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第 4 章 操作系统基础

4.1 操作系统概述 一 . 基本概念计算机系统 = 硬件 + 软件硬件 : 构成计算机系统的物理部件和设

备的总称。软件 : 程序及文档资料的总称。核心是

系统软件；系统软件的核心是操作系统。

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⒈操作系统的两大基本职能

（ 1 ）面向机器 管理和控制计算机全部资源； 目的：提高系统效率。（ 2 ）面向用户 提供人机界面 目的：提供便捷的操作环境

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2. 操作系统的五大功能

文件管理文件管理

进程管理进程管理

存储器管理存储器管理作业管理作业管理 设备管理设备管理

操作系统

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3 。操作系统的发展

1 ）早期阶段 无操作系统的裸机 2 ） 第 2 阶段 --- 第 1 代操作系统

– 程序员和操作员有了分工；– 摆脱手工操作方式，有批处理服务

3 ） 第 3 阶段 --- 第二代操作系统– 新技术的使用：多道程序，并行处理，通

道技术、缓冲技术、中断技术等 4 ）第 4 阶段 ---- 第三代操作系统

– 综合资源管理

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4. 常用的 OS

(1) MS-DOS 字符界面、 命令行方式(2) UNIX 中、小型机的 OS(3) WINDOWS 多任务、图形界面的 O

S (4) WINDOWS NT 网络操作系统

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5. 操作系统的分类1 、按处理器特点• 分时 分配 CPU 时间片，为多个用户服务• 实时 在较短时间内响应用户要求2 、按适用面分 : 专用 OS 和通用 OS

3 、按用户数量分：单用户和多用户 4 、按任务处理方式分：交互式 和批处理 5 、按硬件环境和控制方式分：集中式和分布式

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二 . CPU 及进程管理1 、程序的有关概念程序 为解决某个问题用程序设计语言 编写

的一系列指令的有序集合。程序的顺序执行 一个程序通常分为若干个具有一定独立

性的程序段，这些程序段是按逻辑步骤编排的，只有当当前程序段执行完成后，才将控制权转交到下一个程序段。

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程序顺序执行举例一

设有一个程序有三个程序段，分别执行 I （输入）、 C （计算）和 P （输出）操作。执行顺序为： I C P

逻辑顺序不能随意改变。

结果 数据

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程序顺序执行举例二

假设有 n 个作业，每个作业都由三个程序段：输入段 Ii 、计算段 Ci 、输出段 Pi 。

在早期单道程序系统中，作业执行流为：

作业 1 I1 C1 P1

作业 2 I2 C2 P2

作业 n In Cn Pn

作业执行顺序

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（ 1 ）单道程序处理

一次只处理一个程序，该程序独享系统资源。 特性

– 1 、顺序性 按规定的顺序执行。– 2 、封闭性 程序在执行过程中独享系统

资源，不受外界因素的干扰和影响。– 3 、可再现性 只要初始条件相同，无论以

何种方式、速度、重复执行多少次，结果是相同的。

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（ 2 ）多道程序处理 同时将多个程序装入内存并同时处理。 特点 : 并发性 设有三个程序，它们的执行步骤和顺序相同，

都是输入 Ii 、计算 Ci 、输出 Pi 。 1 ）当第 1 个程序的输入操作 I1 执行完、执

行 C1 时，输入空闲，这时可执行第 2 个程序的输入 I2 ；时间上，操作 C1 和 I2 重叠。

2 ）当 C1 执行完、执行 P1 时，处理机空闲，若这时 I2 已完成，就可以执行 C2 ，与此同时，输入机又空闲，可以执行第 3 个程序的 I3 。这样， P1 、 C2 和 I3 重叠。

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程序并发执行举例

程序 1 ： I1 C1 P1

程序 2 ： I2 C2 P2

程序 3 ： I3 C3 P3

图中， C1 和 I2 、 P1 、 C2 和 I3 、 P2 和 C3在时间上都是重叠的。

Tt1 t3t2

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单道和多道程序处理的区别

单道：各逻辑步骤之间的关系是确定的、不受外界影响。

多道：并发处理存在直接或间接的相互依赖和相互制约的关系，从而使被处理的多道程序失去了程序固有的特性：封闭性、可再现性。

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2 、进程的概念

处理机管理 主要完成作业调度，进程调度和进程控制，实质是进程管理。

进程的几种不同定义 进程是程序的一次执行； 进程是一个程序在给定活动空间和初始环境下，

在一个处理机上的执行过程； 进程是程序在一个数据集合上运行的过程。

进程的生命周期– 由“创建”而产生，由“调度”而执行，因得

不到资源而“暂停”执行，最后由“撤消”而消亡

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进程的性质1 ）动态性 描述程序在执行过程中的全部活动；2 ）并发性 同时接受和处理多个进程；3 ）异步性 不同进程在逻辑上相互独立，有各

