操作系統(tǒng)第1章操作系統(tǒng)引論

2023/2/61操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論院(系):計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究室:數(shù)據(jù)與知識工程教師:初妍2023/2/62內(nèi)容概述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)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

操作系統(tǒng)屬于軟件中的系統(tǒng)軟件,起到對系統(tǒng)資源進行管理和分配,提高運行效率的作用。2023/2/631.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)1.1.2操作系統(tǒng)的作用1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力2023/2/64計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)軟件硬件及固件(裸機)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件DBMS,編譯軟件操作系統(tǒng)2023/2/65緊貼系統(tǒng)硬件之上,所有其他軟件之下(是其他軟件的共同環(huán)境)2023/2/661.1.1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。通常在計算機硬件上配置的OS,其目標(biāo)有以下幾點:1.方便性

2.有效性

3.可擴充性

4.開放性2023/2/671.方便性(用戶的觀點)

操作系統(tǒng)最終是要為用戶服務(wù)的。提供良好的、一致的用戶接口,彌補硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別,使計算機更容易使用。2.有效性(系統(tǒng)管理人員的觀點)

操作系統(tǒng)要合理地組織計算機的工作流程,改善系統(tǒng)資源的利用率,提高系統(tǒng)的吞吐量從而使有限的資源完成更多的任務(wù)。3.可擴充性

OS應(yīng)采用層次化結(jié)構(gòu),以便于增加新的功能層次和模塊,并能修改老的功能層次和模塊。4.開放性 遵循標(biāo)準規(guī)范,方便地實現(xiàn)互連,實現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性和互操作性。2023/2/681.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)1.1.2操作系統(tǒng)的作用1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力2023/2/691.OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間,用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)?；蛘哒f,用戶在OS幫助下,能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和運行自己的程序。注意：OS是一個系統(tǒng)軟件,因而這種接口是軟件接口。命令方式聯(lián)機用戶接口(命令)脫機用戶接口(批處理)系統(tǒng)調(diào)用方式形式上類似于過程調(diào)用,在應(yīng)用編程中使用(API)圖標(biāo)--窗口方式用戶通過屏幕上的窗口和圖標(biāo)來操縱計算機系統(tǒng)和運行自己的程序。1.1.2操作系統(tǒng)的作用OperatingSystem2023/2/610圖1-1OS作為接口的示意圖操作系統(tǒng)各種應(yīng)用程序DOS2023/2/6112.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者計算機的資源包括處理機、存儲器、I/O設(shè)備及數(shù)據(jù)和程序等管理的內(nèi)容:資源的當(dāng)前狀態(tài)(數(shù)量和使用情況)、資源的分配、回收和訪問操作,相應(yīng)管理策略(包括用戶權(quán)限)處理機管理存儲器管理I/O設(shè)備管理文件管理Welcome2023/2/6123.OS用作擴充機器OS是擴展機(extendedmachine)/虛擬機(virtualmachine)將覆蓋了軟件的機器稱為擴充機器或虛擬機在裸機上添加:設(shè)備管理、文件管理、存儲管理(針對內(nèi)存和外存)、處理機管理(針對CPU)。如果我們在裸機上覆蓋一層I/O設(shè)備管理軟件,用戶便可以利用這層I/O設(shè)備管理軟件提供給用戶的接口來進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出,那么用戶此時看到的計算機是一臺功能強大、使用方便的計算機,但實際上,計算機的硬件絲毫沒有變化,這樣的計算機稱為軟件擴充的機器,或稱軟件虛擬機。操作系統(tǒng)的非形式化定義(關(guān)鍵點):系統(tǒng)軟件,程序模塊的集合,資源管理和用戶接口功能2023/2/6131.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)1.1.2操作系統(tǒng)的作用1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力2023/2/6141.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力1.不斷提高計算機資源利用率 計算機發(fā)展的初期,計算機系統(tǒng)昂貴,用作集中計算。2.方便用戶 在一定程序上也是它的界面,風(fēng)格很方便用戶,只需要鼠標(biāo)點擊,很方便。3.器件的不斷更新?lián)Q代

CPU的位寬度(指令和數(shù)據(jù))、快速外存(摩爾定律)4.計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展

從單處理機到多處理機;從單機OS到網(wǎng)絡(luò)OS軟件呢？2023/2/615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操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計2023/2/6161.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)1.2.7分布式操作系統(tǒng)2023/2/6171.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式

