程以不

46、可预知的过程以不可预知的过程运行。运行。 结构性：结构性：每个进程由每个进程由程序块程序块、数据块数据块和和进程控制块进程控制块 3部分组成。部分组成。674. 进程类型进程类型进程进程可以分为可以分为系统进程系统进程和和用户进程用户进程两类。两类。 系统进程系统进程运行操作系统程序，完成操作系统功运行操作系统程序，完成操作系统功能，可以执行包括特权指令在内的所有机器指能，可以执行包括特权指令在内的所有机器指令，令，优先级优先级高于用户进程。高于用户进程。 用户进程用户进程运行用户程序，只能执行非特权指令。运行用户程序，只能执行非特权指令。68695. 进程与程序的关系进程与程序的关系 程序是

47、静态的，进程是动态的程序是静态的，进程是动态的。 程序是指令及执行指令时所需数据的集合，程序是指令及执行指令时所需数据的集合，可以长期保存在存储介质上；进程具有创建可以长期保存在存储介质上；进程具有创建性、运行性和消亡性。性、运行性和消亡性。 进程和程序进程和程序不是一一不是一一对应关系，一个程对应关系，一个程序可以对应多个进程，但一个进程只能对应序可以对应多个进程，但一个进程只能对应一个程序。一个程序。 706. 进程与作业的关系进程与作业的关系 1、作业作业是任务实体，是任务实体，进程进程是完成任务的执是完成任务的执行实体；行实体； 2、没有、没有作业作业任务就没有任务就没有进程进程，反过

48、来，没，反过来，没有进程，作业任务就不能完成。有进程，作业任务就不能完成。 3、作业作业的概念更多地用于的概念更多地用于批处理系统批处理系统，进进程程的概念用于的概念用于多道程序系统多道程序系统中。中。713.4.2 进程的状态和转换进程的状态和转换 多个多个进程进程并发并发执行，共享系统资源，而系执行，共享系统资源，而系统资源是有限的。因此统资源是有限的。因此不可能不可能每个每个进程进程都能及都能及时得到所需要的时得到所需要的资源资源。 CPU是执行是执行进程进程的必要资源，操作系统不的必要资源，操作系统不会让会让一个进程一个进程一直一直占用占用CPU。 一个一个进程进程不会一直处于运行状态

49、，不会一直处于运行状态，进程可进程可能有多种状态能有多种状态。任何操作系统都包括进程的。任何操作系统都包括进程的3种种基本状态。基本状态。72 运行态运行态（run）：得到）：得到CPU资源，正在运行进程中资源，正在运行进程中指令。指令。 就绪态就绪态（ready）：进程本身具备运行条件，等待）：进程本身具备运行条件，等待获得获得CPU资源。资源。 等待态等待态（wait）：进程本身不具备运行条件，正）：进程本身不具备运行条件，正等待某一事件发生或释放等待某一事件发生或释放CPU以外的资源。这种状以外的资源。这种状态也称态也称挂起态挂起态（suspended）、）、封锁态封锁态（blocked

50、）或）或睡眠态睡眠态（sleep）。）。进程的三种基本状态进程的三种基本状态73创建进程创建进程 就绪就绪运行运行等待等待调度选中调度选中 时间到时间到 阻塞阻塞事件发生事件发生 进程进程的的3 3个基本状态的相互转化个基本状态的相互转化 74 创建进程时创建进程时，由于其他进程正占用，由于其他进程正占用CPU所以它只能处于所以它只能处于就绪状态就绪状态； 当当就绪进程就绪进程获得处理机时就转换为获得处理机时就转换为运行运行状态；状态；当进程的时间片耗尽或出现更高优先当进程的时间片耗尽或出现更高优先级别的进程，级别的进程，进程进程被迫被迫退出处理机，退出处理机，其状态其状态由由运行运行变为变为

