软件技术基础 (9)操作系统概述

1、NO：1操作系统操作系统第四章第四章NO：2 第四章第四章 操作系统操作系统NO：3 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 计算机系统中硬件和各种软件构成层次关系，计算机系统中硬件和各种软件构成层次关系，硬件是核心，也称裸机，如下图。硬件是核心，也称裸机，如下图。计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统系统实用程序系统实用程序应用软件应用软件操作系统设计人员操作系统设计人员最终用户最终用户程序员程序员单单向向服服务务关关系系裸机对外界面是机器指令裸机对外界面是机器指令系统，操作系统及其外层系统，操作系统及其外层软件通过执行各种机器指软件通过执行各种机器指令来访问和控制各种硬件令

2、来访问和控制各种硬件资源资源OS对内管理和控制各种对内管理和控制各种硬件资源；对外硬件资源；对外(所有其所有其他系统软件、应用软件和他系统软件、应用软件和计算机使用者计算机使用者)提供方便提供方便服务的一组软件程序集合服务的一组软件程序集合除除OS外的所有系统软件，外的所有系统软件，在在OS控制下为应用层软控制下为应用层软件及最终用户加工自己的件及最终用户加工自己的程序和数据提供各种服务程序和数据提供各种服务为解决某些具体的、实际为解决某些具体的、实际的问题而开发和研制的各的问题而开发和研制的各种程序种程序NO：4 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 裸机功能有限，需要软

3、件支持，操作系统是裸机功能有限，需要软件支持，操作系统是加到计算机硬件上的第一层软件，它是对计加到计算机硬件上的第一层软件，它是对计算机硬件的首次扩充，是用户与硬件设备之算机硬件的首次扩充，是用户与硬件设备之间的接口，管理硬件资源。间的接口，管理硬件资源。 此基础之上，加上其它系统软件和应用软件此基础之上，加上其它系统软件和应用软件称为功能更强的称为功能更强的“虚拟机虚拟机”NO：5 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 目前存在着多种类型的目前存在着多种类型的OS，不同类型的，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配

4、置的其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：，其目标有以下几点： 1. 方便性方便性: 配置了配置了OS可使计算机更容易使用可使计算机更容易使用 2. 有效性：有效性：使使CPU和和I/O设备保持忙碌设备保持忙碌 3. 可扩充性：可扩充性：采用模块化结构，便于增加新功能采用模块化结构，便于增加新功能 4. 开放性：开放性：应用程序的可移植性和互操作性应用程序的可移植性和互操作性 NO：6 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 操作系统的作用操作系统的作用 1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS作为用户与

5、计算机硬件系统之间接口的含义是：作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用来使用计算机系统。或者说，用户在计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意，注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。NO：7 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件用户通过以下方

6、式使用计算机：用户通过以下方式使用计算机： (1) 命令方式命令方式。这是指由。这是指由OS提供了一组联机命令提供了一组联机命令(语言语言)， 用用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。 (2) 系统调用方式系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己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。的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。 (3) 图形、窗口方式图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵。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。计算机系统和运行自己的程序

7、。 NO：8 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件硬件和和软软件件资源。归纳起来可将资源分为四类：资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器处理器、存储器存储器、 I/O设备设备以及以及信息信息(数据和程序数据和程序)。相应地，相应地，OS的主要功能的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理处理机管理， 用于分配和控制处理机；用于分配和控制处理机；存储器管理存储器管理，主要负责内

8、存的分，主要负责内存的分配与回收；配与回收；I/O设备管理设备管理，负责，负责I/O设备的分配与操纵；设备的分配与操纵；文文件管理件管理，负责文件的存取、共享和保护。可见，负责文件的存取、共享和保护。可见，OS确是确是计算机系统资源的管理者。事实上，当今世界上广为流行计算机系统资源的管理者。事实上，当今世界上广为流行的一个关于的一个关于OS作用的观点，正是把作用的观点，正是把OS作为计算机系统的作为计算机系统的资源管理者资源管理者。 NO：9 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 OS用作扩充机器用作扩充机器 对于一台完全无软件的计算机系统对于一台完全无软件的计算机系统(即

9、即裸机裸机)，即使其功能再，即使其功能再强，也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层强，也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理设备管理软件，用户便可利用它所提供的软件，用户便可利用它所提供的I/O命令命令，来进行数，来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器，据输入和打印输出。此时用户所看到的机器， 将是一台比裸机将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或扩充机器或虚机器虚机器。如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层。如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层文件管理文件管理软件，

