计算机操作系统原理

计算机操作系统原理

课程参考书

1. 2. 3. 4. 5.

[张]张尧学，史美林，计算机操作系统教程，清华大学出版社

[Stallings98]William Stallings, Operating Systems(3rd edition), 清华大学出版社 *《操作系统：设计与实现》（第2版） 电子工业出版社 汤子瀛等,《计算机操作系统》,西安电子科技大学出版

[Vahalia] Uresh Vahalia, UNIX高级教程—系统技术内幕，清华大学出版社

课程要求

作业：10% 平时：10% 考试：70% 课程报告：10%

周数 周 讲课 学时 练习 学时 实验 学时 机动 学时 合计 学时 课程进度安排

日期 2．18 2．25 2．28 3．21 4．4

周次 1 2 2 5 7 讲课内容分章和分节的名称 第一章 绪论 1.1操作系统的历史 1.2 操作系统的概念 1.3操作系统的功能 第二章 操作系统用户界面 第三章 进程管理 3.1进程的概念 3.2 进程的描述 3.3进程状态及其转换 3.4进程控制 3.5 进程互斥 3.6 进程同步 3.7进程通信 3.8 死锁问题 3.9 线程 实验一 进程管理 第四章 处理机调度 4.1 分级调度 4.2作业调度 4.3 进程调度 4.4调度算法 4.5 实时系统调度方法 -1-

课内时数 4 2 12 8 2 4．8 4．15 4．29 5．6 5．20 5．30 6．13

8 9 11 12 14 15 17 实验二 处理机调度 第五章 存储管理 5.1存储管理的功能 5.2分区存储管理 5.3 覆盖与交换技术 5.4 页式管理 5.5 段式与段页式管理 5.6 局部性原理和抖动问题 实验三 存储管理 第六章 文件系统 6.1 文件系统的概念 6.2 文件的逻辑结构与存取方法 6.3 文件的物理结构与存取设备 6.4 文件存储空间管理 6.5 文件目录管理 6.6 文件存取控制 6.7 文件的使用 6.8 文件系统的层次模型 实验四 文件管理 第七章 设备管理 8.1 引言 8.2 数据传送控制方式 8.3 中断技术 8.4 缓冲技术 8.5 设备分配 8.6 I/O进程控制 8.7 设备驱动程序 复习 4 8 4 8 6 8 2 第一章 操作系统引论

1. 操作系统的作用、分类

2. 处理机、作业、存储、设备、文件管理 3. 常用OS的知识、新型操作系统 4. 用户界面

操作系统的英文名称为Operating System，简称OS，它是计算机系统运行和工作必不可少的软件。无论是巨型机、大型机，不是中小型机，也无论是台式个人计算机，便携式微型机，还是连接多台计算机的计算机网络，都离不开操作系统。

一个完整的计算机系统是由硬件(通常由中央处理机、存储器、I/O设备等部件组成，它构成了系统本身和作业赖以活动的物质基础和工作系统。)和软件(程序、数据、文档的统称)两部分组成的（图1.1）。其中软件部分又分为系统软件和应用软件。应用软件指的是为了某一类的应用而设计的程序，或用户为了解决某个特定问题而编制的程序。系统软件包括操作系统、语言处理程序和常用的例行服务程序。操作系统是系统软件的基本部分。系统软

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件由计算机公司提供，面向机器本身，其算法和功能不依赖于特定的用户。它的主要任务是使得硬件所提供的能力可以得到充分的利用，支持用户应用软件的运行并提供恰当的服务。因此，系统软件的设计必须十分注意其正确性及效率。在计算机系统中，所有这些软、硬件资源（泛称资源）必须由一个统一的管理者来协调它们正确、可靠、高效地工作，这就是OS的使命。所以，如果将构成计算机系统的一切硬件系统和软件系统称为资源，则操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程以及方便用户的程序的集合。是最基本的系统软件，是硬件机器的第一级扩充(图1.2)。

应用软件

软件

计算机系统 (层次结构)

