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计算机科学与工程系 04 - 1/45 4.1 操作系统概念及构成 4.2 操作系统类别与计算环境 4.3 进程管理 4.4 内存管理 4.5 虚拟内存方案 4.6 文件管理 4.7 输入/输出系统管理 4.8 典型操作系统介绍 第四章 计算机操作系统 计算机科学与工程系 04 - 2/45 4.1 4.1 操作系统概念及构成操作系统概念及构成 4.1.1 操作系统的概念 编译程序 汇编程序 文本编辑器 数据库系统 系统程序和应用程序 操作系统 计算机硬件 用户 1 用户 2 用户 3 用户 n 操作系统(Operating System) , 是管理计算机硬件的程 序，同时它又为应用程序提供基础，并且作为计算机用户和 计算机硬件的中介。 计算机科学与工程系 04 - 3/45 4.1.2 操作系统的构成-进程 l 进程管理 l 内存管理 l 文件管理 l 输入/输出系统管理 l 二级存储管理 l 联网、保护系统和命令 解释程序系统 主要功能包括： 创建和删除用户及系统进程 挂起和恢复进程 提供进程同步机制 提供进程通讯机制 提供处理死锁机制 4.1 操作系统概念及构成 计算机科学与工程系 04 - 4/45 4.1.2 操作系统的构成-内存 l 进程管理 l 内存管理 l 文件管理 l 输入/输出系统管理 l 二级存储管理 l 联网、保护系统和命令 解释程序系统 主要功能包括： 跟踪当前内存使 用情况 内存分配原则 内存的回收 4.1 操作系统概念及构成 计算机科学与工程系 04 - 5/45 4.1.2 操作系统的构成-文件 l 进程管理 l 内存管理 l 文件管理 l 输入/输出系统管理 l 二级存储管理 l 联网、保护系统和命令 解释程序系统 主要功能包括： 创建和删除文件 创建和删除目录 提供操作文件和目录的 原语 文件的映射 文件的备份 4.1 操作系统概念及构成 计算机科学与工程系 04 - 6/45 4.1.2 操作系统的构成-I/O l 进程管理 l 内存管理 l 文件管理 l 输入/输出系统管理 l 二级存储管理 l 联网、保护系统和命令 解释程序系统 主要组件包括： 缓冲器、高速缓存和脱机 打印的内存管理部分 通用的设备驱动程序接口 特定硬件设备的驱动程序 4.1 操作系统概念及构成 计算机科学与工程系 04 - 7/45 4.1.2 操作系统的构成-二级存储 l 进程管理 l 内存管理 l 文件管理 l 输入输出系统管理 l 二级存储管理 l 联网、保护系统和命令 解释程序系统 主要功能包括： 空闲空间管理 存储分配 磁盘调度 4.1 操作系统概念及构成 计算机科学与工程系 04 - 8/45 4.1.2 操作系统的构成-其它 l 进程管理 l 内存管理 l 文件管理 l 输入输出系统管理 l 二级存储管理 l 联网、保护系统和命令 解释程序系统 主要功能包括： 维护联网机器的各种资 源 各种进程的授权机制 提供用户和操作系统的 接口 4.1 操作系统概念及构成 计算机科学与工程系 04 - 9/45 4.2.1 操作系统的类别 4.2 操作系统类别与计算环境 批处理系统 1 1 多道程序系统 2 2 分时系统 3 3 实时系统 4 4 桌面系统 9 9 多处理机系统 5 5 网络系统 6 6 分布式系统 7 7 手持式系统 8 8 计算机科学与工程系 04 - 10/45 4.2.2 计算环境 4.2 操作系统类别与计算环境 传统计算环境即指普通意义下的通用计算机 工作环境。主要是指计算机诞生至今独立或 联网工作的通用计算机所形成的计算环境。 传统计算环境 基于Web的计算 环境 嵌入式计算 环境 Web计算增加了网络的重要性。过去不能联 网的设备现在已能提供有线或无线访问。能 联网的设备，通过改进网络技术或优化网络 实现代码，现在已能提供更快的网络连接。 由于设备的简单和少量的甚至是没有用户 接口，嵌入式操作系统主要将时间用在监 视和管理硬件设备上。 计算机科学与工程系 04 - 11/45 4.3.1 进程的概念 4.3 4.3 进程管理 在计算机操作系统中，引入进程概念的目的是让多个 程序能在计算机中并发执行，从而提高处理机的利用率。 进程(process)可以简单地被看作是正在执行的程序。 但是进程需要一定的资源(例如CPU时间、内存、文件和 I/O设备)来完成它的任务。 