计算机操作系统复习串讲.ppt

1、第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用,操作系统概念（p9） 一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度以及方便用户的程序集合。,方便性 计算机只能识别0、1；用户熟悉的是各种语言。 有效性 使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利用，提高系统吞吐量。 可扩充性 便于修改和增加功能。 开放性 系统能支持世界标准规范。,1.1.1 操作系统的目标,1.1.2 操作系统的作用(1),作为用户与计算机硬件系统之间的接口,图11 OS作为接口的从层状示意图,计算机硬件,操作系统,系统调用，命令，图标，窗口,应用程序及实用程序,系统设计者,程序员,用户,操作系统的作用

2、(2),作为计算机系统资源的管理者 处理机管理：分配和控制处理机 存储器管理：分配及回收内存 I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作 文件管理：文件存取、共享和保护 作为扩充机器 把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。 分层扩充的特点。,操作系统的作用（3）,OS实现了对计算机资源的抽象 扩展机(extended machine)/虚拟机(virtual machine) 在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理、处理机管理； 隐藏了对硬件操作的细节。,I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节,不断提高计算机资源利用率的需要 如批处理系统的出现 方便用户 如分时交互式系统的

3、出现,字符到图形界面等 器件的不断更新换代 8位163264. 计算机体系结构的不断发展： 单机OS多机OS网络OS,1.1.3 操作系统发展的主要动力,图1-2脱机I/O示意图,输入设备,外围机,磁盘,磁盘,磁盘,主机,磁盘,外围机,输出设备,1.2.2 单道批处理系统,还有下一 个作业？,把下一个作业 的源程序转换 为目标程序,源程序 有错吗？,装配目标程序,运行目标程序,开始,是,否,停止,是,否,1.2.3 多道批处理系统,基本概念 多道：系统中同时驻留多个作业 多道引入的优点： 提高CPU利用率（图1.4） 提高内存和I/O设备利用率 提高了系统吞吐量 特征 多道性、无序性、调度性：

4、作业调度、进程调度 缺点 平均周转时间长、无交互能力,多道批处理系统 (2),需解决的问题 处理机管理问题 内存管理问题 I/O管理问题 文件管理问题 作业管理问题,1.2.4分时系统,分时系统的产生 概念：指一台主机上连接了多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，各个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。 是用户的需求： 人机交互性 共享主机 便于用户上机,分时系统（2）,分时系统在实现中的关键问题 及时接收：多终端卡、输入缓冲区 及时处理：交互作业应在内存、响应时间应短,分时系统(3),分时系统的实现方法 交互式作业直接进入内存 以分配时间片方式实现 类型： 单

5、道分时系统 具有前、后台的分时系统 仅当前台无作业或在调进、出时，才运行后台批处理作业。 多道分时系统 不需要调入、出开销。,分时系统(4),分时系统的特征 多路性、独立性、及时性、交互性,1.2.5实时系统,引入：要求及时处理的场合 概念： 系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理。 类型 实时控制 实时信息处理,实时系统(2),实时任务类型 按任务执行是否呈现周期性来划分 周期性的（联系周期）； 非周期性的（联系开始或完成截止时间） 根据对截止时间的要求来划分 硬实时任务 软实时任务,实时系统(3),实时、分时的比较 多路性：相同 独立性：相同 及时性：实时系统要求更高

6、 交互性：分时系统交互性更强 可靠性：实时系统要求更高,1.2.6 微机操作系统的发展,单用户单任务：只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。 (MS DOS) 单用户多任务：只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。 (Windows XP) 多用户多任务：允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。 (UNIX, Linux),1.3 操作系统的基本特征,并发性 共享性 虚拟技术 异步性,1.并发性(co

7、ncurrence),区分并行性与并发性 并行(parallel):两个或多个事件在同一时刻发生。 并发:两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 在多道程序环境下，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。,引入进程,程序（可执行文件）是静态实体，而动态实体是进程（OS为每个程序建立进程）； 进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。 引入进程的目的:多个程序可并发执行，提高系统资源的利用率和增加系统的吞吐量，但它使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。,2.共享性(sharing),资源共享：指

8、系统中的硬件和软件资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。 互斥共享方式（如打印机、音频设备）：一段时间内只允许一个进程访问的资源（分配后到释放前，不能被其他进程所用）。 同时访问方式（如可重入代码，磁盘文件）：一段时间内允许多个进程“同时”访问的资源。,并发和共享的关系,并发和共享是操作系统两个最基本的特征。 两者之间是互为存在条件的： 资源共享是以程序（进程）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。,3.虚拟(virtual)技术,虚拟:把一个物理上的实体，变为若干个

