《操作系统基础》课程详细讲义(完整版)

操作系统基础课程讲义操作系统基础课程讲义 曹效阳曹效阳 第一部分第一部分 概论概论 第一章第一章 引引 论论 前言前言 近代典型的操作系统：近代典型的操作系统： DOS WIN 32 WINDOWS95 WINDOWS2000 特点是：个人 PC，单用户系统（单任务/多用户） (WINDOWS NT UNIX LINUS ) 特点是：多用户/多任务系统 现代的 UNIX 系统： SOLARIX SVR4 SCO winserver2003-2008 现代操作系统的主要特征：现代操作系统的主要特征： 1 多线程机制 2 微内核结构（ 内核线程 用户线程 ） 3 C/S 模式 4 SMP 结构，对称多处理机制 5 分布式系统结构 6 网络系统结构 操作系统这门课需要操作系统这门课需要注意注意的概念：进程的概念：进程 线程线程 程序程序 作业作业 任务任务 服务服务 进程是 程序的动态执行体，拥有资源的基本单元，被调度的基本单元 线程是 进程的执行单元（不拥有资源） ，可调度的实体，相对独立进程中的控制序列 程序是 实现某些功能和服务的计算机指示编码（静态） 作业是 从用户角度需要计算机完成的工作 任务是 以计算机的角度需要执行的工作 服务是 提供某种功能的，以系统服务框架启动的程序或进程。 计算机的资源：计算机的资源： 计算机的组成（计算机的资源） 图-1 计算机的组成 计算机的资源计算机的资源（硬件硬件与与软件软件）包括：包括： 1 处理器 2 内存 3 中断 4 通道 5 信号 6 消息 1 2 3 4 是非消耗性资源，而 5 6 是消耗性的资源 计算机的结构：计算机的结构： 系统软件： 计算机管理，维护 ，控制和运行以及对程序提供编译，装载，网络通信等服务工作 应用软件： 为某一类的应用需要而设计的程序，用户为解决特定问题而编制的程序或系统 操作系统操作系统的层次结构的层次结构： 1 2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展 计算机操作系统的作用： 1系统资源管理：处理器的管理，存储器管理，设备管理，文件及作业管理。 2合理调度资源，使用户方便，安全共享使用系统资源。 3提供输入，输出接口，简化用户的输入，输出工作。 4规定用户接口，发现并处理各种错误。 应用程序 系统的服务程序 操作系统 计算机硬件 （用户接口）安全，程序，图形 （操纵，管理硬件设备）CPU 管理，存储管理，设备管理 作业管理，文件管理 （操作系统对象）处理器，存储器，外设，文件 （运算器） （存储器） （控制器） （输出） （输出） 操作系统的定义：操作系统的定义： 操作系统是控制与调度系统资源，方便用户安全共享使用计算机系统的软件集合。 或者 一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理对各类的作业进行调度，方便用户使用的程序的集 合。 操作系统的发展操作系统的发展 无操作系统的阶段 1 人工操作方式： （1945-1960）程序员直接使用计算机系统，用纸带机，卡片装载程序与数据，然后 运行，完毕后取走计算结果，让下一个用户继续上机。 （1）用户独立 （2）CPU 等待人工操作 操作系统的发展是为了解决人与机器的矛盾。 解决计算机资源的利用率。 当这个矛盾日益剧烈时， 就出现了连续处理，通道技术，缓冲技术等技术来解决这个矛盾。 2脱机输入，输出的方式。 处理的过程：输入设备外用机磁带，磁盘主机磁带，磁盘外用机输出设备 （1）减少 CPU 的空闲时间 （2）提高 I/O 速度 3单道批处理系统（在内存中只有一道 程序在运行。 提高系统的资源利用率。 ） （1）自动性 （2）顺序性 （3）单道性 4多道批处理系统 多道程序的特点 （1）多道性 内存中同时驻留多道程序，并允许并发执行 （2）无序性 多个作业完成的顺序与其进行内存的顺序和对应系统 （3）调度性 1 作业的调度，在外存中选择作业 2 进程的调度，在内存中选择作业 优点/缺点 1 资源利用率提高 2 系统的吞吐量大 3 周期长 4 无交互能力 多道程序系统多道程序系统需要解决的问题需要解决的问题 （1） 处理机的管理问题 （2） 内存的管理问题 （3） I/O 设备的管理问题 （4） 文件的管理问题 （5） 作业的管理问题 5分时系统 多道程序批处理系统其中一个很大的缺点，就是没有交互性，分时系统是要解决这个问题。 1 人机交互 2 共享主机 3 便于用户使用系统 最关键的问题是解决如何是用能与自己的作业交互 及时接收 及时处理,对用户的终端提供扫描 分时系统的实现 1 作业直接进入内存 2 时间片的概念 1 )单道分时系统，外存与内存的切换 具有前台/后台的分时系统 前台区按时间片调入和调出作业 后台存放批处理作业 2) 多道分时系统 内存装载多道程序，时间片运行 分时系统的特征 （1）多道性：允许一台主机同时连接多台联机终端 （2）独立性：每一个用户占有一个终端,操作独立 (3）及时性：用户的请求能在短时间内获得响应 （4）交互性：用户通过终端进行人机对话 6.