第二章 操作系統

　　軟件是為了使用戶使用并充分發揮計算機性能和效率的各種程序和數據的統稱。 軟件又分為系統軟件和應用軟件。系統軟件是所有用戶使用的為了解決用戶使用計算機而編制的程序。 應用軟件是為解決某特定的問題而編制的程序。 操作系統是硬件與所有其他軟件之間的接口，而且是整個計算機系統的控制和管理中心。

　　操作系統兩個重要作用：

　　1 管理系統中各種資源。所有硬件部分稱為硬件資源。而程序和數據等信息成為軟件資源。

　　2 為用戶提供良好的界面。

　　操作系統的特征：1 并發性。是在計算機系統中同時存在多個程序，宏觀上看，這些程序是同時向前推進的。在單CPU上，這些并發執行的程序是交替在CPU上運行的。 程序并發性體現在兩個方面：①用戶程序與用戶程序之間的并發執行。②用戶程序與操作系統程序之間的并發。 2 共享性。資源共享是操作系統程序和多個用戶程序共用系統中的資源。 3 隨機性。隨機性指：操作系統的運行是在一個隨機的環境中，一個設備可能在任何時間向處理機發出中斷請求，系統無法知道運行著的程序會在什么時候做什么事情。 沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機。 操作系統是硬件的第一層軟件擴充。

　　操作系統的功能：

　　1 進程管理：主要是對處理機進行處理。隨著系統對處理機管理方法不同，其提供的作業處理方式也不同，例如有批處理方式，分時方式和實時方式。 2 存儲管理：主要是管理內存資源。當內存不夠的時候，解決內存擴充問題，就是內存和外存結合起來的管理，為用戶提供一個容量比實際內存大的多的虛擬存儲器，這是操作系統的存儲功能的重要任務。 3 文件管理。系統中的信息資源是以文件的形式存放在外存儲器上的。 4 設備管理。設備管理是計算機系統中除了CPU和內存外的所有輸入，輸出設備的管理。 5 用戶和操作系統的接口。

　　操作系統的分類： 1 批處理操作系統。 兩個特點：一是多道，一是成批。多道是系統內同時容納多個作業，這些作業存放在外存中 ，組成一個后備作業序列，系統按一定的調度原則每次從后備作業中選取一個或多個作業放入內存中運行，運行作業結束并退出運行和后備作業進行運行均由系統自動實現，從而在系統中形成一個自動轉接的連續的作業流。而成批是系統運行中不允許用戶和他的作業發生交互關系。 批處理系統追求的目標是提高系統資源利用率和大作業吞吐量以及作業流程的自動化。

　　2 分時系統。 分時系統允許多個用戶同時連機使用計算機。

　　操作系統采用時間片輪轉的方式處理每個用戶的服務請求。

　　特點：①多路性。②交互性。又叫交互操作系統。③獨立性。④及時性。分時系統性能的主要指標之一的是響應時間，是從終端發出命令到系統與應答的時間。 通常計算機系統采用批處理和分時處理方式來為用戶服務。時間要求不強的作業放入后臺批處理處理，需要頻繁交互的作業在前臺分時處理。

　　3 實時系統。 系統能夠及時響應隨機發生的外部事件，并在嚴格的時間范圍內完成對該事件的處理。實時系統作為一個特定應用中的控制設備來使用。 分為兩類：①實時控制系統。②時信息處理系統。特點：及時響應和高可靠性。

　　4 個人計算機操作系統。個人計算機操作系統是一個聯機交互的單用戶操作系統，它提供的聯機交互功能與分時系統所提供的功能很相似。 5 網絡操作系統。 計算機網絡是通過通信設施將地理上分散的具有自治功能的多個計算機系統互連起來，實現信息交換，資源共享，互操作和協作處理的系統。網絡操作系統就是在原來的各自計算機系統操作上，按照網絡體系結構的各個協議標準進行開發，使之包括網絡管理，通信，資源共享，系統安全和多種網絡應用服務的操作系統。 6 分布式操作系統。

