第3章操作系统基础.ppt

第3章操作系统基础,操作系统概述,操作系统的功能模块,典型操作系统概述,本章要点,本章基本要求,基本知识点：(1)了解操作系统的定义、发展和分类；(2)了解操作系统的基本功能；(3)掌握操作系统的操作界面和工作方式。重点与难点：操作系统的基本功能和基本特性。进程的概念及基本特性。地址变换。,3.1.1什么是操作系统,操作系统(OperatingSystem，OS)是计算机系统中的一个系统软件，它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境。它是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件功能的扩充。操作系统在整个计算机系统中具有极其重要的特殊地位，它不仅是硬件与其他软件系统的接口，也是用户和计算机之间进行“交流”的界面,3.1.1什么是操作系统,计算机系统硬件、软件和用户的关系,3.1.2操作系统的分类,批处理操作系统分时操作系统实时系统通用操作系统个人计算机操作系统,嵌入式操作系统网络操作系统分布式操作系统智能化操作系统,分时OS,多用户、多道程序共享一个CPU的OS。将CPU划分为很小的时间片，采用循环轮作方式将这些CPU时间片分配给排队队列中等待处理的每个程序的处理方式。,侧重于及时性和交互性,实时OS,实时OS是实时控制系统和实时处理系统的统称。实时控制系统用于过程控制。例如，控制飞行器、导弹发射、飞行过程的自动控制系统。实时处理系统主要指对信息进行及时的处理。例如，利用计算机预订飞机票、火车票或轮船票等。,分布式OS,分布式操作系统是指通过网络将大量计算机连接在一起，以获取极高的运算能力、广泛的数据共享以及实现分散资源管理等功能为目的的一种OS。它的优点是：分布性。它集各分散结点计算机资源为一体，以较低的成本获取较高的运算性能。可靠性。由于在整个系统中有多个CPU系统，因此当某一个CPU系统发生故障时，整个系统仍旧能够工作。,3.1.3操作系统的基本特性,并发性:在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，计算机中有多个程序在同时运行。共享性:是指多个并发执行的程序可以共享系统中的资源。虚拟性:是指通过虚拟技术把一个物理实体变为多个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是虚的，是用户感觉上的东西。通过虚拟技术，可以实现虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外部设备等。异步性:程序执行顺序、完成时间等都是不可预知的。,3.1.4操作系统的基本功能,现代操作系统功能示意图,操作系统,操作系统的基本功能,处理器管理的目的是为了让CPU有条不紊地工作。由于系统内一般都有多道程序存在，这些程序都要享用CPU资源，而在同一时刻，CPU只能执行其中一个程序，故需要把CPU的时间合理地、动态地分配给各道程序，使CPU得到充分利用，同时使得各道程序的需求也能够得到满足。,操作系统的基本功能,存储器管理是指操作系统对计算机系统内存的管理，目的是使用户合理地使用内存。它包括：合理分配内存和及时回收内存；存储保护；扩充内存。设备管理指对除CPU和内存外所有外部设备的管理。设备管理的目标是保证用户方便的使用各种设备；采用先进的技术比如通道技术、虚拟设备技术、缓冲技术、中断技术等尽可能实现设备并行工作的能力，合理分配设备。,操作系统的基本功能,文件管理是对计算机系统中软件资源的管理，目的是为用户创造一个方便安全的信息使用环境。文件管理功能包括：文件的结构及存取方法；文件的目录机构及有关处理；文件存储空间的管理；文件的共享和保护；文件的操作和使用。用户接口有两种类型：命令接口：用户通过交互命令方式直接或间接地对计算机进行操作。程序接口：是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的。程也称为应用程序编程接口(ApplicationProgrammingInterface，API)，用户通过API可以调用系统提供的例行程序，实现既定的操作。,3.2.1进程及处理器管理,进程:进程是执行起来的程序，是系统进行资源调度和分配的一个独立单位。进程由程序、数据和进程控制块(PCB)三部分组成。,3.2.1进程及处理器管理,程序是用于描述进程所要完成的功能。