计算机操作系统.ppt

2020 2 10 1 1 3操作系统的基本特性 并发性共享性虚拟性异步性 2020 2 10 2 1 3 1并发 并行性 两个或多个事件在同一时刻发生并发性 两个或多个事件在同一时间间隔内发生在多道程序系统 单处理器 中 宏观上并行 多个程序在同时运行 微观分时交替执行 多处理机系统可并行执行 2020 2 10 3 1 3 1并发 程序不能并发执行 为使多个程序并发执行 引入进程进程 在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位 引入线程后 独立运行的单位变为线程 2020 2 10 4 1 3 2共享 在操作系统环境下 所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程 线程 共同使用 并发和共享是操作系统两个最基本的特征 这两者之间又是互为存在条件的 资源共享是以程序的并发为条件的 若系统不允许程序并发执行 自然不存在资源共享问题 若系统不能对资源共享实施有效的管理 也必将影响到程序的并发执行 甚至根本无法并发执行 2020 2 10 5 共享方式 互斥共享方式同时访问方式 2020 2 10 6 互斥共享方式 在规定的一段时间内只允许一个进程访问 资源分配后到释放前 不能被其他进程所用 举例 临界资源 独占资源 一段时间内只允许一个进程访问的资源 比如打印机 磁带机 栈 变量和表格 2020 2 10 7 同时访问方式 允许在一段时间内由多个进程同时 宏观上看 对它进行访问 如磁盘文件 2020 2 10 8 1 3 3虚拟 虚拟 通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物 前者为实 后者为虚 用于实现虚拟的技术 称为虚拟技术 在OS中利用了多种虚拟技术 分别用来实现虚拟处理机 虚拟内存 虚拟外部设备和虚拟信道等 2020 2 10 9 1 3 3虚拟 虚拟处理机通过多道程序设计技术 并发执行 分时使用一台处理机 用户所感觉到的CPU称为虚拟处理机 虚拟内存通过虚拟存储器技术把物理存储器变为逻辑存储器 从逻辑上扩充存储器容量 用户所感觉到的存储器称为虚拟存储器 虚拟外部设备通过虚拟设备技术 将一台物理I O设备虚拟为多台逻辑上的I O设备 2020 2 10 10 1 3 4异步性 进程是以人们不可预知的速度向前推进 此即进程的异步性 进程的运行速度不可预知 在多道程序环境下 当多个进程并发执行时 由于资源等因素的限制 进程的执行通常以 停停走走 的方式运行 内存中的每个进程在何时执行 何时暂停 以怎样的速度向前推进 每道程序总共需多少时间才能完成 都是不可预知的 很可能先进入内存的作用后完成 后进入内存的作业先完成 只要运行环境相同 作业经多次运行 结果相同 2020 2 10 11 1 4操作系统的主要功能 操作系统的主要任务 是为多道程序的运行提供良好的运行环境 以保证多道程序能有条不紊 高效地运行 并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用 为此 OS应具有如下功能 处理机管理功能存储器管理功能设备管理功能文件管理功能 2020 2 10 12 对处理机进行分配 并对其运行进行有效的控制和管理 主要任务 主要功能 处理机的分配和运行都是以进程为基本单位 因而对处理机的管理可归结为对进程的管理 功能有 进程控制 进程同步 进程通信和进程调度 在多道程序环境下 要使作业运行 必须先为它创建一个或几个进程 并为之分配必要的资源 进程运行结束时 要撤消该进程 释放进程所占用的各类资源 主要功能 创建进程 撤消进程 进程的状态转换 进程以异步方式运行 以不可预知的速度向前推进 为使多个进程能有条不紊地运行 系统中必须设置进程同步机制 进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调 有两种协调方式 1 进程互斥方式 这是指诸进程在对临界资源进行访问时 应采用互斥方式 最简单的用于实现进程互斥的机制 是为每一种临界资源配置一把锁W 当锁打开时 进程可以访问临界资源 关上时则禁止进程访问 2 进程同步方式 指在相互合作完成共同任务的进程间 由同步机构对它们的执行次序加以协调 最常用的机制是信号量 在多道程序环境下 相互合作来共同完成一个任务的诸进程之间 往往需要交换信息 进程通信的任务 就是用来实现在相互合作进程之间的信息交换 例如 输入进程 计算进程和打印进程 相互合作的进程处于同一计算机系统时 通常采用直接通信方式 由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的消息队列上 而目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息 等待在后备队列上的每个作业 通常要经过作业调度和进程调度两步 才能执行 作业调度的基本任务 按照一定的算法 从作业后备队列中选择出若干个作业 为它们分配必要的资源 之后将他们调入内存 为它们建立进程 并将它们按一定算法插入就绪队列 进程调度的任务 从进程的就绪队列中 按照一定的算法选出一进程 把处理机分配给它 并为它设置运行现场 使该进程运行 1 4 1处理机管理功能 2020 2 10 13 为多道程序的运行提供良好的环境 方便用户使用存储器 提高其利用率 能从逻辑上来扩充内存 主要任务 主要功能 内存分配 内存保护 地址映射和内存扩充 主要任务 为每道程序分配内存空间 提高存储器的利用率 同时允许正在运行的程序申请附加的内存空间 以适应程序和数据动态增长的需要 分配方式 静态分配 动态分配 结构和功能 内存分配数据结构 内存分配功能 内存回收功能 主要任务 确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行 一种比较简单的内存保护机制 是设置两个界限寄存器 分别用于存放正在执行程序的上界和下界 OS对每条指令所访问的地址进行越界检查 发生越界时发出越界中断请求 停止程序执行 进行越界处理 越界检查通常由硬件实现 源程序经编译链接而形成可装入程序后 这些程序的地址都是从 0 开始的 程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的 由这些地址所形成的地址范围称为 