嵌入式实时操作系统：RT-Thread设计与实现

操作系统教程.pdf ： CH1 操作系统概论............................................................................................................................1 1.1 操作系统概观............................................................................................................................1 1.1.1 操作系统的定义和目标.....................................................................................................1 1.1.2 操作系统的作用与功能.....................................................................................................2 1.1.3 操作系统的主要特性.........................................................................................................4 1.2 操作系统的形成和发展............................................................................................................6 1.2.1 人工操作阶段.....................................................................................................................6 1.2.2 管理程序阶段.....................................................................................................................6 1.2.3 多道程序设计与操作系统的形成.....................................................................................8 1.2.4 操作系统的发展与分类...................................................................................................11 1.3 操作系统提供的服务和用户接口..........................................................................................18 1.3.1 操作系统提供的基本服务...............................................................................................18 1.3.2 操作系统提供的用户接口...............................................................................................19 1.3.3 程序接口与系统调用.......................................................................................................20 1.3.4 操作接口与系统程序.......................................................................................................22 1.4 操作系统的结构设计..............................................................................................................26 1.4.1 操作系统的构件...............................................................................................................26 1.4.2 整体式结构的操作系统...................................................................................................29 1.4.3 层次式结构的操作系统...................................................................................................29 1.4.4 虚拟机结构的操作系统...................................................................................................31 1.4.5 客户/服务器与微内核结构的操作系统..........................................................................32 1.4.6 操作系统功能的实现模型...............................................................................................35 1.4.7 实例研究：Windows 2000/XP客户/服务器结构...........................................................37 1.5 流行操作系统简介..................................................................................................................41 1.5.1 DOS操作系统...................................................................................................................41 1.5.2 Windows操作系统............................................................................................................42 1.5.3 UNIX操作系统家族.........................................................................................................44 1.5.4 自由软件和Linux操作系统............................................................................................45 1.5.5 IBM系列操作系统...........................................................................................................47 1.5.6 其他流行操作系统...........................................................................................................49 1.6 本章小结..................................................................................................................................50 CH2 处理器管理..............................................................................................................................56 2.1 中央处理器..............................................................................................................................56 2.1.1 单处理器系统和多处理器系统.......................................................................................56 2.1.2 寄存器..............................................................................................................................57 2.1.3 机器指令与特权指令.......................................................................................................58 2.1.4 处理器状态.......................................................................................................................58 2.1.5 程序状态字寄存器...........................................................................................................59 V2.2 中断技术..................................................................................................................................60 2.2.1 中断的概念.......................................................................................................................60 2.2.2 中断源分类.......................................................................................................................60 2.2.3 中断装置..........................................................................................................................61 2.2.4 中断处理程序...................................................................................................................63 2.2.5 中断事件的具体处理方法...............................................................................................63 2.2.6 中断的优先级和多重中断...............................................................................................68 2.2.7 实例研究：Windows 2000/XP中断处理........................................................................69 2.2.8 实例研究：Solaris中断处理..........................................................................................75 2.2.9 实例研究：Linux中断处理.............................................................................................76 2.3 进程及其实现..........................................................................................................................79 2.3.1 进程的定义和属性...........................................................................................................79 2.3.2 进程的状态和转换...........................................................................................................80 2.3.3 进程的描述.......................................................................................................................83 2.3.4 进程切换与模式切换.......................................................................................................87 2.3.5 进程的控制.......................................................................................................................88 2.3.6 实例研究：UNIX SVR4进程管理...................................................................................91 2.3.7 实例研究：Linux进程管理.............................................................................................94 2.4 线程及其实现..........................................................................................................................97 2.4.1 引入多线程技术的动机...................................................................................................97 2.4.2 多线程环境中的进程与线程...........................................................................................98 2.4.3 线程的实现.....................................................................................................................103 2.4.4 实例研究：Solaris的进程与线程................................................................................106 2.4.5 实例研究：Windows 2000/XP的进程与线程..............................................................110 2.5 处理器调度............................................................................................................................116 