笔记讲义
课程名字：自考《02323操作系统概论》基础精讲课程讲义【笔记】
依据教材版本：
教材主编：张琼声
出 版 社：机械工业
版  次：2017年版
课程目录：
第一章 操作系统简介 2
了解课程 2
课程的重难点 3
考核教材 3
01　什么是操作系统 4
02　操作系统的发展 5
03　操作系统的特征 9
04　操作系统的功能 10
05　操作系统的体系结构 13
06　指令的执行 15
第二章　进程管理 18
01　进程的描述 18
02　进程的控制 24
03　操作系统内核 26
04　进程同步 31
05　进程通信 40
06　线程 41
课后习题 45
第三章　进程调度与死锁 46
01　进程调度的功能与时机 47
02　进程调度算法 47
03　实时系统中的调度 52
04　进程切换 55
05　多处理器调度 55
06　死锁 57
第四章　内存管理 69
01　存储器的层次结构 69
02　程序的链接和装入 70
03　连续分配存储管理方式 73
04　基本分页存储管理方式 80
05　基于分页的虚拟存储系统 86
06　分段存储管理 97
07　Linux的伙伴系统 101
第五章　文件系统 103
01　文件 103
02　目录 107
03文件系统的实现 111
第六章　I/O设备管理 119
目　录 119
01　I/O系统的组成 119
02　I/O控制方式 122
03　缓冲管理 124
04　设备分配 128
05　I/O软件管理 133
06　磁盘管理 135
课后习题 141

第一章 操作系统简介
　　了解课程
　　
　　课程的重难点
　　本课程的重点包括：进程和线程的概念、进程的描述与组织、进程的控制、操作系统的时钟机制、系统调用、中断机制、进程的同步【第二章】、进程调度【第三章】、页式存储管理、段式存储管理、虚拟内存管理【第四章】、文件的按名访问和文件的存储管理【第五章】、设备I/O的控制方式、设备管理软件的构成、设备的独立性、设备驱动程序、I/O工作的过程【第六章】。
　　难点包括：操作系统与硬件的关系、操作系统与应用程序的关系以及对应用程序的影响、进程并发的实现、同步机制的实现和应用、进程与线程的关系、多级分页的地址变换、文件管理中的数据结构对实现文件系统功能的作用、系统调用的执行过程、操作系统的时钟机制。
　　考核教材
　　《操作系统概论》，全国高等教育自学考试指导委员会组编，张琼声主编，机械工业出版社出版，2017年版。
　　

　　
01　什么是操作系统
　　操作系统（Operating System，OS）是一种复杂的系统软件，是不同程序代码、数据结构、数据初始化文件的集合，可执行。例如，常用的Linux、Windows 7 和Windows 10等。
　　操作系统提供计算机用户与计算机硬件之间的接口，并管理计算机软件和硬件资源。
　　操作系统本身并不向用户提供可直接使用的功能，一台仅装有操作系统的计算机对于用户而言几乎是没有用的，但是它为用户可直接使用的应用程序的运行提供了环境，并为应用程序的开发提供平台，使应用程序的开发变得简单、高效。
　　操作系统是覆盖在裸机上的第一层软件，编译程序、数据库管理系统及其他应用程序都运行在操作系统之上，操作系统为这些软件提供运行环境。
　　
　　一、用户与硬件之间的接口
　　操作系统必须完成的两个主要目标如下。
　　1）与硬件部分相互作用，为包含在硬件平台上的所有底层可编程部件提供服务。
　　例如，要使用显示器，必须为驱动显示器工作的一些寄存器赋值，以便让显示器“知道自己要以什么样的背景颜色和前景颜色显示什么内容”。
　　2）为运行在计算机系统上的应用程序（即所谓用户程序）提供执行环境。
　　高级语言的应用程序是不能在裸机上运行的，必须运行在操作系统上，由操作系统为应用软件的执行分配必要的软件和硬件资源，并对这些资源进行有效的管理。