进程在大多数操作系统中被理解为工作单元。 进程是一个动态的概念，而程序是一个静态的概念。 计算机科学与工程系 04 - 12/45 4.3.2 进程的状态转移 4.3 4.3 进程管理 新的 就绪运行 终止 等待 允许 中断 退出 允许 I/O操作或事件的完成I/O操作或事件的等待 进程状态及转换图 计算机科学与工程系 04 - 13/45 4.3.3 进程控制块 4.3 进程管理 进 程 控 制 块 PCB 进程状态：进程当前所处的状态。 CPU寄存器：通常包括累加器、索引寄存器、 堆栈指针、通用寄存器和其它条件码信息寄存。 程序计数器：指明进程要执行的下一条指令 的地址。 CPU调度信息：包括基址寄存器、界限寄存 器、页表或段表等信息。 记帐信息：包括CPU时间、实际使用时间、 时间界限、记账数量、作业或进程数量等。 I/O状态信息：包括分配给进程的I/O设备 列表、打开文件列表等。 计算机科学与工程系 04 - 14/45 4.3.4 进程调度及队列图 4.3 4.3 进程管理 就绪队列CPU I/O请求 时间片用完 创建子进程 等待一个中断 I/O队列I/O 子进程执行 中断发生 进程调度图 计算机科学与工程系 04 - 15/45 4.3.5 CPU调度及其准则 4.3 4.3 进程管理 在设计CPU调度程序时主要应该考虑的准则包括： CPU使用率(CPU Utilization) 吞吐量(Throughput)。 周转时间(Turnaround Time)。 等待时间(Waiting Time)。 响应时间(Response Time)。 通常，设计CPU 调度算法时应尽可能做 到：CPU使用率和吞 吐量最大化，而周转时 间、等待时间和响应时 间最小化。 计算机科学与工程系 04 - 16/45 先到先服务(FCFS, First-Come, First-Served) 4.3.6 主要调度算法 4.3 4.3 进程管理 最短作业优先(SJF, Shortest-Job-First) 优先权(Priority) 轮转(RR, Round-Robin) 多级队列(Multilevel Queue) 多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue) 计算机科学与工程系 04 - 17/45 4.3.7 进程的同步与互斥 4.3 4.3 进程管理 同步 互斥 信号量机制 解决 解决 sem = sem - 1; ; / no-op sem = sem + 1; while (sem =0) signal(sem) wait(sem) signal(synch) S1 P1: S2 wait(synch) P2: signal(mutex); 临界区 wait(mutex); Pi: 计算机科学与工程系 04 - 18/45 在多道程序设计环境中，多个进程可能竞争 一定数量的资源。一个进程在申请资源时，如果 所申请资源不足，该进程就必须等待状态。如果 所申请的资源被其它进程占有，那么进程的等待 状态就可能无法改变，形成进程之间相互一直等 待的局面，这就是死锁(deadlock)。 4.3.8 进程的死锁及处理方法 4.3 4.3 进程管理 计算机科学与工程系 04 - 19/45 4.3.8 进程的死锁及处理方法 4.3 4.3 进程管理 引起死锁的四个必要条件： 互斥 占有并等待 非抢占 循环等待 死 锁 计算机科学与工程系 04 - 20/45 4.3.8 进程的死锁及处理方法 4.3 4.3 进程管理 处理死锁问题的三种方式 可使用协议以预防和避免死锁，确保系统从不会进入死锁状态。 可允许系统进入死锁状态，然后检测出死锁状态，并加以恢复。 可忽略进程死锁问题，并假装系统中死锁从来不会发生。 顺序： 先预防避免 再检测恢复 计算机科学与工程系 04 - 21/45 4.4.1 用户程序执行与地址映射 4.4 内存管理 如果在编译时就知道进程将在内存中的什么 位置驻留，那么编译器就可以直接以生成绝 对地址代码。 编译阶段 加载阶段 如果在编译阶段不知道进程将驻留在什么位 置，那么编译器就必须生成可重定位地址代 码。 执行阶段 如果进程在执行时可以从一个内存段移动到 另一个内存段，那么进程的绝对地址映射工 作只能延迟到执行时进行。 