2.5.1 处理器调度的层次.........................................................................................................117 2.5.2 高级调度.........................................................................................................................117 2.5.3 中级调度........................................................................................................................118 2.5.4 低级调度........................................................................................................................118 2.5.5 选择调度算法的原则.....................................................................................................119 2.6 批处理作业的管理与调度....................................................................................................119 2.6.1 作业和进程的关系.........................................................................................................119 2.6.2 批处理作业的管理.........................................................................................................120 2.6.3 批处理作业的调度.........................................................................................................121 2.6.4 作业调度算法.................................................................................................................121 2.7 低级调度................................................................................................................................124 2.7.1 低级调度的功能.............................................................................................................124 2.7.2 低级调度算法.................................................................................................................124 2.7.3 实时调度........................................................................................................................127 2.7.4 多处理器调度.................................................................................................................128 2.7.5 实例研究：UNIX SVR4调度算法.................................................................................132 2.7.6 实例研究：Windows 2000/XP调度算法......................................................................133 VI2.7.7 实例研究：Linux调度算法...........................................................................................140 2.8 本章小结................................................................................................................................143 CH3 并发进程................................................................................................................................151 3.1 并发进程................................................................................................................................151 3.1.1 顺序程序设计.................................................................................................................151 3.1.2 进程的并发性.................................................................................................................151 3.1.3 与时间有关的错误.........................................................................................................153 3.1.4 进程的交互（Interaction Among Processes）：协作和竞争........................................155 3.2 临界区管理............................................................................................................................156 3.2.1 互斥和临界区.................................................................................................................156 3.2.2 临界区管理的尝试.........................................................................................................157 3.2.3 实现临界区管理的软件方法.........................................................................................158 3.2.4 实现临界区管理的硬件设施.........................................................................................160 3.3 信号量与PV操作.................................................................................................................162 3.3.1 同步和同步机制.............................................................................................................162 3.3.2 记录型信号量与PV操作..............................................................................................163 3.3.3 用记录型信号量实现互斥.............................................................................................166 3.3.4 记录型信号量解决生产者-消费者问题.......................................................................168 3.3.5 记录型信号量解决读者-写者问题...............................................................................170 3.3.6 记录型信号量解决理发师问题.....................................................................................172 3.4 管程........................................................................................................................................172 3.4.1 管程和条件变量.............................................................................................................172 3.4.2 Hoare方法实现管程.......................................................................................................175 3.4.3 Hanson方法实现管程....................................................................................................178 3.5 进程通信................................................................................................................................184 3.5.1 信号通信机制.................................................................................................................184 3.5.2 共享文件通信机制`.......................................................................................................185 3.5.3 共享存储区通信机制.....................................................................................................188 3.5.4 消息传递通信机制.........................................................................................................189 3.5.5 有关消息传递实现的若干问题.....................................................................................192 3.6 死锁........................................................................................................................................195 3.6.1 死锁的产生.....................................................................................................................195 3.6.2 死锁的定义.....................................................................................................................196 3.6.3 死锁的防止.....................................................................................................................197 3.6.4 死锁的避免.....................................................................................................................198 3.6.5 死锁的检测和解除.........................................................................................................206 3.7 实例研究：WINDOWS 2000/XP的同步和通信机制...........................................................209 3.7.1 Windows 2000/XP的同步和互斥机制...........................................................................209 3.7.2 Windows2000/XP进程通信机制....................................................................................210 3.8 实例研究：LINUX信号量机制.............................................................................................211 3.9 本章小结................................................................................................................................212 VIICH4 存储管理................................................................................................................................225 4.1 主存储器................................................................................................................................225 4.1.1 存储器的层次.................................................................................................................225 4.1.2 快速缓存（caching）....................................................................................................226 4.1.3 