10、则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来软件，则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。进行文件的存取。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件窗口软件，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。强的虚机器。 NO：10 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 推动操作系统发展的主要动力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不断

11、提高计算机资源利用率：在计算机发展初期，计算机特：在计算机发展初期，计算机特别昂贵，人们千方百计提高计算机各种资源的利用率，这就别昂贵，人们千方百计提高计算机各种资源的利用率，这就成为推动成为推动OS发展的动力，由此形成了能自动对一批作业进发展的动力，由此形成了能自动对一批作业进行处理的批处理系统；行处理的批处理系统； 2. 方便用户方便用户：批处理系统改善了资源利用率不高的矛盾，接着：批处理系统改善了资源利用率不高的矛盾，接着为了改善用户上机、调试程序的时的条件，随之形成允许进为了改善用户上机、调试程序的时的条件，随之形成允许进行人机交互的分时系统。行人机交互的分时系统。 3. 器件的不断更

12、新换代器件的不断更新换代 ：计算机性能的提高推动：计算机性能的提高推动OS功能和性能功能和性能也迅速提高，如也迅速提高，如 8位位 - 16位位 - 32位位 - 64位；位；4. 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展：单处理器：单处理器 - 多处理器，但处理多处理器，但处理器器OS发展为多处理器发展为多处理器OS，出现计算机网络后，又有了网络，出现计算机网络后，又有了网络操作系统。操作系统。NO：11 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述操作系统的发展过程操作系统的发展过程 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1. 人工操作方式人工操作方式 从第一台计

13、算机诞生从第一台计算机诞生(1945年年)到到50年代中期的计算机，属年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现于第一代，这时还未出现OS。这时的计算机操作是由用户。这时的计算机操作是由用户(即程序员即程序员)采用采用人工操作方式人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据对应于程序和数据)的纸带的纸带(或卡片或卡片)装入纸带输入机装入纸带输入机(或卡片输入机或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据，再启动它们将程序和数据输入计算机，输入计算机， 然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取然后启动计算机运行。当程序运行完毕

14、并取走计算结果后，走计算结果后， 才让下一个用户上机。这种人工操作方式才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：有以下两方面的缺点： (1) 用户独占全机用户独占全机。 (2) CPU等待人工操作等待人工操作。 NO：12 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述随着计算机速度的加快，人机矛盾越来越大随着计算机速度的加快，人机矛盾越来越大例如：例如： 上机操作要上机操作要 1 分钟分钟 ，运行时间，运行时间20分钟（分钟（10万次万次/sec） 上机操作要上机操作要 1分钟分钟 ，运行时间，运行时间0.2分钟（分钟（1000万次万次/sec）2. 脱机输入脱机输入

15、/输出输出(Off-Line I/O)方式方式 这种脱机这种脱机I/O方式的主要优点如下：方式的主要优点如下：减少了减少了CPU的空闲时间的空闲时间。 (1) (2) 提高提高I/O速度。速度。 解决人机矛盾及解决人机矛盾及CPU和和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，设备之间速度不匹配的矛盾，程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成，或者说程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成，或者说是脱离主机下完成，因此叫是脱离主机下完成，因此叫脱机脱机方式。方式。NO：13 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述1. 单道批处理系统单道批处理系统(Simple Batch P

16、rocessing System)的处理过程的处理过程 批处理批处理是指计算机系统对一批作业自动是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术，系统中有一个进行处理的一种技术，系统中有一个监监控程序控程序，它负责完成用户程序的调人、，它负责完成用户程序的调人、启动运行、输出运行结果等工作。启动运行、输出运行结果等工作。单道批处理单道批处理在内存中仅有一道作业在内存中仅有一道作业。 单道批处理系统单道批处理系统NO：14 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述2. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 单道批处理系统是单道批处理系统是最早最早出现的一种出现的一种OS，严格地

17、说，它只能算，严格地说，它只能算作是作是OS的前身而并非是现在人们所理解的的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。统比起人工操作方式的系统已有很大进步。 该系统的主要特征该系统的主要特征如下：如下： (1) 自动性自动性: 磁带上的一批作业能够自动地逐个依次运行，无磁带上的一批作业能够自动地逐个依次运行，无需人工干预；需人工干预； (2) 顺序性：顺序性：磁带上的作业顺序进入内存，各道作业完成的磁带上的作业顺序进入内存，各道作业完成的顺序与它们进入内存的顺序是完全相同的；顺序与它们进入内存的顺序是完全相同的； (3) 单道性：单道

