操作系统原理基础教程

操作系统原理基础知识讲解操作系统是计算机系统中的一个重要组成部分，它负责管理和控制计算机的各种硬件和软件资源，提供良好的用户界面和应用程序的运行环境。

在本文中，将对操作系统的基本原理进行详细的讲解，包括进程管理、内存管理、文件系统以及输入输出系统等。

一、进程管理进程是计算机中执行的基本单位，它包括程序、数据以及程序执行的上下文。

操作系统通过进程管理来确保计算机系统的高效运行。

1. 进程调度进程调度是操作系统中非常重要的一个功能，它负责根据一定的算法和策略，从就绪队列中选择一个最优的进程分配CPU时间片，以实现多个进程的并发执行。

2. 进程同步与互斥在多道程序环境下，多个进程可能会同时访问共享资源，为了避免数据的错误和不一致，操作系统需要提供进程同步和互斥机制。

常见的同步与互斥方法有信号量、互斥量、临界区等。

3. 进程通信不同的进程之间需要进行数据交换和协作，操作系统提供了多种进程通信的机制，比如管道、消息队列、共享内存等，以便实现进程间的信息传递与共享。

二、内存管理内存管理是操作系统的重要功能之一，它负责将进程所需的空间分配给其执行，同时进行内存的合理利用和回收。

1. 内存分配内存分配可以通过连续分配、非连续分配等方式进行。

常见的内存分配方法有分段、分页、段页式等，以满足不同程序对内存的需求。

2. 虚拟内存虚拟内存是一种通过磁盘上的交换区来扩展主存容量的技术，它允许将部分程序或数据存储在磁盘上，以释放主存空间，并提供更大的地址空间给应用程序。

3. 内存保护与地址转换操作系统通过内存保护机制来防止进程之间的干扰和错误的访问，同时通过地址转换实现虚拟地址与物理地址之间的映射。

三、文件系统文件系统是操作系统中负责管理磁盘存储空间和文件的重要组成部分，它使得用户可以方便地访问和管理文件。

1. 文件组织与管理操作系统通过文件目录结构和文件控制块等数据结构来组织和管理文件，包括文件的创建、删除、读取和写入等操作。

操作系统原理入门指南一、操作系统概述1.1 操作系统的定义与作用操作系统是一种系统软件，是计算机硬件和应用软件之间的桥梁，负责管理和控制计算机资源，提供用户与计算机硬件之间的接口。

