《计算机软件基础》操作系统修改课件.ppt

第4章操作系统,4.1操作系统的概念4.2多道程序设计4.3存储空间的组织,4.1操作系统的概念,4.1.1操作系统的功能与任务4.1.2操作系统的发展过程4.1.3操作系统的分类,(1)管理系统资源。包括对CPU、内存储器、输入输出设备、数据文件和其他软件资源的管理。(2)为用户提供资源共享的条件和环境，并对资源的使用进行合理调度。(3)提供输入/输出的方便环境，简化用户的输入输出工作，提供良好的用户界面。(4)规定用户的接口，发现、处理或报告计算机操作过程中所发生的各种错误。,4.1.1操作系统的功能与任务,1什么是操作系统？,计算机系统中硬件和各种软件构成层次关系，硬件是核心(裸机)。,计算机硬件,操作系统,系统实用程序,应用软件,操作系统设计人员,程序员,最终用户,裸机,第4章资源管理技术,6,操作系统的概念操作系统是用以控制和管理系统资源、方便用户使用计算机的程序的集合。CPU是计算机硬件的核心和基础-心脏。操作系统是软件的核心和基础-大脑。资源角度：是计算机资源管理系统，负责计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收用户角度：操作系统是计算机与用户之间的接口进程角度：是动态、合理地组织计算机工作流程的软件。评价（地位和作用）：操作系统是直接与硬件相邻的第一层软件，是其他软件运行的基础，是系统软件中最基本、最核心的部分。,第4章资源管理技术,7,2、操作系统的五大功能,操作系统功能,文件管理,进程管理,存储器管理,作业管理,设备管理,第4章资源管理技术,8,1.处理机管理,处理器是计算机系统中最主要的资源，处理器管理的主要功能是对处理器的分配、调度实施最有效的管理，最大限度的提高它的处理能力。,第4章资源管理技术,9,2.存储器管理,内存是一种极为重要的资源，也是计算机系统中的紧缺资源，内存管理在操作系统中占有极为重要的地位。存储器管理的主要任务是：对有限的内存储器进行合理的分配，以满足多个用户程序运行的需要。,第4章资源管理技术,10,3.设备管理,计算机系统中的设备主要指键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪、磁盘、光盘驱动器等输入、输出设备。计算机的输入、输出设备千差万别、种类繁多，所以必须屏蔽各种设备的物理特性，把设备抽象为交换数据的文件。设备管理器除了对设备进行分配、调度、提高整个计算机系统的运行效率外，还要为用户提供一个方便、易用、高效的操作界面。,第4章资源管理技术,11,4.文件管理,计算机中所有信息，比如程序、文档、数据等都是以文件的形式保存在硬盘、光盘等外部存储介质上，供授权用户使用。一个文件系统应当具有：数据存储空间的分配、回收；文件的读、写、查找和安全机制。操作系统还应当屏蔽各种存储设备的物理特性，向用户提供一套简单、方便、易用的文件访问接口，如文件的打开、关闭、读写以及删除等，供用户编写程序时使用。,第4章资源管理技术,12,5.作业管理,作业就是用户的一个完整的计算机任务，即运行应用程序所需要的数据以及控制应用程序之行的指令集合。用户把应用程序和所需的数据以作业的形式提交给操作系统，操作系统在执行完应用程序后，把结果输出给用户。作业管理具有：作业的调度功能。它是操作系统和用户之间的接口。主要任务：对所有的用户作业进行分类、并且根据某种原则，不断的把作业提交给计算机去处理。,1.手工操作阶段(1)由于单个用户独占计算机的所有资源，从而造成资源得不到充分利用；(2)由于用户直接使用计算机硬件资源，因此，要求用户熟悉计算机各部分的细节，这就导致使用很不方便，也容易出错；(3)由于进行手工联机操作，人工干预多，造成辅助时间长。