系统软件

操作系统

硬件及固件（裸机）

图1.1 计算机系统的组成

编辑软件，编译软件

应用用户应用开发人员用户应用系统工具操作系统计算机硬件 图1.2 操作系统在计算机系统中的地位

操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境） 引入操作系统的目标：

? 有效性（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

? 方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数

量差别

? 可扩充性（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

操作系统开发人员一、操作系统的作用

可以从不同的观点来观察操作系统的作用。从一般用户的观点，可把操作系统看做是用户与计算机硬件系统之间的接口；从资源管理观点，则可把OS视为计算机系统资源的管理者。

1．用户界面的观点

对于用户来说，对操作系统的内部结构并没有多大的兴趣，他们最关心的是如何利用操作系统提供的服务来有效的使用计算机。因此操作系统提供了什么样的用户界面成为关键问题。一般情况下，用户界面有两种方式：

（1） 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令（语言），用户可通过键盘键入有关的

命令，来直接操作计算机系统。

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（2） 系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过调用相应的系

统调用来操作计算机。

2．资源管理观点

这种观点把操作系统看作管理系统资源的程序集合，根据它所管理的资源类别来考虑操作系统的结构。它在共享的前提下，以资源的分配、使用和回收作为出发点，来考虑操作系统各部分程序的功能和算法，解决并行环境中资源的管理问题。通常，把操作系统分为处理机管理、存储管理、作业管理、设备管理、文件管理等五个主要部分，由这几部分程序的协调配合运行来完成用户的作业要求。 3．虚拟机观点

对于任何一个软件来说，它都有一个用户机器和一个基本机器。用户机器是该软件和基本机器的结合，提供了该软件以及基本机器的的所有功能。基本机器则是该软件运行的环境。操作系统的用户机器提供了操作系统的全部功能（系统调用、命令、作业控制语言等等），又称操作系统虚机器。它的基本机器则是硬件机器。虚机器观点从功能分解的角度出发来考虑操作系统的结构，将操作系统分成若干个层次，每一层次完成特定的功能从而构成一个虚机器，并为上一层次提供支持，构成它的运行环境，通过逐个层次的功能扩充最终完成操作系统虚机器。从而向用户提供全套的服务，完成用户的作业要求。

OS是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序的集合。

二、操作系统的ＯＳ的历史（形成和发展）

操作系统是在人们不断地改善计算机系统性能和提高资源利用率的过程中，逐步地形成和发展起来的。随着机器硬件的功能和性能的不断提高，机器的处理能力越来越强，提供的资源越来越多。如果仍然采用单个用户独占一台计算机的使用方式，势必造成相当大的浪费。为了更加有效地使用机器的资源，希望有多个用户同时利用机器来完成各自的工作，即各个用户同时使用不同的资源（例如外部设备、CPU等），既相对独立，又彼此协调。正是在这种实际要求面前，操作系统才得以问世。下面是OS形成过程中的几个里程碑： 1.手工操作阶段

早期的计算机采用人工操作方式，由操作员将纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机）等输入设备，通过输入设备将程序和数据输入计算机，当程序完成并人工取走纸带和计算结果后，才让下一用户上机操作。这种人工操作方式具有以下两个特点：

（１）用户独占全机。一台计算机为一个用户独占，系统中的全部资源由他一人支配，因此用户可以较方便地使用各种资源，不会出现因资源已被其它用户占用而等待的现象。但资源利用率却非常低。

（２）CPU等待人工操作。用户仅在上机时才能将纸带或卡片装入相应的输入设备，显然，此时CPU空闲；当计算完成，进行当卸带取卡操作时，CPU又空闲。可见，CPU的利用极不充分，这在运行短程序时尤为突出。 矛盾：①使用不方便；②串行操作

可见，人工操作方式严重地降低了资源的利用率，此即所谓的人-机矛盾。随着CPU速度的提高，CPU和I/O设备间不匹配的矛盾日益严重。为缓和此矛盾，必须摆脱手工干预，实现作业的自动过渡，因此出现了成批处理。 2.早期批处理阶段

在计算机发展的早期阶段，用户上机时需自己建立、运行作业，并最后作结尾处理。为了缩短作业的建立时间，人们研制了监督程序，它是一个常驻内存的小的核心代码。当若干用户作业合成一个作业执行序列时，监督程序自动地依次执行。早期的批处理可分为两种方

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