計算機(jī)操作系統(tǒng) 第一章 計算機(jī)操作系統(tǒng)概論

1、計算機(jī)操作系統(tǒng)電子科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院 楊霞楊霞Email:總學(xué)時：總學(xué)時：64（上課（上課56學(xué)時、上機(jī)學(xué)時、上機(jī)8學(xué)時）學(xué)時）主要講授前主要講授前 七章七章教學(xué)理論和綜合應(yīng)用相結(jié)合教學(xué)理論和綜合應(yīng)用相結(jié)合 基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)課程 考研的課程考研的課程 應(yīng)用價值應(yīng)用價值成績構(gòu)成：成績構(gòu)成： 期末考試占期末考試占70% 考勤和作業(yè)占考勤和作業(yè)占10% 中期考試占中期考試占10% 實驗占實驗占10%參考書籍教材：計算機(jī)操作系統(tǒng)，湯子瀛教材：計算機(jī)操作系統(tǒng)，湯子瀛 etc,西安電子科技大學(xué)出版西安電子科技大學(xué)出版社（第社（第3版）版）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核與設(shè)計原理，魏迎梅譯，電子工業(yè)

2、出版社內(nèi)核與設(shè)計原理，魏迎梅譯，電子工業(yè)出版社Operating System Internals and Design principles, William Stallings , TsingHua University PressApplied Operating System Concepts , Abraham Silberschatz etc. , Higher Education Press第一章 操作系統(tǒng)引論1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1.3 操作系統(tǒng)的基本特征1.4 操作系統(tǒng)的主要功能1.5 OS結(jié)構(gòu)設(shè)計討論你覺得操作系統(tǒng)是什么？你知道哪些操作系統(tǒng)

3、的名字？如果讓你給操作系統(tǒng)做出定義，你怎么說？ 操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的概念A(yù)n Operating System is a program that managers the computer hardwareprovides a basis for application programsacts as an intermediary between the computer user and the computer hardwareOS is a resource allocatorManages all resourcesDecides between conflicting req

4、uests for efficient and fair resource useOS is a control program Controls execution of programs to prevent errors and improper use of the computer操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)定義：操作系統(tǒng)定義：操作系統(tǒng)是位于硬件層操作系統(tǒng)是位于硬件層(HAL)之上，所有其它系統(tǒng)軟件層之下的一之上，所有其它系統(tǒng)軟件層之下的一個個系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件。其主要作用是管理好這些設(shè)備，其主要作用是管理好這些設(shè)備，提高它們的利用率和系統(tǒng)的吞吐量，并為用提高它們的利用率和系

5、統(tǒng)的吞吐量，并為用戶和應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的接口，便于用戶和應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的接口，便于用戶使用。戶使用。OS是計算機(jī)系統(tǒng)的靈魂！是計算機(jī)系統(tǒng)的靈魂！操作系統(tǒng)的位置操作系統(tǒng)的位置硬件抽象層（硬件抽象層（HAL）之上）之上所有其它軟件層之下所有其它軟件層之下硬件（硬件（HAL）OS其它系統(tǒng)軟件層其它系統(tǒng)軟件層應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件層1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)操作系統(tǒng)的目標(biāo)有效性有效性: :操作系統(tǒng)允許以更有效的方式使用計操作系統(tǒng)允許以更有效的方式使用計算機(jī)系統(tǒng)資源。算機(jī)系統(tǒng)資源。（提高系統(tǒng)資源利用率、提高系統(tǒng)提高系統(tǒng)資源利用率、提高系統(tǒng)的吞吐量）的吞吐量）方便性方便性: :操作系統(tǒng)使計算機(jī)更易于使

