計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第三版_重難點(diǎn)1ppt課件

1、第一章 操作系統(tǒng)引論 第一章第一章 操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)引論1.1 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.2 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1.3 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)的基本特性 1.4 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能 1.5 1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)操作系統(tǒng)的目標(biāo) 目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標(biāo)各有所側(cè)重。通常在計(jì)算機(jī)硬件上配置的OS，其目標(biāo)有以下幾點(diǎn)： 1. 方便性(方便用戶使用) 2. 有效性

2、（有效的管理計(jì)算機(jī)資源） 3. 可擴(kuò)充性 （滿足用戶新的需求） 4. 開放性 （遵循國際標(biāo)準(zhǔn)）第一章 操作系統(tǒng)引論 1.1.2 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用 1.OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口 OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間接口的含義是：作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間接口的含義是：OS處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使來使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。或者說，用戶在用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。或者說，用戶在OS幫助下，能夠方便、幫助下，能夠方便、快捷、平安、可靠地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序?？旖荨⑵桨?、可靠地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行

3、自己的程序。應(yīng)注意，應(yīng)注意，OS是一個(gè)系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接是一個(gè)系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。口。 第一章 操作系統(tǒng)引論 圖 1-1 OS作為接口的示意圖 用 戶應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用 命令 圖標(biāo)、窗口操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件第一章 操作系統(tǒng)引論 (1) 命令方式。這是指由OS提供了一組聯(lián)機(jī)命令(語言)， 用戶可通過鍵盤輸入有關(guān)命令，來直接操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 (2) 系統(tǒng)調(diào)用方式。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在自己的應(yīng)用程序中通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，來操縱計(jì)算機(jī)。 (3) 圖形、窗口方式。用戶通過屏幕上的窗口和圖標(biāo)來操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行自己的程序。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

4、資源的管理者 在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常都含有各種各樣的硬件和軟件資源。歸納起來可將資源分為四類：處理器、存儲(chǔ)器、 I/O設(shè)備以及信息(數(shù)據(jù)和程序)。相應(yīng)地，OS的主要功能也正是針對這四類資源進(jìn)行有效的管理，即：處理機(jī)管理， 用于分配和控制處理機(jī)；存儲(chǔ)器管理，主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收；I/O設(shè)備管理，負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱；文件管理，負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護(hù)?？梢?，OS確是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。事實(shí)上，當(dāng)今世界上廣為流行的一個(gè)關(guān)于OS作用的觀點(diǎn)，正是把OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. OS用作擴(kuò)充機(jī)器 對于一臺(tái)完全無軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(即裸機(jī))，即使其功能再強(qiáng)，

5、也必定是難于使用的。如果我們在裸機(jī)上覆蓋上一層I/O設(shè)備管理軟件，用戶便可利用它所提供的I/O命令，來進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和打印輸出。此時(shí)用戶所看到的機(jī)器， 將是一臺(tái)比裸機(jī)功能更強(qiáng)、使用更方便的機(jī)器。通常把覆蓋了軟件的機(jī)器稱為擴(kuò)充機(jī)器或虛機(jī)器。如果我們又在第一層軟件上再覆蓋上一層文件管理軟件，則用戶可利用該軟件提供的文件存取命令，來進(jìn)行文件的存取。此時(shí)，用戶所看到的是臺(tái)功能更強(qiáng)的虛機(jī)器。如果我們又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，則用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計(jì)算機(jī)，形成一臺(tái)功能更強(qiáng)的虛機(jī)器。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.1.3 推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿ν苿?dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?不斷提

6、高計(jì)算機(jī)資源利用率不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率 2. 方便用戶方便用戶 3. 器件的不斷更新?lián)Q代器件的不斷更新?lián)Q代 4. 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1.2.1 無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1. 人工操作方式人工操作方式 從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生(1945年年)到到50年代中期的計(jì)算機(jī)，屬年代中期的計(jì)算機(jī)，屬于第一代，這時(shí)還未出現(xiàn)于第一代，這時(shí)還未出現(xiàn)OS。這時(shí)的計(jì)算機(jī)操作是由用戶。這時(shí)的計(jì)算機(jī)操作是由用戶(即即程序員程序員)采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，即由程采用人工

7、操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，即由程序員將事先已穿孔序員將事先已穿孔(對應(yīng)于程序和數(shù)據(jù)對應(yīng)于程序和數(shù)據(jù))的紙帶的紙帶(或卡片或卡片)裝入紙裝入紙帶輸入機(jī)帶輸入機(jī)(或卡片輸入機(jī)或卡片輸入機(jī))，再啟動(dòng)它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算，再啟動(dòng)它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，機(jī)， 然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果后，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果后， 才讓下一個(gè)用戶上機(jī)。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn)：才讓下一個(gè)用戶上機(jī)。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn)： (1) 用戶獨(dú)占全機(jī)。用戶獨(dú)占全機(jī)。 (2) CPU等待人工操作。等待人工操作。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 脫機(jī)輸

8、入脫機(jī)輸入/輸出輸出(Off-Line I/O)方式方式 這種脫機(jī)I/O方式的主要優(yōu)點(diǎn)如下：減少了CPU的空閑時(shí)間。 (2) 提高I/O速度。 輸入設(shè)備外圍機(jī)磁盤主機(jī)外圍機(jī)輸出設(shè)備圖 1-2 脫機(jī)I/O示意圖第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.2 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng) 1. 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)(Simple Batch Processing System)的處理過程的處理過程 圖 1-3 單道批處理系統(tǒng)的處理流程 把下一個(gè)作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序源程序有錯(cuò)嗎？否裝 配目標(biāo)程序還有下一個(gè)作業(yè)？是否停止運(yùn) 行目標(biāo)程序是開始第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 單道批處理系統(tǒng)的特征 單道批處理系