计算机科学与工程系 04 - 22/45 4.4.2 物理地址空间与逻辑地址空间 4.4 4.4 内存管理 为了便于CPU访问，每个存储单元都有一个编号，这个编 号称为内存的物理地址，也叫内存的绝对地址。但用户是不直 接考虑地址的，只是在编译时CPU会为用户程序生成详细地址 ，这就是逻辑地址 。 物理地址 Base + X 逻辑地址 X CPU 重定位寄存器 Base + 内存 内存管理单元 计算机科学与工程系 04 - 23/45 4.4.3 进程使用内存的交换技术 4.4 4.4 内存管理 为了更加有效地使用内存，进程在不运行时，可以 暂时从内存中调出到备份存储器上，直到需要再运行时 再重新调回到内存中。也就是，当时间片到时，内存管 理程序就将刚刚运行过的进程从内存中换出以释放出占 用的内存空间，随即可以将另一个要运行的进程换入到 刚刚释放出的内存空间。同时，CPU调度程序可以将 时间片分配给其它已在内存中的进程。当每个进程用完 时间时，就将与另外一个进程相交换(Swapping)。 计算机科学与工程系 04 - 24/45 4.4.4 内存分配方案-连续 l 连续内存分配 l 分页式内存管理 l 分段式内存管理 l 段页式内存管理 找孔 在内存分配中，常常把内存中还 没有被分配的可用空间称为孔 (hole)。 方法有： 首次适应(First-fit)策略 最佳适应(Best-fit)策略 最差适应(Worst-fit)策略 4.4 4.4 内存管理 计算机科学与工程系 04 - 25/45 4.4.5 内存分配方案-分页式 l 连续内存分配 l 分页式内存管理 l 分段式内存管理 l 段页式内存管理 物理 地址 逻辑 地址 页框 (Frame) 页面(Page) p d f CPUpdfd f f 0000000 0 f 1111111 1 逻辑地址 物理地址 页表 物理内存 硬件支持 4.4 4.4 内存管理 计算机科学与工程系 04 - 26/45 4.5.1 基本思想 4.5 虚拟内存方案 一个进程要运行，就需要调入到内存。 不过，一个进程的运行是呈现局部性规律的 ，即在较短的时间内，进程的执行仅限于某 个部分。相应地，所访问的存储空间也是限 于某个局部区域。因此，一个进程的运行并 不意味着需要将其全部调入到内存中。 计算机科学与工程系 04 - 27/45 4.5.2 页面请求与页面置换算法 4.5 虚拟内存方案 先进先出(FIFO, First In First Out) 1 1 最佳(Optimal) 2 2 最近最少使用(LRU, Least-Recently-Used) 3 3 LRU近似(LRU Approximation) 4 4 基于计数(Counting-Based) 5 5 计算机科学与工程系 04 - 28/45 4.6.1 文件的概念 4.6 文件管理 操作系统对存储设备的各种属性加以抽象并定 义基本逻辑存储单元文件，再将文件映射到特 定的外部存储设备上。文件是保存在外部存储设备 上的相关信息的集合。 操作系统为文件提供6个基本操作： 创建文件 文件读 文件删除 文件写 文件内重定位 文件截短 计算机科学与工程系 04 - 29/45 4.6.2 文件的物理结构和逻辑结构 4.6 文件管理 文件的物理结构 文件的逻辑结构 无结构文件 有结构文件 流式文件 索引顺序文件 顺序文件 索引文件 计算机科学与工程系 04 - 30/45 4.6.3 文件的访问方式 4.6 文件管理 顺序访问方式 1 1 直接访问方式 2 2 索引访问方式 3 3 计算机科学与工程系 04 - 31/45 单层目录结构 4.6.4 文件的目录管理-单层 4.6 文件管理 文件 名 状态 位 物理 地址 文件 长度 文件 类型 Alice Bob Chris 单层目录结构示意图 计算机科学与工程系 04 - 32/45 双层目录结构 4.6.4 文件的目录管理-双层 4.6 文件管理 单层目录结构 双层目录结构示意图 MFD 用户名指向UFD的指针 Caocao Liubei Zhugeliang Caocao的UFD Alice Bob Coke Liubei的UFD Adidas Nike Zhugeliang的UFD Coke Roman Zone Alice Bob Coke Coke Roman Zone Adidas Nike 计算机科学与工程系 04 - 33/45 树型目录结构 4.6.4 