操作系统原理

中国水利水电出版社

【作者】刘义常主编

【I S B N 】978-7-5084-3390-4

【责任编辑】吴萍

【适用读者群】本科

【出版时间】2006-01-01

【开本】16开本

【装帧信息】平装（光膜）

【版次】第1版

【页数】240

【千字数】

【印张】

【定价】￥22

【丛书】21世纪高等院校计算机科学与技术规划教材

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操作系统是计算机应用的所有软件中使用最广泛的基础软件，在计算机技术不断地更新和完善的今天，无论是硬件技术还是软件技术的变革都会在计算机操作系统的设计技术与使用风格上得到体现。对于计算机专业的学生来说，操作系统是一门重要的基础课程，不仅要向普通用户一样会操作它，还要了解它的设计与实现原理，在些基础上利用计算机去开发各种软件，解决复杂的应用问题。本书着重讲述操作系统的原理和概念，并且以此来指导操作系统的设计和实现。

本书简明实用、重点突出、主次分明、结构层次清晰、语言通俗易懂，并附有大量有针对性的实例和练习，易于读者学习和巩固。本书既可作为计算机专业本科生、专科生“操作系统原理”课程的专业教材，同时也可作为操作系统爱好者学习操作系统原理的自学用书。

本书所配免费电子教案及书中程序源代码均可以从中国水利水电出版社网站上下

载，网址为： http：//www.waterpub.com.cn/softdown/。

操作系统是计算机系统的基本组成部分，它在整个计算机系统软件中占据核心地位，在计算机技术不断更新和完善的今天，无论是硬件技术还是软件技术的变革都会在计算机操作系统的设计技术与使用风格上得到体现。

普通用户只需了解操作系统的外部功能，而无须了解其内部实现细节，因此，操作系统是如何实现各项功能的，这部分读者不必了解，也无需了解。但对于计算机专业的学生来说，操作系统是一门重要的基础课程，不仅要像普通用户一样会使用它，还要了解它的设计与实现原理，在此基础上利用计算机去开发各种软件，解决复杂的应用问题。

然而，操作系统毕竟是所有软件中最复杂的软件，编制这样的软件涉及的知识面很广，它要求程序员既要有扎实的软件基础知识，又要十分了解系统的硬件接口。而且目前在常用的计算机上都已经有了主流操作系统，所以大多数软件工程师参与编制实际操作系统的机会和经历并不多。为此学习该课程会有两大难点，即原理的抽象性和实验易与实际操作系统的开发脱节。本书针对这两大难点，从应用出发通过实例介绍了操作系统的基本原理和概念，将抽象、难懂的原理与概念变得形象生动，使读者觉得学习操作系统不再困难。

本书的内容具体安排如下：

第1章：概述。本章简要介绍操作系统的概念、特点、功能、网络操作系统和学习操作系统原理的作用等知识，使读者对操作系统有一个感性的认识。

第2章：操作系统管理应用程序的运行。本章重点介绍操作系统是如何管理和协调作业、进程、线程和超线程工作的，以及进程与进程之间的关系与实现，作业、进程和线程等的调度算法，操作系统运行应用程序的工作原理，超线程、进程的安全性等知识。同时，通过实例剖析了Windows 2000操作系统的管理机制，使读者对操作系统管理应用程序软件运行的工作原理有一个全面的认识。

第3章：操作系统管理CPU。本章重点介绍CPU的两种状态和作用，操作系统是如何管理CPU的，微机CPU中采用的技术等知识，让读者对CPU的运行与管理机制有一定的了解。

第4章：操作系统管理内存。本章重点介绍微机的四级存储结构、操作系统管理内存的四大功能、操作系统管理实在内存、操作系统管理虚拟内存等知识。同时，通过实例剖析了在Windows 2000中是如何实现虚拟内存管理的，使读者对操作系统的内存管理机制及其工作原理有一个全面的认识。

第5章：操作系统管理输入/输出设备。本章重点介绍微机输入/输出的三种方式、计算机输入/输出的层次结构、硬盘结构和硬盘使用前的处理、虚拟设备、SPOOLing技术和工作原理等知识。同时，通过实例剖析了在Windows 2000中是如何实现输入/输出设备（I/O）管理的，使读者对操作系统的输入/输出设备管理机制及其工作原理有一个全面的认识。

第6章：操作系统管理文件。本章重点介绍了文件的概念、文件的管理、文件系统、文件系统的安全和保护等知识。同时，通过实例剖析了在Windows 2000中是如何实现对文件管理的，使读者对操作系统文件管理机制及其工作原理有一个全面的认识。

第7章：操作系统分析与展望。本章通过对应用范围最广的Windows 2000和Windows XP进行分析，使读者了解现在主流操作系统的特点及现状。同时，通过对分布式操作系统的分析，让读者对操作系统的未来发展趋势有一定的了解。

本书简明实用、重点突出、主次分明、结构层次清晰、语言通俗易懂，并附有大量有针对性的实例和练习，易于读者学习和巩固。本书既可作为计算机专业本科生、专科生的“操作系统原理”课程专业教材，也可作为操作系统爱好者学习操作系统原理的自学用书。