18、性：监督程序每次只能从磁带上调入一道程序进入监督程序每次只能从磁带上调入一道程序进入内存运行。内存运行。NO：15 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 多道批处理系统多道批处理系统1. 多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法无法充分利用充分利用系统中的所有系统中的所有资源资源，致使系统性能较差。为了进，致使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引年代中期又引入了入了多道程序设计技术多道程序设计技术，由此而形成了

19、多道批处理系统，由此而形成了多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)。在该系统中，。在该系统中， 用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列队列，称，称为为“后备队列后备队列”；然后，由；然后，由作业调度程序作业调度程序按一定的算法从按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享共享CPU和和系统中的系统中的各种资源各种资源。NO：16 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述在在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：中引

20、入多道程序设计技术可带来以下好处：(1) 提高提高CPU的利用率的利用率 当内存中仅有当内存中仅有一道程序一道程序时，每逢该程序在运行中发出时，每逢该程序在运行中发出I/O请求请求后，后，CPU空闲空闲，必须在其，必须在其I/O完成后才继续运行；尤完成后才继续运行；尤其因其因I/O设备的设备的低速低速性，更使性，更使CPU的利用率显著的利用率显著降低降低。上图。上图 示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t2t3、 t6t7时间间隔内时间间隔内CPU空闲。在引入多道程序设计技术后，空闲。在引入多道程序设计技术后， 由于同由于同时在内存中装有若干道程

21、序，并使它们交替地运行，时在内存中装有若干道程序，并使它们交替地运行， 这样，这样，当正在运行的程序因当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度另一道而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了程序运行，从而保持了CPU处于忙碌状态。处于忙碌状态。NO：17 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述例：例：1台台CPU，多台，多台I/O设备，二道程序设备，二道程序A,B运行 10msI/O 15ms运行 15msI/O 20msAB单道程序方式下单道程序方式下程序程序A运行运行程序程序B运行运行程序程序A I/O程序程序B I/O60ms内，CPU利用率为25/60

22、=41.7%多道程序方式下多道程序方式下60ms内，CPU利用率为50/60=83.3%NO：18 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述(2) 可提高内存和可提高内存和I/O设备利用率设备利用率 为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容量，但由于为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容量，但由于80%以上的作业都属于中小型，因此在单道程序环境下，也以上的作业都属于中小型，因此在单道程序环境下，也必定造成必定造成内存的浪费内存的浪费。类似地，对于系统中所配置的。类似地，对于系统中所配置的多种类多种类型的型的I/O设备设备， 在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在单道程

23、序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序，在内存中装入多道程序， 并允许它们并允许它们并发执行并发执行，则无疑会大，则无疑会大大提高内存和大提高内存和I/O设备的利用率。设备的利用率。(3) 增加系统吞吐量增加系统吞吐量 在保持在保持CPU、I/O设备不断忙碌的同时，设备不断忙碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的也必然会大幅度地提高系统的吞吐量吞吐量，从而降低作业加工所，从而降低作业加工所需的费用。需的费用。 NO：19 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述2. 多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征 (1) 多道性多道性: 多道指某个作业占用多道指某个作业占

24、用CPU，若由于某种原因，若由于某种原因暂时不用暂时不用CPU 则系统让第二个作业占用则系统让第二个作业占用CPU.(2) 无序性无序性: 作业完成的先后顺序和它们进入内存的顺序作业完成的先后顺序和它们进入内存的顺序之间，无严格的对应关系之间，无严格的对应关系 (3) 调度性：作业从递交直至完成，需要经过二次调度：调度性：作业从递交直至完成，需要经过二次调度： 作业调度作业调度：按一定的作业调度算法，从外存的后按一定的作业调度算法，从外存的后备作业队列中，选择若干个作业调入内存；备作业队列中，选择若干个作业调入内存； 进程调度：进程调度：按一定的进程调度算法，从已在内存按一定的进程调度算法，从