,4.1.2操作系统的发展过程,第4章资源管理技术,14,手工操作存在的根本问题是人工干预过多，因此，要克服手工操作的方式的缺点，就必须减少人工干预，实现作业之间转接的自动化，以缩短作业转接时处理机的等待时间，从而比较好地发挥计算机的效率。为此就出现了成批处理系统。,2.成批处理系统,脱机批处理系统模型,3.执行程序系统通道是一种硬件机构，它独立于处理机而直接控制输入、输出设备与内存之间的数键传送。中断是外界（如输入、输出设备，通道等）向主机报告信息的一种通信方式。,第4章资源管理技术,18,单道批处理系统缺点,由于这种系统一次只能处理一个作业，所以对计算机系统资源的利用率并不高。譬如：当运行中的作业进行输入输出操作时，处理器将处于空闲等待状态，而输入输出操作的速度是很慢的，这将浪费宝贵的处理器资源。于是人们在这一系统上进行了改进，引入了“多道批处理系统”,4.多道程序系统的引入所谓多道程序技术，是指在计算机内存中同时存放多道相互独立的程序，它们在操作系统的控制下，共享系统的硬件和软件资源。,1.多道批处理操作系统“多道”是指在计算机内存中存入多个用户作业。“批处理”是指这样一种操作方式，在外存中存入大量的后备作业，作业的运行完全由系统控制，用户与其作业之间没有交互作用，用户不能直接控制其作业的运行，通常称这种方式为批操作或脱机操作。,4.1.3操作系统的分类,2.分时操作系统在分时系统中，多个用户分享使用同一台计算机，即在一台计算机上联接若干台终端，每个用户可以独占一台终端。所谓分时，是指若干个并发程序对CPU的分时，其中每个程序对CPU的时间分享单位称为时间片。例如，设时间片长度为100毫秒，现有10个用户，则操作系统对每个用户的平均响应时间为10100毫秒1秒。也就是说，每个用户依次轮流使用100毫秒的时间片。,(1)同时性。即若干远、近程终端上的用户，在各自的终端上同时使用一台计算机。(2)独立性。即同一台计算机上的用户在各自的终端上独立工作，互不干扰。(3)及时性。即用户可以在很短的时间内得到计算机的响应。(4)交互性。即分时系统提供了人机对话的条件，用户可以根据系统对自己请求的响应情况，继续向系统提出新的要求，便于程序的检查和调试。第一个分时操作系统就是UNIX操作系统。,3.实时操作系统所谓实时，是指对随机发生的外部事件作出及时的响应并对其进行处理。实时系统分为实时过程控制系统和实时信息处理系统两类。实时过程控制系统主要用于工业生产的自动控制、导弹发射和飞机飞行等控制实验过程控制。实时信息处理系统对信息作及时处理，用于机票预订、银行或商店的数据处理等4.通用操作系统三种操作系统经常组合起来使用，形成通用操作系统。,5.优良的操作环境多窗口系统(1)从用户或应用的角度来看，多窗口系统是用户可以同时运行多道程序的一个集成化环境。(2)从软件开发者的角度来看，多窗口系统作为集成化的环境能够在无关程序之间共享信息。(3)一般可以认为，多窗口系统是提供友善的、菜单驱动的、常常有图形能力的用户界面的操作环境。,(1)它们都要提供资源访问能力，同时还要保证用户对资源的共享。操作系统提供存储器、输入/输出设备等资源的共享，多窗口系统提供窗口、时件等资源的共享。(2)多窗口系统可以同时运行多任务，使其具有分时操作系统的特征。(3)由于多窗口系统按用户产生的事件来调度各个任务，而用户产生的事件实质上是应该立即处理的中断请求，因此，这种处理方式又使其与实时操作系统相接近。多窗口系统实际上是一种功能很强的操作系统。,(1)灵活、方便的窗口操作(2)弹出式菜单(3)命令对话框多窗口系统能提供将多个作业同时展现在用户面前的操作环境，每个作业占据一个窗口，用户可以交替地与各个窗口进行对话，各窗口之间也可以互相通信、交换信息。