数据是进程执行时的操作对象。进程控制块PCB包含了有关进程的描述信息、控制信息以及资源信息量。PCB是进程的标志。是进程动态特性变化的集中反映。操作系统就是通过PCB实现对进程的控制和管理。PCB存于系统空间，只有操作系统能够对其存取，用户程序是不能访问的，实际上用户甚至感觉不到PCB的存在。,动态性：进程是运行着的程序，具有一定的生命周期。并发性：引入进程的目的就是为了使其进程实体能和其他进程实体并发执行。独立性：是指进程是一个能独立运行、独立进行资源分配和调度的基本单位。异步性：是指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。结构特征：为了管理进程，系统为每个进程创建一套数据结构，记录该进程有关的状态信息。制约性：由于系统资源有限，多个进程在并发执行过程中相互制约。,进程的基本特性,进程的状态及其转换,在任何时刻，任何进程都处于以下三种基本状态之一。就绪状态。进程已经获得除CPU之外的其他资源，只要再获得CPU，就立即执行的状态。执行状态。进程获得了需要的所有资源正在处理机上执行的状态。阻塞状态，也称为等待状态。阻塞状态是指正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行的状态。,进程状态转换示意图,进程与程序,程序是进程的躯体，是进程的组成部分，一个进程存在的目的就是执行其所对应的程序，没有程序，进程就失去了其存在的意义。但进程与程序不一一对应。一个程序可以多次执行，可以产生多个不同的进程。一个进程也可以对应多个程序。程序是静态的，它描述的是静态的指令集合及相关的数据结构，程序可以脱离机器长期保存，即使不执行的程序也是存在的，所以程序是无生命的。而进程是动态的，它描述程序执行起来的动态行为，所以进程有生存期，有创建后存在、撤销后消亡的特性。,进程与程序,程序不具有并发性，不占用CPU、存储器及输入输出设备等系统资源，所以不会受到其他程序的制约和影响。而进程具有并发性，在并发执行时，由于需要使用系统资源，受到其他进程的制约和影响。,进程控制,进程从一个状态转换到另一个状态都是在操作系统的控制下进行。这种控制通过原语来实现。所谓原语是机器指令的延伸，它是由若干条机器指令构成的用于完成特定功能的一段程序。为了保证操作的正确性，规定在一个原语执行期间不许插入任何其他操作。用于进程控制的原语主要有创建原语、撤销原语、等待原语和唤醒原语等。,创建原语。一般在操作系统中，都采用树型结构来表示进程之间的关系。一个进程可以创建若干个新进程，创建者称为父进程，被创建者称为子进程。父进程为完成指定的任务创建若干子进程，子进程也可以再去创建自已的子进程，如此下去，构成一个进程家族。创建进程的主要任务就是建立进程控制块PCB。撤销原语。若干个进程在完成指定的任务后或因某种原因不再需要时由撤销原语将其撤销，以便释放它所占用的资源。撤销进程的本质就是删除进程控制块PCB。,进程控制,等待原语。一个处于执行状态的进程因等待某一事件(如等待输人输出完成、等待另一进程发来消息等)而中止执行时，可使用等待原语将自己转变为等待状态。唤醒原语。处于等待状态而暂停执行的进程，当其所等待的事件出现或所受的制约消失时，由唤醒原语将其唤醒，变换为就绪状态。,进程控制,进程调度,进程调度即处理器调度。进程调度的任务是为了控制、协调进程对CPU的竞争，按照一定的调度算法使就绪状态的某一进程获得CPU，使该进程转换成运行状态。,先来先服务法。进程调度总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程。刚进入就绪队列的进程排在队尾，每次调度总是从就绪队列中，选择队头进程为之分配处理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后，才放弃处理机。,几种进程调度算法,最高优先权优先调度法。进程调度总是把CPU分配给就绪队列中具有最高优先权的进程。最高优先权可在进程创建时设定，并在进程的生存期内保持不变。也可在进程创建时给一个初值，随进程的推进或随其等待时间的增加而改变。前者称为静态优先权，后者称为动态优先权。,几种进程调度算法,时间片轮转法。时间片轮转法主要在分时系统中采用。系统将所有就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度时，将CPU的使用权分配给队头进程，并令其执行一个时间片。