1、第一章：引論,計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，操作系統(tǒng)是配置在計算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對硬件的第一次擴(kuò)充是計算機(jī)系統(tǒng)中最核心的系統(tǒng)軟件，其他的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序都是在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來的,操作系統(tǒng)的作用：,操作系統(tǒng)是用戶與計算機(jī)硬件之間的接口 操作系統(tǒng)是計算機(jī)資源的管理者 通過操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源（硬件資源、軟件資源）的管理（處理器管理、I/o設(shè)備管理、信息管理、存儲器管理），來達(dá)到提高計算機(jī)資源的利用率，擴(kuò)大計算機(jī)處理信息的吞吐量 操作系統(tǒng)用作擴(kuò)充機(jī)器，增加了裸機(jī)的更能。 提供友好界面，方便用戶使用,操作系統(tǒng)的定義,操作系統(tǒng)是一組有效的管理和控制計算機(jī)系統(tǒng)中的各種資源，協(xié)調(diào)計算機(jī)

2、各部件的工作，合理的組織計算機(jī)的工作流程，提供友好的用戶界面以方便用戶使用計算機(jī)的一種系統(tǒng)軟件 1、操作系統(tǒng)是軟件 2、基本職能是控制管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織多道程序的運(yùn)行（統(tǒng)籌安排）。 3、操作系統(tǒng)位于計算機(jī)硬件和計算機(jī)用戶之間，是用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口,從計算機(jī)組成觀點(diǎn)來看：操作系統(tǒng)是體統(tǒng)軟件。是計算機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一。 從資源管理觀點(diǎn)來看：是系統(tǒng)資源的管理者。 從軟件分層、擴(kuò)充機(jī)器的觀點(diǎn)來看：是擴(kuò)充裸機(jī)的第一層系統(tǒng)軟件。 從服務(wù)用戶的觀點(diǎn)來看：是用戶和裸機(jī)之間的接口。,操作系統(tǒng)的不同視角,和操作系統(tǒng)打交道的兩類人1、操作系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)人員2、操作系統(tǒng)的使用者（廣大計算機(jī)用

3、戶） 使用者關(guān)心：1、操作系統(tǒng)的使用方法 2、操作系統(tǒng)提供了哪些功能幫助我們使用計算機(jī)，如何使用這些更能功能。 3、操作系統(tǒng)對其他應(yīng)用程序的支持,設(shè)計者關(guān)心：操作系統(tǒng)應(yīng)該有哪些功能 這些功能如何實(shí)現(xiàn) 如何編寫程序（提高系統(tǒng)效率、 大的系統(tǒng)吞吐量、 盡快地響應(yīng)時間） 如何方便用戶的使用 在有一臺處理機(jī)CPU和兩臺輸入輸出設(shè)備IO1和IO2的計算機(jī)上，投入運(yùn)行P2這個作業(yè)。它使用設(shè)備的先后順序和占用設(shè)備時間分別是：作業(yè)P2：IO1（20毫秒）CPU（20毫秒） IO2（40毫秒）問當(dāng)作業(yè)從投入運(yùn)行到完成 CPU、 IO1和IO2的利用率是多少？ 各設(shè)備的利用率是該設(shè)備的使用時間同作業(yè)進(jìn)程組全部完成

4、所占最長時間的比率,操作系統(tǒng)的類型,1、無操作系統(tǒng)時期 程序員首先將穿孔的紙帶裝入紙帶輸入機(jī)，把程序和數(shù)據(jù)輸入給計算機(jī)，然后讓計算機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行后將結(jié)果取走后，再執(zhí)行下一個程序 缺點(diǎn)：資源獨(dú)占：每次只有一個程序使用計算 機(jī)， 該程序完全占有計算機(jī)的所有資源 CPU等待人工操作降低了資源的利用 率（人機(jī)矛盾） 高速的cpu和低速的i/o設(shè)備之間的矛盾,脫機(jī)輸入輸出技術(shù) 為了解決人機(jī)矛盾及CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，出現(xiàn)了脫機(jī)輸入輸出技術(shù) 將裝有程序和數(shù)據(jù)的紙帶裝入紙帶輸入機(jī)等設(shè)備，在一臺外圍機(jī)的控制下把紙帶的數(shù)據(jù)輸入到高速的磁帶上。當(dāng)CPU需要時把數(shù)據(jù)從高速的磁帶上輸入內(nèi)存。 程序和數(shù)