自的运行“轨迹”；4 ）制约性 由于计算机资源是有限的，不同进

程共享 CPU 和 I/O 通道及设备，因此相互制约

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进程的状态 1 ）三种基本状态

– 就绪 已经获得投入运行所必需的一切资源，一旦分配到 CPU ，就可以立即执行。

– 运行 进程获得了 CPU 及其它一切所需资源，处在运行之中的状态。

– 等待 由于资源得不到满足，进程运行受阻，处于暂停状态，也称为阻塞状态。

2 ）进程在生命周期中，不断在这三种状态之间进行转换。

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进程状态转换示意图

运行状态运行状态

等待状态等待状态

就绪状态

进程调度

等待资源

时间用完

获得资源

进程调度 程序

来自作业 调度

交作业 管理

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3 、进程管理

进程管理的核心是进程的控制和调度。 进程控制 对系统中全部进程实行有效的管理；

如创建新进程、撤消已结束进程。 进程调度 在就绪队列中选择哪个进程投入运行。

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4 。进程控制块—— PCB

进程的组成 程序 + 数据集合 + PCB

PCB 系统为创建的新进程建立一个 PCB 进程的唯一标识记录该进程的运行变化过程 系统通过 PCB对进程进行控制和管理。PCB 的组成

1) 进程标识符 2) 进程现行状态、 3) 中断现场保护区 4) 进程使用资源表 5) 进程优先级 6) 进程家族信息

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PCB 的组织形式PCB 是定长记录 , 在队列中采用两种组织方式。

(1) 线性表结构 1 、简单、易实现 2 、插入、删除操作费时

(2) 链表结构 1 、插入、删除操作简单 2 、需要额外的存储空间，实现较复杂

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PCB 线性表结构

PCB1

PCB2

PCB3

PCB4•••

PCBi

PCBi+1

PCBi+2

就绪表

等待表

就绪表起始地址

等待表起始地址

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PCB 链表结构

运行队列

就绪队列

等待队列

PCB

PCB PCB PCB

PCB PCB PCB

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5. 进程调度的任务及功能 进程调度任务

– 按一定的算法，动态地将处理机分配给就绪队列中的某个进程，使之执行。

进程调度功能–记录系统中所有进程的状态、优先数和所

用资源的情况。– 当 CPU 空闲时，按一定的算法将 CPU 分

配给某一进程、并确定 CPU 时间片的长度。

– 动态地调度进程、修改进程的状态、以及修改相应的排队队列。

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进程调度方式

剥夺方式 当“重要“或”系统“的进程出现时，暂停正在执行的进程，立即将 CPU分配给“重要”或”系统“的进程。非剥夺方式 让正在执行的进程继续执行，直

到该进程完成或发生其它事件，而改变为其它状态后，才移交 CPU 控制权。

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进程调度算法

调度算法的原则 1 、较少 CPU 空闲时间 ,提高资源利用率； 2 、对一般作业采用较合理的平均响应时间； 3 、应避免有的作业长期得不到响应的情况。常用的算法 优先数法 , 时间片轮流法 , 分级调度法 .确定优先数的方法 静态优先和动态优先

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静态与动态优先数法静态优先数法在系统创建进程时确定的，确定后在进程

运行期间不再改变。动态优先数法 进程优先数在进程运行中，随进程特性

的变化不断修改。DOS是单用户、单任务，进程独享系统

资源，不需要复杂的调度管理和算法。

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UNIX 的进程管理 UNIX 是多用户、多任务的 OS 。它将进

程状态细分为六种。

运行状态 1运行状态 1

暂停状态暂停状态

运行状态 2运行状态 2

终止状态终止状态

睡眠状态高优先 低优先

等待

状态唤醒就绪

状态

选中

落选

撤消

挂起

置运行

跟踪

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WINDOWS’98 的进程管理

1) 进程和线程相结合 : 每个进程至少包括一个线程，在执行时给每个线程分配时间片。

2) 多任务 OS ，采用抢占式的调度算法来实现多任务操作。

3) 两种调度程序 主调度程序 : 选择最高优先级的线程运行 时间片调度程序 依据线程的处理顺序及虚拟

机的当前状态，分配一个时间片给被选线程，并执行。

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三、内存管理

内存地址空间 : 物理地址空间不同系统下的寻址能力 : 系统 地址线 寻址能力

8086/8088 20 220=1M 80286 24 16M 80386 及以后 32 4G

内存的分区； OS区和用户程序区。

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1. 内存管理的主要功能

存储分配和释放 对用户程序区 存储空间的扩充 用于所需存储空间大于

可用主存容量， 采用自动覆盖和虚拟存储 地址变换 程序语言的符号地址空间 ( 逻辑地址 ) 到物理地址的转换 ,也称为重定位。

存储保护 多道程序系统中，系统进程和用户进程间、用户和用户进程间的存储空间的保护 , 依靠硬件实现。

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存储管理方法

单一连续区分配法 多连续区分配法 页式管理 段式管理

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2. 单一连续区分配法分配方式 1) 静态分配 在作业装入前，一次性将逻辑地

