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操作系统原理基础 郑灵翔 lxzheng@xmu.edu.cn 操作系统原理基础 操作系统概念 进程、线程与调度 存贮管理 文件管理 设备管理 常见的操作系统 Windows Linux Unix Dos Mac OS X … 操作系统的作用和地位 用户操作计算机的接口 配置在计算机硬件上的最基础的软件，其他所有的软件都依赖于它的支持。 在计算机系统中起着承上启下的作用，是其它软件和硬件之间的接口 管理计算机的软硬件资源 操作系统的发展 第一代计算机??手工操作 第二代计算机??操作系统产生 第三代计算机??操作系统形成和完善 第四代计算机??操作系统的进一步发展 操作系统的目标 方便性 易于使用 有效性 组织和管理计算机的软硬件资源 组织计算机的工作流程 可扩充性 便于增加新的功能模块和修改老的功能模块 开放性 易于实现应用程序的可移植性和互操作性 操作系统的功能 用户与计算机硬件系统的接口 命令接口（shell） 系统调用 管理系统软硬件资源 处理器管理 存储管理 设备管理 文件管理 LINUX操作系统的结构 处理器管理 完成CPU资源的分配调度等功能，以某种预定的策略运行系统中的任务。 调度的单位为进程或线程。 进程与线程 进程调度 进程间通信 同步与互斥 进程与线程 进程是一个描述程序执行时动态特征的概念。 简单的说，执行中的程序就叫进程 进程代表了程序的一次执行过程 为什么引入进程？ 提高CPU的利用率，让多个进程共享CPU 从用户的角度看，进程独占地使用CPU资源 线程 线程是进程中的一个实体，一个进程可以有多个线程。线程的引入是为了减少进程切换的开销。 LINUX不区分线程与进程，线程被当做一种特殊的进程。 Linux中的进程 Windows的进程/线程信息 LINUX进程状态 D uninterruptible sleep (usually IO) S sleeping R runnable (on run queue) T stopped Z a defunct (zombie) process LINUX进程状态转换 进程调度 进程调度的任务就是按照调度策略合理地为各个进程分配处理机，提高CPU利用率。 2.6内核采用了O（1）调度算法，实时性较旧内核有较大提高 支持可抢占式调度 (preemptible_schedule) 2.4 vs. 2.6内核的实时性比较 进程间通信 系统运行的各个进程间交换信息的机制（Linux） 管道和命名管道（FIFO） 信号量 消息队列 共享内存 套接字 进程同步 什么是同步？ 多个相关进程间协调相互间的运行次序，保证程序的正确执行 什么时互斥？ 对于一些只充许独占访问的资源进行保护，保证资源得到正确使用。 进程同步的主要任务 保证各进程能互斥访问临界资源 保证相互合作的进程执行次序的协调 存储管理 存储管理是指存储器资源的管理。 存储分配和回收 分配和回收算法 相关的数据结构。 地址变换 动态链接 重定位 地址映射 存储共享和保护 Linux中虚拟地址与虚拟地址空间 PXA255的物理地址空间 地址映射 地址映射：将进程中的虚拟地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址。 此功能由CPU的MMU（Memory Management Unit）单元完成 虚拟存储与Linux存储管理 静态链接与动态链接 在程序编译时将各个目标模块用到的外部调用都变为相对地址，事先链接形成一个完整的可执行文件 可执行程序在装入内存时，边装入边链接。在装入时解决外部地址调用问题。 共享：多个进程可以共用一个共享库，节省内存 便于代码升级和代码重用 静态链接与动态链接的程序装入 静态链接 动态链接 存储共享 多个进程共享相同的代码和数据。 LINUX采用虚拟内存区域（VMA）实现存储共享 存储保护 存储保护的目的： 保护系统程序区不被用户侵犯（有意或无意的） 不允许用户程序读写不属于自己地址空间的数据（系统区地址空间，其他用户程序的地址空间） 设备管理 主要任务 管理I/O设备，以提高CPU和I/O设备的利用率 处理用户程序的I/O设备申请并完成其请求的I/O操作 简化I/O设备的使用并提高I/O设备的速度 设备管理功能 缓冲管理 设备分配 设备处理 虚拟设备（逻辑设备）功能 文件管理 文件存储空间的管理 目录管理 文件读、写管理 文件保护 虚拟文件系统 为用户程序提供一个通用的文件系统接口 open()、read()、write()、close等 嵌入式操作系统 支持嵌入式应用的操作系统软件 实时性 专用性 可移植性 常见的嵌入式操作系统 Windows CE PlamOS Symbian VxWorks Nucleus uC/OS II Th