,4.2多道程序设计,4.2.1并发程序设计4.2.2进程4.2.3进程之间的通信4.2.4多道程序的组织,顺序程序的特点：(1)程序的顺序性(2)顺序程序的封闭性(3)顺序程序的可再现性,4.2.1并发程序设计,顺序程序的3中常见类型,(1)并发程序没有封闭性,(2)程序与其执行过程不是一一对应的关系,(3)程序并发执行可以互相制约,1.进程的基本概念进程是指一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。进程是可以并发执行的程序的执行过程，它是控制程序管理下的基本的多道程序单位。,4.2.2进程,(1)进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是动态的概念。而程序只是一组指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，它是一个静态的概念。(2)进程是程序的执行过程，是一次运行活动。因此,进程具有一定的生命期，它能够动态地产生和消亡。而程序是可以作为一种软件资源长期保存的，它的存在是永久的。(3)进程是程序的执行过程，因此，进程的组成应包括程序、数据与记录进程状态信息的“进程控制块”。(4)一个程序可能对应多个进程。(5)一个进程可以包含多个程序。,第4章资源管理技术,36,例:有三道程序在一个系统中运行，该系统有输入设备，输出设备各一台。三道程序构成如下:A:输入32秒，计算8秒，输出5秒。共计45秒。B:输入21秒，计算14秒，输出35秒。共计70秒。C:输入12秒，计算32秒，输出15秒。共计59秒。若程序按A-B-C的次序顺序执行，则系统运行时间为45+70+59=174秒。若使各设备并发执行，也按A-B-C顺序执行，则执行情况为：,总计执行时间:32+21+14+35+15=114秒,2.进程的状态及其转化(1)运行状态(2)就绪状态(3)等待状态,(1)处于就绪状态的进程，一旦分配到CPU，就转为运行状态。(2)处于运行状态的进程，当需要等待某个事件发生才能继续运行时，则转为等待状态；或者由于分配给它的时间片用完，就让出CPU而转为就绪状态。(3)处于等待状态的进程，如果它等待的事件已经发生，即条件得到满足，就转为就绪状态。刚创建的进程可以处于三种状态中的任何一种，但进程只能在运行状态下结束。,3.进程控制块及其组织(1)进程控制块PCB进程名特征信息执行状态信息通信信息调度优先数现场信息系统栈进程映象信息资源占有信息族关系,(2)进程的组织进程的物理组织方式：线性表链接表,4.死锁问题若干个进程均因互相“无知地”等待对方所占有的资源而无限地等待。,例：有两个进程A,B，它们都根据自己的需要申请和释放读卡机和打印机。先假设系统中有读卡机和打印机各一台，两个进程的执行过程：,第4章资源管理技术,44,由此可以看出：死锁的发生是与进程的相对运行速度有关的，而进程的相对运行速度又是不可预测的，因此，死锁是一种与时间有关的问题，并且是不可再现的。,例：假设系统中有10台磁带机，由A，B，C三个进程所共享现假定A，B，C已分别占用了2台，3台和2台磁带机，它们的最大需求量分别为4台，6台和8台。并且还假定每个进程只有满足了最大需求量后才可能释放其所有的资源。,死锁的四个必要条件：(1)资源的独占使用。(2)资源的非抢占分配。(3)资源的部分分配。(4)对资源的循环等待。只要设法破坏其中的某一个必要条件，也就避免了死锁的发生。,资源的静态分配资源顺序分配法银行家算法死锁发生时，及时地发现它，并让系统从死锁状态中解脱出来,死锁的预防：,1.进程的互斥与同步(1)进程的互斥当多个进程共享数据块或其他排他性使用的资源时，不能同时进入存取或使用，但进入的次序可以任意。这种排他性使用的资源，即一次只允许一个进程使用的资源称为临界资源。