9、統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴(yán)格地說，它只能算作是OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的OS。盡管如此，該系統(tǒng)比起人工操作方式的系統(tǒng)已有很大進(jìn)步。 該系統(tǒng)的主要特征如下： (1) 自動(dòng)性。 (2) 順序性。 (3) 單道性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.3 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng) 1. 多道程序設(shè)計(jì)的基本概念 在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，它無法充分利用系統(tǒng)中的所有資源，致使系統(tǒng)性能較差。為了進(jìn)一步提高資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，由此而形成了多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed Batch Processing System)。在該系統(tǒng)

10、中， 用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個(gè)隊(duì)列，稱為“后備隊(duì)列”；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。第一章 操作系統(tǒng)引論 在OS中引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可帶來以下好處：提高CPU的利用率。 當(dāng)內(nèi)存中僅有一道程序時(shí)，每逢該程序在運(yùn)行中發(fā)出I/O請求后，CPU空閑，必須在其I/O完成后才繼續(xù)運(yùn)行；尤其因I/O設(shè)備的低速性，更使CPU的利用率顯著降低。圖 1-4(a)示出了單道程序的運(yùn)行情況，從圖可以看出：在t2t3、 t6t7時(shí)間間隔內(nèi)CPU空閑。在引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后， 由于同時(shí)在內(nèi)存中裝有若干道程序，并使它們交替地運(yùn)行

11、， 這樣，當(dāng)正在運(yùn)行的程序因I/O而暫停執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)可調(diào)度另一道程序運(yùn)行，從而保持了CPU處于忙碌狀態(tài)。第一章 操作系統(tǒng)引論 圖 1-4 單道和多道程序運(yùn)行情況 t1t2t3t4t5t6t7t8結(jié)束中斷I/O 完成啟動(dòng) I/OI/O 中斷請求I/O 完成啟動(dòng) I/OI/O 中斷請求用戶程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道程序運(yùn)行情況程序A程序A I/O 請求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 請求程序C程序C I/O 請求程序D程序D I/O 請求C I/O 完成C 再被調(diào)度程序B I/O 完成程序A再被調(diào)度程序A程序B程序C程序D調(diào)度程序(b) 四道程序運(yùn)行情況A完成結(jié)束中斷第一章 操

12、作系統(tǒng)引論 (2) 可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。為了能運(yùn)行較大的作業(yè)，通常內(nèi)存都具有較大容量，但由于80%以上的作業(yè)都屬于中小型，因此在單道程序環(huán)境下，也必定造成內(nèi)存的浪費(fèi)。類似地，對于系統(tǒng)中所配置的多種類型的I/O設(shè)備， 在單道程序環(huán)境下也不能充分利用。如果允許在內(nèi)存中裝入多道程序， 并允許它們并發(fā)執(zhí)行，則無疑會(huì)大大提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率。 (3) 增加系統(tǒng)吞吐量。在保持CPU、I/O設(shè)備不斷忙碌的同時(shí)，也必然會(huì)大幅度地提高系統(tǒng)的吞吐量，從而降低作業(yè)加工所需的費(fèi)用。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 多道批處理系統(tǒng)的特征多道批處理系統(tǒng)的特征 多道性。多道性。 (2) 無序性。無序性。 (3

13、) 調(diào)度性。調(diào)度性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 資源利用率高。 (2) 系統(tǒng)吞吐量大。 (3) 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長。 (4) 無交互能力。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題 處理機(jī)管理問題。 (2) 內(nèi)存管理問題。 (3) I/O設(shè)備管理問題。 (4) 文件管理問題。 (5) 作業(yè)管理問題。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.4 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng) 1. 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)(Time-Sharing System)的產(chǎn)生的產(chǎn)生 如果說，如果說， 推動(dòng)多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，推?dòng)多道批處理系統(tǒng)形成

14、和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動(dòng)分時(shí)系統(tǒng)形成是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動(dòng)分時(shí)系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，則是用戶的需求?；蛘哒f，和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，則是用戶的需求?；蛘哒f， 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處。它與多道批處理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 人人機(jī)交互。機(jī)交互。 (2) 共享主機(jī)。共享主機(jī)。 (3) 便于用戶上機(jī)。便于用戶上機(jī)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 分時(shí)系統(tǒng)

15、實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題 為實(shí)現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)，其中，最關(guān)鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時(shí)， 系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)接收并及時(shí)處理該命令，再將結(jié)果返回給用戶。 以后， 用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令，此即人機(jī)交互。應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，即使有多個(gè)用戶同時(shí)通過自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應(yīng)能全部地及時(shí)接收并處理(1) 及時(shí)接收。 (2) 及時(shí)處理。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 分時(shí)系統(tǒng)的特征分時(shí)系統(tǒng)的特征 多路性。(2) 獨(dú)立性。 (3) 及時(shí)性。 (4) 交互性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng) 所謂“實(shí)時(shí)”，是表示“及時(shí)”，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-

16、Time System)是指系統(tǒng)能及時(shí)(或即時(shí))響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。 1. 應(yīng)用需求應(yīng)用需求 實(shí)時(shí)控制。 (2) 實(shí)時(shí)信息處理。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 實(shí)時(shí)任務(wù)實(shí)時(shí)任務(wù) 1) 按任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否呈現(xiàn)周期性來劃分周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。 (2) 非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。 外部設(shè)備所發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)并無明顯的周期性，但都必須聯(lián)系著一個(gè)截止時(shí)間(Deadline)。它又可分為： 開始截止時(shí)間任務(wù)在某時(shí)間以前必須開始執(zhí)行； 完成截止時(shí)間任務(wù)在某時(shí)間以前必須完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2) 根據(jù)對截止時(shí)間的要求來劃分 (1) 硬實(shí)時(shí)任務(wù)(hard