5、據(jù)的輸入輸出都是在外圍機(jī)的控制下完成的，脫離了主機(jī)的控制，主機(jī)可以在同時做別的事情 圖課本第6頁,優(yōu)點(diǎn),提高了CPU的利用率 提高了I/O設(shè)備的利用率,操作系統(tǒng)的類型之批處理系統(tǒng),一、初級單道批處理系統(tǒng)（利用的就是脫機(jī)輸入輸出系統(tǒng)） 為了解決人工操作降低了計算機(jī)資源利用率的問題（人機(jī)矛盾、低速的輸入輸出設(shè)備和高速的CPU之間的矛盾） 工作原理：采用脫機(jī)技術(shù)，讓眾多作業(yè)進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)，在作業(yè)處理過程中不需用戶的控制和干涉，追求的是系統(tǒng)吞吐量大，作業(yè)周轉(zhuǎn)時間短，資源利用率高 特點(diǎn)：(1) 自動性。磁帶上的一批作業(yè)自動的逐個運(yùn)行 (2) 順序性。 磁帶上的各個作業(yè)順序的進(jìn)入內(nèi)存，各道作業(yè)完成的順序和

6、他們進(jìn)入內(nèi)存的順序是一致的 (3) 單道性內(nèi)存中只有一道程序并使之運(yùn)行，每次只從磁帶中調(diào)入一道程序，只有當(dāng)該程序完成或者異常時，才調(diào)后繼程序進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行,缺點(diǎn),每一時刻只有一道作業(yè)在內(nèi)存中運(yùn)行，程序頻繁的從外存調(diào)入內(nèi)存，降低了系統(tǒng)的利用率 沒有對作業(yè)的控制和管理，假如一個程序作業(yè)量非常龐大，他運(yùn)行時獨(dú)占資源，在它運(yùn)行完之前，其他的任何作業(yè)，哪怕是非常短（非常著急）的作業(yè)也必須等待 工作過程課本第頁,二、現(xiàn)代多道批處理系統(tǒng) 在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，使系統(tǒng)中有比較多的空閑，為了提高資源利用率，在硬件采用通道和中斷技術(shù)支持并行操作的情況下引入了多道批處理技術(shù)，形成的系統(tǒng)為多道批處理系

7、統(tǒng)。 并不是將內(nèi)存中的程序按照順序執(zhí)行，而是通過一定的調(diào)度算法對駐留內(nèi)存中的作業(yè)進(jìn)行選擇執(zhí)行（依靠計算機(jī)中通道和中斷可并行）,批處理系統(tǒng)基礎(chǔ),并行：兩個或者多個事件在同一時刻發(fā)生。 并發(fā)：兩個或者多個事件在同一時間間隔發(fā)生。 為了提高計算機(jī)資源利用率，采用多道程序技術(shù)，他在主存中存放多道用戶作業(yè)，計算機(jī)硬件支持作業(yè)并行操作，使多道作業(yè)處于同時運(yùn)行的狀態(tài)以共享系統(tǒng)資源。,在現(xiàn)代批處理系統(tǒng)中支持并行操作的硬件是通道和中斷。 通道是可以與CPU并行操作的專門用來控制I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的處理機(jī)。（解釋） 異步事件：無一定時序關(guān)系的隨機(jī)發(fā)生的事件。 中斷是指CPU對系統(tǒng)中發(fā)生的異步事件的響應(yīng)。,中斷的含

8、義:這些異步事件發(fā)生后，打斷了對當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去處理異步事件，執(zhí)行該事件的中斷處理程序，處理完成后在轉(zhuǎn)向原程序的中斷點(diǎn) 中斷響應(yīng)：處理起暫停當(dāng)前處理的程序，轉(zhuǎn)而處理中斷的過程為中斷響應(yīng) 中斷返回：處理完中斷處理程序后，恢復(fù)原來程序的執(zhí)行,中斷的方式：,中斷的應(yīng)用：提高利用率，提高系統(tǒng)的實(shí)時處理能力 硬件中斷：硬件故障引起的中斷（電源故障總線錯誤） 軟件中斷：軟件錯誤引起的中斷（被零除地址越界） 中斷系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)的核心機(jī)制之一。,中斷優(yōu)先級,按照優(yōu)先級排列中斷，較高優(yōu)先級的中斷服務(wù)可以搶占較低優(yōu)先級的中斷服務(wù) 程序運(yùn)行時，如果中斷源的優(yōu)先級高于當(dāng)前運(yùn)行程序的優(yōu)先級，則可以中斷當(dāng)前正

