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计算机软件技术基础:第三讲-操作系统.doc
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《计算机软件技术基础》 教案 - 1 -
第三章 操作系统
3.1 操作系统概述
1. 操作系统的概念
操作系统: 是统一管理和控制计算机系统中所有硬件和软件资源的大型系统软件。是计
算机系统资源的管理者,是用户和计算机之间的接口或界面。
操作系统的层次结构:
操作系统分为核心和外壳两部分,核心的主要任务是负责管理计算机系统的硬件资
源和软件资源;外壳是计算机与用户的接口,用户通过外壳使用和控制计算机。外壳
也称为命令解释程序。
实用程序(如编辑程序、编译程序、调试程序、拷贝程序、数据库管理系统等)往往起
软件工具的作用,可以用来制造别的软件。应用程序不是通用的软件,是面向某一方
面的应用,往往是由实用程序制造开发出来的。在操作系统面前它们处于同等地位。
实用程序和操作系统统称为系统软件。
2. 操作系统的分类
多道批处理操作系统:指在计算机内存中可以同时存放多道作业,用户与作
业之间没有交互作用,不能直接控制作业的运行。如:MVX、
DOS/VSE、 AOS/V
(1)按使用环境分 分时操作系统:指多个用户分享一台计算机,系统将 CPU 的时间轮流分
配给多个用户,每个用户通过终端直接控制程序运行。 如:
UNIX、 XENIX。
实时操作系统:是对来自外界的作用和信息在规定的时间内及时响应并进行
处理的系统。包括实时过程控制和实时信息处理两种,其特点是
响应的及时性和系统的可靠性。如:Irmx、VRTX。
单任务操作系统 如: CP/M、PCDOS
《计算机软件技术基础》 教案 - 2 -
(2)按用户数目分 单用户操作系统 多任务操作系统 如: OS/2、Windows
多用户操作系统 如:UNIX、VMS、MVS、AOS/VS
单机操作系统 如:PCDOS、UNIX V4.0 VMS、MVS、AOS/VS
多机操作系统 如:Match、UNIX V4.2
(3)按硬件结构分 网络操作系统 如:Netware、Sonos、Windows NT、OS/2
warp
分布式操作系统 如:Amoeba
多媒体操作系统 如:Amiga
3. 操作系统的功能与特性
处理机(即 CPU)管理:主要解决多道程序运行时,CPU 的分配策略、实施方
法以及资源的回收问题。
存储管理:主要解决多道程序在内存中的分配,保证各程序互不冲突并不被其它
程序破坏。
主要功能 设备管理:是根据一定的分配原则把设备分配给请求输入/输出的作业,并且
为用户使用各种 I/O 设备提供简单方便的命令。
文件管理:是实现文件的存储和检索,为用户提供方便灵活的文件操作,实现文
件共享,并提供安全、保密等措施。
作业管理:是操作系统向用户提供的一个使用系统的良好环境和友好界面,包括
作业控制和作业调度两部分。作业管理要根据不同的系统要求,
制定相应的作业控制方式和作业调度策略。
并发性 指操作系统能协调控制大量的、可并发执行的程序段,同时运行若
特性 干个用户程序,或使若干个终端同时工作,使 CPU 工作与 I/O 操作并发地
进行。
共享性 指多个任务共同使用系统资源。
不确定性 指对不可预测次序发生的事件进行响应。
3.2 处理机管理
1. 进程管理
(1) 进程与程序的区别
程序 进程
《计算机软件技术基础》 教案 - 3 -
是一组有序的指令集,是一个静态的
概念;同一个程序可以被几个进程同
时执行;程序可以作为一种软件资源
长期保存;程序是进程运行的静态文
本,没有程序就没有进程。
是程序的一次执行过程,是一个动态的概
念;一个进程可以执行一个或几个程序;
进程只是一次执行活动,是暂时的。操作
系统可以为一个作业创建一个或多个进
程。 进程可以并行运行。
(2) 处理机状态:CPU 在交替执行操作系统和用户程序时,根据所运行程序对机器
指令的使用权限(操作系统可使用特权指令,用户程序只能使用非特权
指令),将处理机设置为两种状态:
管理态(又称核心态、管态、特权态):此时程序不受硬件限制,可执行操作系统
