计算机操作系统课件.ppt

1、2020/7/28,1,1.3 操作系统的基本特性,并发性 共享性 虚拟性 异步性,2020/7/28,2,1.3.1 并发,并行性：两个或多个事件在同一时刻发生 并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生 在多道程序系统（单处理器）中，宏观上并行（多个程序在同时运行），微观分时交替执行。 多处理机系统可并行执行。,2020/7/28,3,1.3.1 并发,程序不能并发执行，为使多个程序并发执行，引入进程 进程在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。 引入线程后，独立运行的单位变为线程。,2020/7/28,4,1.3.2 共享,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

2、执行的进程(线程)共同使用。 并发和共享是操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为存在条件的。 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。 若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。,2020/7/28,5,共享方式,互斥共享方式 同时访问方式,2020/7/28,6,互斥共享方式,在规定的一段时间内只允许一个进程访问。资源分配后到释放前，不能被其他进程所用，举例。 临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源，比如打印机、磁带机；栈、变量和表格。,2020/7/28,7,同时访问方式,允许在一

3、段时间内由多个进程同时（宏观上看）对它进行访问， 如磁盘文件。,2020/7/28,8,1.3.3 虚拟,虚拟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。前者为实，后者为虚。 用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。 在OS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、 虚拟外部设备和虚拟信道等。,2020/7/28,9,1.3.3 虚拟,虚拟处理机 通过多道程序设计技术，并发执行，分时使用一台处理机。用户所感觉到的CPU称为虚拟处理机。 虚拟内存 通过虚拟存储器技术把物理存储器变为逻辑存储器，从逻辑上扩充存储器容量。用户所感觉到的存储器称为虚拟存储器。 虚拟外部设备 通过虚拟设备

4、技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备。,2020/7/28,10,1.3.4 异步性,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。 进程的运行速度不可预知：在多道程序环境下，当多个进程并发执行时，由于资源等因素的限制，进程的执行通常以“停停走走”的方式运行。内存中的每个进程在何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，都是不可预知的。很可能先进入内存的作用后完成，后进入内存的作业先完成。 只要运行环境相同，作业经多次运行，结果相同。,2020/7/28,11,1.4 操作系统的主要功能,操作系统的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的运

5、行环境，以保证多道程序能有条不紊、高效地运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用。为此，OS应具有如下功能： 处理机管理功能 存储器管理功能 设备管理功能 文件管理功能,2020/7/28,12,对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。,主要任务,主要功能,处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理，功能有：进程控制、进程同步、进程通信和进程调度。,在多道程序环境下，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。进程运行结束时，要撤消该进程，释放进程所占用的各类资源。 主要功能：创建进程，撤消进程，进程的状

6、态转换。 。,进程以异步方式运行，以不可预知的速度向前推进。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机制。进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。有两种协调方式： （1）进程互斥方式。这是指诸进程在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；最简单的用于实现进程互斥的机制，是为每一种临界资源配置一把锁W，当锁打开时，进程可以访问临界资源,关上时则禁止进程访问。 （2）进程同步方式。指在相互合作完成共同任务的进程间，由同步机构对它们的执行次序加以协调，最常用的机制是信号量。,在多道程序环境下，相互合作来共同完成一个任务的诸进程之间，往往需要交换信息。进程通信的任务，就是用来实现在相互合

7、作进程之间的信息交换。例如，输入进程、计算进程和打印进程。 相互合作的进程处于同一计算机系统时，通常采用直接通信方式。由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的消息队列上，而目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。,等待在后备队列上的每个作业，通常要经过作业调度和进程调度两步，才能执行。 作业调度的基本任务: 按照一定的算法，从作业后备队列中选择出若干个作业，为它们分配必要的资源。之后将他们调入内存，为它们建立进程，并将它们按一定算法插入就绪队列。 进程调度的任务：从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使该进程运行。,1.4.1 处理机管理功

8、能,2020/7/28,13,为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高其利用率，能从逻辑上来扩充内存。,主要任务,主要功能,内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充。,主要任务：为每道程序分配内存空间，提高存储器的利用率，同时允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。 分配方式：静态分配、动态分配。 结构和功能：内存分配数据结构、内存分配功能、内存回收功能。,主要任务：确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行。 一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。OS对每条指令所访问的地址进行越界检查，发生越界时发出