9、在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)而運(yùn)行中斷源程序若中斷源的優(yōu)先級低于當(dāng)前運(yùn)行程序的優(yōu)先級，那么中斷請求將被屏蔽或封鎖。,多道批處理系統(tǒng)的特征,多道性：內(nèi)存中同時駐留多道程序，并允許他們并發(fā)執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的利用率和系統(tǒng)的吞吐量 無序性：多個作業(yè)完成的順序與他們進(jìn)入內(nèi)存的順序沒有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系 宏觀上并行，微觀上串行 調(diào)度性 作業(yè)調(diào)度：從外存的多道作業(yè)中選擇作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行 進(jìn)程調(diào)度：從已在內(nèi)存的多道作業(yè)中選擇一個作業(yè)的進(jìn)程，將處理機(jī)分配給它，使之執(zhí)行,多道程序設(shè)計技術(shù)在內(nèi)存中同時存放幾道相互獨(dú)立的程序，這幾道程序都處于運(yùn)行過程中。 從宏觀看，多道程序是并行執(zhí)行的 從微觀上看，多道程序在某個部件上是串行 多道程

10、序輪流使用部件，交替執(zhí)行。 多道程序在計算機(jī)的各部件上并行執(zhí)行。,批處理系統(tǒng),對I/O設(shè)備采用非搶占方式，一旦將該I/O設(shè)備分配給某進(jìn)程，那就要等該程序的完成后再進(jìn)行分配 調(diào)度采用兩種方式：非搶占方式和強(qiáng)占方式 若采用強(qiáng)占方式，當(dāng)一個優(yōu)先級更高的程序要使用cpu時，就要停止當(dāng)前cpu正在運(yùn)行的優(yōu)先級較低的程序，讓優(yōu)先級高的程序運(yùn)行完畢后再運(yùn)行原程序,缺點(diǎn),作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長：作業(yè)周轉(zhuǎn)時間是指作業(yè)從開始進(jìn)入系統(tǒng)開始，到完成并退出系統(tǒng)經(jīng)歷的時間在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)要排隊(duì)，依次進(jìn)行處理，周轉(zhuǎn)時間長 無交互能力：用戶一旦把作業(yè)提交給系統(tǒng)直到作業(yè)完成，用戶都不能與自己的作業(yè)交互,例題（年高級程序員試題）

11、有一臺處理機(jī)CPU和兩臺輸入輸出設(shè)備IO1和IO2，且能夠?qū)崿F(xiàn)搶先式多任務(wù)并行工作的多道程序內(nèi)，投入運(yùn)行優(yōu)先級由高到低P1、P2、P3三個作業(yè)。它們使用設(shè)備的先后順序和占用設(shè)備時間分別是：作業(yè)P1：IO2（30毫秒）CPU（10毫秒） IO1（30毫秒） CPU（10毫秒）作業(yè)P2：IO1（20毫秒）CPU（20毫秒） IO2（40毫秒）作業(yè)P3：CPU（30毫秒）IO1（20毫秒）在對于其他輔助操作時間可以忽略不計的假設(shè)下，作業(yè)P1、P2、P3從投入到完成所用的時間分別為A 毫秒、B 毫秒和C 毫秒。三個作業(yè)從投入運(yùn)行到全部完成，CPU的利用率約為D%，IO1的利用率約為E%。假定在系統(tǒng)中僅

12、有這三個作業(yè)投入運(yùn)行，各設(shè)備的利用率指該設(shè)備的使用時間同作業(yè)進(jìn)程全部完成所占用最長時間的比例。,分時系統(tǒng),解決的矛盾：用戶希望自己能夠直接控制程序的運(yùn)行和及時進(jìn)行人機(jī)交互，希望每個人都獨(dú)立控制一臺主機(jī)但是但是主機(jī)昂貴而且缺乏 分式系統(tǒng)是指在一臺主機(jī)上連接了許多帶有顯示器和鍵盤的終端，他允許多個用戶同時通過終端以交互方式使用并共享主機(jī)中的資源,分時是指多個用戶分時共享同一臺計算機(jī)，把計算機(jī)資源（尤其是cpu）進(jìn)行時間上分割，即將整個工作時間分成一個個時間片，將每個時間片分給一個用戶使用將cpu工作時間分別提供給多個用戶，每個用戶依次輪流使用每一個時間片,單道分時系統(tǒng),內(nèi)存中駐留一道程序，其余程序