25、已在内存的作业中选择一个作业，分配处理器。的作业中选择一个作业，分配处理器。作业是否有资格运行？作业是否有资格运行？谁占有谁占有CPU？NO：20 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述3. 多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点 (1) 资源利用率高资源利用率高: 内存中装入多道程序，它们共享资源，内存中装入多道程序，它们共享资源，得到充分利用。得到充分利用。 (2) 系统吞吐量大：系统吞吐量大：吞吐量指单位时间内所完成的总工作吞吐量指单位时间内所完成的总工作量。能提高吞吐量的原因归结为：量。能提高吞吐量的原因归结为：a) CPU和系统其他资源和系统其他资源保持忙碌状

26、态保持忙碌状态; b) 仅当作业完成或运行不下去时，才进行仅当作业完成或运行不下去时，才进行切换，系统开销小。切换，系统开销小。 (3) 平均周转时间长：平均周转时间长：作业要排队，依次进行处理作业要排队，依次进行处理(4) 无交互能力：无交互能力：一旦把作业递交系统后直至作业完成，用一旦把作业递交系统后直至作业完成，用户无法与作业进行交互户无法与作业进行交互NO：21 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述4. 多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题 (1) 处理机管理问题：处理机管理问题：在多道程序间如何分配它们共享的处在多道程序间如何分配它们共享的处理

27、机，使理机，使CPU既能满足各程序运行的需要，又能提高处理既能满足各程序运行的需要，又能提高处理机的利用率，以及一旦将处理机分配给某程序后，又应何机的利用率，以及一旦将处理机分配给某程序后，又应何时收回等一系列问题时收回等一系列问题 (2) 内存管理问题：内存管理问题：如何为每道程序分配必要的内存以及防如何为每道程序分配必要的内存以及防止各道程序的相互干扰止各道程序的相互干扰(3) I/O设备管理问题：设备管理问题：I/O设备被多道程序共享，如何进行设备被多道程序共享，如何进行分配以提高利用率。分配以提高利用率。 (4) 文件管理问题：文件管理问题：如何存放大量的程序和数据，使其便于如何存放大

28、量的程序和数据，使其便于用户使用，并保证安全性和一致性。用户使用，并保证安全性和一致性。 NO：22 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述(5) 作业管理问题作业管理问题：对于系统中的各种应用程序，有的是对于系统中的各种应用程序，有的是属于计算型，有的属于属于计算型，有的属于I/O型，有的作业既重要又紧迫，有型，有的作业既重要又紧迫，有的要求系统及时响应，这时如何对它们进行组织。的要求系统及时响应，这时如何对它们进行组织。 分时系统分时系统1. 分时系统分时系统(Time-Sharing System)的产生的产生 如果说，如果说， 推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，

29、推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高是提高资源利用率资源利用率和和系统吞吐量系统吞吐量，那么，推动分时系统形成，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是和发展的主要动力，则是用户的需求用户的需求。或者说，。或者说， 分时系统是分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型为了满足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面：以下几个方面：NO：23 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述(1) 人人机交互：机交互：用户希望能够像早期

30、使用计算机一样，独占用户希望能够像早期使用计算机一样，独占并对它进行直接控制并对它进行直接控制 (2) 共享主机：共享主机：在在60年代，计算机十分昂贵，只能多个用户共年代，计算机十分昂贵，只能多个用户共享一台主机。但用户在使用时希望能够像自己独占计算机一享一台主机。但用户在使用时希望能够像自己独占计算机一样，不仅可以随时与计算机交互，而且应感觉不到其他用户样，不仅可以随时与计算机交互，而且应感觉不到其他用户正在使用该计算机。正在使用该计算机。 (3) 便于用户上机：便于用户上机：在多道批处理系统中，用户上机前必须把在多道批处理系统中，用户上机前必须把自己作业送到机房，这对于远端的用户来说十分

31、不便。用户自己作业送到机房，这对于远端的用户来说十分不便。用户希望能够通过自己的终端直接将作业传送到机器进行处理，希望能够通过自己的终端直接将作业传送到机器进行处理，并能对自己的作业进行控制。并能对自己的作业进行控制。 分时系统是指在一台主机上连接了分时系统是指在一台主机上连接了n个带有显示器和键盘个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，用户通过终的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，用户通过终端与计算机进行交互。端与计算机进行交互。主机主机终终端端NO：24 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述2. 分时系统的思想分时系统的思想 采用时间片轮的方法

