【PDF】教材《计算机操作系统(第三版)》汤小丹、汤子瀛等编.doc

第一章 操作系统引论 教材 计算机操作系统第三版 汤小丹、汤子瀛等编 西安电子科大出版社 参考教材 操作系统概念第六版 Abraham Baer Galvin Greg Gagne著 郑扣根译 高等教育出版社 第一章 操作系统引论 1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计 第一章 操作系统引论 ? 计算机系统由软硬件组成 ?操作系统是用户和硬件系统之间的接口 ?其他的系统软件和应用软件都必须依赖它的支持。 第一章 操作系统引论 1.1 操作系统的目标和作用 1.1.1 操作系统的目标 目前存在着多种类型的OS不同类型的OS其目标各有所侧重。通常的OS有以下几个目标 1. 方便性机器语言难使用 OS可编译 2. 有效性 改善资源的利用率及提高系统呑吐量 3. 可扩充性 层次化和模?榛怪衫?4. 开放性 遵循同一标准软硬件兼容 第一章 操作系统引论 1.1.2 操作系统的作用 1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS处于用户与计算机硬件系统之间 用户通过OS来使用计算机系统。 OS是一个系统软件因而这种接口是软件接口。 第一章 操作系统引论 图 1-1 OS作为接口的示意图 用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件第一章 操作系统引论 1 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令语言 用户可通过键盘输入有关命令来直接操纵计算机系统。 2 系统调用方式。OS提供了一组系统调用用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用来操纵计算机。 3 图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。 第一章 操作系统引论 2. OS作为计算机系统资源的管理者 计算机系统资源分为四类处理器、存储器、 I/O设备以及信息数据和程序。 ?处理机管理 用于分配和控制处理机 ?存储器管理主要负责内存的分配与回收 ?I/O设备管理负责I/O设备的分配与操纵 ?文件管理负责文件的存取、共享和保护。 第一章 操作系统引论 3. OS用作扩充机器 ?裸机一台完全无软件的计算机系统。 ?扩充机器或虚机器覆盖了软件的机器。 ?若在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件可用来进行数据输入和打印输出。 ?若再覆盖上一层文件管理软件可用来进行文件的存取。 ?若再覆盖一层面向用户的窗口软件则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机形成一台功能更强的虚机器。 第一章 操作系统引论 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力 1.不断提高计算机资源利用率批处理 2. 方便用户 分时系统 3. 器件的不断更新换代 8位-16位-32位 4. 计算机体系结构的不断发展 单CPU到多CPU 第一章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统的计算机系统 1. 人工操作方式 ?穿孔输入计算机运行输出结果 这种人工操作方式有以下两方面的缺点 1 用户独占全机。 2 CPU等待人工操作。 第一章 操作系统引论 2. 脱机输入/输出Off-Line I/O方式 这种脱机I/O方式的主要优点如下 1减少了CPU的空闲时间。 2 提高I/O速度。 输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备图 1-2 脱机I/O示意图 第一章 操作系统引论 1.2.2 单道批处理系统 1. 单道批处理系统Simple Batch Processing System的处理过程 图 1-3 单道批处理系统的处理流程 把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗否装 配目标程序还有下一个作业是否停止运 行目标程序是开始监督程序调度一批程序 第一章 操作系统引论 2. 单道批处理系统的特征 单道批处理系统并非是现在人们所理解的OS。但比起人工操作方式的系统已有很大进步。 该系统的主要特征如下 1 自动性。 2 顺序性。 3 单道性。 第一章 操作系统引论 1.2.3 多道批处理系统 1. 多道程序设计的基本概念 ?用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列称为“后备队列” ?然后由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存使它们共享CPU和系统中的各种资源。 第一章 操作系统引论 多道程序设计技术的好处 1提高CPU的利用率。 ?内存中若干道程序交替地运行。 ? 当运行的程序因I/O而暂停执行时系统可调度另一道程序运行。 ?保持了CPU处于忙碌状态。 第一章 操作系统引论 图 1-4 单道和多道程序运行情况 t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作a 单道程序运行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序b 四道程序运行情况A完成结束中断第一章 操作系统引论 2 可提高内存和I/O设备利用率。 3 增加系统吞吐量。 第一章 操作系统引论 2. 多道批处理系统的特征 1多道性。 2 无序性。 3 调度性。 作业调度进程调度 第一章 操作系统引论 3. 多道批处理系统的优缺点 1资源利用率高。 2 系统吞吐量大。 3 平均周转时间长。 4 无交互能力。 第一章 操作系统引论 4. 多道批处理系统需要解决的问题 1处理机管理问题CPU分配及提高利用率 2 内存管理问题。 内存分配和安全 3 I/O设备管理问题。方便使用和利用率 4 文件管理问题。文件的组织安全一致 5 作业管理问题。组织作业计算型IO型 第一章 操作系统引论 1.2.4 分时系统 1. 分时系统Time-Sharing System的产生 ?“用户的需求”是分时系统发展的动力。 ?用户的需求具体表现在以下几个方面 1 人机交互。如调试程序 2 共享主机。 3 便于用户上机。 终端直接连入 第一章 操作系统引论 2. 分时系统实现中的关键问题 1及时接收。多路连接缓冲区 2及时处理。时间片 第一章 操作系统引论 3. 分时系统的特征 1多路性。宏观上共享微观上轮转 2 独立性。 一个用户一个终端 3 及时性。 每个用户能获及时响应 4 交互性。 第一章 操作系统引论 1.2.5 实时系统 实时系统Real-Time System是指系统能及时或即时响应外部事件的请求在规定的时间内完成对该事件的处理 1. 应用需求 1实时控制。如生产控制、导弹制导、 飞机自动驾驶 2 实时信息处理。如火车票订票系统 第一章 操作系统引论 根据对截止时间的要求来划分 1 硬实时任务。系统必须满足任务对截止时间的要求否则可能出现难以预测的结果。 