计算机操作系统第四版 汤小丹 教案ppt课件

西安电子科技大学出版社，高等学校计算机类“十二五”规划教材部级优秀教材，计算机操作系统，汤小丹梁红兵哲凤屏子瀛(第四版)，编着，1， 目录第一章OS导论第二章进程的记述和控制第三章处理器的调度和死锁第四章内存管理第五章虚拟内存第六章输入输出系统第七章文件管理第八章磁盘内存的管理第九章OS接口第十章多处理器OS第十一章多媒体第二章OS引言1.5OS的目标和作用1.5OS的发展过程1.5OS的基本特性1.5OS的主要功能1.5OS结构设计课题，1.5OS的目标和作用OS的目标与应用环境有关。 例如，在查询系统中使用的OS对于在期望提供良好的人机交互的工业控制、武器控制和多媒体环境中应用的OS要求实时性的微机上部署的OS更加重视其易用性。 1.1.1操作系统的目标1 .方便性2 .有效性3 .可扩展性4 .开放性，1.1.2操作系统角色1.OS是用户与计算机硬件系统之间的接口操作系统在用户和计算机硬件系统之间，用户通过操作系统意味着使用该计算机系统。 或者用户能够在OS的帮助下容易、迅速、可靠地操作计算机硬件并执行其程序。 图1-1是将OS作为接口的概念图。图1-1OS作为接口的图像，2.OS作为计算机系统资源的管理者，包括多个硬件和软件资源。 总之，这些资源分为四类：处理器、内存、I/O设备和文件(数据和程序)。 因此，OS的主要功能也是有效地管理这4种资源。 处理器管理用于控制处理器的分配，内存管理主要负责内存分配和回收，I/O设备管理负责I/O设备的分配(回收)和操作，文件管理用于实现文件访问、共享和保护。 显然，操作系统确实是计算机系统资源的管理者。 3 .操作系统实现了计算机资源的抽象化，对于完全没有软件的计算机系统(即裸机)，用户仅仅是硬件接口(物理接口)，因此用户可充分理解实现该物理接口的细节为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上复盖I/O设备管理软件，以实现对I/O设备的详细操作，并将I/O设备抽象为一组数据结构和I/O操作命令，如图1-2所示，读和写命令用户可以利用这些数据结构和操作命令，进行数据的输入输出，而无需考虑I/O被如何具体实现。图1-2I/O软件隐藏了I/O操作的实现细节， 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2 .便利用户3 .设备持续换代4 .计算机体系结构持续发展5 .不断提出新的应用需求、1.2操作系统的发展60年代中期开发了多个程序批量系统不久时分系统出现的同时，用于工业和武器控制的实时操作系统也相继出现。 从70年代到90年代，在VLSI和计算机架构发展较大的年代，随着微机、多处理器和计算机网络的诞生和发展，微机操作系统、多处理器操作系统和网络操作系统也相继开发，取得了极快的发展。 1.2.1没有配置操作系统的计算机系统1 .人工操作方式的初始操作方式是将预先打孔有程序员的磁带(或卡)插入磁带输入机(或卡输入机)，将磁带(或卡)上的程序和数据输入计算机仅当程序运行完成并获取计算结果时，才允许下一个用户启动。这种手动操作方式存在以下缺点： (1)用户独占全部机器，即一台计算机的全部资源由上位用户独占。 (2)CPU等待手动操作。 如果用户手动操作磁带(卡)、磁带移除(卡)等，则CPU和内存等资源可用。 2 .离线输入输出(Off-LineI/O )方式为了解决人机矛盾和CPU与I/O设备之间速度不一致的矛盾，在1950年代末出现了离线I/O技术。 该技术将装有用户程序和数据的磁带放入磁带输入机中，在一台外围设备的控制下将磁带(卡)上的数据(程序)输入磁带。 CPU需要这些程序和数据时，从磁带迅速读入内存。图1-3脱机I/O映像、1.2.2单次批处理系统1 .单次批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem )处理过程首先将一系列作业脱机输入磁带，以实现作业连续处理、图1-4的单路径批处理系统的处理流程、2 .单路径批处理系统的缺点是系统中的资源得不到充分利用。 这是因为存储器中只有一个程序，所以在该程序执行中每次发出I/O请求时CPU都变为待机状态，必须在该I/O结束后继续执行。 