13、都放到外存中 每當(dāng)內(nèi)存中的一個作業(yè)運(yùn)行一個時間片后，便調(diào)到外存，再從外存中選一個作業(yè)調(diào)到內(nèi)存并運(yùn)行一個時間片 可以保證：每個程序都能在一規(guī)定的時間內(nèi)輪流運(yùn)行一個時間片，所有用戶可以和自己的作業(yè)交互 缺點(diǎn)：作業(yè)被頻繁調(diào)出調(diào)入內(nèi)存多次，開銷大（調(diào)出調(diào)入過程中cpu是空閑的）,多道分時系統(tǒng),在內(nèi)存中存放多道作業(yè)并排成一個隊(duì)列，依次輪流的獲得一個時間片來運(yùn)行 切換的作業(yè)本身就在內(nèi)存，不用花大量時間用于調(diào)動調(diào)出,分時系統(tǒng)的特征：,多路性 宏觀多個用戶同時工作，共享資源 微觀上每個用戶作業(yè)輪流運(yùn)行一個時間片 獨(dú)立性 多個終端互不干擾，用戶覺得自己好象獨(dú)占主機(jī) 交互性 可以通過終端進(jìn)行人機(jī)對話 及時性 用戶

14、的請求能夠在很短的時間內(nèi)得到響應(yīng),分時系統(tǒng)的指標(biāo)響應(yīng)時間,響應(yīng)時間：用戶從終端發(fā)出命令到系統(tǒng)作出響應(yīng)之間的時間間隔 分時系統(tǒng)中用戶為n，每個用戶運(yùn)行時間為q，則系統(tǒng)響應(yīng)時間為nq Q有兩部分組成切換時間 真正用于處理的時間,時間片的選擇,nq q（時間片）s（切換時間）+tP（處理時間） 時間片過大，響應(yīng)時間不變則用戶減少 用戶不變，時間片過大，則響應(yīng)時間過大 時間片太小，則切換開銷相對增加，一個進(jìn)程要相對花費(fèi)更多的時間片才能運(yùn)行結(jié)束 最佳時間片：好的響應(yīng)時間、切換開銷小,在輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法中決定時間片是一個復(fù)雜和關(guān)鍵的任務(wù)假定進(jìn)程間平均文本切換時間為s，一個受設(shè)備束縛的進(jìn)程在產(chǎn)生一個請求前使用的

15、時間為t（ts）討論以下每個時間片設(shè)置時的影響 1、q比0稍微大 2、q=s 3 、q=t 4 、qt 5 、q無限大,分時系統(tǒng)響應(yīng)時間T= nq，式中n為用戶數(shù)，q為時間片。 q（時間片）s（切換時間）+tP（處理時間）。 當(dāng)q比0大一點(diǎn)和qs時qs，即tP0，表示在q時間片內(nèi)系統(tǒng)忙于在進(jìn)程間切換，沒有時間用于處理進(jìn)程任務(wù)，無法完成進(jìn)程各任務(wù)，類似死循環(huán)。,當(dāng)q增大到q=t第3種情況，由于t是進(jìn)程發(fā)出I/O請求前的平均執(zhí)行時間，ts，系統(tǒng)給每一個交互進(jìn)程執(zhí)行的時間片足以讓該進(jìn)程產(chǎn)生一個輸入輸出要求，這樣可使用戶進(jìn)程工作在最高速度上，并且也減少了不必要的進(jìn)程間轉(zhuǎn)接處理機(jī)時的開銷，提高了輸入輸出

16、設(shè)備的利用率，同時也能提供較好的周轉(zhuǎn)時間。這時如適當(dāng)選擇用戶數(shù)n使響應(yīng)時間T控制在1秒內(nèi)，則此時時間片q選擇最佳。,在第4種情況qt，隨著時間增大，在一個時間片內(nèi)，進(jìn)程必要提出一個I/O請求，這時剩余不用的時間片時間增大，造成CPU機(jī)時的浪費(fèi)，CPU的利用率也逐步降低，而響應(yīng)時間也逐步增大，進(jìn)程的周轉(zhuǎn)時間也增大。 當(dāng)q增大到無窮大，第5種情況時，時間片輪轉(zhuǎn)算法也退化為先來先服務(wù)算法。,實(shí)時系統(tǒng),目標(biāo)：為了縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，對隨即發(fā)生的外部時間能夠做出及時響應(yīng)并對其做出處理。 實(shí)時控制系統(tǒng) 用于生產(chǎn)過程中的自動控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集、武器的控制。這些系統(tǒng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件并非由于人工啟動和直接干預(yù)引起的。 實(shí)時信息處理系統(tǒng) 實(shí)時信息處理，飛機(jī)訂票、情報檢索、隨機(jī)發(fā)生的外部事件是由人工通過終端啟動，并連續(xù)對話引起的。,操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)性 在多道環(huán)境下，宏觀上，一段時間內(nèi)有多道程序同時進(jìn)行，微觀上，每一個時刻僅能執(zhí)行一道程序 共享性 系統(tǒng)中的所