所谓时间片是指系统规定进程每次执行的最长时间(例如100ms)，处于执行状态的进程时间片用完后即被剥夺CPU的使用权，并排到就绪队列的末尾。,几种进程调度算法,3.2.2存储器管理,存储器管理的主要对象是内存。计算机的内存空间一般分为系统存储区和用户存储区两个部分，系统存储区存放操作系统以及一些标准子程序和例行程序，用户存储区存放用户的程序和数据，存储管理实际上是对用户存储区的管理。,内存分配与回收内存共享与保护地址变换内存扩充,存储器管理的任务,内存分配与回收内存分配有静态分配和动态分配两种方式。在现代多道程序系统中，主要采用动态分配方式。内存空间的共享与保护内存空间的共享:是指两个或多个进程共用内存中相同的区域。共享的目的是节省内存空间，同时还可以实现进程间的通信。内存保护:在多道程序运行的环境下，为避免内存中若干道程序间的相互干扰，必须对内存采取保护措施。,地址变换对于用户程序经过编译或汇编后形成的目标代码，通常采用的是相对地址形式，首地址为零，这个相对地址称为逻辑地址或虚拟地址。内存中某个存储单元的编号称为物理地址。地址变换，也被称为地址重定位，是指当系统将用户程序装入内存时，为确保CPU执行程序指令时能正确地访问内存单元，需要将用户程序的逻辑地址转换为内存中的物理地址的过程。地址重定位分为静态重定位和动态重定位。,内存扩充内存扩充是指将外存作为内存的扩充部分提供给程序使用，使程序得到比实际内存容量大得多的“内存”空间。,存储管理的方法,1)单一连续分配存储管理这是最简单的一种存储管理方式，只适用于单用户、单任务的操作系统。2)分区存储管理分区存储管理的基本原理是给内存中的每一个运行的进程划分一块适当大小的存储区，以连续存储各程序的进程和数据，使各进程能并发执行。按分区的时机，分区存储管理分为固定分区和动态分区。3)虚拟存储管理虚拟存储技术的基本思想是把有限的内存空间与大容量的外存统一管理起来，构成一个远大于实际内存的、虚拟的存储器。,虚拟存储管理,3.2.3文件管理,文件管理的主要任务是实现按名存取；实现对文件的共享、保护和保密，保证文件的安全性；并提供给用户一套方便操作文件的命令。文件的分类按文件性质和用途可分为系统文件、用户文件和库文件。按文件的操作保护可分为只读文件、读写文件、执行文件和不保护文件。按文件中的数据形式可分为源文件、目标文件和可执行文件。,文件的逻辑结构和物理结构,(1)文件的逻辑结构文件的逻辑结构反映了文件的组织方式。文件的逻辑结构分为两大类：一类是记录式的有结构文件，它由若干个相关记录组成。例如，数据库文件。另一类是字符流式的无结构文件，它是指由字符流组成的文件，其基本信息单位是字节或字。例如，大量的源程序、库函数文件。(2)文件的物理结构文件的物理结构是指文件在外存上的存储形式，与存储介质的存储性能有关。通常把文件存储设备(如磁盘)划分为大小相等的物理块，以物理块作为存储分配的基本单位。例如，一个物理块为1024个字节或512个字节。,常见的文件物理结构形式,连续文件。其特点是文件存放在存储设备的相邻的物理块中，即连续存放。串联文件。它采用非连续的物理块来存放文件信息，每一个物理块都有一个指针，块之间通过指针链接。索引文件。要求系统为每一个文件建立一张索引表，表中每一栏目指出文件的逻辑块号和与之对应的物理块号。索引表的物理地址则由文件说明信息项给出。,文件目录,(1)文件控制块在文件系统中采用文件控制块(FCB)来管理和标识文件。FCB包括了文件名、文件类型、存储位置、长度、访问权限、文件建立日期和时间等。在文件系统中，每个文件在FCB中都有一个目录项。(2)文件目录结构文件目录结构的组织，关系到文件系统的存取速度、共享性和安全性。目前常用的目录结构形式有单级目录、二级目录和多级目录。,单级目录结构,这是最简单的目录结构，在整个系统中只建立一个目录表，每个文件占一个目录项。单级目录结构虽然简单，但是查找速度慢、不允许文件重名，不便于实现文件共享。因而，只适用于单用户环境。,二级目录结构,在二级目录结构中，整个系统建立两级目录表：一级是主文件目录表(MasterFileDirectory，MFD)，每个用户目录文件占一个目录项，目录项中包括用户名以及指向该用户目录文件的指针。二级是为每一个用户建立一个单独的用户文件目录表(UserFileDirectory，UFD)，由用户所有文件的文件控制块组成，,多级目录结构,多级目录构成了树形结构，第一级目录称为根目录，其他目录为子目录。