此外，I/O设备的低速性显着降低了CPU的利用率。 图1-5示出单程序的执行情况，从图中可以看出，CPU以t2t3、t6t7的时间间隔空闲。图1-5单程程序运行情况，1.2.3多道批处理系统(multiprogrammedmatchprocessingsystem )1.多道程序设计的基本概念是为了进一步提高资源利用率和系统吞吐量，在1960年代中期进行了多道程序设计技术图1至图6显示了四个程序的执行情况。图1-6多个程序的执行情况，2 .多个批处理系统的优缺点多个批处理系统的优缺点如下： (1)资源利用率高。 多个批处理可以交替运行多个程序，使CPU保持忙碌状态。在内存中加载多个程序可以提高内存利用率并提高I/O设备的利用率。 (2)系统吞吐量大。 提高系统吞吐量的主要原因是CPU和其他资源保持“忙碌”状态仅在作业完成或无法运转时进行切换，系统开销小。(3)平均运行时间长。 由于作业是按顺序排列处理的，因此作业的旋转时间长，通常需要几个小时甚至几天。 (四)缺乏对话能力。 用户将作业提交给系统后，直到作业完成后，用户才能与自己的作业交互，修改和调试程序是非常不方便的。 3 .多批处理系统必须解决的问题多批处理系统非常有效和非常复杂的系统，系统必须解决以下一系列问题，使得系统中的程序可以协调运行： (1)处理器冲突问题。 必须在满足各程序执行需要的同时，提高处理器的利用率。 (2)内存分配和保护问题。 系统可以将每个程序所需的内存空间分配给“各自的位置”，并且必须防止在某个程序发生异常时破坏其他程序。 (3)I/O设备的分配问题。 系统必须采用适当的策略来分配系统中的I/O设备，以便用户能够更方便地使用设备并提高设备利用率。(4)文件的组织和管理问题。 系统必须有效地组织存储在系统中的大量程序和数据，以便用户易于使用并确保数据安全。 (五)作业管理问题。 系统中有各种作业(应用程序)，系统可以合理地组织系统内的所有作业，以满足这些作业的用户的要求。 (六)用户和系统的接口问题。 为了用户方便使用OS，OS还必须提供用户与OS之间的接口。1.2.4时分系统(TimeSharingSystem)1.时分系统的引进，如果说推进多批处理系统的形成和发展的主要动力是资源利用率和系统吞吐量的提高，那么推进时分系统的形成和发展的主要动力就是提高用户对人与机交流的需求用户的需求，具体来说，(1)人与机器的对话。 (2)共享主机。 2 .时分系统实现的重要问题是：在多个批处理系统中，用户不能与自己的作业交互的主要原因是：即使作业先存在于外部存储器中，然后被转送到存储器中，等待较长的时间后再执行，用户也不能与自己的作业交互。 1 )及时接收2 )及时处理的3 .时分系统的特征时分系统与多信道批处理系统相比，具有很明显的不同特性，可以总结为以下4个方面。 (二)独立性。 (三)适时性。 (4)交互性。 1.2.5实时系统(RealTimeSystem)1.实时系统的类型随着计算机应用的普及，实时系统的类型也在增加，现在常见的一些类型列举如下： (1)工业(武器)控制系统。 (二)信息查询系统。 (3)多媒体系统。 (四)嵌入式系统。 2 .实时任务的类型(1)周期性实时任务和非周期性实时任务。 (2)硬实时任务和软实时任务。 3 .实时系统与时分系统特征的比较(1)多路复用。 (二)独立性。 (三)适时性。 (4)交互性。 (5)可靠性。1.2.6微机操作系统的发展1 .单用户单任务1)CP/M2)MS-DOS、2 .单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统的含义只允许单个用户启动，但用户将程序转移到某些任务3 .多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统的含义允许多个用户通过各自的终端使用同一机器来共享主机系统的各种资源，并且将每个用户程序分成若干任务并发地大、中、小型机中配置的多用户多任务OS较多，32位微机中也配置了较多的多用户多任务OS，其中最具代表性的是UNIXOS。 在、1.3操作系统的基本特性之前介绍的三种基本操作系统：多路径批处理系统、时分系统和实时系统，各有不同的特点。 