6、用。操作系統(tǒng)使計算機(jī)更易于使用?？蓴U(kuò)充性可擴(kuò)充性: :在操作系統(tǒng)中在操作系統(tǒng)中, ,允許有效地開發(fā)，測允許有效地開發(fā)，測試和引進(jìn)新的系統(tǒng)功能。試和引進(jìn)新的系統(tǒng)功能。開放性開放性: :實現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性和互操作性實現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性和互操作性, ,要求具有統(tǒng)一的開放的環(huán)境。要求具有統(tǒng)一的開放的環(huán)境。1.1.2 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用1.OS 看做是用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接看做是用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口?？?。含義：含義：OS 處于用戶處于用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過間，用戶通過OS來使來使用計算機(jī)系統(tǒng)。用計算機(jī)系統(tǒng)。1.1.2 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的

7、作用2OS作為計算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者作為計算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者從資源管理的觀點看，則可把從資源管理的觀點看，則可把OS視為計算機(jī)視為計算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。系統(tǒng)資源的管理者。處理機(jī)管理處理機(jī)管理存儲器管理存儲器管理I/O設(shè)備管理設(shè)備管理文件管理文件管理1.1.2 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用3.OS實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象對于一個完全無軟件的計算機(jī)系統(tǒng)對于一個完全無軟件的計算機(jī)系統(tǒng)(即裸機(jī)即裸機(jī))，它，它向用戶提供的是實際硬件接口向用戶提供的是實際硬件接口(物理接口物理接口)，用戶，用戶必須對物理接口的實現(xiàn)細(xì)節(jié)有充分的了解，并必須對物理接口的實現(xiàn)細(xì)節(jié)有充分的了解，并利用

8、機(jī)器指令進(jìn)行編程，因此很難使用。利用機(jī)器指令進(jìn)行編程，因此很難使用。通過通過OS的的I管理實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象，管理實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象，幫助用戶對硬件資源的使用和管理。幫助用戶對硬件資源的使用和管理。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的產(chǎn)生操作系統(tǒng)的產(chǎn)生手工操作階段手工操作階段成批處理階段成批處理階段執(zhí)行系統(tǒng)階段執(zhí)行系統(tǒng)階段操作系統(tǒng)的完善操作系統(tǒng)的完善多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時處理系統(tǒng)實時處理系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)微型計算機(jī)的普及微型計算機(jī)的普及極強(qiáng)的計算和處理能力極強(qiáng)的計算和處

9、理能力微內(nèi)核操作系統(tǒng)微內(nèi)核操作系統(tǒng)多核操作系統(tǒng)多核操作系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程50年代中期出現(xiàn)了第一個批處理系統(tǒng)。年代中期出現(xiàn)了第一個批處理系統(tǒng)。60年代中期產(chǎn)生了分時系統(tǒng)。年代中期產(chǎn)生了分時系統(tǒng)。80年代之后出現(xiàn)了：微機(jī)系統(tǒng)、多處理機(jī)年代之后出現(xiàn)了：微機(jī)系統(tǒng)、多處理機(jī)系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)無操作系統(tǒng)單道批處理操作系統(tǒng)單道批處理操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)(time-sharing system) 實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)(real time system

10、)微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2.1 無操作系統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)無操作系統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)1人工操作方式（人工操作方式（20世紀(jì)世紀(jì)50年代）年代）人工控制人工控制2脫機(jī)輸入脫機(jī)輸入/輸出方式輸出方式，在一臺外圍機(jī)的控制下，把紙帶，在一臺外圍機(jī)的控制下，把紙帶(卡片卡片)上的數(shù)上的數(shù)據(jù)據(jù)(程序程序)輸入到磁帶上。當(dāng)輸入到磁帶上。當(dāng)CPU需要這些程序和需要這些程序和數(shù)據(jù)時，再從磁帶上將其高速地調(diào)入內(nèi)存。數(shù)據(jù)時，再從磁帶上將其高速地調(diào)入內(nèi)存。 1.2.2 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)系統(tǒng)對作業(yè)的處理系統(tǒng)對作業(yè)的處理都是成批進(jìn)行的，都是成批進(jìn)行的，且在且在內(nèi)存中始終僅內(nèi)存中始終僅存一道作業(yè)運(yùn)行存