文件的目录管理-树型 4.6 文件管理 单层目录结构 树型目录结构示意图 双层目录结构 root OthersBinPrgs Group3Group2Group1 recorderhexcountfind documentspptstxts Team4Team3Team2Team1 bbsextqqs listpool objlistlastsecondfirstsingle 计算机科学与工程系 04 - 34/45 无环路目录结构 4.6.4 文件的目录管理-无环路 4.6 文件管理 单层目录结构 双层目录结构 树型目录结构 root BinPrgs Group3Group2Group1 hexcountfind documentspptstxts bbsextqqs 无环路目录结构示意图 计算机科学与工程系 04 - 35/45 通用图目录结构 4.6.4 文件的目录管理-通用图 4.6 文件管理 单层目录结构 双层目录结构 树型目录结构 通用图目录结构示意图 无环路目录结 构 root BinPrgs Group3Group2Group1 hexcountfind documentspptstxts bbsextqqs 计算机科学与工程系 04 - 36/45 4.7.1 基本概念 4.7 4.7 输入输出系统管理 I/O管理需要完成用户提出的I/O请求、加快I/O信 息传送速度、提高I/O设备的并行性和利用率，为 I/O设备提供设备驱动程序和中断处理程序等。 I/O设备与计算机通信的连接点被称为端口。 用于操作端口、总线或设备的一组电子器件 ，是设备与总线的连接装置。 输入/输出管理 1 1 端口（port） 2 2 控制器(controller) 3 3 计算机科学与工程系 04 - 37/45 4.7.1 基本概念-总线 4.7 4.7 输入输出系统管理 总线(bus) 总线是一组连线以及一组严格定义的可描述在这组连 线上传输信息的协议(protocol)的集合。 SCSI 总线 图形控制器 桥/存储器 控制器 显示器处理器高速缓存 内存SCSI控制器 磁盘 磁盘 磁盘 磁盘 PCI总线 IDE磁盘控制器 磁盘 磁盘 磁盘 磁盘 扩展总线接口键盘 扩展总线 串行断口并行断口 一 个 典 型 的 PC 总 线 结 构 计算机科学与工程系 04 - 38/45 4.7.2 输入/输出控制方式 4.7 4.7 输入输出系统管理 程序控制方式 (Programmed I/O) 中断驱动方式 (Interrupt-driven) 直接存储器访问(DMA, Direct Memory Access) 通道控制方式 (channel) 计算机科学与工程系 04 - 39/45 4.7.3 I/O缓冲管理 4.7 4.7 输入输出系统管理 现代操作系统中，I/O设备与CPU(内存)交换数据时， 需要使用缓冲技术。也就是为I/O设备设置缓冲区，暂存数 据，等到数据积累到一定程度时，再做批量处理。 l 单缓冲 l 双缓冲 l 循环缓冲 l 缓冲池 计算机科学与工程系 04 - 40/45 4.7.4 设备驱动程序 4.7 4.7 输入输出系统管理 设备驱动程序 接收上层应用软件发来的I/O抽象请求转换为具体I/O请求 检查I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数 ，设置设备的工作方式 发出I/O命令，启动所分配的I/O设备，完成指定的I/O操作 及时响应由设备控制器和通道发来的中断请求，并根据中断 类型调用相应的中断处理程序 对于设有通道的计算机系统，根据I/O请求自动构成通道程序 功 能 计算机科学与工程系 04 - 41/45 Unix 4.8.1 Unix 4.8 典型操作系统 l 内核 l Shell l 文件结构 l 应用程序 BSD Unix Unix System BSD Unix BSD Unix BSD Unix 组成 计算机科学与工程系 04 - 42/45 4.8.2 Dos 4.8 典型操作系统 Dos MS-DOS(Microsoft)PC- DOS(IBM) DR DOS(Novell) l I/O系统 l 命令解释程序 l 外部命令集 分类 组成 计算机科学与工程系 04 - 43/45 Windows 4.8.3 Windows 4.8 典型操作系统 l 界面图形化，操作便捷 l 采用多任务机制