　　研究操作系統的幾種觀點：1 從資源管理觀點：把操作系統分為處理機管理，存儲管理，設備管理，文件管理，用戶與操作系統的接口等5個主要部分。2 虛機器觀點：用戶不再直接使用硬件機器，而是通過操作系統來控制和使用計算機，從而把計算機擴充為功能更強，使用更加方便的計算機系統。操作系統的全部功能，稱為操作系統虛機器。

　　操作系統所涉及的硬件環境：1 特權指令與處理機狀態。特權指令和非特權指令。特權指令是只允許操作系統使用，而不允許一般用戶使用的指令。非特權指令之處的指令稱為非特權指令，非特權指令的執行不影響其他用戶以及系統。 2 CPU狀態。 CPU交替執行操作系統程序和用戶程序。 CPU的狀態屬于程序狀態字PSW的一位。大多數計算機系統將CPU執行狀態分為管態和目態。 管態又叫特權態，系統態或核心態。CPU在管態下可以執行指令系統的全集。通常，操作系統在管態下運行。 目態又叫常態或用戶態。機器處于目態時，程序只能執行非特權指令。用戶程序只能在目態下運行，如果用戶程序在目態下執行特權指令，硬件將發生中斷，由操作系統獲得控制，特權指令執行被禁止，這樣可以防止用戶程序有意或無意的破壞系統。從目態轉換為管態的唯一途徑是中斷。從管態到目態可以通過修改程序狀態字來實現，這將伴隨這由操作系統程序到用戶程序的轉換。

　　中斷機制：中斷機制是現代計算機系統中的基礎設施之一，它在系統中起著通信網絡作用，以協調系統對各種外部事件的響應和處理。 中斷是實現多道程序設計的必要條件。 中斷是CPU對系統發生的某個事件作出的一種反應。 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。發生中斷時被打斷程序的暫停點成為斷點。CPU暫�，F行程序而轉為響應中斷請求的過程稱為中斷響應。處理中斷源的程序稱為中斷處理程序。CPU執行有關的中斷處理程序稱為中斷處理。而返回斷點的過程稱為中斷返回。 中斷的實現實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稱為中斷系統。

　　一般將中斷源分為兩大類：強迫性中斷和自愿性中斷。

　　強迫性中斷是正在運行的程序所不期望的，它們是或發生，何時發生事先無法預料，因而運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備的中斷。2 硬件故障中斷 3 時鐘中斷，如硬件時鐘到時。 4 控制臺中斷，如系統控制員通過控制臺發出命令。 5 程序性中斷

　　自愿性中斷是正在運行的程序有意識安排的，通常是由于程序員在編制程序時，因要求操作系統提供服務而有意使用訪管指令或系統調用，從而導致中斷的，所以又稱其為訪管中斷。 系統為每類中斷設置一個中斷處理程序。每個中斷處理程序都有一個入口地址PC及其運行環境PSW，它們被稱為中斷向量，保存在內存中固定的單元。 中斷響應是解決中斷的發現和接受問題，是由中斷裝置完成的。中斷響應是硬件對中斷請求作出響應的過程，包括識別中斷源，保留現場，引出中斷處理程序等過程。 CPU每執行完一條指令，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入中斷處理程序，這就是中斷響應。

　　系統根據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級別，稱為中斷優先級。

　　中斷屏蔽是指在提出中斷請求之后，CPU不予響應的狀態。它常常用來在處理某一中斷時防止同級中斷的干擾或在處理一段不可分割，必須連續執行的程序時防止任何中斷事件的干擾。

　　CPU是否允許某類中斷，由當前程序狀態字中的中斷屏蔽位決定。

　　屏蔽中斷源相當于關中斷，處于關中斷狀態下執行的程序段因盡量短，否則可能會丟失信息，也會影響系統的并發性。

　　中斷處理過程：1保存被中斷程序的現場。2分析中斷源，確定中斷原因。3轉去執行相應的處理程序。4恢復被中斷程序現場，繼續執行被中斷程序。

　　操作系統向用戶提供兩類接口：一類是用于程序級的，另一類是用于作業控制一級的。1 程序級接口。 它由一組系統調用命令組成。與機器指令不同之處在于系統調用命令由操作系統核心解釋執行。