11、一道作業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束或出錯，運(yùn)行結(jié)束或出錯，才自動調(diào)另一道作才自動調(diào)另一道作業(yè)運(yùn)行，故稱為業(yè)運(yùn)行，故稱為單單道批處理系統(tǒng)。道批處理系統(tǒng)。 1.2.2 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)主要特征單道批處理系統(tǒng)主要特征：自動性、順序性、：自動性、順序性、單道性。單道性。單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)主要優(yōu)點主要優(yōu)點：減少人工操作，：減少人工操作，解決了作業(yè)的自動接續(xù)。解決了作業(yè)的自動接續(xù)。單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)主要缺點主要缺點：平均周轉(zhuǎn)時間：平均周轉(zhuǎn)時間長，沒有交互能力。長，沒有交互能力。1.2.3多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)一、多道程序的概念：一、多道程序的概念： 在內(nèi)存中存放多在

12、內(nèi)存中存放多道作業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束或出錯，自道作業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束或出錯，自動調(diào)度內(nèi)存中的另一道作業(yè)運(yùn)行。動調(diào)度內(nèi)存中的另一道作業(yè)運(yùn)行。多道程序帶來的好處：多道程序帶來的好處：1、提高、提高CPU的利用率。的利用率。2、提高內(nèi)存和、提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。設(shè)備利用率。3、增加系統(tǒng)吞吐率。、增加系統(tǒng)吞吐率。1.2.3多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)n多道程序設(shè)計技術(shù)示例多道程序設(shè)計技術(shù)示例 設(shè)內(nèi)存中有三道程序設(shè)內(nèi)存中有三道程序A、B和和C，它們按，它們按A、B、C的的優(yōu)先次序執(zhí)行。它們的計算和優(yōu)先次序執(zhí)行。它們的計算和I/O操作時間如下表所示。操作時間如下表所示。 假設(shè)三道程序使用相同的設(shè)備進(jìn)行假設(shè)

13、三道程序使用相同的設(shè)備進(jìn)行I/O操作，即程序操作，即程序以串行方式使用設(shè)備，試畫出單道運(yùn)行和多道運(yùn)行的時間以串行方式使用設(shè)備，試畫出單道運(yùn)行和多道運(yùn)行的時間關(guān)系圖（調(diào)度程序的執(zhí)行時間忽略不計）。在兩種情況下，關(guān)系圖（調(diào)度程序的執(zhí)行時間忽略不計）。在兩種情況下，完成這三道程序各要花多少時間？完成這三道程序各要花多少時間？ABC計算計算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms計算計算10ms10ms20msn單道運(yùn)行的甘特圖單道運(yùn)行的甘特圖 ABC計算計算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms計算計算10ms10ms20ms時間( ms)I/O計算活動列表AAABBB

14、CCC03070 80140170200240 2601.2.3多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)n多道運(yùn)行的甘特圖多道運(yùn)行的甘特圖 ABC計算計算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms計算計算10ms10ms20ms時間( ms)I/O計算活動列表AAABBBCC03070 80100130170 190BC1.2.3多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)當(dāng)正在運(yùn)行的程序因當(dāng)正在運(yùn)行的程序因I/O而而暫停執(zhí)行時，系統(tǒng)可調(diào)度暫停執(zhí)行時，系統(tǒng)可調(diào)度另一道程序運(yùn)行另一道程序運(yùn)行二、二、多道批處理系統(tǒng)主要特征：多道批處理系統(tǒng)主要特征： 多道性、無序性、調(diào)度性（進(jìn)程調(diào)度多道性、無序性、調(diào)度性（進(jìn)程調(diào)度