17、 real-time task)。系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對截止時(shí)間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測的結(jié)果。 (2) 軟實(shí)時(shí)任務(wù)(Soft real-time task)。它也聯(lián)系著一個(gè)截止時(shí)間， 但并不嚴(yán)格，若偶爾錯(cuò)過了任務(wù)的截止時(shí)間， 對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不會(huì)太大。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較 多路性。（多路信息采集，多個(gè)對象或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行多路性。（多路信息采集，多個(gè)對象或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制；多路終端用戶）控制；多路終端用戶）(2) 獨(dú)立性。（對信息的采集和對對象的控制；各用戶）獨(dú)立性。（對信息的采集和對對象的控制；各用戶） (3) 及時(shí)性

18、。及時(shí)性。 （所控制對象的要求；人所能接受的）（所控制對象的要求；人所能接受的）(4) 交互性。交互性。 （弱；強(qiáng)）（弱；強(qiáng)）(5) 可靠性?？煽啃浴?（高；弱）（高；弱）第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)的基本特性 1.3.1 并發(fā)并發(fā)(Concurrence) 并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念，并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)，宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行。倘若在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)

19、處理機(jī)，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個(gè)處理機(jī)上，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行，即利用每個(gè)處理機(jī)來處理一個(gè)可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多個(gè)程序便可同時(shí)執(zhí)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3.2 共享共享(Sharing) 在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指系統(tǒng)中在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程(線程線程)共共同使用。由于資源屬性的不同，進(jìn)程對資源共同使用。由于資源屬性的不同，進(jìn)程對資源共享的方式也不同，目前主要有以下兩種資源共享的方式也不同，目前主要有以下兩種資源共享方式。享方式。第一章 操作系統(tǒng)引論 1. 互斥共享方式互斥共享方式 系統(tǒng)中

20、的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然它們可以提系統(tǒng)中的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然它們可以提供給多個(gè)進(jìn)程供給多個(gè)進(jìn)程(線程線程)使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程(線程線程)訪問該資訪問該資源。為此，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程源。為此，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程A要訪問某資源時(shí)，必須先提出請求，要訪問某資源時(shí)，必須先提出請求， 如果此時(shí)該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給請求進(jìn)程如果此時(shí)該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給請求進(jìn)程A使用，使用， 此后若再有其它進(jìn)程也要訪問該資源時(shí)此后若再有其它進(jìn)程也要訪問該資源時(shí)(只要

21、只要A未用完未用完)則必須則必須等待。等待。 僅當(dāng)僅當(dāng)A進(jìn)程訪問完并釋放該資源后，進(jìn)程訪問完并釋放該資源后， 才允許另一進(jìn)程才允許另一進(jìn)程對該資源進(jìn)行訪問。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共對該資源進(jìn)行訪問。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享，而把在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源稱為臨界享，而把在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源稱為臨界資源或獨(dú)占資源。資源或獨(dú)占資源。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備，以及某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備，以及某些軟件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，它們要些軟件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，它們要求被互斥地共享。求被互斥地共享。 第一章 操

22、作系統(tǒng)引論 2. 同時(shí)訪問方式同時(shí)訪問方式 系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)對它們進(jìn)行訪問。這里所謂的同時(shí)對它們進(jìn)行訪問。這里所謂的“同時(shí)往往是宏觀同時(shí)往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對該資源進(jìn)行訪上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對該資源進(jìn)行訪問。典型的可供多個(gè)進(jìn)程問。典型的可供多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)訪問的資源是磁盤設(shè)備，同時(shí)訪問的資源是磁盤設(shè)備，一些用重入碼編寫的文件，也可以被一些用重入碼編寫的文件，也可以被“同時(shí)共享，即若干同時(shí)共享，即若干個(gè)用戶同時(shí)訪問該文件。個(gè)用戶同時(shí)訪問該文件。 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的

23、兩個(gè)最基本的特征，它們又是并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征，它們又是互為存在的條件。一方面，資源共享是以程序互為存在的條件。一方面，資源共享是以程序(進(jìn)程進(jìn)程)的并發(fā)的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題；另一方面，若系統(tǒng)不能對資源共享實(shí)施有效管源共享問題；另一方面，若系統(tǒng)不能對資源共享實(shí)施有效管理，理， 協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對共享資源的訪問，也必然影響到程序協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3.3

24、虛擬虛擬(Virtual) 操作系統(tǒng)中的所謂操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬虛擬”，是指通過某種，是指通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。物理實(shí)體物理實(shí)體(前者前者)是實(shí)的，是實(shí)的， 即實(shí)際存在的；而后者即實(shí)際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。相應(yīng)地，用于實(shí)是虛的，是用戶感覺上的東西。相應(yīng)地，用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬多種虛擬技術(shù)，分別用來實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬內(nèi)存、內(nèi)存、 虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。第一章 操作

25、系統(tǒng)引論 在虛擬處理機(jī)技術(shù)中，是通過多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來分時(shí)使用一臺(tái)處理機(jī)的。此時(shí)， 雖然只有一臺(tái)處理機(jī)，但它能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，使每個(gè)終端用戶都認(rèn)為是有一個(gè)CPU在專門為他服務(wù)。亦即， 利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，把一臺(tái)物理上的CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU，也稱為虛擬處理機(jī)，我們把用戶所感覺到的CPU稱為虛擬處理器。 第一章 操作系統(tǒng)引論 類似地，可以通過虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，將一臺(tái)機(jī)器的物理存儲(chǔ)器變?yōu)樘摂M存儲(chǔ)器，以便從邏輯上來擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。此時(shí)，雖然物理內(nèi)存的容量可能不大(如32 MB)， 但它可以運(yùn)行比它大得多的用戶程序(如128 MB)。這使用戶所感覺到的內(nèi)存容量