2 软实时任务。它也联系着一个截止时间 但并不严格若偶尔错过了任务的截止时间 对系统产生的影响也不会太大。 第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的特征 1.3.1 并发Concurrence 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生 多处理机上多个程序被分配到多个处理机上实现并行执行 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 单处理器上宏观上有多个程序在同时运行微观上只能分时地交替执行 第一章 操作系统引论 1.3.2 共享Sharing 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。 1. 互斥共享方式 临界资源或独占资源在一段时间内只允许一个进程访问的资源如打印机、磁带机 2. 同时访问方式 允许多个进程“同时”对它们进行访问。宏观上同时在微观上交替访问。磁盘、文件 第一章 操作系统引论 并发和共享关系 一方面有并发才有共享 另一方面若系统不能协调好诸进程对共享资源的访问也必然影响到程序并发执行的程度甚至根本无法并发执行。 第一章 操作系统引论 1.3.3 虚拟Virtual “虚拟”是指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。 虚拟处理器处理机同时为多个用户服务使每个终端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。 虚拟存储器通过虚拟存储器技术用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。 虚拟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设备并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备。如打印机 第一章 操作系统引论 1.3.4 异步性Asynchronism 多道作业并发运行何时暂停、何时完成无法预知但同一环境下运行结果是一致的。 无法预知的原因临界资源、IO型和计算型等 第一章 操作系统引论 1.4 操作系统的主要功能 1.4.1 处理机管理功能 1. 进程控制 ?为作业创建进程、撤消已结束的进程以及控制进程在运行过程中的状态转换。 ? 在现代OS中还应具有为一个进程创建若干个线程的功能和撤消终止已完成任务的线程的功能。 第一章 操作系统引论 2. 进程同步 ? 进程同步的主要任务是协调多个进程含线程的运行。 ? 两种协调方式 进程互斥是指诸进程线程互斥地访问临界资源 进程同步同步机构协调合作完成共同任务的进程线程的执行次序。 ? 最简单进程互斥的机制是为每一个临界资源配置一把锁W当锁打开时允许访问而当锁关上时则禁止访问。 第一章 操作系统引论 3. 进程通信 进程通信实现在相互合作的进程之间的信息交换。 如有三个相互合作的进程它们是输入进程、计算进程和打印进程 直接通信处于同一计算机系统相互合作的进程线程间的通信方式。 源进程将消息message挂到目标进程的消息队列上目标进程从其消息队列中取出消息。 第一章 操作系统引论 4. 调度 在后备队列上等待的每个作业通常都要经过调度才能执行。 作业调度是从后备队列中按照一定的算法选择出若干个作业为它们分配其必需的资源首先是分配内存。 进程调度是从进程的就绪队列中选出一新进程把处理机分配给它并为它设置运行现场 使进程投入执行。 在多线程OS中通常是把线程作为独立运行和分配处理机的基本单位。 第一章 操作系统引论 1.4.2 存储器管理功能 1. 内存分配 静态分配内存空间是在作业装入时确定的不允许增加或“移动” 动态分配内存空间也是在装入时确定的但允许申请附加内存空间 和也允许“移动”。 第一章 操作系统引论 实现内存分配应具有的结构和功能 内存分配数据结构用于记录内存空间的使用情况作为内存分配的依据 内存分配功能系统按照一定的内存分配算法 为用户程序分配内存空间 内存回收功能系统对于用户不再需要的内存通过用户的释放请求去完成系统的回收功能。 第一章 操作系统引论 2. 内存保护 内存保护确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行彼此互不干扰。 一种比较简单的内存保护机制设置两个界限寄存器。 须对访问的地址进行越界检查越界则停止程序执行。 第一章 操作系统引论 3. 地址映射 “逻辑地址”或“相对地址”一般应用程序地址都是从“0”开始的程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的 这些地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。 “物理地址”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”。 地址映射功能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。 第一章 操作系统引论 4. 内存扩充虚拟存储技术 从逻辑上去扩充内存容量 内存扩充的功能 1 请求调入功能。 装入部分程序和数据便可运行需要时再请求调入 2 置换功能。内存不够时需调出暂时不用的程序将需要的程序调入内存 第一章 操作系统引论 1.4.3 设备管理功能 设备管理的主要任务 ?响应用户进程提出的I/O请求 ? 为用户进程分配其所需的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。 第一章 操作系统引论 1. 缓冲管理 缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾 提高CPU的利用率进而提高系统吞吐量。 单缓冲机制、双缓冲机制公用缓冲池机制。 第一章 操作系统引论 2. 设备分配 设备分配:根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略为之分配其所需的设备。 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。 设备使用完后还应立即由系统回收。 第一章 操作系统引论 3. 设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序用于实现CPU和设备控制器之间的通信 处理过程是 ?设备处理程序首先检查I/O请求的合法性 ?了解设备状态。 ?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。 第一章 操作系统引论 1.4.4 文件管理功能 1. 文件存储空间的管理 由文件系统对文件及文件的存储空间实施统一的管理。 主要任务为每个文件分配必要的外存空间提高外存的利用率并提高文件系统的运行速度。 系统还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。 采用离散分配方式并以块为基本分配单位。盘块的大小通常为512 B8 KB。 第一章 操作系统引论 2. 目录管理 目录管理为每个文件建立其目录项并对众多的目录项加以有