例如，批量系统具有高资源利用率和系统吞吐量的时分系统能够得到实时响应的实时系统具有实时特征。 此外，它们共享四个基本特征：同时、共享、虚拟和异步。 1.3.1并发性(Concurrence )是系统中程序可以同时执行的特征，OS可以有效地提高系统中的资源利用率，提高系统的吞吐量。 1 .并行性和并行性是有相似性和区别性的两个概念。 并行性意味着两个以上的事件同时发生。 并发性意味着多个事件以相同的时间间隔发生。 2 .在没有导入导入过程的系统中，只能在属于同一应用程序的计算程序和I/O程序之间依次执行。 即，如果计算程序的执行不是一段落之后，则不允许I/O程序的执行，相反，在程序执行I/O的期间，也不能执行计算程序。 但是，您可以为计算程序和I/O程序建立单独的进程，以便同时运行这两个进程。 为内存中的多个程序建立单独的进程可以同时运行，从而显着提高系统资源利用率并提高系统吞吐量。 1.3.2共享(Sharing )一般共享与操作系统环境中的共享意义完全不同。 1 .互斥共享系统的一些资源，如打印机、磁带驱动器等可在多个进程(线程)中使用，但是必须规定仅一个进程能够访问该资源。 因此，系统必须建立一种机制，确保多个进程对这些资源进行互斥访问。2 .并行接入系统还有另一种类型的资源，多个进程可以“同时”访问。 这里所说的“同时”在单处理器环境下是宏观的意思，但从微观上说，这些过程交替进行对该资源的访问。 通常，多个进程可以“同时”访问的资源是磁盘设备。 有些重新编码的文件可以“同时”共享，有些文件允许多个用户同时访问。 1.3.3虚拟(Virtual)1.时分复用技术(1)虚拟处理器技术。 (2)虚拟设备技术。 2 .空分复用技术在20世纪初，在通信行业已经使用频分复用技术来提高信道的利用率。 这意味着将某一频率范围宽的信道分成多个频率范围窄的信道(称为频带)，其中任何频带都仅由一对用户通话。 早期的频分复用技术将一个物理信道划分成几个到几十个会话路径，然后迅速转变成几千个会话路径，每个会话路径提供一对用户的会话。 然后，计算机也将空分复用技术用于存储空间的管理，提高存储空间的利用率。 在1.3.4异步(Asynchronism )多进程环境中，系统可以同时执行多个进程。 在单处理器环境中，系统中只有一个处理器，因此一次只能运行一个进程，其馀的进程只能等待。 如果运行进程提取了某些资源请求(例如，如果存在打印请求，打印机此时正在为另一个进程进行打印)，则运行进程将等待，直到打印机空闲为止，然后再次释放该进程由于资源等的制约，流程的执行不能“一口气”而是以“停下来走”的方式执行。1.4OS的主要功能引入OS的主要目的是为多个程序的执行提供良好的执行环境，保证多个程序能够有序、有效地执行，最大限度地提高系统内的各种资源的利用率，便于用户的利用。 因此，在以往的OS中应该具有处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理等基本功能。 另外，为了用户容易使用OS，需要向用户提供方便的用户界面。 1.4.1处理器管理功能1 .过程控制2 .过程同步3 .过程通信4 .调度(1)作业调度。 (二)进程安排。 1.4.2存储器管理功能1 .存储器分配的主要任务是： (1)对每个程序分配存储器空间，并“得到”各自的位置。 (2)提高存储器的利用率，尽量减少不能使用的存储器区域(碎片化)。 (3)允许执行中的程序为了应对程序和数据的动态增加而申请追加的存储容量。 另外，OS在实现存储器分配时，可以采用静态和动态两种方式： (1)静态分配方式。 每个作业的内存区域在加载作业时确定，并且在加载作业后运行时，不允许该作业请求新的内存区域或在内存中“移动”作业。 (二)动态分配方式。 每个作业所需的基本内存空间也在加载时确定，但是为了应对程序和数据的动态增长，作业可以在运行时继续请求新的附加内存空间，并且作业可以在内存中“移动”。 2 .内存保护内存保护的主要任务是确保各用户程序只在自己的内存空间内执行，相互不干扰。 绝对不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，或者转移到没