15、和作業(yè)調(diào)度）。和作業(yè)調(diào)度）。三、多道批處理的三、多道批處理的主要優(yōu)點主要優(yōu)點：提高了資源：提高了資源利用率和吞吐能力。利用率和吞吐能力。 多道批處理的多道批處理的主要缺點主要缺點：平均周轉(zhuǎn)時：平均周轉(zhuǎn)時間長，沒有交互能力。間長，沒有交互能力。1.2.3多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)1 1、處理機(jī)管理：分配和控制、處理機(jī)管理：分配和控制CPUCPU。2 2、存儲器管理：為每道程序分配必要的內(nèi)、存儲器管理：為每道程序分配必要的內(nèi)存空間。存空間。3 3、I/OI/O設(shè)備管理：設(shè)備管理：I/OI/O設(shè)備的分配與操縱。設(shè)備的分配與操縱。4 4、文件管理：文件的存取、共享和保護(hù)。、文件管理：文件的存取、共享

16、和保護(hù)。5 5、作業(yè)管理：如何組織作業(yè)運(yùn)行。、作業(yè)管理：如何組織作業(yè)運(yùn)行。四、多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題四、多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題1.2.4 分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)（On-line）分時系統(tǒng)是指分時系統(tǒng)是指，在一臺主機(jī)上連接了多個帶有顯示，在一臺主機(jī)上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶通過自己的終器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。端，以交互方式使用計算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。分時系統(tǒng)能很好地將一臺計算機(jī)提供給多個用戶同分時系統(tǒng)能很好地將一臺計算機(jī)提供給多個用戶同時使用，提高計算機(jī)的利用率。還可以滿足用戶對時使用，提高

17、計算機(jī)的利用率。還可以滿足用戶對人人-機(jī)交互的需求。機(jī)交互的需求。它被它被經(jīng)常應(yīng)用于查詢系統(tǒng)中經(jīng)常應(yīng)用于查詢系統(tǒng)中，滿足許多查詢用戶的，滿足許多查詢用戶的需要。需要。第一臺真正的分時操作系統(tǒng)第一臺真正的分時操作系統(tǒng)CTSS是由是由MIT開發(fā)成功開發(fā)成功的。的。1.2.4 分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)（On-line）特點：特點：多路性多路性：一個主機(jī)與多個終端相連；：一個主機(jī)與多個終端相連；交互性交互性：以對話的方式為用戶服務(wù)；：以對話的方式為用戶服務(wù)；獨占性獨占性：每個終端用戶仿佛擁有一臺虛擬機(jī)。：每個終端用戶仿佛擁有一臺虛擬機(jī)。及時性：及時性：用戶的請求能在很短的時間內(nèi)獲得響應(yīng)。用戶的請求能在

18、很短的時間內(nèi)獲得響應(yīng)。典型系統(tǒng)：典型系統(tǒng)：Multics (MIT)UNIX1.2.4分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)（On-line）1.2.5 實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)實時控制實時控制工業(yè)控制，信息查詢，軍事控制，醫(yī)療控工業(yè)控制，信息查詢，軍事控制，醫(yī)療控制，制，.實時信息處理實時信息處理航班定票，聯(lián)機(jī)情報檢索，航班定票，聯(lián)機(jī)情報檢索，.所謂實時系統(tǒng)：所謂實時系統(tǒng)：是計算機(jī)是計算機(jī)及時及時響應(yīng)外部事件的響應(yīng)外部事件的請求，在請求，在規(guī)定的時間內(nèi)規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，完成對該事件的處理，并控制所有實時設(shè)備和實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致的并控制所有實時設(shè)備和實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致的運(yùn)行。運(yùn)行。 1、多路性多路

19、性：能對多個對象進(jìn)行控制。：能對多個對象進(jìn)行控制。 2、獨立性獨立性：獨立運(yùn)行，不混淆，不破壞。獨立運(yùn)行，不混淆，不破壞。 3、交互性交互性：僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專：僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。用服務(wù)程序。 4、可靠性可靠性：高可靠性，應(yīng)具有過載防護(hù)能力。：高可靠性，應(yīng)具有過載防護(hù)能力。 5、及時性及時性：不同的系統(tǒng)要求不一樣，控制對：不同的系統(tǒng)要求不一樣，控制對象必須在截止時間內(nèi)完成。象必須在截止時間內(nèi)完成。 實時系統(tǒng)的特征實時系統(tǒng)的特征1.2.6 微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展配置在微型機(jī)上的操作系統(tǒng)稱為微機(jī)操作系配置在微型機(jī)上的操作系統(tǒng)稱為微機(jī)操作系統(tǒng)。分為三類：

