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1、第一章第一章操作系统概述操作系统概述一个完整的计算机系统一般是有硬件和软件组成。一个完整的计算机系统一般是有硬件和软件组成。见图见图1.1。操作系统概述操作系统概述Linux是在日渐普及的Internet上迅速产生和不断建立的操作系统。Linux操作系统高效、稳定,适应多种硬件平台,而最具有魅力的是它遵守GPL(GNUGeneralPublicLicense,GNU通用公共许可证)(“GNUsNotUnix”首字母的简写),整个系统的源代码可以自由获取,但是在GPL许可的范围内自由更改、传播,这就为学习、应用、开发操作系统及其他软件提供了良好的基础和较高的起点。1.1操作系统简介
2、操作系统简介操作系统概念操作系统在计算机系统中的地位,见图操作系统在计算机系统中的地位,见图1.2。所有其他软件之下所有其他软件之下引入操作系统的目标有效性有效性有效性有效性(系统管理人员的观点系统管理人员的观点):管理和分配硬件、软件资源,合理地组织计算机的工作流程便捷性便捷性便捷性便捷性(用户的观点用户的观点):提供良好的、一致的用户插口,填补硬件系统的类型和数目差异可扩展性可扩展性可扩展性可扩展性(开放的观点开放的观点):硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作操作系统的作用OS是计算机硬件、软件资源的管理者。是计算机硬件、软件资源的管理
3、者。管理对象管理对象管理对象管理对象包括:CPU、存储器、外部设备、信息(数据和软件);管理的内容管理的内容管理的内容管理的内容:资源的当前状态(数目和使用情况)、资源的分配分配分配分配、回收回收回收回收和访问访问访问访问操作,相应管理策略(包括用户权限)。OS是用户使用系统硬件、软件的插口。是用户使用系统硬件、软件的插口。系统命令系统命令系统命令系统命令(命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户插口GUI);系统调用系统调用系统调用系统调用(方式上类似于过程调用,在应用编程应用编程应用编程应用编程中使用)。OS是扩充机是扩充机(extendedmachine)/虚拟机虚拟机(virtualm
4、achine)。在裸机上添加:设备管理设备管理设备管理设备管理、文件管理文件管理文件管理文件管理、存储管理储存管理储存管理储存管理(针对显存和外存)、处理机管理处理机管理处理机管理处理机管理(针对CPU);另外,为合理组织工作流程:作业管理作业管理作业管理作业管理、进程管理进程管理进程管理进程管理。操作系统举例MSOS:MSDOS,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCOUNIX,AIX,SolarisSolaris,LinuxNOS:NovellNetwareRTOS:VxWork
5、sVxWorks,pSoS,NucleusNucleus1.1.2操作系统发展简介操作系统发展简介推进操作系统发展的主要动力(1)提升资源的借助率和系统性能提升资源的借助率和系统性能提升资源的借助率和系统性能提升资源的借助率和系统性能计算机发展的早期,计算机系统高昂,用作集中估算计算机发展的早期,计算机系统高昂,用作集中估算(2)便捷用户便捷用户便捷用户便捷用户用户上机、调试程序,分散估算时的事务处理和非专业用用户上机、调试程序,分散估算时的事务处理和非专业用户户(商业和办公、家庭)商业和办公、家庭)(3)元件的发展元件的发展元件的发展元件的发展CPU的位长度(指令和数据)的位长度(指令和
6、数据)快速外存快速外存手工操作工作方法工作方法用户:用户既是程序员程序员,又是操作员操作员;用户是计算机专业人员计算机专业人员;编程语言:为机器语言;输入输出:纸带或卡片纸带或卡片;计算机的工作特性计算机的工作特性用户独占全机用户独占全机:不出现资源被其他用户占用,资源借助率低;CPU等待用户:手工倒入/卸取纸带或卡片;CPU借助率低;主要矛盾主要矛盾计算机处理能力的提升,手工操作的低效率(导致浪费);计算机处理能力的提升,手工操作的低效率(导致浪费);用户独占全机的所有资源;用户独占全机的所有资源;提升效率的途径提升效率的途径专门的操作员,批处理专门的操作员,批处理单道批处理系统批处理中