51、就绪就绪； 75 当当运行进程运行进程因某事件受阻，如申请的资因某事件受阻，如申请的资源被占用或源被占用或I/O传输未完成，其状态由传输未完成，其状态由运行运行转转为为等待等待，或者说是，或者说是进程阻塞进程阻塞或或进程睡眠进程睡眠；如；如果其等待的事件完成，进程从等待状态转换果其等待的事件完成，进程从等待状态转换为为就绪状态就绪状态，也称，也称进程唤醒进程唤醒。 一个进程在其生存期内可能多次发生状一个进程在其生存期内可能多次发生状态转换，操作系统的态转换，操作系统的进程管理模块进程管理模块负责进程负责进程的状态转换工作。的状态转换工作。76 当操作系统从当操作系统从就绪状态就绪状态队列中队列

52、中调度进程时，从调度进程时，从PCB中查出中查出现行状态现行状态及及优先级优先级，以确定符合，以确定符合调度算调度算法法要求的要求的进程进程。 当调度到某进程后，操作系统根据当调度到某进程后，操作系统根据PCB中保存中保存的现场信息，恢复进程运行现场，并根据程序地址的现场信息，恢复进程运行现场，并根据程序地址找到其程序和数据。找到其程序和数据。 当进程因某种原因而暂停时，操作系统将断点当进程因某种原因而暂停时，操作系统将断点现场信息保存在现场信息保存在PCB中中。 在进程的整个生命期中，操作系统通过在进程的整个生命期中，操作系统通过PCB控控制进程制进程。773.4.3 进程调度进程调度 进程

53、调度进程调度由操作系统的调度程序实施，按由操作系统的调度程序实施，按照一定照一定调度算法调度算法，从就绪队列中，从就绪队列中选取一个进程选取一个进程使其获得处理机。所以使其获得处理机。所以进程调度进程调度也称为也称为处理机处理机调度调度。常见进程调度算法有：常见进程调度算法有： 先来先服务（先来先服务（FCFS）算法；）算法； 高优先级优先调度算法；高优先级优先调度算法； 时间片轮转法；时间片轮转法；781. 先来先服务算法先来先服务算法 先来先服务（先来先服务（FCFS）算法）算法是最简单的调是最简单的调度算法，按照度算法，按照进程进程到达到达先后顺序先后顺序分配处理机，分配处理机，每次调度

54、总是选择就绪队列中每次调度总是选择就绪队列中首进程首进程。一个进一个进程占用处理机程占用处理机直到进程时间片耗尽、运行结束直到进程时间片耗尽、运行结束或运行受阻才释放处理机，操作系统不会强行或运行受阻才释放处理机，操作系统不会强行抢占处理机。抢占处理机。 这种算法比较有利于计算时间长的进程这种算法比较有利于计算时间长的进程。792. 高优先级优先调度算法高优先级优先调度算法 这是广泛采用的一种调度算法。它的每次这是广泛采用的一种调度算法。它的每次调度总是从调度总是从就绪队列中就绪队列中选取优先级最高选取优先级最高的进程的进程运行，在运行，在相同优先级进程中相同优先级进程中采用采用先来先服务算先

55、来先服务算法调度法调度。这种算法也适用于作业调度。这种算法也适用于作业调度。进程优进程优先级先级的确定有的确定有两种方式两种方式：静态静态和和动态动态。80 静态优先级静态优先级是进程创建时确定，进程运行是进程创建时确定，进程运行期间保持不变。优先级与进程的估计执行时间有期间保持不变。优先级与进程的估计执行时间有关，关，时间越短优先级越高时间越短优先级越高；对系统；对系统资源的需求越资源的需求越少少优先级越高；优先级越高； 动态优先级动态优先级是指在进程的生命期内，随着进是指在进程的生命期内，随着进程的运行情况而不断变化。在就绪队列中程的运行情况而不断变化。在就绪队列中随其等随其等待时间的增长