20、統(tǒng)。分為三類：1單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)MS-DOS2單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)只允許一個用戶上機(jī)，但允許用戶把程序分為若只允許一個用戶上機(jī)，但允許用戶把程序分為若干個任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行，如干個任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行，如Android，Rtems等嵌入式操作系統(tǒng)。等嵌入式操作系統(tǒng)。1.2.6 微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展3多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺機(jī)器，允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺機(jī)器，共享主機(jī)系統(tǒng)中的各種資源，而每個用戶程序共享主機(jī)系統(tǒng)中的各種資源，而每個用戶程序又可進(jìn)一步分為幾個任務(wù)，使它們能并

21、發(fā)執(zhí)行，又可進(jìn)一步分為幾個任務(wù)，使它們能并發(fā)執(zhí)行，從而可進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。從而可進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。最有代表性的是最有代表性的是UNIX OS, Windows1.3操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)的基本特性1.3.11.3.1并發(fā)性并發(fā)性- - 并行性：并行性：是指兩個或多個事件在是指兩個或多個事件在同一時刻同一時刻發(fā)生。發(fā)生。 - - 并發(fā)性：并發(fā)性：是指兩個或多個事件在是指兩個或多個事件在同一時間同一時間間隔內(nèi)間隔內(nèi)發(fā)生。發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏宏觀觀上有多個程序在同時運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，上

22、有多個程序在同時運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上微觀上這些程這些程序只能是分時地交替執(zhí)行。序只能是分時地交替執(zhí)行。 1.3.2 1.3.2 共享共享共享：共享：是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用。的進(jìn)程共同使用。1 1、互斥共享方式：、互斥共享方式： - - 把在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源，把在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源，稱為稱為臨界資源臨界資源。 - - 系統(tǒng)中的臨界資源可以提供給多個進(jìn)程使用，系統(tǒng)中的臨界資源可以提供給多個進(jìn)程使用，但但一段時間一段時間內(nèi)內(nèi)

23、僅允許一個進(jìn)程僅允許一個進(jìn)程使用，稱為使用，稱為互斥共互斥共享享方式。方式。 2 2、同時訪問方式：、同時訪問方式： -一段時間內(nèi)一段時間內(nèi)，多個進(jìn)程多個進(jìn)程可以同時使用這個可以同時使用這個資源。資源。- - 從微觀上看，多個進(jìn)程從微觀上看，多個進(jìn)程交替互斥交替互斥地使用地使用系統(tǒng)中的某個資源。例如磁盤。系統(tǒng)中的某個資源。例如磁盤。1.3.2 1.3.2 共享共享1.3.3 1.3.3 虛擬性虛擬性虛擬：虛擬：是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)椋ㄓ成錇椋┤舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物，用為（映射為）若干個邏輯上的對應(yīng)物，用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)稱為虛擬技術(shù)。于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)稱為

24、虛擬技術(shù)。虛擬處理機(jī)技術(shù)：分時實現(xiàn)虛擬處理機(jī)技術(shù)：分時實現(xiàn)虛擬設(shè)備技術(shù)：虛擬設(shè)備技術(shù)：SPOOLING技術(shù)技術(shù)（第五章）（第五章）虛擬磁盤技術(shù)虛擬磁盤技術(shù)虛擬存儲器技術(shù)：虛擬存儲器虛擬存儲器技術(shù)：虛擬存儲器（第四章）（第四章）1.3.4 異步性異步性1、執(zhí)行結(jié)果不確定，、執(zhí)行結(jié)果不確定，程序不可再現(xiàn)程序不可再現(xiàn)。2、異步性，、異步性，多道程序環(huán)境下程序（進(jìn)程）以多道程序環(huán)境下程序（進(jìn)程）以異步的方式執(zhí)行，每道程序在何時執(zhí)行、各異步的方式執(zhí)行，每道程序在何時執(zhí)行、各自執(zhí)行的順序、完成時間都是不確定的，也自執(zhí)行的順序、完成時間都是不確定的，也是不可預(yù)知的。是不可預(yù)知的。1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操