本书由刘义常主编，郝文化审校。同时，参与本书编排的人员还有：邹素琼、郝文化、赵秋云、赵继军、彭艺、曲辉辉、周章、蒋波、徐留旺、曹振宇、张婷、温凌霜、鲁得翠、蒋泽平、魏乐、韩翔、程小英、谭小丽、卢丽娟、李小琼、周宏、罗吉、许翔燕、陈春、张忠、方小马、黄姹英、周明、宋晶、邓勇等，在此一并表示感谢。

为充分展现本书的编写特点，帮助读者深刻理解本书的编写意图与内涵，进一步提高对本书教学的使用效率，我们建立本书使用指导联络方式，这是读者与编者之间交流沟通的直通车。欢迎读者将本书使用过程中的问题与各种探讨和建议反馈给我们，本书编者会竭诚为您提供满意的答复。

我们为选用本书作为教材的老师免费提供电子教案。如果读者愿意参加“操作系统原理”的学习培训，或是在学习过程中发现问题，或有更好的建议，欢迎来函。我们的联系E-mail：bojia@bojia.net，电子教案下载网址：http://www.waterpub.com.cn/softdown/。我们将认真负责地对待每一位读者的来函。

编者

2005年10月

前言
第1章概述 1
1.1 操作系统的概念 1
1.1.1 启动计算机 1
1.1.2 控制计算机的资源 3
1.1.3 为用户提供操作界面 3
1.1.4 总结 3
1.2 操作系统的特点 4
1.2.1 共享性 4
1.2.2 并发性 4
1.3 操作系统的功能 4
1.4 网络操作系统 5
1.4.1 网络操作系统和普通操作系统的区别 5
1.4.2 网络中的NetBIOS 6
1.4.3 网络中的计算机技术和通信技术及网络操作系统的作用 6
1.5 操作系统知识的实用价值 6
1.5.1 学习计算机知识的两个目的 6
1.5.2 操作系统原理的知识对提高软件设计能力的帮助 7
1.5.3 操作系统原理的知识对排除微机故障的帮助 7
习题 7
第2章操作系统管理应用程序的运行 9
2.1 作业、进程、线程和超线程 9
2.1.1 作业的引入、概念和JCB 9
2.1.2 进程的引入、概念和PCB 11
2.1.3 进程的状态和状态转换 12
2.1.4 对象概念和进程的关系 16
2.1.5 线程的引入、概念和TCB 17
2.1.6 线程的状态、描述和与对象的关系 18
2.2 进程之间的四种关系和实现 20
2.2.1 进程之间的互斥和实现 20
2.2.2 进程之间的同步，信号量和管程机制 22
2.2.3 进程之间的通信——直接和间接通信 25
2.2.4 互斥、同步和通信之间的关系 27
2.2.5 进程之间的死锁 27
2.3 作业、进程、线程等的调度算法 28
2.3.1 调度如何实现 28
2.3.2 先进先出（FIFO） 30
2.3.3 完全优先级调度 30
2.3.4 时间片轮转调度 31
2.3.5 最短进程调度 31
2.3.6 最小剩余时间调度 32
2.3.7 最高响应比调度 32
2.3.8 多级反馈队列调度 33
2.4 操作系统运行应用程序的工作原理 34
2.4.1 输入井、内存和CPU 34
2.4.2 作业、进程和线程 35
2.4.3 JCB、PCB和TCB 36
2.4.4 应用程序运行的工作原理 37
2.5 超线程 39
2.6 进程的安全性 40
2.6.1 进程安全性和系统安全性的关系 40
2.6.2 进程安全性和进程死锁的关系 40
2.7 Windows 2000操作系统的管理 41
2.7.1 Windows 2000操作系统中的对象、进程和线程 41
2.7.2 Windows 2000操作系统中的进程管理 45
2.7.3 Windows 2000操作系统中的内核调度程序 46
习题 47
第3章操作系统管理CPU 49
3.1 CPU的两种状态和作用 49
3.1.1 CPU的基本结构和特殊性 49
3.1.2 CPU的管态和目态 51
3.1.3 PSW和CPU工作状态的关系 52
3.2 操作系统管理CPU 53
3.2.1 操作系统对CPU管理的内容 53
3.2.2 操作系统管理CPU的方法 54
3.2.3 操作系统管理CPU的目的 58
3.3 微机CPU中采用的先进技术 59
3.3.1 多级流水线技术 59
3.3.2 指令预测技术 60
3.3.3 指令队列技术 61
3.3.4 高速缓存技术 61
习题 62
第4章操作系统管理内存 63
4.1 微机的四级存储结构 63
4.1.1 提出四级存储结构的原因 63
4.1.2 微机的四级存储结构和特点 64
4.2 操作系统管理内存的四大功能 67
4.2.1 内存空间的分配 67
4.2.2 内存地址转换 67
4.2.3 内存的保护和共享 68
4.2.4 内存的扩充 69
4.3 操作系统管理实在内存 71
4.3.1 实在内存的概念和操作系统对其的管理功能 71
4.3.2 固定分区管理技术 72
4.3.3 动态重定位可变分区管理技术 74
4.3.4 简单分页管理技术 77
4.3.5 简单分段管理技术 80
4.4 操作系统管理虚拟内存 82
4.4.1 虚拟内存的概念和操作系统对其的管理功能 82