地址转换与存储保护.....................................................................................................227 4.2 连续存储空间管理................................................................................................................227 4.2.1 单用户连续存储管理.....................................................................................................227 4.2.2 固定分区存储管理.........................................................................................................229 4.2.3 可变分区存储管理.........................................................................................................230 4.3 分页式存储管理....................................................................................................................235 4.3.1 分页式存储管理的基本原理.........................................................................................235 4.3.2 相联存储器和快表.........................................................................................................236 4.3.3 分页式存储空间的分配和去配.....................................................................................237 4.3.4 分页存储空间的页面共享和保护.................................................................................238 4.3.5 多级页表........................................................................................................................238 4.3.6 反置页表........................................................................................................................240 4.4 分段式存储管理....................................................................................................................241 4.4.1 程序的分段结构.............................................................................................................241 4.4.2 分段式存储管理的基本原理.........................................................................................241 4.4.3 段的共享........................................................................................................................243 4.4.4 分段和分页的比较.........................................................................................................243 4.5 虚拟存储管理........................................................................................................................243 4.5.1 虚拟存储器的概念.........................................................................................................243 4.5.2 请求分页虚拟存储管理.................................................................................................245 4.5.3 请求分段虚拟存储管理.................................................................................................261 4.5.4 请求段页式虚拟存储管理.............................................................................................262 4.6 实例研究：INTEL X86/PENTIUM存储管理硬件设施...........................................................263 4.6.1 Intel x86/Pentium段机制——段选择符和段描述符....................................................264 4.6.2 Intel x86/Pentium运行模式选择....................................................................................265 4.6.3 Intel x86/Pentium地址转换............................................................................................265 4.6.4 Intel x86/Pentium页式或段页式地址转换....................................................................266 4.7 实例研究：WINDOWS 2000/XP虚拟存储管理...................................................................268 4.7.1 进程地址空间布局.........................................................................................................268 4.7.2 用户空间内存分配.........................................................................................................269 4.7.3 内存管理的实现.............................................................................................................273 4.8 实例研究：LINUX的存储管理.............................................................................................279 4.8.1 Linux存储管理概述.......................................................................................................279 4.8.2 虚拟地址空间的组织和管理.........................................................................................279 4.8.3 物理内存空间的管理.....................................................................................................280 4.8.4 用户态内存的申请与释放.............................................................................................281 4.8.5 内存的共享和保护.........................................................................................................282 VIII4.8.6 交换空间、页面的换出和调入.....................................................................................283 4.8.7 缓冲机制........................................................................................................................284 4.9 本章小结................................................................................................................................285 CH5 设备管理................................................................................................................................292 5.1 I/O硬件原理..........................................................................................................................292 5.1.1 I/O系统...........................................................................................................................292 5.1.2 I/O控制方式...................................................................................................................293 5.1.3 设备控制器.....................................................................................................................297 5.2 I/O软件原理..........................................................................................................................298 5.2.1 I/O软件的设计目标和原则...........................................................................................298 5.2.2 I/O中断处理程序...........................................................................................................299 5.2.3 设备驱动程序.................................................................................................................300 5.2.4 与硬件无关的操作系统I/O软件.................................................................................300 5.2.5 用户空间的I/O软件.....................................................................................................302 5.3 具有通道的I/O系统管理.....................................................................................................302 5.3.1 通道命令和通道程序.....................................................................................................302 5.3.2 I/O指令和主机I/O程序................................................................................................304 5.3.3 通道启动和I/O操作过程.............................................................................................305 5.4 缓冲技术................................................................................................................................306 5.4.1 单缓冲............................................................................................................................306 5.4.2 双缓冲............................................................................................................................307 5.4.3 多缓冲............................................................................................................................307 5.5 驱动调度技术........................................................................................................................308 5.5.1 存储设备的物理结构.....................................................................................................308 5.5.2 循环排序........................................................................................................................309 5.5.3 优化分布........................................................................................................................310 5.5.4 交替 ------------