第四章 计算机操作系统(版本2)modified.ppt

1、,大学计算机基础,华南农业大学信息学院 主讲教师* Email *,片头动画,4.1 操作系统概念及构成 4.2 操作系统类别与计算环境 4.3 进程管理 4.4 内存管理 4.5 虚拟内存方案 4.6 文件管理 4.7 输入/输出系统管理 4.8 典型操作系统介绍,第四章 计算机操作系统,4.1 操作系统概念及构成,4.1.1 操作系统的概念,操作系统(Operating System) ,所谓操作系统，其实是管理计算机硬件的程序，同时它又为应用程序提供基础，并且作为计算机用户和计算机硬件的中介。,4.1.2 操作系统的构成-进程,进程管理 内存管理 文件管理 输入/输出系统管理 二级存储管

2、理 联网、保护系统和命令解释程序系统,主要功能包括： 创建和删除用户及系统进程 挂起和恢复进程 提供进程同步机制 提供进程通讯机制 提供处理死锁机制,4.1 操作系统概念及构成,4.1.2 操作系统的构成-内存,进程管理 内存管理 文件管理 输入/输出系统管理 二级存储管理 联网、保护系统和命令解释程序系统,主要功能包括： 跟踪当前内存使用情况 内存分配原则 内存的回收,4.1 操作系统概念及构成,4.1.2 操作系统的构成-文件,进程管理 内存管理 文件管理 输入/输出系统管理 二级存储管理 联网、保护系统和命令解释程序系统,主要功能包括： 创建和删除文件 创建和删除目录 提供操作文件和目录

3、的原语 文件的映射 文件的备份,4.1 操作系统概念及构成,4.1.2 操作系统的构成-I/O,进程管理 内存管理 文件管理 输入/输出系统管理 二级存储管理 联网、保护系统和命令解释程序系统,主要组件包括： 缓冲器、高速缓存和脱机打印的内存管理部分 通用的设备驱动程序接口 特定硬件设备的驱动程序,4.1 操作系统概念及构成,4.1.2 操作系统的构成-二级存储,进程管理 内存管理 文件管理 输入输出系统管理 二级存储管理 联网、保护系统和命令解释程序系统,主要功能包括： 空闲空间管理 存储分配 磁盘调度,4.1 操作系统概念及构成,4.1.2 操作系统的构成-其它,进程管理 内存管理 文件管

4、理 输入输出系统管理 二级存储管理 联网、保护系统和命令解释程序系统,主要功能包括： 维护联网机器的各种资源 各种进程的授权机制 提供拥护和操作系统的接口,4.1 操作系统概念及构成,4.2.1 操作系统的类别,4.2 操作系统类别与计算环境,4.2.2 计算环境,4.2 操作系统类别与计算环境,传统计算环境即指普通意义下的通用计算机工作环境。主要是指计算机诞生至今独立或联网工作的通用计算机所形成的计算环境。,传统计算环境,Web计算增加了网络的重要性。过去不能联网的设备现在已能提供有线或无线访问。能联网的设备，通过改进网络技术或优化网络实现代码，现在已能提供更快的网络连接。,由于设备的简单和

5、少量的甚至是没有用户接口，嵌入式操作系统主要将时间用在监视和管理硬件设备上。,4.3.1 进程的概念,4.3 进程管理,在计算机操作系统中，引入进程概念的目的是让多个程序能在计算机中并发执行，从而提高处理机的利用率。 进程(process)可以简单地被看作是正在执行的程序。但是进程需要一定的资源(例如CPU时间、内存、文件和I/O设备)来完成它的任务。 进程在大多数操作系统中被理解为工作单元。 进程是一个动态的概念，而程序是一个静态的概念。,4.3.2 进程的状态转移,4.3 进程管理,新的,就绪,运行,终止,等待,允许,中断,退出,允许,I/O操作或事件的完成,I/O操作或事件的等待,进程状

6、态及转换图,4.3.3 进程控制块,4.3 进程管理,进程控制块 PCB,进程状态：进程当前所处的状态。,CPU寄存器：通常包括累加器、索引寄存器、堆栈指针、通用寄存器和其它条件码信息寄存。,程序计数器：指明进程要执行的下一条指令的地址。,CPU调度信息：包括基址寄存器、界限寄存器、页表或段表等信息。,记帐信息：包括CPU时间、实际使用时间、时间界限、记账数量、作业或进程数量等。,I/O状态信息：包括分配给进程的I/O设备列表、打开文件列表等。,4.3.4 进程调度及队列图,4.3 进程管理,就绪队列,CPU,I/O请求,时间片用完,创建子进程,等待一个中断,I/O队列,I/O,子进程执行,中