32、采用时间片轮的方法，同时为许多终端用户服务，对每个用，同时为许多终端用户服务，对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话的功能。户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话的功能。 时间片时间片：将：将CPU的时间划分成若干个片段的时间划分成若干个片段,称为时间片，操作称为时间片，操作系统以时间片为单位系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务轮流为每个终端用户服务 设计目标设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。高系统资源的利用率。 适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。适合办公自动化、教学及事务处理

33、等要求人机会话的场合。例如，若选择时间片为例如，若选择时间片为100ms，系统中有，系统中有20个用户分享个用户分享CPU，忽，忽略用户程序切换所需时间，则么个用户的平均响应时间为：略用户程序切换所需时间，则么个用户的平均响应时间为：100ms 20 = 2s 再假设再假设CPU运行速度为运行速度为200万次万次/s，则对每个用，则对每个用户程序来说，等价的户程序来说，等价的CPU速度为速度为200/20=10万次万次/sNO：25 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述3. 分时操作系统工作方式分时操作系统工作方式 一台主机连接了若干个终端一台主机连接了若干个终端每个终端有

34、一个用户在使用每个终端有一个用户在使用交互式的向系统提出命令请求交互式的向系统提出命令请求系统接受每个用户的命令系统接受每个用户的命令采用时间片轮转方式处理服务请求采用时间片轮转方式处理服务请求并通过交互方式在终端上向用户显示结果并通过交互方式在终端上向用户显示结果用户根据上步结果发出下道命令用户根据上步结果发出下道命令NO：26 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述4. 分时系统的特征分时系统的特征 (1) 多路性多路性: 同时有多个用户使用一台计算机同时有多个用户使用一台计算机 宏观上：是多个人同时使用一个宏观上：是多个人同时使用一个CPU 微观上：多个人在不同时刻轮流

35、使用微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU(2) 独立性独立性: 用户感觉不到计算机为其他人服务（用户感觉不到计算机为其他人服务（OS提供虚提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）机器，各个用户的虚机器互不干扰）(3) 及时性及时性: 系统对用户提出的请求及时响应系统对用户提出的请求及时响应(4) 交互性交互性: 用户根据系统响应结果进一步提出新请求用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户用户直接干预每一步直接干预每一步) NO：27 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 实时系统实时系统 所谓所谓“实时实时”，是表示，是表示“及时及时”，而实时系统，而实时系统(Real-

36、Time System)是指系统能及时是指系统能及时(或即时或即时)响应外部事件的请求，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，并控制所有实时任务在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。协调一致地运行。 1. 实时操作系统的引入实时操作系统的引入实时控制系统：实时控制系统： 通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统，通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称计算机控制系统。系统实时采集现场数据并进行及时处理，又称计算机控制系统。系统实时采集现场数据并进行及时处理，进而自动地控制相应的执行机构。进而自动地控制相应的执行机构。如：钢铁冶炼和钢板轧制的自

37、动控制、炼油、化工生产过程的如：钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、炼油、化工生产过程的自动控制自动控制, 军事上火炮的自动控制，飞机自动驾驶以及导弹的制军事上火炮的自动控制，飞机自动驾驶以及导弹的制导系统等。导系统等。NO：28 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述实时信息处理系统：实时信息处理系统：计算机及时接收从远程终端发来的服务计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间内对用户做出正确回答。例如：银行，机票订购系统、短时间内对用户做出正确回答。例如：银行，机票订购系统、股

38、市行情实时信息处理系统等。股市行情实时信息处理系统等。把把实时控制系统实时控制系统和和实时信息处理系统实时信息处理系统统称为统称为实时系统实时系统。所。所谓谓“实时实时”，是表示，是表示“及时及时”、“即时即时”；而实时系统是指；而实时系统是指系统能即使响应外部是件的请求，系统能即使响应外部是件的请求，在规定的时间内在规定的时间内完成对该完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。实时系统必须和先进的技术装备相结合实时系统必须和先进的技术装备相结合NO：29 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述2. 实时系统特征实时系

39、统特征(1) 多路性多路性: 对多路现场信息进行采集及对多个对象和多个执行机对多路现场信息进行采集及对多个对象和多个执行机构进行控制；构进行控制；(2) 独立性：独立性：对多路信息的采集和多个对象的控制是互不干扰的对多路信息的采集和多个对象的控制是互不干扰的(3) 及时性：及时性：以控制对象所要求的控制周期所决定，一般为以控制对象所要求的控制周期所决定，一般为ms级级 (4) 可靠性：可靠性：要求系统高度可靠，否则可能带来巨大的损失。因要求系统高度可靠，否则可能带来巨大的损失。因此，实时系统往往采用多级容错措施，来保证系统的安全和此，实时系统往往采用多级容错措施，来保证系统的安全和数据的安全。