26、比實(shí)際內(nèi)存容量大得多，認(rèn)為該機(jī)器的內(nèi)存至少也有128 MB。當(dāng)然這時(shí)用戶所感覺到的內(nèi)存容量是虛的。我們把用戶所感覺到的存儲(chǔ)器稱為虛擬存儲(chǔ)器。 第一章 操作系統(tǒng)引論 我們還可以通過虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺(tái)物理I/O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，這樣便可使原來僅允許在一段時(shí)間內(nèi)由一個(gè)用戶訪問的設(shè)備(即臨界資源)，變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問的共享設(shè)備。例如，原來的打印機(jī)屬于臨界資源，而通過虛擬設(shè)備技術(shù)，可以把它變?yōu)槎嗯_(tái)邏輯上的打印機(jī)，供多個(gè)用戶“同時(shí)打印。此外，也可以把一條物理信道虛擬為多條邏輯信道(虛信道)。在操作系統(tǒng)中，虛擬的實(shí)現(xiàn)主要是通過分時(shí)

27、使用的方法。顯然，如果n是某物理設(shè)備所對應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則虛擬設(shè)備的平均速度必然是物理設(shè)備速度的1/n。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3.4 異步性異步性(Asynchronism) 在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行， 但只有進(jìn)程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機(jī)環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一個(gè)處理機(jī)，因而每次只允許一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，其余進(jìn)程只能等待。當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程提出某種資源要求時(shí)，如打印請求，而此時(shí)打印機(jī)正在為其它某進(jìn)程打印，由于打印機(jī)屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進(jìn)程必須等待，且放棄處理機(jī)，直到打印機(jī)空閑，并再次把處理機(jī)分配給該進(jìn)程時(shí)，該進(jìn)程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢?，由于資源等因素的限制，

28、使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走的方式運(yùn)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 內(nèi)存中的每個(gè)進(jìn)程在何時(shí)能獲得處理機(jī)運(yùn)行，何時(shí)又因提出某種資源請求而暫停，以及進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需多少時(shí)間才能完成，等等，都是不可預(yù)知的。由于各用戶程序性能的不同，比如，有的側(cè)重于計(jì)算而較少需要I/O；而又有的程序其計(jì)算少而I/O多，這樣，很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成； 而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成?；蛘哒f，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。盡管如此，但只要運(yùn)行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)多次運(yùn)行，都會(huì)獲得完全相同的結(jié)果。因而，異步運(yùn)行方式是允許的，是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。 第一章

29、 操作系統(tǒng)引論 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能 1.4.1 處理機(jī)管理功能處理機(jī)管理功能 1. 進(jìn)程控制進(jìn)程控制 在傳統(tǒng)的多道程序環(huán)境下，要使作業(yè)運(yùn)行，必須先為它在傳統(tǒng)的多道程序環(huán)境下，要使作業(yè)運(yùn)行，必須先為它創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程，并為之分配必要的資源。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程，并為之分配必要的資源。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束時(shí)，立即撤消該進(jìn)程，以便能及時(shí)回收該進(jìn)程所占行結(jié)束時(shí)，立即撤消該進(jìn)程，以便能及時(shí)回收該進(jìn)程所占用的各類資源。進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程、用的各類資源。進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程、撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制

30、進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。換。 在現(xiàn)代在現(xiàn)代OS中，進(jìn)程控制還應(yīng)具有為一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建若干中，進(jìn)程控制還應(yīng)具有為一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建若干個(gè)線程的功能和撤消個(gè)線程的功能和撤消(終止終止)已完成任務(wù)的線程的功能。已完成任務(wù)的線程的功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 進(jìn)程同步 為使多個(gè)進(jìn)程能有條不紊地運(yùn)行，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個(gè)進(jìn)程(含線程)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。有兩種協(xié)調(diào)方式： 進(jìn)程互斥方式， 這是指諸進(jìn)程(線程)在對臨界資源進(jìn)行訪問時(shí)， 應(yīng)采用互斥方式； 進(jìn)程同步方式，指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程(線程)間，由同步機(jī)構(gòu)對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)。 為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步，系統(tǒng)中必須

31、設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。最簡單的用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的機(jī)制，是為每一個(gè)臨界資源配置一把鎖W，當(dāng)鎖打開時(shí)，進(jìn)程(線程)可以對該臨界資源進(jìn)行訪問；而當(dāng)鎖關(guān)上時(shí)，則禁止進(jìn)程(線程)訪問該臨界資源。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 進(jìn)程通信進(jìn)程通信 在多道程序環(huán)境下，為了加速應(yīng)用程序的運(yùn)行，應(yīng)在系統(tǒng)在多道程序環(huán)境下，為了加速應(yīng)用程序的運(yùn)行，應(yīng)在系統(tǒng)中建立多個(gè)進(jìn)程，并且再為一個(gè)進(jìn)程建立若干個(gè)線程，由這些中建立多個(gè)進(jìn)程，并且再為一個(gè)進(jìn)程建立若干個(gè)線程，由這些進(jìn)程進(jìn)程(線程線程)相互合作去完成一個(gè)共同的任務(wù)。而在這些進(jìn)程相互合作去完成一個(gè)共同的任務(wù)。而在這些進(jìn)程(線線程程)之間，又往往需要交換信息。例如，有三個(gè)相互合作的

32、進(jìn)之間，又往往需要交換信息。例如，有三個(gè)相互合作的進(jìn)程，程， 它們是輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程和打印進(jìn)程。輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)它們是輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程和打印進(jìn)程。輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)將所輸入的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算進(jìn)程；計(jì)算進(jìn)程利用輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行將所輸入的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算進(jìn)程；計(jì)算進(jìn)程利用輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算， 并把計(jì)算結(jié)果傳送給打印進(jìn)程；最后，由打印進(jìn)程把并把計(jì)算結(jié)果傳送給打印進(jìn)程；最后，由打印進(jìn)程把計(jì)算結(jié)果打印出來。進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來實(shí)現(xiàn)在相互合作計(jì)算結(jié)果打印出來。進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來實(shí)現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息交換。的進(jìn)程之間的信息交換。 當(dāng)相互合作的進(jìn)程當(dāng)相互合作的進(jìn)程(線程線程)處于同一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通常在處