7、断发生,进程调度图,4.3.5 CPU调度及其准则,4.3 进程管理,在设计CPU调度程序时主要应该考虑的准则包括： CPU使用率(CPU Utilization) 吞吐量(Throughput)。 周转时间(Turnaround Time)。 等待时间(Waiting Time)。 响应时间(Response Time)。,通常，设计CPU调度算法时应尽可能做到：CPU使用率和吞吐量最大化，而周转时间、等待时间和响应时间最小化。,先到先服务(FCFS, First-Come, First-Served),4.3.6 主要调度算法,4.3 进程管理,最短作业优先(SJF, Shortest-J

8、ob-First),优先权(Priority),轮转(RR, Round-Robin),多级队列(Multilevel Queue),多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue),4.3.7 进程的同步与互斥,4.3 进程管理,同步,互斥,在多道程序设计环境中，多个进程可能竞争一定数量的资源。一个进程在申请资源时，如果所申请资源不足，该进程就必须等待状态。如果所申请的资源被其它进程占有，那么进程的等待状态就可能无法改变，形成进程之间相互一直等待的局面，这就是死锁(deadlock)。,4.3.8 进程的死锁及处理方法,4.3 进程管理,引起死锁的四个必要条件： 互斥 占有

9、并等待 。 非抢占 。 循环等待 所占有的资源。,处理死锁问题的三种方式： 可使用协议以预防和避免死锁，确保系统从不会进入死锁状态。 可允许系统进入死锁状态，然后检测出死锁状态，并加以恢复。 可忽略进程死锁问题，并假装系统中死锁从来不会发生。,4.4.1 用户程序执行与地址映射,4.4 内存管理,如果在编译时就知道进程将在内存中的什么位置驻留，那么编译器就可以直接以生成绝对地址代码。,编译阶段,加载阶段,如果在编译阶段不知道进程将驻留在什么位置，那么编译器就必须生成可重定位地址代码。,如果进程在执行时可以从一个内存段移动到另一个内存段，那么进程的绝对地址映射工作只能延迟到执行时进行。,4.4.

10、2 物理地址空间与逻辑地址空间,4.4 内存管理,为了便于CPU访问，每个存储单元都有一个编号，这个编号称为内存的物理地址，也叫内存的绝对地址。但用户是不直接考虑地址的，只是在编译时CPU会为用户程序生成详细地址，这就是逻辑地址 。,4.4.3 进程使用内存的交换技术,4.4 内存管理,为了更加有效地使用内存，进程在不运行时，可以暂时从内存中调出到备份存储器上，直到需要再运行时再重新调回到内存中。也就是，当时间片到时，内存管理程序就将刚刚运行过的进程从内存中换出以释放出占用的内存空间，随即可以将另一个要运行的进程换入到刚刚释放出的内存空间。同时，CPU调度程序可以将时间片分配给其它已在内存中的

11、进程。当每个进程用完时间时，就将与另外一个进程相交换(Swapping)。,4.4.4 内存分配方案-连续,连续内存分配 分页式内存管理 分段式内存管理 段页式内存管理,在内存分配中，常常把内存中还没有被分配的可用空间称为孔(hole)。,4.4 内存管理,4.4.5 内存分配方案-分页式,连续内存分配 分页式内存管理 分段式内存管理 段页式内存管理,4.4 内存管理,4.5.1 基本思想,4.5 虚拟内存方案,一个进程要运行，就需要调入到内存。不过，一个进程的运行是呈现局部性规律的，即在较短的时间内，进程的执行仅限于某个部分。相应地，所访问的存储空间也是限于某个局部区域。因此，一个进程的运行

12、并不意味着需要将其全部调入到内存中。,4.5.2 页面请求与页面置换算法,4.5 虚拟内存方案,4.6.1 文件的概念,4.6 文件管理,操作系统对存储设备的各种属性加以抽象并定义基本逻辑存储单元文件，再将文件映射到特定的外部存储设备上。文件是保存在外部存储设备上的相关信息的集合。 操作系统为文件提供6个基本操作：,创建文件 文件读 文件删除,文件写 文件内重定位 文件截短,4.6.2 文件的物理结构和逻辑结构,4.6 文件管理,文件的物理结构,文件的逻辑结构,无结构文件,有结构文件,流式文件,索引顺序文件,顺序文件,索引文件,4.6.3 文件的访问方式,4.6 文件管理,4.6.4 文件的目