7、的作业的组成:用户程序数据作业说明书(作业控制语言)作业说明书(作业控制语言)批:供一次加载的磁带或c盘一次加载的磁带或c盘,一般由若干个作业组装若干个作业组装成,在处理中使用一组相同的系统软件(系统带)两种批处理方法(1)联机批处理用户递交作业用户递交作业:以纸带或卡片为介质;操作员合成批作业操作员合成批作业:结果为磁带介质;批作业处理批作业处理:对批作业中的每位作业进行相同的处理:从磁带读入用户作业和编译链接程序,编译链接用户作业,生成可执行程序;启动执行;执行结果输出。这时的问题这时的问题:慢速的输入输出处理仍直接由主机来完慢速的输入输出处理仍直接由主机来完慢速的输入输出处理仍直接由
8、主机来完慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时,成。输入输出时,成。输入输出时linux操作系统原理及应用答案,成。输入输出时,CPUCPU处于等待状态。处于等待状态。处于等待状态。处于等待状态。两种批处理方法(2)脱机批处理卫星机卫星机:完成面向用户的输入输出(纸带或卡片),中间结果暂存在磁带或c盘上。作业控制命令由监督程序(monitor)来执行,完成如放入程序、编译、运行等操作。优点:同一批内各作业的手动依次更迭,改善了主机CPU和I/O设备的使用效率,提升了吞吐量。缺点:磁带或c盘须要人工装卸,作业须要人工分类,磁带或c盘须要人工装卸linux操作系统原理及应用答案,作业须要人工分类,磁带或c盘须要人工装卸,作业须要人工分类,磁带或c盘
9、需要人工装卸,作业须要人工分类,监督程序易受到用户程序的破坏(由人工干预才可恢监督程序易受到用户程序的破坏(由人工干预才可恢监督程序易受到用户程序的破坏(由人工干预才可恢监督程序易受到用户程序的破坏(由人工干预才可恢复)复)复)复)。通道和中断技术通道:用于控制I/O设备与显存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行,实现CPU与I/O的并行。通道有专用的专用的专用的专用的I/OI/OI/OI/O处理器处理器处理器处理器linux服务器系统,可与CPU并行工作可实现I/OI/OI/OI/O联机处理联机处理联机处理联机处理中断是指CPU在收到外部中断讯号后,停止原先工作,转去处理该中断风波,完毕后回到原先断点
10、继续工作。中断处理过程中断处理过程中断处理过程中断处理过程:中断恳求,中断响应,中断点(暂停当前任务并保存现场),中断处理类库,中断返回(恢复中断点的现场并继续原有任务可处理算术溢出和非法操作码,死循环(借助时钟中断进行超时限定)监督程序发展为执行系统(executivesystem),常驻显存单道批处理的主要问题CPU和I/O设备使用忙闲不均(取决于当前作业的特点)。对估算为主估算为主的作业,外设空闲外设空闲;对I/OI/O为主为主的作业,CPUCPU空闲空闲;多道批处理系统多道批处理的运行特点多道:显存中同时储存几个作业几个作业几个作业几个作业;宏观上并行宏观上并行宏观上并行宏观
11、上并行运行:都处于运行状态,但都未运行完;微观上串行微观上串行微观上串行微观上串行运行:各作业交替使用CPU;多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征资源借助率高资源借助率高资源借助率高资源借助率高:CPU和显存借助率较高;作业吞吐量大作业吞吐量大作业吞吐量大作业吞吐量大:单位时间内完成的工作总数大;用户交互性差用户交互性差用户交互性差用户交互性差:整个作业完成后或中间出错时,才与用户交互,不利于调试和更改;作业平均周转时间长作业平均周转时间长作业平均周转时间长作业平均周转时间长:短作业的周转时间明显下降;分时系统“分时”的涵义分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件