　　系統調用是操作系統向用戶提供的程序一級的服務，用戶程序借助與系統調用命令來向操作系統提出各種資源要求和服務請求。

　　一般系統調用可分為幾類：設備管理類，文件管理類，進程控制類，進程通信類，存儲管理類。 2 作業級接口。這類接口是系統為用戶在作業一級請求系統服務而設置的，用戶可利用這組接口組織作業的工作流程和控制作業的運行。作業級接口分為聯機接口和脫機接口：①聯機接口。聯機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服務的手段。鍵盤操作命令的作業控制方式靈活方便，用戶可以根據運行情況隨時干預自己的作業，但是系統利用率不高 ②脫機接口。由一組作業控制命令組成，供脫機用戶使用。 這種接口主要是用于批處理方式操作系統，其優點是作業的操作過程由系統自動調度或系統操作員干預，因而系統利用率高。 處理機是計算機系統中最重要的資源。

　　多道程序設計是操作系統所采用的最基本，最重要的技術。其根本目的是提高整個系統的效率。 衡量系統效率的尺度是系統吞吐量。所謂吞吐量是單位時間內系統所處理作業的道數。 進程是具有一定獨立功能的程序關于某個數據集合上的一次運行運動，進程是系統核心資源分配和調度的一個獨立單位。 進程可以分為系統進程和用戶進程兩類。 系統進程的優先級通常高與一般用戶進程的優先級。 從靜態的角度看，進程是程序，數據和進程控制塊PCB三部分組成。

　　進程和程序的區別是程序是靜態的，而進程是動態的。 一個進程可以執行一個或幾個程序，一個程序也可以構成多個進程。

　　被創建的進程成為子進程，創建者稱為父進程，從而構成進程家族。 操作系統的并發性和共享性正是通過進程的活動體現出來的。

　　(進程特征)1 并發性。2 動態性。3 獨立性。4 交往性。5 異步性。

　　進行中的進程可以處于以下三種之一：運行，就緒，等待。

　　運行狀態是進程已經獲得CPU，并且在CPU上執行的狀態。顯然，在一個單CPU系統上，最多只有一個進程處于運行狀態。

　　就緒狀態，是一個進程已經具備運行條件，但是由于沒有獲得CPU而不能運行所處的狀態。 等待狀態，也叫阻塞狀態或封鎖狀態。是進程因等待某種事件發生而暫時不能運行的狀態。

　　在任何時刻，任何進程都處于且僅處于以上3種狀態之一。

　　為了便于系統控制和描述進程的活動進程，在操作系統核心中為進程定義為一個專門的數據結構，成為進程控制塊PCB。

　　PCB信息可以分成為調度信息和現場信息兩部分。

　　每個進程都有自己專用的工作存儲區，其他進程運行時不會改變它的內容。 進程是程序，數據和進程控制塊PCB三部分組成。

　　系統中進程隊列分為3類：

　�、倬途w隊列。②等待隊列。③運行隊列。在單機系統中整個系統只有一個。實際上，一個運行隊列中只有一個進程。

　　進程同步是進程之間一種直接的協同工作關系，是一些進程相互合作，共同完成一項任務。進程之間間接相互作用構成進程同步。

　　各個進程互相排斥使用這些資源，進程之間的這種關系是進程的互斥。 進程之間的間接相互作用叫做進程的互斥。

　　系統中一些資源一次只允許一個進程使用，這個資源稱為臨界資源。而在進程中訪問臨界資源的那一段程序稱為臨界區。

　　系統對臨界區的調度原則歸納為：當沒有進程在臨界區時，允許一個進程立即進入臨界區;若有一個進程已經在臨界區，其他要求進入臨界區的進程必須等待，進程進入臨界區的要求必須在有限時間里得到滿足。 信號量。被P和V操作使用。 原語是由若干條機器指令構成的一段程序，用以完成特定功能。 原語在執行過程中不可分割。高級通信原語，解決大量信息交換問題。

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