的全集,可访问全部存储器和寄存器。操作系统一般在此态运行。
用户态(又称目标态、目态、普通态、问题态):由于受硬件的限制,程序只能执
行非特权指令,访问有限的存储空间和指定的寄存器。用户程序通常都在
此态下运行。
就绪态:指进入内存的进程准备就绪,等待获得 CPU 的状态(即已具备运行
条件,但因 CPU 被别的进程占用,暂时不能运行)。
(3)进程的状态 系统中处于就绪态的进程可以有多个。
运行态:当一个进程已分配到处理机,它的程序正由处理机执行着的状态。
阻塞态:进程因等待某一件事情(如等待 I/O 设备)而暂时不能运行的状态,此
时即使处理机空闲,进程也无法使用。系统中处于阻塞态(又称封
锁态、等待态、睡眠态)的进程也可以有多个。
程序: 描述了进程所要完成的功能。 是进程存在的物质基础。
(4)进程的组成 数据: 是程序加工的对象。
进程控制块 PCB:用来描述进程的一切静态和动态的特征,操作系统只能通过它来
感知和管理进程。每个进程都有且仅有一个进程控制块。
进程控制块的内容:PCB 的具体内容随不同系统而异,一般包括以下信息:
· 进程标识: 唯一地标识进程的名称或代码
· 进程状态: 标识进程是运行态、就绪态或阻塞态
· 进程实体: 指示进程的程序部分和数据部分在存储器中的位置和大小
· 调度信息(优先数): 确定就绪进程转为运行进程的优先级
· 资源信息: 描述内存占用、外设占用等信息
· 现场信息: 包括程序计数器、程序状态字、累加器、变址寄存器的当前值
· 进程通信信息:用于进程间的通信
动态性:指每个进程都有一个“ 创建→执行→撤消”的生存期,在执行期间会经
《计算机软件技术基础》 教案 - 4 -
历一个 “等待→就绪→运行” 的状态变化,是动态地产生和消亡的。
(5) 进程的特征 并发性:指系统中可以同时存在多个进程,这些进程可以并地运行,在
时间上可以部分地重叠。
异步性:指各个进程在逻辑上是独立的,它们在运行过程中按照各自的、不可
预知的速度向前推进。
制约性:指各进程之间可以直接或间接地相互制约。
(6) 进程控制: 指操作系统对全部进程实施有效的管理,进行进程的创建、撤消及更换实
体等工作。进程控制是通过原语(primitive)实现的。
(7) 原语: 是由若干条机器指令构成的、完成某一特定功能的程序段,该程序段的执行
是不可中断的。常用的进程控制原语主要有以下几种:
创建原语:即根据进程调用者提供的有关程序和数据建立该进程的 PCB。
撤消原语:当一个进程完成其任务后,撤消该进程的 PCB,同时释放它所占用的所
有资源。
阻塞原语:当某进程在运行过程中需要等待某个事件发生时,则由该进程调用阻塞原
语把进程从运行状态转为阻塞状态,以便释放它所占用的处理机。
唤醒原语:一个因等待某个事件而处于阻塞态的进程,一旦等待的事件已经发生,
就要用唤醒原语将其转为就绪态,以等待分配处理机。
常用的进程控制原语还有:调度进程运行原语、挂起进程原语、解除进程挂起原语、改
变进程优先数原语等。
(8) 进程调度算法:是处理器的分配策略,常用的有: 先进先出法(First In First
Out)、优先数法(Priority)、轮转调度(Round Robin)、分级调
度。
(9) 进程通信: 即在进程之间交换信息,使整个系统有秩序地运行。
1) 低级进程通信:即信号量的 P-V 操作。信号量是用来表示系统资源物理实体的一种
特殊变量,通常用 S(整型数)表示;操作系统利用信号量的状态来对进
程和资源进行管理。
P 操作 P(S) V 操作 V(S)
一般代表当前进程申请某种资源 一般代表当前进程释放所占用的资源
S:=S-1,即每执行一次 P 操作,S 被减 1 S:=S+1,即每执行一次 V 操作,S 被
加 1
若 S≥0 该进程继续执行,否则置该进程为
“阻塞”状态,并使其在 S 信号量的队列中
等待,直到其它进程在 S 上执行 V 操作释
放它为止。
若 S> 0 该进程继续执行,否则释放 S 信
号量队列中第一个等待者,改变其“阻塞”状
态。
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