12、资源。抢鲜式和非抢鲜式(preemptive&non-preemptive):出让CPU是OS逼迫或程序主动。分时系统的特征分时系统的特征:人机交互性好人机交互性好人机交互性好人机交互性好:在调试和运行程序时由用户自己操作。共享主机共享主机共享主机共享主机:多个用户同时使用。用户独立性用户独立性用户独立性用户独立性:对每位用户而言似乎独占主机。实时系统(real-timesystem)要求:响应时间短响应时间短响应时间短响应时间短,在一定范围之内;系统可靠性高任务的类型:周期性实时任务:非周期性实时任务:截至时间截至时间(deadline),开始截至时开始截至时间间(最晚开始时间)和完成截
13、止时间完成截至时间(最晚完成时间)1.1.2操作系统发展简介操作系统发展简介同时具有多道批处理多道批处理、分时分时、实时实时处理功能,或则其中两种以上功能的系统,称为通用操作系统。现代流行的操作系统中最为普遍的系统就是多用户分时系统多用户分时系统多用户分时系统多用户分时系统。同时,因为网路已成为计算机发展的主流方向,致使操作系统通常都具有内嵌的网路功能内嵌的网路功能内嵌的网路功能内嵌的网路功能。Linux操作系统就是具有内嵌网路功能的多用户分时系统。它兼有多道批处理和分时处理功能,是一个典型的通用操作系统。思索:多道和分思索:多道和分时时的差的差异别1.2操作系统插口操作系统插口1.2.1
14、程序员级插口程序员级插口编程插口编程插口编程插口编程插口:供用户程序和系统程序调用操作系统功能。:供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和中级语言库函数;系统调用和中级语言库函数;1.2.2用户级插口用户级插口系统命令系统命令系统命令系统命令:供用户用于组织和控制自己的作业运行。:供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或命令行、菜单式或GUIGUI联机联机;命令脚本;命令脚本脱机脱机1.3操作系统的功能操作系统的功能1.3.1处理机管理处理机管理进程控制进程控制进程控制进程控制:创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动改变进程的状态进程同步进程同步进程同
15、步进程同步:协调并发进程之间的推动步骤,以协调资源共享;交换信息能力弱进程通讯进程通讯进程通讯进程通讯:进程之间传送数据,以协调进程间的协作;交换信息能力强,也可以拿来协调进程之间的推动进程调度进程调度进程调度进程调度:作业和进程的运行切换,以充分借助处理机资源和提升系统性能;未必是进程控制操作所造成(可能是时间片轮转、I/O操作)1.3操作系统的功能操作系统的功能1.3.2储存管理储存管理储存分配与回收储存分配与回收储存分配与回收储存分配与回收储存保护储存保护储存保护储存保护:保证进程间互不干扰、相互保密;如:访问合法性检测、甚至要避免从“垃圾”中盗取其他进程的信息;地址映射地址
16、映射地址映射地址映射(变换变换变换变换):进程逻辑地址到显存化学地址的映射;显存扩展显存扩展显存扩展显存扩展(覆盖、交换和虚拟储存虚拟储存虚拟储存虚拟储存):增强显存借助率、扩大进程的显存空间;1.3.3设备管理设备管理设备操作设备操作设备操作设备操作:借助设备驱动程序(一般在内核中)完成对设备的操作。还需处理外设的IRQ。设备独立性设备独立性设备独立性设备独立性(deviceindependence):提供统一的I/O设备插口,使应用程序独立于化学设备,增强可适应性;在同样的插口和操作下完成不同的内容(如FAXModem作为Windows上的复印机设备)。设备分配与回收设备分配与回收设备分配与回收设备分配与回收:在多用户间共享I/O设备资源。虚拟设备(virtualdevice):设备由多个进程共享,每位进程就像独占。缓冲区管理缓冲区管理缓冲区管理缓冲区管理:匹配CPU和外设的速率,提升三者的借助率(单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区)1.3.4文件系统文件系统文件储存空间管理文件储存空间管理文件储存空间管理文件储存空间管理:解决怎样储存信息kali linux,以提升空间借助率和读写性能。目