1946~50年代(電子管),集中計算(計算中心),計算機資源昂貴用戶在計算機上算題的所有工作都要用戶人工干預(yù),如程序的裝入、運行、結(jié)果的輸出等。隨著計算機速度的加快,人機矛盾越來越大,直至無法容忍。必須尋求新的辦法。工作方式用戶:用戶既是程序員,又是操作員;用戶是計算機專業(yè)人員;編程語言:機器語言輸入輸出:紙帶或卡片計算機的工作特點用戶獨占全機:不出現(xiàn)資源被其他用戶占用,資源利用率低CPU等待用戶:計算前,手工裝入紙帶或卡片;計算完成后,手工卸取紙帶或卡片;CPU利用率低2023/2/6182.脫機輸入/輸出(Off-LineI/O)方式

事先將用戶程序或數(shù)據(jù)的紙帶或卡片放入紙帶輸入機,在外圍機的控制下輸入到磁帶上,CPU從磁帶上讀入數(shù)據(jù);輸出過程正好相反。

這種脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下:減少了CPU的空閑時間。

(2)提高I/O速度。圖1-2脫機I/O示意圖2023/2/619無操作系統(tǒng)的主要問題主要矛盾計算機處理能力的提高,手工操作的低效率(造成浪費);用戶獨占全機的所有資源;提高效率的途徑批處理2023/2/6201.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)1.2.7分布式操作系統(tǒng)2023/2/621批處理系統(tǒng)理解批處理系統(tǒng)主要是采用了批處理技術(shù)。批處理技術(shù)是指計算機系統(tǒng)對一批作業(yè)自動進行處理的一種技術(shù)。所謂批處理系統(tǒng)是指加載在計算機上的一個系統(tǒng)軟件,在它的控制下,計算機能夠自動地成批地處理一個或多個用戶的作業(yè)。所謂中斷是指當(dāng)主機接到外界硬件發(fā)來的中斷信號時,停止原來的工作,轉(zhuǎn)去處理中斷的事件。在處理中斷完成以后,主機又回到原來的工作點繼續(xù)工作。這樣可以使用戶程序的I/O申請完成后,主機能自動在原中斷點之后繼續(xù)運行,同時為多道程序并發(fā)執(zhí)行打下了基礎(chǔ)。2023/2/6221.2.2單道批處理系統(tǒng)(SimpleBatchProcessingSystem)

1.單道批處理系統(tǒng)的處理過程圖1-3單道批處理系統(tǒng)的處理流程2023/2/6232.單道批處理系統(tǒng)的特征 單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS,嚴格地說,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)已有很大進步。該系統(tǒng)的主要特征如下: (1)自動性 在順利的情況下,磁帶上的一批作業(yè)能自動地逐個地依次運行,而無需人工干預(yù)

(2)順序性 磁帶上的各道作業(yè)是順序地進入內(nèi)存,完成順序與進入內(nèi)存順序相同

(3)單道性 內(nèi)存中只有一道程序運行

CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均(取決于當(dāng)前作業(yè)的特性)

對計算為主的作業(yè),外設(shè)空閑對I/O為主的作業(yè),CPU空閑2023/2/6241.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)1.2.7分布式操作系統(tǒng)2023/2/6251.2.3多道批處理系統(tǒng)(MultiprogramedBatchSystem)1.多道程序設(shè)計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)計技術(shù),由此而形成了多道批處理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列,稱為“后備隊列”;然后,由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存,使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。2023/2/626圖1-4單道和多道程序運行情況|←CPU空閑－→||←CPU空閑－→|2023/2/6272.多道批處理系統(tǒng)的特征(1)多道性 內(nèi)存中同時存放幾個作業(yè),并允許并發(fā)執(zhí)行,從而有效地提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。(2)無序性 多個作業(yè)完成的先后順序與它們進入內(nèi)存的順序之間無嚴格對應(yīng)關(guān)系。(3)調(diào)度性

作業(yè)調(diào)度,從后備隊列進入內(nèi)存;進程調(diào)度,分配處理機運行。(4)宏觀上并發(fā)、微觀上串行2023/2/6283.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點:資源利用率高:CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率較高;系統(tǒng)吞吐量大:單位時間內(nèi)完成的工作總量大。缺點:用戶交互性差:整個作業(yè)完成后或中間出錯時,才與用戶交互,不利于調(diào)試和修改;作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長:短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間顯著增長;2023/2/6294.多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題(1)處理機管理問題(第3章)

分配(回收)處理機共享資源,既滿足程序需要,又提高利用率。(2)內(nèi)存管理問題(第4章)

分配內(nèi)存以“各得其所”,且不因相互重迭而丟失信息。(3)I/O設(shè)備管理問題(第5章)