33、于同一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通常在它們之前是采用直接通信方式，即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接它們之前是采用直接通信方式，即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接將消息將消息(message)掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊(duì)列上，以后由目標(biāo)進(jìn)掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊(duì)列上，以后由目標(biāo)進(jìn)程利用接收命令從其消息隊(duì)列中取出消息。程利用接收命令從其消息隊(duì)列中取出消息。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 調(diào)度調(diào)度 在后備隊(duì)列上等待的每個(gè)作業(yè)，通常都要經(jīng)過調(diào)度才能在后備隊(duì)列上等待的每個(gè)作業(yè)，通常都要經(jīng)過調(diào)度才能執(zhí)行。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步。執(zhí)行。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步。作業(yè)調(diào)度的基本任務(wù)，是從后備隊(duì)列中按照一

34、定的算法，選作業(yè)調(diào)度的基本任務(wù)，是從后備隊(duì)列中按照一定的算法，選擇出若干個(gè)作業(yè)，為它們分配其必需的資源擇出若干個(gè)作業(yè)，為它們分配其必需的資源(首先是分配內(nèi)首先是分配內(nèi)存存)。 在將它們調(diào)入內(nèi)存后，便分別為它們建立進(jìn)程，使它在將它們調(diào)入內(nèi)存后，便分別為它們建立進(jìn)程，使它們都成為可能獲得處理機(jī)的就緒進(jìn)程，并按照一定的算法將們都成為可能獲得處理機(jī)的就緒進(jìn)程，并按照一定的算法將它們插入就緒隊(duì)列。而進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)，則是從進(jìn)程的就緒它們插入就緒隊(duì)列。而進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)，則是從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中選出一新進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，并為它設(shè)置運(yùn)行隊(duì)列中選出一新進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，并為它設(shè)置運(yùn)行現(xiàn)場，現(xiàn)場， 使進(jìn)程

35、投入執(zhí)行。值得提出的是，在多線程使進(jìn)程投入執(zhí)行。值得提出的是，在多線程OS中，中，通常是把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和分配處理機(jī)的基本單位，為此，通常是把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和分配處理機(jī)的基本單位，為此，須把就緒線程排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，是從就緒線程隊(duì)須把就緒線程排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，是從就緒線程隊(duì)列中選出一個(gè)線程，把處理機(jī)分配給它。列中選出一個(gè)線程，把處理機(jī)分配給它。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.2 存儲(chǔ)器管理功能存儲(chǔ)器管理功能 1. 內(nèi)存分配內(nèi)存分配 OS在實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配時(shí)，可采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。在靜態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時(shí)確定的；在作業(yè)裝入后的整個(gè)運(yùn)行期間， 不允許該

36、作業(yè)再申請新的內(nèi)存空間，也不允許作業(yè)在內(nèi)存中“挪動(dòng)”； 在動(dòng)態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空間， 也是在裝入時(shí)確定的，但允許作業(yè)在運(yùn)行過程中，繼續(xù)申請新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)增漲，也允許作業(yè)在內(nèi)存中“挪動(dòng)”。 第一章 操作系統(tǒng)引論 為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，在內(nèi)存分配的機(jī)制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能： 內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況， 作為內(nèi)存分配的依據(jù)； 內(nèi)存分配功能，系統(tǒng)按照一定的內(nèi)存分配算法， 為用戶程序分配內(nèi)存空間； 內(nèi)存回收功能，系統(tǒng)對于用戶不再需要的內(nèi)存，通過用戶的釋放請求，去完成系統(tǒng)的回收功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 內(nèi)存保護(hù) 內(nèi)存保護(hù)的

37、主要任務(wù)，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。 為了確保每道程序都只在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行，必須設(shè)置內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。一種比較簡單的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，是設(shè)置兩個(gè)界限寄存器，分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界。系統(tǒng)須對每條指令所要訪問的地址進(jìn)行檢查，如果發(fā)生越界，便發(fā)出越界中斷請求，以停止該程序的執(zhí)行。如果這種檢查完全用軟件實(shí)現(xiàn)，則每執(zhí)行一條指令，便須增加若干條指令去進(jìn)行越界檢查，這將顯著降低程序的運(yùn)行速度。因而，越界檢查都由硬件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然， 對發(fā)生越界后的處理， 還須與軟件配合來完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 地址映射地址映射 一個(gè)應(yīng)用程序一個(gè)應(yīng)用程序(源程序源程序)經(jīng)編譯

38、后，通常會(huì)形成若干個(gè)目經(jīng)編譯后，通常會(huì)形成若干個(gè)目標(biāo)程序；這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接便形成了可裝入程序。標(biāo)程序；這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接便形成了可裝入程序。這些程序的地址都是從這些程序的地址都是從“0開始的，程序中的其它地址都開始的，程序中的其它地址都是相對于起始地址計(jì)算的；是相對于起始地址計(jì)算的； 由這些地址所形成的地址范圍由這些地址所形成的地址范圍稱為稱為“地址空間地址空間”， 其中的地址稱為其中的地址稱為“邏輯地址或邏輯地址或“相相對地址對地址”。此外，由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范。此外，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“

39、物理地址物理地址”。 在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從“0地址開地址開始裝入始裝入(內(nèi)存內(nèi)存)， 這就致使地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空這就致使地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不相一致。使程序能正確運(yùn)行，存儲(chǔ)器管間中的物理地址不相一致。使程序能正確運(yùn)行，存儲(chǔ)器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址。該功能應(yīng)在硬件的換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址。該功能應(yīng)在硬件的支持下完成。支持下完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 內(nèi)存擴(kuò)充內(nèi)存擴(kuò)充 存儲(chǔ)器管理中的內(nèi)存