址全部转换为绝对地址 , 执行过程中不再改变。 特点 : 要求分配连续空间2) 动态分配 在执行过程中，动态实现。 通过硬件的地址变换机构实现

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单一连续区分配法示意图

已分配空间已分配空间

OS区域

用户区域

自由空间

特点：

定位容易，使用简单

但在多道程序处理 情况下，主存资源 利用率低

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单一连续区分配法示意图

基地址 =2000

CPUCPU ++

操作系统

自由空间

用户区域

主存空间定位寄存器

逻辑地址 =1500

2000

3500绝对地址

绝对地址 = 基地址 +逻辑地址

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3. 多连续区分配法概念 把主存空间划分为若干个连续的区域 ,

每个区域运行一个程序。硬件支持 增加边界寄存器 LOW 、 UP ，确定

分块的上、下边界。方法 固定分区和变长分区

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固定分区（多连续分区）

1) 主存划分为几个固定大小的连续区域； 2) 建立分配表，记录每个分区的大小、区号、起始地址、及占用标志等信息。

3) 作业调度时，根据作业表来确定程序的重定位地址。

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固定分区示意图

区号 长度 起址 状态1 8K 20K 已分

2 14K 30K 已分3 28K 50K 已分

4 76K 80K 未分

分 区 表操作系统作业 A

作业 B

作业 C

第 1 分区第 2 分区第 3 分区

未分区

20K

30K

50k

80K

主存“碎片”

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固定分区法特点

优点： 管理调度简单、分区策略适合于工作负荷比较确定的系统。

缺点： 主存”碎片”太多。

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变长分区（多连续分区））概念 根据要装入作业的实际大小划分区域，且分区个数也可以调整；用两张表管理主存：已分配分区表 P 和未分配分区表F 。

优点：主存“碎片”较小；缺点： 1) 选择剩下的空白区较小，无法使用； 2) 寻找一个较大的空白区费时 3) 需归并主存“碎片” ,移动信息

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多连续区分配法示意图

已分配分区表 P

未分配分区表 F

区号 长度 起始地址 状态 1 8K 20K 已分 2 16K 28K 已分 3 ——- —— 空表目

4 124K 108K 已分

区号 长度 起始地址 状态 1 64K 44K 可用 2 24K 232K 可用 3 ——- —— 空表目 4 •••• ••

5 •••• ••

操作系统 作业 1

作业 2

20K

28K

5 •••• •• 44K 可用分区 1

108K

操作系统

可用分区 1

作业 3

可用分区 2232K

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4. 分页管理

–页 作业地址空间划分的等长单位–块 主存空间划分的等长的单位–页表 地址重定位表 , 记录页号与该页

在主存中的块号的对应关系。– 分页管理 作业中的逻辑地址通过动态地址转换机制 转换为物理地址：

页号，页内地址 → 块号，块内地址 特点 : 可以将作业分配在不连续的物理

空间。

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分页管理法示意图

作业号 页表长 页表起址 状态

2 3 1032 已分 1 3 1024 已分

3 2 1040 已分 4 —— —— 空表目

作业表 JT 作业 A 作业 B

作业 C

页号 块号 页号 块号

页号 块号

0 4

1 5 2 6

0 71 10

0 2 1 3 2 8

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动态地址变换示意图

控制寄存器

作业地址空间 作业页表1 2 3 4

LOAD 1 ， 2500

页表长度 页表始址有效地址

2 452

页号 块号0 4

1 6

2 8 8 452

页号

逻辑地址 =2×1024+452 =2500

1

100

1K

2K

2500

3K

物理地址 = 8×1024+452=8644

块大小 =1024

页大小 =1024

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5. 分段管理段 将程序划分为相互独立、具有一定逻辑功能的模块、且分别按名单独存放，这些模块称为段。

段内地址 (逻辑地址 ) 由段号和段内偏移量确定段表 系统为每个作业建立的表格 , 一个表项由

段号、段长度、段起始地址组成。

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分段管理示意图

66

0

1K

0100

500

0

300

0200

LOAD 1 ， 1|100

Y ： 12345

C ：

0 段

1 段

2 段

3 段

段号长度 起始地址 0 1K 6K

1 500 8K 2 300 4K

3 200 9200

分段地址空间

分段表

OS

DATA

LOAD1 ， 1| 100 主程序

SUB

WORK

12345

主存空间

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分段管理特点优点： 便于模块化处理 便于动态连接 便于分段共享缺点： 硬件成本高 地址转换花费时间兼有段式和页式优点可形成段页式

存储管理

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6. 常用 OS 的内存管理

(1) DOS采用单一连续分区的方法，但却

综合运用了多连续分区的管理技术。

(2) UNIX采用分段管理方法，存储分配采

用优先适应算法

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(3) Windows 98 存储器管理 1) 支持常规内存、扩展内存和扩充内存和虚拟内存管理（ VM ）。

2) VM 是是通过硬盘来完成与物理内存相关的功能；

3) 寻址 4GB 空间； 4) 虚拟内存管理的实现 :

换页进程 : 物理内存和硬盘之间移动数据 地址转换进程，将物理地址翻译成虚拟内

存地址或映射文件