9、越界中断请求，停止程序执行，进行越界处理。越界检查通常由硬件实现。,源程序经编译链接而形成可装入程序后，这些程序的地址都是从“0”开始的，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的，由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”，其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。而由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。 在多道程序环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的。因此，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。,物理内存的容量总是有限的，经常不能满足用户的

10、需要，这时要能够进行内存“扩充”。内存扩充并非是增加物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。 内存扩充机制必须实现下述功能： 请求调入功能。允许仅装入一部分用户程序和数据，在运行过程中当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，可向OS发出请求，由OS将所需部分调入内存，以便继续运行。 置换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时，系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间将所需部分调入内存。,1.4.2 存储器管理功能,2020/7/28,14,完成用户进程提出的I/O请求，为用

11、户进程分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。,主要任务,主要功能,缓冲管理、设备分配、设备处理（驱动）。,缓和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPU和I/O设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。通过增加缓冲区容量的办法，来改善文件系统的性能。 常见的缓冲区机制有：单缓冲机制，双缓冲机制（能实现双向同时传送数据），公用缓冲池机制（能供多个设备同时使用）。,基本任务：根据用户的I/O请求、系统现有资源的状况，分配其所需的设备。若I/O设备和CPU之间还存在着设备控制器和I/O通道时，还须同时分配相应的控制器和通道。 为实现设备分配，在系

12、统中配置设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态，以说明该设备是否可用、是否忙碌，供设备分配时参考。设备分配方式因设备类型不同而不同。对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全。设备用完后应立即加以回收。,基本任务：实现CPU和设备控制器之间的通信。即由CPU向设备控制器发出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作；并接收由设备控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。 处理过程如下： （1）检查IO请求的合法性、了解设备的状态是否空闲、了解有关传递参数以及设置设备的工作方式。 （2）向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备

13、去完成指定的I/O操作。 （3）及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型，调用相应的中断处理程序进行处理。 对于设置了通道的计算机系统设备处理程序还应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。,1.4.3 设备管理功能,2020/7/28,15,对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。,主要任务,主要功能,存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理和保护,主要任务：对文件及文件的存储空间实施统一管理，为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并帮助提高文件系统的工作速度。 实现：设置相应的数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间

14、时参考；具有对存储空间进行分配和回收的功能。 分配：存储空间的分配通常是采用离散分配方式，以减少外存零头，提高存储空间的利用率，并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为512字节至8K字节。,为方便用户在外存上查找所需要文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包含文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又构成了一个目录文件。 目录管理的主要任务：为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取；实现文件共享；提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。,功能：根据用户的请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存。 操作步骤：先根据用户给出

15、的文件名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读（写）指针，对文件进行读（写）。一旦读（写）完成，便修改读（写）指针，为下一次读（写）做好准备。由于读和写操作不会同时进行，故可以合用一个读/写指针。,为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，文件的存取控制必须实现下述目标： （1）防止未经核准的用户存取文件； （2）防止冒名顶替存取文件； （3）防止以不正确的方式使用文件。,1.4.4 文件管理功能,2020/7/28,16,1.4 操作系统的功能（5）,1.4.5 用户接口,命令接口便于用户直接或间接地控制自己的作业。用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。 该接口

16、又可进一步分为联机用户接口和脱机用户接口。,命令接口,程序接口,为联机用户提供，由一组键盘操作命令及命令解释程序组成。用户在终端或控制台上每键入一条命令，系统就立即转入命令解释程序，解释并执行该命令。完成指定功能后，控制又返回到终端或控制台上，等待用户键入下一条命令。用户可通过先后键入不同的命令，来实现对作业的控制，直至作业完成。,为批处理作业的用户提供，由一组作业控制语言JCL组成。JCL是提供给批处理作业用户、为实现所需功能委托系统代为控制作业的一种语言。用户事先用JCL把需要对作业进行的控制和干预，写成作业说明书，和作业一起提供给系统。当系统调度到该作业运行时，又调用命令解释程序，对作业说明书上的命令，逐条地解释执行。若执行过程中出现异常现象，系统也将根据作业说明书上的指示进行干预。这样，作业一直在作业说明书的控制下运行，直至遇到作业结束语句时，系统才停止该作业的运行。,图形接口,图形用户接口采用图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标将系统的各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。用户可通过鼠标、菜单和对话框来完成对应用程序和文件的操作。,由一组系统调用组成，每个系统调用都是一