　　二、资源的管理者
　　现代计算机系统的一个重要特点就是支持多任务，即允许在同一个系统内同时驻留多个应用程序。多个应用程序共同使用计算机硬件和软件资源时，就需要操作系统对这些资源进行有效的管理。一方面保证用户程序的顺利执行，另一方面使计算机系统资源得到尽可能高效的利用，保证计算机系统的高性能。操作系统所管理的资源主要包括处理机、内存、设备和文件，在网络操作系统中还包括网卡、带宽等。下面对操作系统的主要功能进行说明。
　　操作系统的主要功能：
　　1.处理机管理
　　本书讲述的是多任务操作系统的实现原理。由于程序的执行必须依靠处理机，任意时刻处理机都只能执行一个程序流。因此，在单处理机系统中执行多个程序流，必须由操作系统的处理机调度程序来管理处理机的分配，以使多个程序共享处理机，从宏观上看多个程序能同时顺利执行。在多处理机系统中，也需要操作系统对多个处理机在多任务的情况下进行有效的管理。
　　2.内存管理
　　在多任务系统中，内存不再是独占资源，而是可能被多个应用程序共同占用。如何为多个应用程序分配内存并使不同应用程序的地址空间互不干扰，如何在程序执行完毕后回收其所占内存，以及完成逻辑地址到物理地址的转换，都是操作系统内存管理程序要完成的功能。
　　3.设备管理
　　设备管理主要完成接受用户的I/O请求、为用户分配I/O设备、管理I/O缓存和驱动I/O设备等功能。
　　4.文件管理
　　计算机系统把大量需要长时间保留的数据信息以文件的形式存放在外存储设备中（如硬盘、光盘、磁带和U盘），操作系统通过自己的文件管理程序完成外存空间的分配、回收、文件的按名存取、文件的组织、共享与保护等功能。
02　操作系统的发展
　　操作系统的发展从时间顺序上经历了从无操作系统到单道批处理系统、多道程序系统（多道批处理系统、分时系统）的发展过程。随着计算机应用领域的扩大、计算机体系结构的多样化，又出现了微机操作系统、网络操作系统、实时操作系统、嵌入式操作系统和物联网操作系统。
　　一、无操作系统
　　第一代计算机（1945～1955年）使用电子管作为主要的电子器件，用插件板上的硬连线或穿孔卡片表示程序，没有用来存储程序的内存，无操作系统。
　　以1946年诞生于宾夕法尼亚大学的第一台实用电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）为例，它没有真正的内存，只有20个字节的寄存器用来存储数字。无法支持存储程序。一个用户程序进入计算机和退出计算机系统都需要人工干预，计算机无法自动完成程序的加载和卸载。因此，整个计算机系统处于运行一因等待人工操作暂停一运行，这样一种不能连续自动工作的状态。
　　二、单道批处理系统
　　第二代计算机（1955～1965年）使用的主要电子器件是晶体管，开始使用磁性存储设备，内外存容量增加，计算机运算速度提高，出现了早期的单道批处理系统。
　　在本书中，将用户程序及程序处理的数据统称为作业。
　　这一时期的操作系统是单道批处理系统，内存中只能驻留一道用户作业，CPU和内存资源被用户作业独占。程序是指令的集合，程序的执行是CPU依次、逐条执行指令的过程。
　　吞吐量是指单位时间内计算机系统处理的作业量。
　　三、多道程序系统
　　随着电子技术的发展，计算机开始采用集成电路芯片作为主要的电子器件，IBM 360是第一个采用小规模集成电路芯片的主流机型。OS/360是IBM 开发的第一个多道程序系统。
　　多道程序系统的最初想法是将内存分成几个部分，每一部分存放不同的作业，如下图所示。当一个作业等待输入/输出操作完成时，另一个作业可以使用CPU。任何时刻，当一个作业运行完毕，操作系统会自动从外存装入另一个作业到空闲的内存区域。从理论上讲，如果内存中可以同时存放足够多的作业，则CPU利用率可以接近100%。