在树形目录结构中，从根目录到任何数据文件，只有唯一的路径，用户要访问某个文件时往往使用该文件的路径名来标记文件。文件的路径名又分绝对路径和相对路径；绝对路径是指从根目录出发到指定文件所在位置的路径；相对路径是从当前目录出发到指定文件所在位置的路径。当前目录是用户正在使用的目录。,文件的存取控制,存取控制可采用存取控制矩阵、存取控制表、口令和密码的方法进行存取验证，以确定用户权限。,3.2.4设备管理,设备管理的对象主要是指所有输入输出(I/O)设备、控制器和通道。设备管理的目的是完成用户提出的I/O请求，让用户方便有效地使用I/O设备，同时提高设备的利用率以及提高CPU与I/O设备之间的并行工作能力。I/O设备分类按传输速度的高低，I/O设备分为低速设备、中速设备和高速设备三类按资源特点，I/O设备分为独占设备、共享设备和虚拟设备三类。按信息交换的单位，I/O设备分为块设备和字符设备两类。,数据传送控制方式,常用的传送数据的方式有：程序直接控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式(DMA)和通道方式。程序直接控制方式:是由用户进程来控制CPU和I/O设备的数据传输和操作。中断控制方式:当I/O设备需要传输数据时，便主动给CPU发一个中断请求信号。只有当CPU接到I/O设备中断请求后，才处理I/O操作。这种控制方式具有支持多道程序处理和I/O设备并行操作的功能，提高了资源的利用率。但是I/O操作依赖于CPU，可能会发生因中断次数剧增CPU无法及时响应而造成数据丢失的情况。,数据传送控制方式,DMA方式。DMA方式无需CPU通过执行程序来控制I/O数据传输，而是由DMA控制器硬件来控制数据在I/O设备与内存之间直接传输。这种传输方式传输速度快，占用CPU资源也低。通道控制方式。现代操作系统中采用通道控制方式。通道是一个独立于CPU的专管输入输出的硬件(也称I/O处理机)，它控制设备与内存直接进行数据交换。在采用通道方式的I/O系统中，CPU有两个作用：一是将I/O操作任务下达给某个通道，由通道代替CPU专门处理I/O工作；二是随时了解通道、控制器和I/O设备工作的情况。通道控制方式采用了通道技术之后，不仅CPU与设备之间能并行工作，而且设备与设备之间也能并行工作，极大提高了资源的利用率。,设备分配程序,在多道程序环境下，系统设备不允许用户自行使用，必须由系统统一分配，当进程发出I/O操作申请后，设备分配程序按照一定的分配策略，把用户指定的设备分配给该进程。设备分配的原则是：充分发挥设备的使用效率；应避免由于不合理的分配方法造成进程死锁；当进程需要设备时，向系统发出请求，由设备分配程序根据分配策略对所需设备进行分配。,设备处理程序,设备处理程序包括设备驱动程序和I/O中断处理程序。其主要任务是直接控制设备完成实际I/O操作，当在I/O操作过程中遇到中断请求时(如设备出现故障时)，负责中断处理。,设备处理程序应具有以下功能,设备初始化。设备初始化使设备、控制器以及通道处于正常准备工作状态。检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备状态，传递有关参数，设置设备工作方式，组织I/O缓冲队列等。发出I/O命令，如果设备空闲，则立即启动I/O设备去完成指定的I/O操作；如果设备处于忙碌状态，则将该请求挂在设备队列上等待。及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。对于设有通道的系统，设备处理程序应根据用户I/O请求，自动地构成通道程序。,设备处理过程,设备处理过程又分为启动过程和执行过程两个子过程。启动过程的工程流程是接收I/O操作请求，检查I/O请求的合法性，并将该请求转换为具体操作要求，检查设备的当前工作状态，传进必要的操作参数，设置设备的工作方式，最后启动I/O设备准备执行I/O操作。执行过程的工作流程是在I/O操作过程中，每当I/O设备完成一次I/O操作后.系统就要调用一次中断处理程序，唤醒等待的I/O进程，保护被中断进程的CPU环境，转入相应的设备处理程序执行中断处理，最后恢复被中断进程的现场，继续执行下一次I/O操作。,3.2.用户管理,1.用户接口为方便用户使用计算机，操作系统为计算机硬件和用户之问提供了交流的接口界面，体现在两方面：一个是系统为用户提供的各种命令接口界面；另一个