40、擴(kuò)充任務(wù)，并非是去擴(kuò)大物理內(nèi)存存儲(chǔ)器管理中的內(nèi)存擴(kuò)充任務(wù)，并非是去擴(kuò)大物理內(nèi)存的容量，而是借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存的容量，而是借助于虛擬存儲(chǔ)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)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多；容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多； 或者是讓更多的用戶程序能并發(fā)運(yùn)行。這樣，既滿足了用或者是讓更多的用戶程序能并發(fā)運(yùn)行。這樣，既滿足了用戶的需要，改善了系統(tǒng)的性能，又基本上不增加硬件投資。戶的需要，改善了系統(tǒng)的性能，又基本上不增加硬件投資。 為了能在邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制，為了能在邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制， 用于實(shí)現(xiàn)

41、下述各功能：用于實(shí)現(xiàn)下述各功能： (1) 請求調(diào)入功能。請求調(diào)入功能。 (2) 置換功能。置換功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.3 設(shè)備管理功能設(shè)備管理功能 設(shè)備管理用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備管理用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備，設(shè)備， 而設(shè)備管理的主要任務(wù)是，完成用戶進(jìn)而設(shè)備管理的主要任務(wù)是，完成用戶進(jìn)程提出的程提出的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；提高設(shè)備；提高CPU和和I/O設(shè)備的利用率；提高設(shè)備的利用率；提高I/O速速度；方便用戶使用度；方便用戶使用I/O設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理、設(shè)備分

42、配和設(shè)備處理，設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理、設(shè)備分配和設(shè)備處理，以及虛擬設(shè)備等功能。以及虛擬設(shè)備等功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1. 緩沖管理緩沖管理 CPU運(yùn)行的高速性和運(yùn)行的高速性和I/O低速性間的矛盾自計(jì)算機(jī)誕生低速性間的矛盾自計(jì)算機(jī)誕生時(shí)起便已存在。時(shí)起便已存在。 而隨著而隨著CPU速度迅速、大幅度的提高，使速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更為突出，嚴(yán)重降低了得此矛盾更為突出，嚴(yán)重降低了CPU的利用率。如果在的利用率。如果在I/O設(shè)備和設(shè)備和CPU之間引入緩沖，則可有效地緩和之間引入緩沖，則可有效地緩和CPU和和I/O設(shè)備設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，進(jìn)而

43、提高系統(tǒng)吞的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量。吐量。 因而，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，因而，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中， 都毫無例外地在內(nèi)存都毫無例外地在內(nèi)存中設(shè)置了緩沖區(qū)，而且還可通過增加緩沖區(qū)容量的方法，來中設(shè)置了緩沖區(qū)，而且還可通過增加緩沖區(qū)容量的方法，來改善系統(tǒng)的性能。改善系統(tǒng)的性能。 最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制、能實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制、能實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制，以及能供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制，以及能供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩沖池機(jī)制。沖池機(jī)制。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 設(shè)備分配 設(shè)備分配的基本任務(wù)，是根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O請求、系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情

44、況以及按照某種設(shè)備分配策略，為之分配其所需的設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間，還存在著設(shè)備控制器和I/O通道時(shí)，還須為分配出去的設(shè)備分配相應(yīng)的控制器和通道。 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配，系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置設(shè)備控制表、控制器控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄設(shè)備及控制器的標(biāo)識(shí)符和狀態(tài)。據(jù)這些表格可以了解指定設(shè)備當(dāng)前是否可用，是否忙碌，以供進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)參考。在進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)，應(yīng)針對不同的設(shè)備類型而采用不同的設(shè)備分配方式。對于獨(dú)占設(shè)備(臨界資源)的分配，還應(yīng)考慮到該設(shè)備被分配出去后，系統(tǒng)是否安全。 設(shè)備使用完后，還應(yīng)立即由系統(tǒng)回收。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 設(shè)備處理 設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其基本任務(wù)是用于

45、實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，即由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收從控制器發(fā)來的中斷請求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。 處理過程是：設(shè)備處理程序首先檢查I/O請求的合法性，了解設(shè)備狀態(tài)是否是空閑的，了解有關(guān)的傳遞參數(shù)及設(shè)置設(shè)備的工作方式。然后，便向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)由控制器發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)該中斷請求的類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。對于設(shè)置了通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 設(shè)備處理程序還應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.4 文件

46、管理功能文件管理功能 1. 文件存儲(chǔ)空間的管理文件存儲(chǔ)空間的管理 由文件系統(tǒng)對諸多文件及文件的存儲(chǔ)空間，實(shí)施統(tǒng)一的管由文件系統(tǒng)對諸多文件及文件的存儲(chǔ)空間，實(shí)施統(tǒng)一的管理。其主要任務(wù)是為每個(gè)文件分配必要的外存空間，提高外存理。其主要任務(wù)是為每個(gè)文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的運(yùn)行速度。的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的運(yùn)行速度。 為此，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄文件存儲(chǔ)空為此，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄文件存儲(chǔ)空間的使用情況，以供分配存儲(chǔ)空間時(shí)參考；系統(tǒng)還應(yīng)具有對存間的使用情況，以供分配存儲(chǔ)空間時(shí)參考；系統(tǒng)還應(yīng)具有對存儲(chǔ)空間進(jìn)行分配和回收的功能。

47、為了提高存儲(chǔ)空間的利用率，儲(chǔ)空間進(jìn)行分配和回收的功能。為了提高存儲(chǔ)空間的利用率，對存儲(chǔ)空間的分配，通常是采用離散分配方式，以減少外存零對存儲(chǔ)空間的分配，通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭，并以盤塊為基本分配單位。盤塊的大小通常為頭，并以盤塊為基本分配單位。盤塊的大小通常為512 B8 KB。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 目錄管理 為了使用戶能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)目錄項(xiàng)。目錄項(xiàng)包括文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等。由若干個(gè)目錄項(xiàng)又可構(gòu)成一個(gè)目錄文件。目錄管理的主要任務(wù)， 是為每個(gè)文件建立其目錄項(xiàng)，并對眾多的目錄項(xiàng)加以有效的組織，以實(shí)現(xiàn)方便的