,4.2.3进程之间的通信,有两个进程A和B，进程A负责为用户作业分配打印机，进程B负责释放打印机，它们共用一张打印机分配表。,进程A分配打印机的过程为：逐项检查分配标志，找出分配标志为0的台号；把该台分配标志置1；把用户名和设备号填入分配表中相应的位置。进程B释放打印机的过程为：逐项检查分配表的各项信息，找出分配标志为1，并且用户名和设备号与被释放的用户名和设备号相同的打印机台号；该台分配标志置0；清除该台打印机的用户名和设备号。,(2)进程的同步进程之间为了合作完成一个任务，而需要互相等待和互相交换信息的相互制约关系称为同步。,第4章资源管理技术,53,在这个例子当中，进程A和进程B共享打印机分配表这一临界资源，他们不能同时对打印机分配表进行读写。进程A和进程B是互斥的。在具有互斥关系的各进程中，访问临界资源的程序段称为临界区或临界段。临界区是相对于某一资源而言的，对于同一公共变量的若干临界区，必须互斥进入。即对公共变量的操作实现互斥执行，而对与不同资源的临界区不必互斥地执行。互斥主要是解决并发进程对临界区的使用问题。,进程的同步,在多道程序系统中，多个并发执行的进程之间还可能存在协同工作的关系。在这种情况下，相互合作的一组并发进程，其中每一个进程都以各自独立的、不可预测的速度向前推进，但它们又需要密切合作，以共同完成一个任务。为此，这些进程之间必须协同动作，相互配合，还要互相交换信息。进程之间为了合作完成一个任务，而需要互相等待和互相交换信息的相互制约关系称为同步。,第4章资源管理技术,55,第4章资源管理技术,56,通信原语,进程之间为了实现互斥或同步，需要有信息传递，也就是说需要进行通信。为此，需要一种实现进程之间通信的机构，这种机构通常称为通信原语。通信原语分为低级通信原语和高级通信原语两种。,2.P/V操作P操作P(S)的定义如下：(1)SS1(2)若S0，则当前进程继续运行；否则置当前进程为等待状态，并将它加入到S的等待队列中。V操作V(S)的定义如下：(1)SS1(2)若S0，则当前进程继续运行；否则将S等待队列中的排头进程转为就绪状态，且当前进程继续运行。,初始状态为S1,信号量S10表示缓冲区空，S11表示缓冲区满；信号量S20表示缓冲区满，S21表示缓冲区空。初始状态为S10和S21）,3.消息缓冲通信,发送消息进程A的操作如下：(1)在本进程空间内开辟一个发送区；(2)把要发送的消息正文以及接收进程的名字B和消息长度填入发送区；(3)用发送原语把消息发送出去。发送原语的形式为SEND（发送区起始地址）发送原语的功能是：申请一个消息缓冲区；把消息正文和消息长度复制到缓冲区；查得发送消息进程名A，并填入缓冲区；将消息缓冲区挂到接收进程B的消息队列末尾（即链尾）；此时若进程B正因等待消息而处于等待状态，则被唤醒。,接收消息进程B的操作如下：(1)在本进程空间内指定一个接收区；(2)用接收原语把消息缓冲区中的消息取到接收区。接收原语的形式是：RECEIVE（接收区起始地址）接收原语的功能是：将本进程消息队列队头的缓冲区中的消息发送者、消息长度和消息正文取到接收区；释放该消息缓冲区。,处理机的调度如何从大量的后备作业中挑选一些作业进入内存，如何分配CPU等问题，是操作系统中资源管理的一个重要问题。,4.2.4多道程序的组织,作业调度又成为高级调度或宏调度。它的主要任务是，按照一定的原则，从大量的后备作业中选取一些作业，为它们分配内存等必要的资源，建立相应的进程，并为运行完成的作业做好善后处理工作。,进程调度又称为低级调度或微调度。它的主要任务是，按照某种原则将CPU分配给处于就绪状态的进程，实现CPU在进程之间的转换。进程调度策略的优劣和CPU在进程之间转换的速度对整个系统性能有很大影响。,常用的作业调度算法有：(1)先来先服务调度算法。