9、逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的， 而后者是虚的。 虚拟技术：用于实现虚拟的技术。 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。,虚拟技术的实现方式,OS利用两种方式实现虚拟技术： 时分复用技术： 虚拟处理机技术（多道程序设计） 虚拟设备技术（SPOOLing技术） 空分复用技术 虚拟磁盘技术 虚拟存储器技术（请求调入功能、置换功能）,虚拟技术是以并发和共享为前提,为了使并发进程能更方便、更有效地共享资源，操作系统采用多种虚拟技术从逻辑上增加CPU和设备的数量以及存储器的容量，从而解决并发进程对有限的系统资源的争用问题。,4.异步性(asynchronism),在多道程序环境

10、下，允许多个进程并发执行， 但由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是“一气呵成，而是以“走走停停”的方式运行。 进程的异步性也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性。 多道程序环境下程序的执行，是以异步方式进行的；每个程序在何时执行，多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定和不可预知的。,异步性是并发和共享的必然结果,操作系统允许多个并发进程共享资源、相互合作，使得每个进程的运行过程受到其他进程的制约，不再“一气呵成”，这必然导致异步性特征的产生。,操作系统的基本特征之间的关系,并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间是互为存在条件的。 虚拟技术是以并发和共

11、享为前提。 异步性是并发和共享的必然结果。,1.4 OS的主要功能,1.4.1处理机管理功能 多道环境下，处理机的运行及分配都是以进程为单位，因此处理机管理可归结为进程管理。 一、进程控制 创建/撤消进程 迁移进程状态 一般由进程控制原语完成,OS的主要功能(2),二、进程同步 为使多个进程有条不紊地运行，应建立同步机制。 包括进程互斥/同步，次序协调。 三、进程通信 源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程相互间有信息传递 类型： 直接通信：进程A发message，进程B收message 间接通信： 进程A发message到中间实体（如mailbox），进程B从中间实体收message

12、,OS的主要功能(3),四、调度（作业与进程） 作业调度： 为作业分配必要资源，调入内存建立进程，并使之进入就绪队列。 进程调度： 从就绪队列中选出进程，分配CPU，使之运行。 调度算法： FCFS、优先权等,OS的主要功能(4),1.4.2 存储管理 目的：方便用户使用，且提高存贮器利用率 一、内存分配 静态分配： 动态分配：作业在内存中可移动 为此，需内存分配的数据结构及内存分配和回收功能,OS的主要功能(5),二、内存保护 例：设置上、下界寄存器，每条指令进行越界检查（一般是硬件实现） 三、地址映射 地址范围地址 逻辑空间逻辑地址相对地址（） 物理空间物理地址（绝对地址）,OS的主要功能

13、(6),四、内存扩充 利用虚存技术，从逻辑上扩充内存容量 系统应有：请求调入/置换功能以支持虚存技术,OS的主要功能(7),1.4.3 设备管理功能 任务：提高I/O利用率和速度，方便用户 一、缓冲管理 缓冲区：用来解决CPUI/O矛盾，如：CPU快则应多创建缓冲区。 二、设备分配 包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收,OS的主要功能(8),1.4.3 设备管理功能 三、设备处理 指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。 设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。 四、设备独立性和虚拟设备 独立性，即program与设备无关性，使program

14、易于重定向，增加了可移植性。 虚拟设备,OS的主要功能(9),1.4.4文件管理的功能 任务：方便用户，提供安全性 一、文件存贮空间的管理 例：creatfile：文件系统根据文件长度自动分配连续或离散的扇区，并提供“一句柄”表示该文件。 二、目录管理 使用户按名存取，提高速度。 三、文件的读、写管理和存取控制（保护）,OS的主要功能(10),1.4.5 用户接口 一、命令接口 由一组“命令”集组成，分为联机和脱机用户接口 1.联机用户接口 由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成 2.脱机（批处理用户接口） 用JCL写作业说明书,OS的主要功能(11),二、程序接口 系统调用 高级语言的库函数

15、 三、图形接口 如 win的copy文件，采用“拖”来完成，生动，不需记忆,1.5 OS的结构设计,无结构 模块式 层次式 微内核,1.5.1 软件工程的基本概念,软件： 软件工程：运用系统、规范和可定量的方法开发、运行和维护软件。,1.5.2 传统的操作系统结构,1.无结构操作系统 一组过程集，各过程可相互调用，也叫整体系统结构。 缺点：逻辑复杂，维护困难.,传统的操作系统结构（2）,2、模块化操作系统 通过分解来控制大型软件复杂度。 如：进程模块、内存模块，各模块内进一步划分子模块。 优点： 提高了OS设计的可维护性 增强的OS的可适应性 加速了OS的开发过程：并行开发模块 缺点： 接口不易确定 模块依赖关系可能复杂（对于大型软件而言）,传统的操作系统结构（3）,3、分层式操作系统 有序分层的基本概念 可简化设计的复杂度 下层为上层提供服务 层次的设置应考虑的因素 程序嵌套：各模块间