56、待时间的增长，优先级会调高；占用，优先级会调高；占用CPU的时间的时间越长，优先级会调低。越长，优先级会调低。两种进程优先级两种进程优先级813. 时间片轮转法时间片轮转法 系统将系统将CPU时间时间分成固定大小的时间片，一个时分成固定大小的时间片，一个时间片大约间片大约几毫秒几毫秒到到几百毫秒几百毫秒。 所有所有就绪进程就绪进程按先来先服务原则分配处理机，一按先来先服务原则分配处理机，一次使用一个时间片。当时间片用完时，系统调度程序次使用一个时间片。当时间片用完时，系统调度程序停止该进程，将它送到就绪队列末尾，等待下一次调停止该进程，将它送到就绪队列末尾，等待下一次调度。度。 就绪队列中所有

57、进程在一定时间段内均能获得一就绪队列中所有进程在一定时间段内均能获得一个时间片，使得系统能在较短时间内响应所有用户请个时间片，使得系统能在较短时间内响应所有用户请求求 。823.5 存储管理存储管理 存储管理的内容存储管理的内容 存储分配存储分配、存储保护存储保护、虚拟存储器虚拟存储器和和地址映地址映射射。 存储管理的目的存储管理的目的 为为多道程序运行多道程序运行提供良好环境，方便用户使提供良好环境，方便用户使用用存储器存储器，提高，提高存储器存储器利用率利用率，从逻辑上，从逻辑上扩充扩充存存储容量储容量。833.5.1 基本概念基本概念 存储器存储器包括包括内存储器内存储器和和外存储器外存

58、储器，存储存储管理管理主要是指主要是指内存储器内存储器管理。管理。 内存空间内存空间一般分为一般分为两部分两部分： 系统区系统区: 存放存放操作系统核心程序操作系统核心程序以及一些以及一些标准子程序和例行程序；标准子程序和例行程序； 用户区用户区: 存放用户程序和数据。存放用户程序和数据。 存储管理存储管理主要是对主要是对用户区用户区进行管理。进行管理。84 1. 物理地址物理地址定义：定义：计算机计算机内存内存由许多单元组由许多单元组成，为了成，为了区分各个不同的内存单区分各个不同的内存单元元，每个内存单元按顺序进行，每个内存单元按顺序进行编编号号，这个，这个编号编号称为称为物理地址物理地址

59、。 寻址范围：寻址范围：物理地址的位数由物理地址的位数由系统系统地址总线的根数地址总线的根数决定。物理决定。物理地地址反映的是址反映的是CPUCPU对内存空间的寻址对内存空间的寻址能力。能力。 例如：例如：一台计算机的地址总线一台计算机的地址总线为为3232位，则位，则CPUCPU可寻址的内存空间可寻址的内存空间为：为：2 23232=4GB=4GB。 00010002EFFFEFFFFFFFFFFF物理地址物理地址85 2. . 逻辑地址逻辑地址 程序员程序员在编写程序时所在编写程序时所使用的地址使用的地址称为称为逻逻辑地址辑地址，也叫，也叫相对地址相对地址或或偏移地址偏移地址。 逻辑地址逻

60、辑地址通常通常从从0 0开始开始，程序中的其他地址，程序中的其他地址 都相对于起始地址进行计算。都相对于起始地址进行计算。 逻辑地址逻辑地址与与物理地址物理地址不是一一对应。程序不是一一对应。程序员在编程时员在编程时不需要考虑不需要考虑物理地址物理地址。 86逻辑地址逻辑地址程序指程序指令令逻辑地逻辑地址址87 3. . 地址映射地址映射 程序中程序中使用的地址都是使用的地址都是逻辑地址逻辑地址。操作系统在将。操作系统在将程序装入内存时，将程序中指令和数据的程序装入内存时，将程序中指令和数据的逻辑地址逻辑地址转转换为换为物理地址物理地址。这一转换过程称为。这一转换过程称为地址映射地址映射或或地