(2)短作业优先调度算法。(3)最高响应比优先调度算法。相应比是指作业的相应时间与实际运行时间的比值相应比（作业等待时间作业实际运行时间）/作业实际运行时间(4)基于优先级的调度算法。(5)均衡调度算法。,常用的进程调度算法有：(1)静态优先数法。(2)动态优先数法。(3)处理机抢占法。(4)时间片轮转法等。,4.3存储空间的组织,4.3.1内存储器的管理技术4.3.2外存储器中文件的组织结构,存储管理功能：(1)地址变换。(2)内存分配。(3)存储共享与保护。(4)存储器扩充。,4.3.1内存储器的管理技术,1.界地址存储管理当一个作业被调入内存运行时，首先给这个作业分配一个内存分区，同时将该分区的首地址送到BR，该分区的长度送到LR。在该作业运行过程中，将指令中的有效地址转换成实际的内存地址，其转换的关系为实际内存地址DBR指令中的有效地址如果BRDBRLR，则按地址D进行访问；如果DBR或DBRLR，则说明地址越界错。,2.分页存储管理作业空间被划分为页，实际的内存空间被划分为块，其中页的大小与块的大小相等。当某个作业被调入内存运行时，由重定位机构将作业中的页映射到内存空间对应的块上。,(1)每一个作业要有一个页表PMT。在页表中，用于记录该作业的每一页的页号（从第0页开始）以及该页是否在内存的标志，如果某页已进入内存，则还记录该页在内存中的块号。(2)存储分块表MBT。在存储分块表中，记录了内存空间中每一块的使用情况，系统实际上就是按照这个表的内容来具体分配或释放内存块。(3)作业表JT。在作业表中，记录了每个作业的状态与资源使用的信箱，主要包括作业号，页表大小，页表地址等。,分页存储管理优点：(1)由于提供了大容量的虚拟存储器，用户的地址空间不再受内存大小的限制，大大方便了用户的程序设计。(2)由于作业地址空间中的各页面都是按照需要调入内存的，不用的信息不会调入内存，很少用的信息也只是短时间驻留在内存，因此更有效地利用了内存。(3)由于动态分页管理提供了虚拟存储器，每个作业一般只有一部分信息占用内存，从而可以容纳更多的作业进入系统，这就更有利于多道程序的运行。,3.分段存储管理在分段存储管理方式下，分段地址空间是由一些大小不等的段组成的，每一个段是一个可动态增长的线性空间，它对应一个独立的逻辑信息单位，如一个数组、一个子程序或分程序等。在分段地址空间中，指令的有效地址中既要指出段号，又要指出段内的偏移量。,4.段页式存储管理分段系统为用户提供了一个分段地址空间，段是信息的逻辑单位，反映了程序的逻辑结构，因而大大方便了用户的程序设计，但它不利于内存的有效利用。而在分页系统中，页是信息的物理单位，它有利于内存的有效利用，但不利于用户的程序设计。,1.文件的逻辑结构(1)记录式文件(2)无结构文件,4.3.2外存储器中文件的组织结构,2.文件的物理结构(1)连续文件,(2)链接文件,(3)索引文件,文件的多级索引结构,(1)简单文件目录简单文件目录是一种最简单的目录结构，它是一个线性表，在这个线性表的每一个目录项中包含以下一些信息：文件名；有关文件结构的信息，包括逻辑结构和物理结构；有关存取控制的信息；有关管理的信息等。,3.文件的目录结构,(2)二级目录结构,(3)多级目录结构,4.文件空闲区的组织(1)空闲文件项和空闲区表(2)空闲块链(3)位示图(4)空闲块成组链接法,块0是作为系统引导用，不属于文件系统管理。块1是文件卷的专用块。它用以记录文件卷总的使用情况，包括文件卷的总块数、索引节点区的大小、文件卷的保护特性等。在专用块中还开辟了一个用于登记空闲块区域的空闲块栈。块2(k1)是索引节点区。这个区的大小是依据系统的使用环境和文件的大小来决定的。例如，如果文件大而数量少，则索引节点区可以小些；反之，则可以大些。块(k2)n是文件存储区（包括存储目录）