1.2 操作系统的分类操作系统主要分为批处理系统、分时系统和实时系统三类。

批处理系统适用于处理大量任务，分时系统支持多用户同时访问计算机资源，实时系统要求在严格的时间限制内完成任务。

二、操作系统的基本功能2.1 进程管理进程是程序在操作系统中的一次执行过程。

操作系统负责进程的创建、暂停、恢复和终止等管理工作，以及进程间的通信与同步。

2.2 存储管理存储管理是为了优化内存的使用，提供了虚拟内存、内存分配和地址映射等机制，使得操作系统能够有效地管理计算机的内存资源。

2.3 文件系统管理文件系统管理负责将存储介质上的数据组织为文件，并为用户提供文件的创建、读取、写入和删除等操作。

同时，通过文件系统的管理，操作系统确保文件的组织和存储的安全性。

2.4 设备管理设备管理负责操作系统与硬件设备之间的通信和控制。

操作系统通过设备管理，对硬件设备的使用进行调度和分配，保证多个设备的高效利用。

三、操作系统的主要结构3.1 单片结构单片结构是最简单的操作系统结构，将操作系统的各个功能模块嵌入到内核中。

这种结构的操作系统运行效率高，但可扩展性和可维护性较差。

3.2 分层结构分层结构将操作系统划分为若干层次，每个层次负责不同的功能。

各个层次之间通过接口进行通信。

这种结构的操作系统模块化程度高，便于维护和升级。

3.3 微内核结构微内核结构将操作系统的核心功能封装在微内核中，而将其他功能通过插件的形式加载到操作系统中。

这种结构的操作系统灵活性强，易于扩展和维护。

3.4 客户端-服务器结构客户端-服务器结构将操作系统的功能模块化为客户端和服务器，通过网络进行通信。

这种结构可以将任务分布到不同的服务器上，实现资源共享和负载均衡。

四、经典操作系统4.1 DOS操作系统DOS操作系统是最早的个人计算机操作系统之一。

全套课件《操作系统原理教程(第二版)contents •操作系统概述•进程管理•内存管理•文件管理•设备管理•现代操作系统新技术目录01操作系统概述定义操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序的集合。

功能提供用户与计算机硬件系统之间的接口；管理系统资源；提供软件的开发与运行环境。

早期操作系统实时操作系统网络操作系统和分布式操作系统个人计算机操作系统分时操作系统批处理操作系统手工操作方式、脱机输入/输出方式。

单道批处理系统、多道批处理系统。

具有交互性、多用户同时使用一台计算机、用户感觉独占计算机。

实时性、高可靠性。

网络资源共享、分布式处理。

单用户多任务、图形用户界面。

个人计算机操作系统分时操作系统按时间片轮转方式，将CPU 分配给多个终端用户。

网络操作系统控制和协调网络中计算机的运行，提供网络通信、资源管理、网络服务、网络管理、互操作等功能。

分布式操作系统统一管理和调度网络中的资源，实现资源的共享和协同工作，为用户提供透明、一致的使用界面。

自动、顺序、成批地处理作业。

批处理操作系统实时操作系统对随机发生的外部事件做出及时响应并对其进行处理。

提供丰富的应用程序接口和图形用户界面，支持多任务处理和多媒体功能。

02进程管理进程的概念与状态进程的定义进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，它是程序的执行过程，具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构性等基本特征。

进程的状态进程在其生命周期内会经历多种状态，如创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和终止状态等。

这些状态之间会根据特定的条件进行转换。

进程控制块PCBPCB的定义进程控制块PCB是操作系统中用于描述进程状态和特性的数据结构，它是进程存在的唯一标识。

PCB的内容PCB通常包含进程标识符、处理机状态、进程调度信息和进程控制信息等内容。

其中，进程标识符用于唯一标识一个进程；处理机状态记录了进程在执行时的寄存器信息；进程调度信息用于支持操作系统的进程调度功能；进程控制信息则包含了进程的状态、优先级和资源需求等信息。

课题：如何学习操作系统
1.在没有操作系统的年代，人们如何编程？
程序员每做一个程序也许需要自己分配管理内存，不但需要考虑如何高效管理内存，还要知道如何进行过程跳转等细活，而在不同的CPU上，这些细活的实现方式是不同的。

2.操作系统是怎样来的？
由于CPU系统级要解决的几个问题都是相同的（实现细节上有不同），每个程序员在编程时都要考虑这几个问题，因此通过将这些程序要解决的相同的任务给提取出来就形成了操作系统。

3.操作系统的内核的任务
专门解决早期程序员每次编程都必须要解决的几项系统级任务。

操作系统为应用级编程提供服务，如提供如何内存寻址，如何管理虚拟存储器、如何进行中断、如何管理磁盘等。

4.推荐书籍
（1）国际CPU制造商提供的CPU文档的系统级编程卷（PS:做单片机程序能对一个操作系统比较了解）
（2）INTEL的官方材料
5.学习方法
操作系统原理有哪几条，要解决哪些任务，通过查看不同CPU的系统卷编程手册，找出其中相同的任务和逻辑自己去总结操作系统是如何做
6.笔者的学习计划
学MFC——学INTEL CPU的应用级编程——决定从系统级学起——会上MSDN英文网站看看有关MFC的东西(目的：微软是用系统为所有的应用级编程提供服务，看看这一套结构是如何构造出来的)——ORACLE数据库(看看一个数据结构是什么样的，可不可以嵌到操作系统中去)。