13、录管理-单层,4.6 文件管理,单层目录结构示意图,4.6.4 文件的目录管理-双层,4.6 文件管理,双层目录结构示意图,MFD 用户名指向UFD的指针 Caocao Liubei Zhugeliang,Caocao的UFD Alice Bob Coke,Liubei的UFD Adidas Nike,Zhugeliang的UFD Coke Roman Zone,4.6.4 文件的目录管理-树型,4.6 文件管理,树型目录结构示意图,4.6.4 文件的目录管理-无环路,4.6 文件管理,无环路目录结构示意图,4.6.4 文件的目录管理-通用图,4.6 文件管理,通用图目录结构示意图,无环路目录

14、结构,4.7.1 基本概念,4.7 输入输出系统管理,I/O管理需要完成用户提出的I/O请求、加快I/O信息传送速度、提高I/O设备的并行性和利用率，为I/O设备提供设备驱动程序和中断处理程序等。,I/O设备与计算机通信的连接点被称为端口。,用于操作端口、总线或设备的一组电子器件，是设备与总线的连接装置。,4.7.1 基本概念-总线,4.7 输入输出系统管理,总线(bus),总线是一组连线以及一组严格定义的可描述在这组连线上传输信息的协议(protocol)的集合。,一个典型的PC总线结构,4.7.2 输入/输出控制方式,4.7 输入输出系统管理,程序控制方式 (Programmed I/O)

15、,中断驱动方式 (Interrupt-driven),直接存储器访问(DMA, Direct Memory Access),通道控制方式 (channel),用户进程直接控制内存或CPU和外部设备之间的信息传送,程序直接控制,控制外部设备和内存与CPU之间的数据传送,中断控制方式,DMA方式处理流程,通道控制方式,以内存为中心实现外部设备与内存直接交换数据的控制方式 由专管输入输出的硬件“通道”来进行控制。这与DMA方式中，数据的传送方向、存放数据的内存地址以及所传送的数据块长度等都是由CPU控制不同,4.7.3 I/O缓冲管理,4.7 输入输出系统管理,现代操作系统中，I/O设备与CPU(内

16、存)交换数据时，需要使用缓冲技术。也就是为I/O设备设置缓冲区，暂存数据，等到数据积累到一定程度时，再做批量处理。,单缓冲 双缓冲 循环缓冲 缓冲池,4.7.4 设备驱动程序,4.7 输入输出系统管理,设备驱动程序,接收上层应用软件发来的I/O抽象请求转换为具体I/O请求,检查I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式,发出I/O命令，启动所分配的I/O设备，完成指定的I/O操作,及时响应由设备控制器和通道发来的中断请求，并根据中断类型调用相应的中断处理程序,对于设有通道的计算机系统，根据I/O请求自动构成通道程序,功能,Unix,4.8.1 Unix,4.8

17、典型操作系统,内核 Shell 文件结构 应用程序,BSD Unix,Unix System ,BSD Unix,BSD Unix,BSD Unix,4.8.2 Dos,4.8 典型操作系统,Dos,MS-DOS(Microsoft),PC-DOS(IBM),DR DOS(Novell),I/O系统 命令解释程序 外部命令集,分类,组成,Windows,4.8.3 Windows,4.8 典型操作系统,界面图形化，操作便捷 采用多任务机制 支持网络功能 出色的多媒体功能 硬件更容易使用 具有众多应用程序的支持,Windows 1.0：1985年11月 Windows 2.0，1987年12月9

18、日 Windows 3.0，1990年5月22日 Windows 3.1，1992年4月 Windows for Workgroups 3.1，1992年3月18日 Windows NT 3.1，1993年 Windows 3.2中文版，1994年 Windows 95，1995年8月24日 Windows NT 4.0，1996年8月 Windows CE 1.0， 1996年11月 Windows 98，1998年6月25日 Windows 98 SE(第二版)，1999年6月10日 Windows Me ，2000年9月14日 Windows 2000，2000年12月19日 Windows XP，2001年10月25日 Windows Server 2003，2003