25、作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)應(yīng)具有五方面的功能：操作系統(tǒng)應(yīng)具有五方面的功能：1、處理機(jī)管理（處理機(jī)管理（CPU）2、存儲器管理、存儲器管理3、設(shè)備管理、設(shè)備管理4、文件管理、文件管理5、操作系統(tǒng)與用戶之間的接口、操作系統(tǒng)與用戶之間的接口 1.4.1 處理機(jī)管理功能處理機(jī)管理功能進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。調(diào)。 兩種協(xié)調(diào)方式：兩種協(xié)調(diào)方式：進(jìn)程互斥方式，進(jìn)程互斥方式，這是指諸進(jìn)程（線程）在對臨界這是指諸進(jìn)程（線程）在對臨界資源進(jìn)行訪問時，應(yīng)采用互斥方式；資源進(jìn)行訪問時，應(yīng)采用互斥方式；進(jìn)程同步方式，進(jìn)程同步方式，指進(jìn)程相互合作去完成共同的任

26、指進(jìn)程相互合作去完成共同的任務(wù)時，諸進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)。務(wù)時，諸進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)。1.4.1 處理機(jī)管理功能處理機(jī)管理功能3. 進(jìn)程通信進(jìn)程通信 進(jìn)程通信進(jìn)程通信是進(jìn)程之間的信息交換。是進(jìn)程之間的信息交換。通信方式：消息隊列、管道、套接字等。通信方式：消息隊列、管道、套接字等。1.4.1 處理機(jī)管理功能處理機(jī)管理功能4 . 調(diào)度調(diào)度作業(yè)調(diào)度，從后備隊列中按照一定的算法選擇出若作業(yè)調(diào)度，從后備隊列中按照一定的算法選擇出若干個作業(yè)，為他們分配資源，調(diào)入內(nèi)存，建立進(jìn)程，干個作業(yè)，為他們分配資源，調(diào)入內(nèi)存，建立進(jìn)程，插入就緒隊列中。插入就緒隊列中。進(jìn)程調(diào)度，是從進(jìn)程的就緒隊列中按照一定的算法進(jìn)程調(diào)度，是從進(jìn)

27、程的就緒隊列中按照一定的算法選擇一個新進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，使進(jìn)程投入選擇一個新進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，使進(jìn)程投入執(zhí)行。執(zhí)行。1.4.2 存儲器管理功能主要任務(wù)：主要任務(wù)： 為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用率以及能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。率以及能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。內(nèi)存分配內(nèi)存分配內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)地址映射地址映射內(nèi)存擴(kuò)充內(nèi)存擴(kuò)充1.4.2 存儲器管理功能1 內(nèi)存分配內(nèi)存分配內(nèi)存分配有兩種方式：內(nèi)存分配有兩種方式：靜態(tài)分配方式靜態(tài)分配方式，每個作業(yè)運(yùn)行之前分配好內(nèi)存空，每個作業(yè)運(yùn)行之前分配好內(nèi)存空間

28、，在作業(yè)的整個運(yùn)行期間不再改變。間，在作業(yè)的整個運(yùn)行期間不再改變。動態(tài)分配方式動態(tài)分配方式，每個作業(yè)在運(yùn)行前或運(yùn)行中，均，每個作業(yè)在運(yùn)行前或運(yùn)行中，均可申請新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動可申請新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動態(tài)增漲。態(tài)增漲。 1.4.2 存儲器管理功能2、存儲器管理功能2. 內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)：內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)： 1。是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存。是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行，彼此互不干擾?？臻g內(nèi)運(yùn)行，彼此互不干擾。 2。絕不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序。絕不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)，也不允許用戶程序轉(zhuǎn)移到非共

