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计算机操作系统 马海波 王德广编著 用户观点下的操作系统 第1章 操作系统概述 1.1 操作系统的概念 1.1.1 什么是操作系统 1．用户观点 从用户的观点看，操作系统应该提供一个人与计算机打交道的接口，也就是人机接口。用户可以通过操作系统提供的这个接口使用和控制计算机，从而达到计算机为用户服务的目的。 接口的方式有：图形界面的接口（Graphical User Interface，GUI）；命令行（Command Line，CL）接口；软件编程的接口 系统观点下的操作系统 2．系统观点 操作系统就是资源的分配者。 操作系统要对I/O设备和用户程序加以控制，保证设备的正常运行，防止非法操作，及时诊断设备的故障等。从这个意义上讲，操作系统又是工作流程的调度者。 操作系统 计算机硬件组成 1.1.2 计算机系统概述 CPU实现 CPU两种模式 除了用在嵌入式系统中的非常简单的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即核心态（管态）和用户态（目态），在PSW中有一个二进制控制位控制这两种模式。当CPU执行操作系统的代码时，CPU处于核心态，CPU可以执行指令集中的每一条指令，并且使用硬件的每一种功能，访问整个硬件。 相反，当CPU执行用户程序的代码时，CPU处于用户态，仅允许执行整个指令集的一个子集和访问所有功能的一个子集。一般而言，在用户态中有关I/0和内存保护的所有指令是禁止的。当然，将PSW中的模式位设置成核心态也是禁止的。 存贮器层次结构 磁盘驱动器 基址和界限寄存器 存贮器相关概念 由程序所生成的地址被称为虚拟地址（Virtual Address），而由存储器使用的地址称为物理地址（Physical Address）。完成检查和映射工作的装置被称为内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）。它位于CPU芯片上或者CPU附近，在逻辑上MMU位于CPU和存储器之间。 中断 总线 操作系统的主要功能 1.1.3 操作系统主要功能 进程管理 1. 进程管理 一个任务从输入、处理、再到输出的完整过程称为作业（Job）；进程是分配资源和在处理机上运行的基本单位。因而，进程管理的功能包括：作业和进程调度、进程控制、进程通信、进程同步。 （1）作业和进程调度 一个作业通常经过两级调度才得以在CPU上执行。首先是作业调度，它把选中的一批作业放入内存，并分配其他必要的资源，为这些作业建立相应的进程。然后进程调度按一定的算法从就绪进程中选出一个合适的进程，使之在CPU上运行。 进程管理 （2）进程控制 进程是系统中活动的实体。进程控制包括进程的创建、进程的撤销、进程的阻塞、进程的唤醒等。 （3）进程通信 相互合作的进程之间往往需要交换信息，为此，操作系统要提供通信的机制。 （4）进程同步 内存管理 2. 内存管理 （1）内存分配 内存分配的主要任务是为每道程序分配一定的内存空间。为此，操作系统必须记录整个内存的使用情况，处理用户提出的申请，按照某种策略实施分配，接收系统或用户释放的内存空间。 （2）地址映射 在多道程序环境下，用户程序中所涉及的相对地址与装入内存后实际占用的物理地址就不一样。CPU执行用户程序的时候，要从内存中取出指令或数据，为此就必须把所有的相对地址（或称为逻辑地址）转换成内存的实际物理地址。这就是操作系统的地址映射功能（需要有硬件的支持）。 内存管理 （3）内存保护 不同用户的程序都放在同一内存中，就必须保证它们在各自的内存空间中活动，不能相互干扰，更不能侵占操作系统的空间。另外，还要允许不同用户程序共享一些系统的或用户的程序。 （4）内存扩充 把一个程序当前正在使用的部分（不是全体）放在内存，而其余部分放在磁盘上。在这种“程序部分装入内存”的情况下，就启动并执行它。以后根据程序执行时的要求和内存当时的使用情况，随机地将所需部分调入内存；必要时还要把已经分配出去的内存回收给系统，供其他程序使用（即内存置换）。 设备管理 3. 设备管理 设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。 （1）缓冲区管理 缓冲区管理的目的是解决CPU和外设速度不匹配的矛盾，使它们充分并行工作，提高各自的利用率。 （2）设备分配 根据用户的I/0请求和相应的分配策略，为该用户分配外部设备、通道和控制器等。 设备管理 （3）设备驱动 实现CPU与通道及外设之间的通信。由CPU向通道发出I/0指令，后者驱动相应设备进行I/0操作。当I/0任务完成后，通道向CPU发出中断信号，由相应的中断处理程序进行处理。 （4）设备无关性 设备无关性又称为设备独立性，即用户编写的程序与实际使用的物理设备无关，由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到物理设备上。 文件管理 4. 文件管理 文件管理功能包括：文