4.4.2 虚拟内存分页管理技术 84
4.4.3 虚拟内存分段管理技术 88
4.4.4 虚拟内存段页式管理技术 90
4.4.5 Pentium（奔腾）下的段页式管理工作原理 92
4.4.6 虚拟内存管理中的内存分配技术 94
4.4.7 虚拟内存管理中的内存安全和共享技术 96
4.4.8 虚拟内存管理中页面置换的算法 98
4.4.9 快表一致性问题 102
4.5 Windows 2000中虚拟内存管理 103
4.5.1 Windows 2000中的虚拟内存分页 103
4.5.2 Windows 2000中的页面调度和工作集 106
4.5.3 Windows 2000中的页架 108
4.5.4 内存映射文件 108
习题 110
第5章操作系统管理输入/输出设备 112
5.1 微机输入/输出的三种方式 112
5.1.1 编程方式输入/输出 112
5.1.2 中断方式和中断的工作原理 113
5.1.3 DMA及其工作原理 119
5.2 计算机输入/输出的层次结构 120
5.2.1 输入/输出的四层结构 120
5.2.2 硬件层和相关的其他内容 122
5.2.3 设备驱动程序 124
5.2.4 层次结构的最上两层中与设备有关的功能 126
5.2.5 层次结构的最上两层中与设备无关的功能 129
5.3 硬盘结构和硬盘使用前的处理 130
5.3.1 硬盘的物理结构、柱面、磁头和扇区的概念 130
5.3.2 硬盘的低级格式化和作用 131
5.3.3 硬盘的分区和作用 133
5.3.4 硬盘的高级格式化和作用 138
5.4 虚拟设备 153
5.4.1 虚拟设备的引入 153
5.4.2 虚拟存储器 153
5.4.3 其他虚拟设备 154
5.5 SPOOLing技术及其工作原理 154
5.5.1 SPOOLing技术概念 154
5.5.2 微机中SPOOLing技术的应用 156
5.6 Windows 2000的输入/输出管理 157
5.6.1 Windows 2000中的输入/输出系统结构 158
5.6.2 Windows 2000中的驱动程序模型 159
5.6.3 Windows 2000中的磁盘管理 160
习题 161
第6章操作系统管理文件 163
6.1 文件的概念和说明 163
6.1.1 文件的概念 163
6.1.2 文件内容的组织方式 165
6.1.3 文件命名和扩展名 168
6.1.4 文件的分类 171
6.1.5 文件属性和微机中的文件属性描述 172
6.2 文件的操作 174
6.2.1 整个文件的操作 174
6.2.2 文件数据项的操作 176
6.3 文件系统 176
6.3.1 文件系统的概念 176
6.3.2 微机文件系统的组织——目录结构 180
6.3.3 文件系统的实现 183
6.3.4 虚拟文件系统 187
6.4 文件系统的安全和保护 190
6.4.1 用户确认技术 190
6.4.2 数据保护 191
6.5 Windows 2000的文件管理 193
6.5.1 Windows 2000中的文件系统结构 193
6.5.2 Windows 2000中的文件路径规定 194
6.5.3 Windows 2000中的文件安全性 195
习题 195
第7章操作系统分析与展望 197
7.1 Windows 2000操作系统 197
7.1.1 网络操作系统结构和工作原理 197
7.1.2 对象、进程和线程 202
7.1.3 微内核和对称多处理系统 205
7.1.4 Windows 2000的主要优点和问题 207
7.2 Windows XP操作系统 209
7.2.1 Windows XP远程协助概念 212
7.2.2 Windows XP的远程桌面 214
7.2.3 Windows XP的远程协助 217
7.2.4 其他特殊功能 218
7.3 操作系统发展展望——分布式操作系统 219
7.3.1 分布式系统的概念和特点 220
7.3.2 分布式操作系统的特点 221
7.3.3 分布式操作系统要解决的问题 223
习题 229操作系统是计算机应用的所有软件中使用最广泛的基础软件，在计算机技术不断地更新和完善的今天，无论是硬件技术还是软件技术的变革都会在计算机操作系统的设计技术与使用风格上得到体现。对于计算机专业的学生来说，操作系统是一门重要的基础课程，不仅要向普通用户一样会操作它，还要了解它的设计与实现原理，在些基础上利用计算机去开发各种软件，解决复杂的应用问题。本书着重讲述操作系统的原理和概念，并且以此来指导操作系统的设计和实现。
本书简明实用、重点突出、主次分明、结构层次清晰、语言通俗易懂，并附有大量有针对性的实例和练习，易于读者学习和巩固。本书既可作为计算机专业本科生、专科生“操作系统原理”课程的专业教材，同时也可作为操作系统爱好者学习操作系统原理的自学用书。
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