29、享的和數(shù)據(jù)，也不允許用戶程序轉(zhuǎn)移到非共享的其它用戶程序中去執(zhí)行。其它用戶程序中去執(zhí)行。常用的方法，采用常用的方法，采用MMU 。3.地址映射地址映射地址空間地址空間，目標(biāo)程序或裝入程序限定的空間，稱為，目標(biāo)程序或裝入程序限定的空間，稱為“地址空間地址空間”。單元的編號稱為邏輯地址，又稱為相。單元的編號稱為邏輯地址，又稱為相對地址。對地址。內(nèi)存空間內(nèi)存空間由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為圍稱為“內(nèi)存空間內(nèi)存空間”，其中的地址稱為，其中的地址稱為“物理地址物理地址”。地址映射地址映射運(yùn)行時，將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換運(yùn)行時，將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存

30、空間中與之對應(yīng)的物理地址，稱為地址映射為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址，稱為地址映射。2、存儲器管理功能4內(nèi)存擴(kuò)充內(nèi)存擴(kuò)充借助于虛擬存儲技術(shù)借助于虛擬存儲技術(shù)從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實際內(nèi)存容量大得多；存容量比實際內(nèi)存容量大得多；請求調(diào)入功能；請求調(diào)入功能；置換功能；置換功能；2、存儲器管理功能3、設(shè)備管理功能設(shè)備管理的主要任務(wù)設(shè)備管理的主要任務(wù)： 完成用戶進(jìn)程提出的完成用戶進(jìn)程提出的I/O請求；請求； 為用戶進(jìn)程分配其所需的為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備；設(shè)備； 提高提高CPU和和I/O設(shè)備的利用率；設(shè)備的利用率； 提高提高

31、I/O速度；速度； 方便用戶使用方便用戶使用I/O設(shè)備。設(shè)備。3、設(shè)備管理功能設(shè)備管理具有的功能：設(shè)備管理具有的功能：緩沖管理：緩沖管理：有效地緩和有效地緩和CPU和和I/O設(shè)備速度不匹配設(shè)備速度不匹配的矛盾的矛盾 ，提高，提高CPU的利用率。的利用率。設(shè)備分配：設(shè)備分配：根據(jù)根據(jù)I/O請求，分配其所需的設(shè)備。請求，分配其所需的設(shè)備。設(shè)備處理：設(shè)備處理：設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序。 4、文件管理功能文件管理的主要任務(wù)文件管理的主要任務(wù)：是對用戶文件和系統(tǒng)：是對用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用，并保證文文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性

32、。件的安全性。4、文件管理功能文件管理的主要功能文件管理的主要功能： 文件存儲空間的管理文件存儲空間的管理:對諸多文件及文件的存對諸多文件及文件的存儲空間，實施統(tǒng)一的管理。儲空間，實施統(tǒng)一的管理。目錄管理目錄管理文件的讀寫管理和保護(hù)文件的讀寫管理和保護(hù)5.方便用戶使用的用戶接口 計算機(jī)用戶需要的計算機(jī)用戶需要的用戶命令用戶命令 由由OSOS實現(xiàn)的所有用戶命令所構(gòu)成的集合常被人們稱實現(xiàn)的所有用戶命令所構(gòu)成的集合常被人們稱為為OSOS的的InterfaceInterface( (用戶接口用戶接口) )；有時也稱為；有時也稱為命令接命令接口?？凇?yīng)用軟件需要的應(yīng)用軟件需要的System CallSy

33、stem Call( (系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用) ) 由由OSOS實現(xiàn)的所有系統(tǒng)調(diào)用所構(gòu)成的集合被人們稱為實現(xiàn)的所有系統(tǒng)調(diào)用所構(gòu)成的集合被人們稱為或或( ( pplication pplication rogramming rogramming nterface,nterface,) )。 用戶接口用戶接口 1命令接口命令接口用戶可通過該接口向作業(yè)發(fā)用戶可通過該接口向作業(yè)發(fā)出命令以控制作業(yè)的運(yùn)行。出命令以控制作業(yè)的運(yùn)行。 2程序接口程序接口 由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每一個系統(tǒng)調(diào)用都是一個能完成特定功能的子一個系統(tǒng)調(diào)用都是一個能完成特定功能的子程序，每當(dāng)應(yīng)用程序要求程序，每當(dāng)應(yīng)用程序