48、按名存取。即用戶只須提供文件名， 即可對該文件進(jìn)行存取。其次，目錄管理還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)文件共享，這樣，只須在外存上保留一份該共享文件的副本。此外，還應(yīng)能提供快速的目錄查詢手段，以提高對文件的檢索速度。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 文件的讀文件的讀/寫管理和保護(hù)寫管理和保護(hù) (1) 文件的讀文件的讀/寫管理。該功能是根據(jù)用戶的請求，從外寫管理。該功能是根據(jù)用戶的請求，從外存中讀取數(shù)據(jù)；或?qū)?shù)據(jù)寫入外存。在進(jìn)行文件讀存中讀取數(shù)據(jù)；或?qū)?shù)據(jù)寫入外存。在進(jìn)行文件讀(寫寫)時(shí)，時(shí)，系統(tǒng)先根據(jù)用戶給出的文件名，去檢索文件目錄，從中獲得系統(tǒng)先根據(jù)用戶給出的文件名，去檢索文件目錄，從中獲得文件在外存中的位置。然后，

49、利用文件讀文件在外存中的位置。然后，利用文件讀(寫寫)指針，對文件指針，對文件進(jìn)行讀進(jìn)行讀(寫寫)。一旦讀。一旦讀(寫寫)完成，便修改讀完成，便修改讀(寫寫)指針，為下一次指針，為下一次讀讀(寫寫)做好準(zhǔn)備。由于讀和寫操作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，故可合用做好準(zhǔn)備。由于讀和寫操作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，故可合用一個(gè)讀一個(gè)讀/寫指針。寫指針。 (2) 文件保護(hù)。文件保護(hù)。 防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件；防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件； 防防止冒名頂替存取文件；止冒名頂替存取文件； 防止以不正確的方式使用文件。防止以不正確的方式使用文件。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.5 用戶接口用戶接口1. 命令接口命令接口 (1) 聯(lián)機(jī)

50、用戶接口。這是為聯(lián)機(jī)用戶提供的，它由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成。當(dāng)用戶在終端或控制臺(tái)上每鍵入一條命令后，系統(tǒng)便立即轉(zhuǎn)入命令解釋程序，對該命令加以解釋并執(zhí)行該命令。在完成指定功能后，控制又返回到終端或控制臺(tái)上，等待用戶鍵入下一條命令。這樣，用戶可通過先后鍵入不同命令的方式，來實(shí)現(xiàn)對作業(yè)的控制，直至作業(yè)完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 (2) 脫機(jī)用戶接口。該接口是為批處理作業(yè)的用戶提供的，故也稱為批處理用戶接口。該接口由一組作業(yè)控制語言JCL組成。批處理作業(yè)的用戶不能直接與自己的作業(yè)交互作用，只能委托系統(tǒng)代替用戶對作業(yè)進(jìn)行控制和干預(yù)。這里的作業(yè)控制語言JCL便是提供給批處理作業(yè)用戶的、為實(shí)

51、現(xiàn)所需功能而委托系統(tǒng)代為控制的一種語言。用戶用JCL把需要對作業(yè)進(jìn)行的控制和干預(yù)，事先寫在作業(yè)說明書上，然后將作業(yè)連同作業(yè)說明書一起提供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度到該作業(yè)運(yùn)行時(shí)，又調(diào)用命令解釋程序，對作業(yè)說明書上的命令，逐條地解釋執(zhí)行。如果作業(yè)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)也將根據(jù)作業(yè)說明書上的指示進(jìn)行干預(yù)。這樣，作業(yè)一直在作業(yè)說明書的控制下運(yùn)行，直至遇到作業(yè)結(jié)束語句時(shí)，系統(tǒng)才停止該作業(yè)的運(yùn)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 程序接口程序接口 該接口是為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的，該接口是為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的惟一途徑。它是由一組系是用戶程序取得操

52、作系統(tǒng)服務(wù)的惟一途徑。它是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都是一個(gè)能完成特定功能的統(tǒng)調(diào)用組成，每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都是一個(gè)能完成特定功能的子程序，每當(dāng)應(yīng)用程序要求子程序，每當(dāng)應(yīng)用程序要求OS提供某種服務(wù)提供某種服務(wù)(功能功能)時(shí)，便時(shí)，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。早期的系統(tǒng)調(diào)用都是用匯調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。早期的系統(tǒng)調(diào)用都是用匯編語言提供的，只有在用匯編語言書寫的程序中，才能直編語言提供的，只有在用匯編語言書寫的程序中，才能直接使用系統(tǒng)調(diào)用；但在高級(jí)語言以及接使用系統(tǒng)調(diào)用；但在高級(jí)語言以及C語言中，往往提供語言中，往往提供了與各系統(tǒng)調(diào)用一一對應(yīng)的庫函數(shù)，這樣，應(yīng)用程序便可了與各系統(tǒng)調(diào)用一一

53、對應(yīng)的庫函數(shù)，這樣，應(yīng)用程序便可通過調(diào)用對應(yīng)的庫函數(shù)來使用系統(tǒng)調(diào)用。但在近幾年所推通過調(diào)用對應(yīng)的庫函數(shù)來使用系統(tǒng)調(diào)用。但在近幾年所推出的操作系統(tǒng)中，如出的操作系統(tǒng)中，如UNIX、OS/2版本中，其系統(tǒng)調(diào)用本版本中，其系統(tǒng)調(diào)用本身已經(jīng)采用身已經(jīng)采用C語言編寫，并以函數(shù)形式提供，故在用語言編寫，并以函數(shù)形式提供，故在用C語言語言編制的程序中，編制的程序中， 可直接使用系統(tǒng)調(diào)用?？芍苯邮褂孟到y(tǒng)調(diào)用。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 圖形接口 用戶雖然可以通過聯(lián)機(jī)用戶接口來取得OS的服務(wù)，但這時(shí)要求用戶能熟記各種命令的名字和格式，并嚴(yán)格按照規(guī)定的格式輸入命令，這既不方便又花時(shí)間，于是，圖形用戶接口便應(yīng)運(yùn)而