既方便用戶使用I/O設(shè)備,又提高設(shè)備利用率。(4)文件管理問題(第6章)

組織程序和數(shù)據(jù),便于用戶使用,保證數(shù)據(jù)的安全性和一致性。(5)作業(yè)管理問題(第3章)

對各種應(yīng)用程序進行組織。操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源,合理地對各類作業(yè)進行調(diào)度,以及方便用戶使用的程序集合。2023/2/630單道批處理系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)的比較2023/2/6311.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)1.2.7分布式操作系統(tǒng)2023/2/6321.2.4分時系統(tǒng)(Time-SharingSystem)1.分時系統(tǒng)的產(chǎn)生如果說,推動多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力,是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量,那么,推動分時系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力,則是用戶的需求?；蛘哒f,分時系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統(tǒng)之間,有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)人機交互。(對程序進行調(diào)試、修改等直接控制)(2)共享主機。(主機貴,提高資源利用率)(3)便于用戶上機。(作業(yè)直接從終端進入,并能控制)2023/2/633分時系統(tǒng)定義分時系統(tǒng):指在一臺計算機上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端,同時允許多個用戶共享主機中的資源,每個用戶都可通過自己的終端以交互方式使用計算機。2023/2/634解釋把計算機的系統(tǒng)資源(尤其是CPU時間)進行時間上的分割,每個時間段稱為一個時間片(timeslice),每個用戶依次輪流使用時間片?！胺謺r”的含義是指多個用戶分享使用同一臺計算機;多個程序分時共享硬件和軟件資源;滿足用戶需要。多個用戶分時:單個用戶使用計算機的效率低,因而允許多個應(yīng)用程序同時在內(nèi)存中,分別服務(wù)于不同的用戶。有用戶輸入時由CPU執(zhí)行,處理完一次用戶輸入后程序暫停,等待下一次用戶輸入－－時走時停前臺和后臺程序(foreground&background)分時:后臺程序不占用終端輸入輸出,不與用戶交互－－現(xiàn)在的圖形用戶界面(GUI),除當(dāng)前交互的程序(輸入焦點)之外,其他程序均作為后臺。通常按時間片(timeslice)分配:各個程序在CPU上執(zhí)行的輪換時間。2023/2/6352.分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題

為實現(xiàn)分時系統(tǒng),其中,最關(guān)鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進行交互,即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時,系統(tǒng)應(yīng)能及時接收并及時處理該命令,再將結(jié)果返回給用戶。此后,用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令,此即人—機交互。應(yīng)強調(diào)指出,即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵入命令,系統(tǒng)也應(yīng)能全部地及時接收并及時處理。(1)及時接收。(只需配置多路卡,同時接收各終端數(shù)據(jù))(2)及時處理。(在不長的時間能響應(yīng)用戶命令)2023/2/6363.分時系統(tǒng)的實現(xiàn)方法(1)單道分時系統(tǒng)(2)具有“前臺”和“后臺”的分時系統(tǒng)

“單道分時”+”單道批處理”(3)多道分時系統(tǒng) 現(xiàn)在分時系統(tǒng)2023/2/6374.分時系統(tǒng)的特征多路性宏觀上多個用戶同時工作,微觀上多個終端輪轉(zhuǎn)時間片。獨立性每個用戶一臺終端,互不干擾,感覺像一個人獨占計算機及時性用戶請求應(yīng)盡快得到響應(yīng)(2-3秒)交互性用戶可通過終端與系統(tǒng)進行廣泛的人機對話2023/2/6381.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)1.2.7分布式操作系統(tǒng)2023/2/6391.2.5實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem)

所謂“實時”,是表示“及時”,而實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時(或即時)響應(yīng)外部事件的請求,在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理,并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。要求:響應(yīng)時間短,在一定范圍之內(nèi);系統(tǒng)可靠性高1.應(yīng)用需求實時控制。包括:生產(chǎn)控制和武器控制。

(2)實時信息處理。例:信息采集和訂票2023/2/6402.實時任務(wù)(1)按任務(wù)執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分①周期性實時任務(wù)。例:信息采集。②非周期性實時任務(wù)。

外部設(shè)備所發(fā)出的激勵信號并無明顯的周期性,但都必須聯(lián)系著一個截止時間(Deadline)。它又可分為:①開始截止時間(最晚開始時間)——任務(wù)在某時間以前必須開始執(zhí)行;②完成截止時間(最晚完成時間)——任務(wù)在某時間以前必須完成。2023/2/641(2)根據(jù)對截止時間的要求來劃分①硬實時任務(wù)(hardreal-timetask)。系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對截止時間的要求,否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測的結(jié)果。②軟實時任務(wù)(Softreal-timetask)。它也聯(lián)系著一個截止時間,但并不嚴格,若偶爾錯過了任務(wù)的截止時間,對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不會太大。2023/2/6423.實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較(1)多路性 實時系統(tǒng):表現(xiàn)為對多個對象的信息采集和控制。