40、数据的安全。NO：30 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1) 并发并发(Concurrence) 并行性并行性和和并发性并发性是既相似又有区别的两个概念，并行性是是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在指两个或多个事件在同一时刻同一时刻发生；而并发性是指两个或多个发生；而并发性是指两个或多个事件在事件在同一时间间隔内同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时

41、刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。这样，多个程序便可同时执行。 NO：31 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述2) 共享共享(Sharing) 在操作系统环境下，所谓

42、共享是指系统中的资源可供内在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程存中多个并发执行的进程(线程线程)共同使用。由于资源属性的不共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式。共享方式。a 互斥共享方式互斥共享方式 系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程提供给多个进程(线程线程)使用，但为使所打印或记录的结果不使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程致造成混淆，应规

43、定在一段时间内只允许一个进程(线程线程)访访问该资源。为此，当一个进程问该资源。为此，当一个进程A要访问某资源时，必须先提要访问某资源时，必须先提出请求，出请求， 如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程程A使用，使用， NO：32 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述此后若再有其它进程也要访问该资源时此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要只要A未用完未用完)则必须则必须等待。等待。 仅当仅当A进程访问完并释放该资源后，进程访问完并释放该资源后， 才允许另一进程才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为对该

44、资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共互斥式共享享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界临界资源或独占资源资源或独占资源。 计算机系统中的大多数物理设备，以及某计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。求被互斥地共享。NO：33 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述b 同时访问方式同时访问方式 系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时

45、同时”对它们进行访问。这里所谓的对它们进行访问。这里所谓的“同时同时”往往是往往是宏观宏观上的，而在微观上，这些进程可能是上的，而在微观上，这些进程可能是交替交替地对该资源进行访地对该资源进行访问。典型的可供多个进程问。典型的可供多个进程“同时同时”访问的资源是磁盘设备，访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件，也可以被一些用重入码编写的文件，也可以被“同时同时”共享，即若干共享，即若干个用户同时访问该文件。个用户同时访问该文件。并发并发和和共享共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。在的条件。一方面，资源共享是以程序一方面，资

46、源共享是以程序(进程进程)的并发执行为条的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理， 协调好诸进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。至根本无法并发执行。NO：34 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述3) 虚拟虚拟(Virtual)操作系统中的所谓操作系统中的所谓“虚拟虚拟”，是指通过某种技术把一个物，是指

47、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。物理实体理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者前者)是实的，是实的， 即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、 虚拟外部设备和虚拟信道等。虚拟外部设备和虚拟信道等。NO：35 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 在在虚拟处理机虚拟处理机技术中，是通过多道程序

48、设计技术，让多技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。此时，道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。此时， 虽然只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终虽然只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。亦即，在专门为他服务。亦即， 利用多利用多道程序设计技术，把一台物理上的道程序设计技术，把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚拟处理机，我们把用户所感觉到的，也称为虚拟处理机，我们把用户所感觉到的CPU称为虚称为虚拟处理器。拟处理器。 NO

49、：36 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 我们还可以通过我们还可以通过虚拟设备虚拟设备技术，将一台物理技术，将一台物理I/O设备虚拟设备虚拟为多台逻辑上的为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备的设备(即临界资源即临界资源)，变为在一段时间内允许多个用户同时访，变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。例如，原来的打印机属于问的共享设备。例如，原来的打印机属于临界资源临界资源，而通过虚，而通过虚拟设

50、备技术，可以把它变为多台逻辑上的打印机，供多个用户拟设备技术，可以把它变为多台逻辑上的打印机，供多个用户“同时同时”打印。此外，也可以把一条物理信道虚拟为多条逻辑打印。此外，也可以把一条物理信道虚拟为多条逻辑信道信道(虚信道虚信道)。在操作系统中，虚拟的实现主要是通过。在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使分时使用用的方法。显然，如果的方法。显然，如果n是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1/n。 NO：37 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述4) 异

51、步性异步性(Asynchronism) 在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，在多道程序环境下，允许多个进程并发执行， 但只有进但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它某进程打印，由于打印机属于请求，而此时打印机正在为其它某进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必