54、生。圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面， 用非常容易識(shí)別的各種圖標(biāo)(icon)來將系統(tǒng)的各項(xiàng)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)或通過菜單和對話框，來完成對應(yīng)用程序和文件的操作。此時(shí)用戶已完全不必像使用命令接口那樣去記住命令名及格式，從而把用戶從繁瑣且單調(diào)的操作中解脫出來。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.5.1 軟件工程的基本概念軟件工程的基本概念 1. 軟件的含義 所謂軟件，是指當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，該程序能夠正確地處理信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；作為規(guī)范軟件，還應(yīng)具有描述程序功能需求以及程序如何操作

55、使用的文檔。如果說，硬件是物理部件， 那么，軟件則是一種邏輯部件，它具有與硬件完全不同的特點(diǎn)。第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 軟件工程的含義 軟件工程是指運(yùn)用系統(tǒng)的、規(guī)范的和可定量的方法，來開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)軟件；或者說，是采用工程的概念、 原理、 技術(shù)和方法，來開發(fā)與維護(hù)軟件， 其目的是為了解決在軟件開發(fā)中所出現(xiàn)的編程隨意、軟件質(zhì)量不可保證以及維護(hù)困難等問題。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.5.2 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)是一個(gè)十分復(fù)雜的大型軟件。為了操作系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的大型軟件。為了控制該軟件的復(fù)雜性，在開發(fā)控制該軟件的復(fù)雜性，在開發(fā)OS時(shí)，先后引入了時(shí)，先后引入了分解、模

56、塊化、分解、模塊化、 抽象和隱蔽等方法。開發(fā)方法的抽象和隱蔽等方法。開發(fā)方法的不斷發(fā)展，促進(jìn)了不斷發(fā)展，促進(jìn)了OS結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。這里，我結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。這里，我們把第一代至第三代的們把第一代至第三代的OS結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， 稱為傳統(tǒng)的稱為傳統(tǒng)的OS結(jié)構(gòu)，而把微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，而把微內(nèi)核的OS結(jié)構(gòu)稱為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)稱為現(xiàn)代OS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 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(shí)，設(shè)計(jì)者只是把他的注意力放在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者只是把他的注意力放在功能的實(shí)現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計(jì)思在功能的實(shí)現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計(jì)思想。想。 此時(shí)的此時(shí)的O

57、S是為數(shù)眾多的一組過程的集合，各過程之是為數(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)，因而，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)，因而，這種這種OS是無結(jié)構(gòu)的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。是無結(jié)構(gòu)的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 此時(shí)程序設(shè)計(jì)的技巧，只是如何編制緊湊的程序，以此時(shí)程序設(shè)計(jì)的技巧，只是如何編制緊湊的程序，以便于有效地利用內(nèi)存、對便于有效地利用內(nèi)存、對GOTO語句的使用不加任何限制，語句的使用不加任何限制，所設(shè)計(jì)出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。這一方面會(huì)使所編制出的程序錯(cuò)誤很

58、多，給調(diào)試工作帶來這一方面會(huì)使所編制出的程序錯(cuò)誤很多，給調(diào)試工作帶來很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 模塊化模塊化OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1) 模塊化結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu) 模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，是最早模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，是最早(20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代)出現(xiàn)的一出現(xiàn)的一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)是基于種程序設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)是基于“分解和分解和“模塊化原則模塊化原則來控制大型軟件的復(fù)雜度的。為使來控制大型軟件的復(fù)雜度的。為使OS具有較清晰的結(jié)構(gòu)，具有較清晰的結(jié)構(gòu)，OS不再是由眾多的過程直接構(gòu)成，

59、而是將不再是由眾多的過程直接構(gòu)成，而是將OS按其功能劃分按其功能劃分為若干個(gè)具有一定獨(dú)立性和大小的模塊。每個(gè)模塊具有某方為若干個(gè)具有一定獨(dú)立性和大小的模塊。每個(gè)模塊具有某方面的管理功能，如進(jìn)程管理模塊、存儲(chǔ)器管理模塊、面的管理功能，如進(jìn)程管理模塊、存儲(chǔ)器管理模塊、I/O設(shè)設(shè)備管理模塊和文件管理模塊等，并規(guī)定好各模塊間的接口，備管理模塊和文件管理模塊等，并規(guī)定好各模塊間的接口， 使各模塊之間能通過該接口實(shí)現(xiàn)交互，然后再進(jìn)一步將各模使各模塊之間能通過該接口實(shí)現(xiàn)交互，然后再進(jìn)一步將各模塊細(xì)分為若干個(gè)具有一定管理功能的子模塊，如把進(jìn)程管理塊細(xì)分為若干個(gè)具有一定管理功能的子模塊，如把進(jìn)程管理模塊又分為進(jìn)

60、程控制、模塊又分為進(jìn)程控制、 進(jìn)程同步、進(jìn)程同步、 進(jìn)程通信和進(jìn)程調(diào)度等進(jìn)程通信和進(jìn)程調(diào)度等子模塊，子模塊， 同樣也要規(guī)定各子模塊之間的接口。若子模塊較大同樣也要規(guī)定各子模塊之間的接口。若子模塊較大時(shí)，再進(jìn)一步將它細(xì)分。圖時(shí)，再進(jìn)一步將它細(xì)分。圖 1-5 示出了由模塊、子模塊等組示出了由模塊、子模塊等組成的模塊化成的模塊化OS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 圖 1-5 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(chǔ)器管理文件管理操作系統(tǒng)模塊子模塊第一章 操作系統(tǒng)引論 2) 模塊化OS的優(yōu)缺點(diǎn)提高了OS設(shè)計(jì)的正確性、 可理解性和可維護(hù)性。 (2) 增強(qiáng)了OS