34、要求OS提供某種服務(wù)提供某種服務(wù)（功能）時，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)（功能）時，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。用。 3圖形接口（圖形接口（GUI）圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面，用圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面，用非常容易識別的各種圖標(biāo)（非常容易識別的各種圖標(biāo)（icon）來將系統(tǒng)）來將系統(tǒng)的各項功能、各種應(yīng)用程序和文件，直觀、的各項功能、各種應(yīng)用程序和文件，直觀、逼真地表示出來。用戶可用鼠標(biāo)或通過菜單逼真地表示出來。用戶可用鼠標(biāo)或通過菜單和對話框，來完成對應(yīng)用程序和文件的操作。和對話框，來完成對應(yīng)用程序和文件的操作。 用戶接口用戶接口 1.5 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 操

35、作系統(tǒng)是一個大型系統(tǒng)軟件，其結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是一個大型系統(tǒng)軟件，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)歷了四代的變革：已經(jīng)歷了四代的變革： 第一代的第一代的OS是無結(jié)構(gòu)的；是無結(jié)構(gòu)的； 第二代第二代OS采用了模塊式結(jié)構(gòu)；采用了模塊式結(jié)構(gòu)； 第三代是層次式結(jié)構(gòu)第三代是層次式結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代現(xiàn)代OS結(jié)構(gòu)是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)； 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)中增加了越來越多的功能，并且隨操作系統(tǒng)中增加了越來越多的功能，并且隨著底層硬件更高的性能，更加通用，操作系著底層硬件更高的性能，更加通用，操作系統(tǒng)的大小和復(fù)雜性也隨著增加。統(tǒng)的大小和復(fù)雜性也隨著增加。為了控制該軟件的復(fù)雜性，在開發(fā)為了控制該軟件的復(fù)雜性，在開

36、發(fā)OSOS時，先時，先后引入了分解、模塊化、抽象和隱蔽等方法。后引入了分解、模塊化、抽象和隱蔽等方法。開發(fā)方法的不斷發(fā)展，促進(jìn)了開發(fā)方法的不斷發(fā)展，促進(jìn)了OSOS結(jié)構(gòu)的更新結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。換代。 1無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時，設(shè)計者只是把他的注意在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時，設(shè)計者只是把他的注意力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計思想。一致的設(shè)計思想。OS是為數(shù)眾多的一組過程的集合，各過程之間是為數(shù)眾多的一組過程的集合，各過程之間可以相互調(diào)用，在操作系統(tǒng)內(nèi)部不存在任何結(jié)構(gòu)，可以相互調(diào)用，在操作系統(tǒng)內(nèi)部不存在任何結(jié)構(gòu)，因此，

37、有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。缺陷：缺陷：設(shè)計出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)設(shè)計出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。構(gòu)。編制出的程序錯誤很多，給調(diào)試工作帶來很多困難；編制出的程序錯誤很多，給調(diào)試工作帶來很多困難；增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。2. 2. 模塊化模塊化OSOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (1)(1)模塊化結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu) 使用分塊結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)包含若干使用分塊結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)包含若干（模塊）；其中，每一（模塊）；其中，每一塊實現(xiàn)一組基本概念以及與其相關(guān)的基本屬性。塊實現(xiàn)一組基本概念以及與其相關(guān)的基本屬性。塊與塊之間的塊與塊之間的：2. 模塊化模塊化OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 進(jìn)程控制進(jìn)程調(diào)度內(nèi)存分配內(nèi)存保護(hù)磁盤管理目錄管理進(jìn)程管理存儲器管理文件管理操作系統(tǒng)模塊子模塊(2)(2)模塊化模塊化OSOS的優(yōu)缺點的優(yōu)缺