实时系统：操作系统对完成的任务有时间要求 实时控制（过程控制） 实时信息处理 实时任务的类型 1） 任务实现的同期性与否 （1）同期性实时任务 （2）非同期性的实时任务 开始截止时间 完成截止时间 2 ）截止时间的要求高低 （1） 硬实时任务 （2） 软实时任务 实时系统的特点 1） 多路性,用户现场信息的采集与控制 2） 独立性 4） 及时性 5） 交换性,有分时系统中的用户提供用户处理服务 6） 可靠性 现代的操作系统：现代的操作系统：三种操作系统三种操作系统 批处理、分时系统、实时系统的混合批处理、分时系统、实时系统的混合 操作系统的共有特点 （1） 并发 （2） 共享 （3） 虚拟 （4） 异步性（同步的问题） 网络操作系统 在原有的基础上增加： 网络通讯 提供网络服务功能 WindowNT 操作系统结构（现代操作系统） 1 线程调度 2 进程开关 3 中断处理，多处理器同步 4 系统的功能通过服务完成 第二章第二章 操作系统的运行环境操作系统的运行环境 21 硬件环境 211 中央处理器（CPU） 1 特权指令 CPU 的指令已分有助于计算机系统工作于多用户与多道程序的环境中，特权指令的定义，区分 CPU 所执行所执行的所执行的程序的宿主，需设定一定的处理器状态字状态字。 2 处理器的状态 核心态，管理态，用户状态简称管态、目态 3程序状态字。 PSW。控制指令执行顺序，并且保留和批示程序 Inter 的 pentium 有关的系统状态。 其内容包括：执行条件，指令执行后的结果特征。 .程序的状态 中断屏蔽 中断码 CPU 的工作状态 中断屏蔽位 “PSW（程序状态字）PC（程序计数器） ” 例如 Inter 中的 EFLAGS 32 位 适用CPU 的类型。8086、486，执行指令 386、486、Pentium.Dual、III 0. CF（1bit） 进位标志 2. PF（1bit） 奇偶标志 4. AF（1bit） 辅助进位：半进位 6. ZF（1bit） 零标志 7. SF（1bit） 符号标志 8. TF（1bit） 防陷标志、单步执行模式 9. IF（1bit） 中断标志 10. DF（1bit） 方向标志 11. OF（1bit） 溢出标志 1213. CPL（2bit）特权指令）特权指令 只有在该标志位为零是可以执行只有在该标志位为零是可以执行 IRET、POPF 指令指令 14 NT（1bit） 嵌套标志、返回 16 RF （1bit） 17 VM（1bit） 虚拟 8086 模式 18 AC（1bit） 地址对齐检测 19 VIF （1bit） 虚拟中断标志 20 VIF （1bit） 虚拟中断遗留标志 21 CPUID 指令支持标志 其他的为保留位，均设置为零 以下是详解： 状态标志状态标志(Status Flags) EFLAGS 寄存器的状态标志(0、2、4、6、7 以及 11 位)指示算术指令（如 ADD, SUB, MUL 以及 DIV 指 令）的结果，这些状态标志的作用如下： CF(bit 0) Carry flag 若算术操作产生的结果在最高有效位(most-significant bit)发生进位或借位则将其 置 1，反之清零。这个标志指示无符号整型运算的溢出状态，这个标志同样在多倍精度运算 (multiple-precision arithmetic)中使用。 PF(bit 2) Parity flag 如果结果的最低有效字节(least-significant byte)包含偶数个 1 位则该位置 1，否 则清零。 AF(bit 4) Adjust flag 如果算术操作在结果的第 3 位发生进位或借位则将该标志置 1，否则清零。这个 标志在 BCD(binary-code decimal)算术运算中被使用。 ZF(bit 6) Zero flag 若结果为 0 则将其置 1，反之清零。 SF(bit 7) Sign flag 该标志被设置为有符号整型的最高有效位。(0 指示结果为正，反之则为负) OF(bit 11) Overflow flag 如果整型结果是较大的正数或较小的负数，并且无法匹配目的操作数时将该 位置 1，反之清零。这个标志为带符号整型运算指示溢出状态。 在这些状态标志中，只有 CF 标志能够通过使用 STC, CLC 以及 CMC 指令被直接修改，或者通过位指令 (BT, BTS, BTR 以及 BTC)将指定的位拷贝至 CF 标志中。 这些状态标志允许单个的算术操作产生三种不同数据类型的结果：无符号整型，有符号整型以及 BCD 整 型。如果把该结果当做无符号整型，那么 CF 标志指示越界(out-of-range)状态即进位或借位，如果被 当做有符号整型，则 OF 标志指示进位或借位，若作为 BCD 数，那么 AF 标志指示进位或借位。SF 标志 指示有符号整数的符号位，ZF 指示结果为零。此外在执行多倍精度算术运算时，CF 标志用来将一次运算 过程中带进位的加法(ADC)或带借位的减法(SBB)产生的进位或借位传递到下一次运算过程中。 DF 标志标志(DF flag) 这个方向标志(位于 EFLAGS 寄存器的第 10 位)控制串指令(MOVS, CMPS, SCAS, LODS 以及 STOS)。 设置 DF 标志使得串指令自动递减（从高地址向低地址方向处理字符串），清除该标志则使得串指令自动 递增。STD 以及 CLD 指令分别用于设置以及清除 DF 标志。 系统标志以及系统标志以及 IOPL 域域(System Flags and IOPL Field) EFLAGS 寄存器中的这部分标志用于控制操作系统或是执行操作，它们不允许被应用程序所修改它们不允许被应用程序所修改。这些标 志的作用如下： TF(bit 8) Trap flag 将该位设置为 1 以允许单步调试模式，清零则禁用该模式。 IF(bit 9) Interrupt enable flag 该标志用于控制处理器对可屏蔽中断请求(maskable interrupt requests) 的响应。置 1 以响应可屏蔽中断，反之则禁止可屏蔽中断。 IOPL(bits 12 and 13) I/O privilege level field 指示当前运行任务的 I/O 特权级(I/O privilege level)，正 在运行任务的当前特权级(CPL)必须小于或等于 I/O 特权级才能允许