地址空间 其中的地址称为 逻辑地址 或 相对地址 而由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为 内存空间 其中的地址称为 物理地址 在多道程序环境下 地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的 因此 存储器管理必须提供地址映射功能 以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址 该功能应在硬件的支持下完成 物理内存的容量总是有限的 经常不能满足用户的需要 这时要能够进行内存 扩充 内存扩充并非是增加物理内存的容量 而是借助于虚拟存储技术 从逻辑上去扩充内存容量 使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多 内存扩充机制必须实现下述功能 请求调入功能 允许仅装入一部分用户程序和数据 在运行过程中当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时 可向OS发出请求 由OS将所需部分调入内存 以便继续运行 置换功能 若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时 系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上 以便腾出内存空间将所需部分调入内存 1 4 2存储器管理功能 2020 2 10 14 完成用户进程提出的I O请求 为用户进程分配I O设备 提高CPU和I O设备的利用率 提高I O速度 方便用户使用I O设备 主要任务 主要功能 缓冲管理 设备分配 设备处理 驱动 缓和CPU和I O速度不匹配的矛盾 最终达到提高CPU和I O设备利用率 进而提高系统吞吐量的目的 通过增加缓冲区容量的办法 来改善文件系统的性能 常见的缓冲区机制有 单缓冲机制 双缓冲机制 能实现双向同时传送数据 公用缓冲池机制 能供多个设备同时使用 基本任务 根据用户的I O请求 系统现有资源的状况 分配其所需的设备 若I O设备和CPU之间还存在着设备控制器和I O通道时 还须同时分配相应的控制器和通道 为实现设备分配 在系统中配置设备控制表 控制器控制表等数据结构 用于记录设备及控制器的标识符和状态 以说明该设备是否可用 是否忙碌 供设备分配时参考 设备分配方式因设备类型不同而不同 对于独占设备 临界资源 的分配 还应考虑到该设备被分配出去后 系统是否安全 设备用完后应立即加以回收 基本任务 实现CPU和设备控制器之间的通信 即由CPU向设备控制器发出I O指令 要求它完成指定的I O操作 并接收由设备控制器发来的中断请求 给予及时的响应和相应的处理 处理过程如下 1 检查I O请求的合法性 了解设备的状态是否空闲 了解有关传递参数以及设置设备的工作方式 2 向设备控制器发出I O命令 启动I O设备去完成指定的I O操作 3 及时响应由控制器发来的中断请求 并根据该中断请求的类型 调用相应的中断处理程序进行处理 对于设置了通道的计算机系统 设备处理程序还应能根据用户的I O请求 自动地构成通道程序 1 4 3设备管理功能 2020 2 10 15 对用户文件和系统文件进行管理 以方便用户使用 并保证文件的安全性 主要任务 主要功能 存储空间的管理 目录管理 文件的读 写管理和保护 主要任务 对文件及文件的存储空间实施统一管理 为每个文件分配必要的外存空间 提高外存的利用率 并帮助提高文件系统的工作速度 实现 设置相应的数据结构 用于记录文件存储空间的使用情况 以供分配存储空间时参考 具有对存储空间进行分配和回收的功能 分配 存储空间的分配通常是采用离散分配方式 以减少外存零头 提高存储空间的利用率 并以盘块为基本分配单位 盘块的大小通常为512字节至8K字节 为方便用户在外存上查找所需要文件 通常由系统为每个文件建立一个目录项 目录项包含文件名 文件属性 文件在磁盘上的物理位置等 由若干个目录项又构成了一个目录文件 目录管理的主要任务 为每个文件建立其目录项 并对众多的目录项加以有效的组织 以实现方便的按名存取 实现文件共享 提供快速的目录查询手段 以提高对文件的检索速度 功能 根据用户的请求 从外存中读取数据 或将数据写入外存 操作步骤 先根据用户给出的文件名 去检索文件目录 从中获得文件在外存中的位置 然后 利用文件读 写 指针 对文件进行读 写 一旦读 写 完成 便修改读 写 指针 为下一次读 写 做好准备 由于读和写操作不会同时进行 故可以合用一个读 写指针 为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏 文件的存取控制必须实现下述目标 1 防止未经核准的用户存取文件 2 防止冒名顶替存取文件 3 防止以不正确的方式使用文件 1 4 4文件管理功能 2020 2 10 16 1 4操作系统的功能 5 1 4 5用户接口 命令接口便于用户直接或间接地控制自己的作业 用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行 该接口又可进一步分为联机用户接口和脱机用户接口 命令接口 程序接口 为联机用户提供 由一组键盘操作命令及命令解释程序组成 用户在终端或控制台上每键入一条命令 系统就立即转入命令解释程序 解释并执行该命令 完成指定功能后 控制又返回到终端或控制台上 等待用户键入下一条命令 用户可通过先后键入不同的命令 来实现对作业的控制 直至作业完成 为批处理作业的用户提供 由一组作业控制语言JCL组成 JCL是提供给批处理作业用户 为实现所需功能委托系统代为控制作业的一种语言 用户事先用JCL把需要对作业进行的控制和干预 写成作业说明书 和作业一起提供给系统 当系统调度到该作业运行时 又调用命令解释程序 对作业说明书上的命令 逐条地解释执行 若执行过程中出现异常现象 系统也将根据作业说明书上的指示进行干预 这样 作业一直在作业说明书的控制下运行 直至遇到作业结束语句时 系统才停止该作业的运行 图形接口 图形用户接口采用图形化的操作界面 用非常容易识别的各种图标将系统的各项功能 各种应用程序和文件 直观 逼真地表示出来 用户可通过鼠标 菜单和对话框来完成对应用程序和文件的操作 由一组系统调用组成 每个系统调用