52、须等待，且放弃处理机，直临界资源，因此正在执行的进程必须等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的继续执行。可见，由于资源等因素的限制限制，使进程的执行通常，使进程的执行通常都不是都不是“一气呵成一气呵成”，而是以，而是以“停停走走停停走走”的方式运行。的方式运行。 NO：38 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 内存中的每个进程在内存中的每个进程在何时何时能获得处理机能获得处理机运行运行，何时又因提，何时又因提出某种资源请求而出某种资源请求而暂停暂停，

53、以及进程以怎样的速度向前，以及进程以怎样的速度向前推进推进，每，每道程序总共需道程序总共需多少多少时间才能完成，等等，都是时间才能完成，等等，都是不可预知不可预知的。由的。由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要I/O；而又有的程序其计算少而；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成；内存的作业后完成； 而后进入内存的作业先完成。或者说，而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性异步性

54、。尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，是操作系统完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，是操作系统的一个重要特征。的一个重要特征。 NO：39 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 操作系统的主要功能操作系统的主要功能(1) 处理机管理功能处理机管理功能 进程控制进程控制 在传统的多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它在传统的多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。当进程运行创建一个或几个进程，并为之分配必要的资

55、源。当进程运行结束时，立即撤消该进程，以便能及时回收该进程所占用的结束时，立即撤消该进程，以便能及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要功能是为作业各类资源。进程控制的主要功能是为作业创建进程创建进程、撤消已撤消已结束的进程结束的进程，以及控制进程在运行过程中的，以及控制进程在运行过程中的状态转换状态转换。 在现在现代代OS中，进程控制还应具有为一个进程创建若干个中，进程控制还应具有为一个进程创建若干个线程线程的功的功能和撤消能和撤消(终止终止)已完成任务的线程的功能。已完成任务的线程的功能。 NO：40 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 进程同步进程同步 为使多

56、个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步进程同步机制机制。进程同步的主要任务是为多个进程。进程同步的主要任务是为多个进程(含线程含线程)的运行进行协的运行进行协调。有两种协调方式：调。有两种协调方式： a) 进程互斥方式进程互斥方式， 这是指诸进程这是指诸进程(线程线程)在在对临界资源进行访问时，对临界资源进行访问时， 应采用互斥方式；应采用互斥方式； b) 进程同步方式进程同步方式，指在指在相互合作相互合作去完成共同任务的诸进程去完成共同任务的诸进程(线程线程)间，由同步机构对间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。它们的执行次序加以协调。

57、为了实现进程同步，系统中必须设置进程同步机制。最简单为了实现进程同步，系统中必须设置进程同步机制。最简单的用于实现进程互斥的机制，是为每一个临界资源配置一把锁的用于实现进程互斥的机制，是为每一个临界资源配置一把锁W，当锁打开时，进程当锁打开时，进程(线程线程)可以对该临界资源进行访问；而当锁关可以对该临界资源进行访问；而当锁关上时，则禁止进程上时，则禁止进程(线程线程)访问该临界资源。访问该临界资源。 NO：41 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 进程通信进程通信 在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在系统中在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在系统中建

58、立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些进建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些进程程(线程线程)相互合作相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程去完成一个共同的任务。而在这些进程(线程线程)之间，又往往需要之间，又往往需要交换信息交换信息。例如，有三个相互合作的进程，。例如，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。输入进程负责将所输它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算，入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算， 并把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把计算结果

59、并把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把计算结果打印出来。打印出来。进程通信的任务进程通信的任务就是用来就是用来实现在相互合作的进程之实现在相互合作的进程之间的信息交换。间的信息交换。NO：42 第四章第四章 操作系统操作系统4.1 4.1 概概 述述 调度调度 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。在传统的操作系统中，包括行。在传统的操作系统中，包括作业调度作业调度和和进程调度进程调度两步。作两步。作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法，选择出业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为

60、它们分配其必需的资源若干个作业，为它们分配其必需的资源(首先是分配内存首先是分配内存)。 在将在将它们调入内存后，便分别为它们建立进程，使它们都成为可能它们调入内存后，便分别为它们建立进程，使它们都成为可能获得处理机的就绪进程，并按照一定的算法将它们插入就绪队获得处理机的就绪进程，并按照一定的算法将它们插入就绪队列。而进程调度的任务，则是从进程的就绪队列中选出一新进列。而进程调度的任务，则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。值得提出的是，在多线程行。值得提出的是，在多线程OS中，通常是把中