分時系統(tǒng):為多個終端服務(wù)。(2)獨立性 實時系統(tǒng):表現(xiàn)為對多個對象的互不干擾(分別為溫度、壓力采集)。

分時系統(tǒng):每個用戶獨占主機。(3)及時性 實時系統(tǒng):在規(guī)定的時間內(nèi)對外部事件響應(yīng)。

分時系統(tǒng):在一定時間處理各個終端用戶作業(yè)。(4)交互性 實時系統(tǒng):一般情況下無交互性。

分時系統(tǒng):由交互引入。(5)可靠性 實時系統(tǒng):要求高度可靠。

分時系統(tǒng):可靠性低。2023/2/6431.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

1.2.7分布式操作系統(tǒng)2023/2/644計算任務(wù)由大量獨立而又相互聯(lián)結(jié)的計算機共同完成。某一臺計算機上的用戶可以使用其它計算機上的資源。這就形成了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在操作系統(tǒng)之上增加網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)功能部分模塊將網(wǎng)絡(luò)中的各臺計算設(shè)備通過各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,實現(xiàn)各臺計算設(shè)備之間的通信及網(wǎng)絡(luò)中各種資源的共享。1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem)2023/2/6452023/2/646內(nèi)容1.計算機網(wǎng)絡(luò)的類型2.網(wǎng)絡(luò)OS的模式3.網(wǎng)絡(luò)OS的功能2023/2/6471.計算機網(wǎng)絡(luò)的類型(1)按網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分類 星型、樹型、總線型、環(huán)型、網(wǎng)狀型(2)按網(wǎng)絡(luò)地理范圍分類 廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)2023/2/6482.網(wǎng)絡(luò)OS的模式(1)客戶/服務(wù)器(C/S)模式 網(wǎng)絡(luò)中各站點分兩大類: ①服務(wù)器 ②客戶(2)對等模式 各站點是對等的,既是“客戶”,又是“服務(wù)器”2023/2/6493.網(wǎng)絡(luò)OS的功能(1)網(wǎng)絡(luò)通信 ①建立/拆除通信鏈路 ②傳輸控制 ③差錯控制 ④流量控制 ⑤路由選擇(2)網(wǎng)絡(luò)資源管理 對共享資源(硬盤、打印機、文件和數(shù)據(jù)等)的管理和協(xié)調(diào)使用。(3)網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 主要有電子郵件服務(wù)、文件傳輸存取、共享硬盤及打印機等。2023/2/6503.網(wǎng)絡(luò)OS的功能(續(xù))(4)網(wǎng)絡(luò)管理 最基本的是安全管理(5)互操作能力 客戶能以透明方式訪問網(wǎng)絡(luò)中(或別的網(wǎng)絡(luò)中)的文件服務(wù)器上的文件系統(tǒng)。2023/2/6511.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

1.2.7分布式操作系統(tǒng)2023/2/6521.2.7分布式操作系統(tǒng)

(DistributedOperatingSystem)概念:分布式處理系統(tǒng)是指由多個分散的處理單元經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連接而形成的系統(tǒng)。將大量計算機通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起,以獲得極高的運算能力和數(shù)據(jù)共享的系統(tǒng)稱為分布式系統(tǒng)(DistributedSystem)。能使分布式計算機系統(tǒng)中若干臺計算機相互協(xié)作完成一個共同任務(wù)的系統(tǒng)軟件稱為分布式操作系統(tǒng)。2023/2/653分布式OS與網(wǎng)絡(luò)OS的比較(1)分布性 分布式OS:控制是分布式的,均勻分布在各處理單元(站點)上。 網(wǎng)絡(luò)OS:控制是集中式的,在某個主機或服務(wù)器中。(2)并行性 分布式OS:分配多個任務(wù)到多個處理器上并行執(zhí)行。 網(wǎng)絡(luò)OS:無任務(wù)分配功能,因為任務(wù)都在本地機上處理。2023/2/654分布式OS與網(wǎng)絡(luò)OS的比較(續(xù))(3)透明性 分布式OS:具有物理位置上的透明性。 網(wǎng)絡(luò)OS:具有操作實現(xiàn)上的透明性。(4)共享性 分布式OS:共享各站點資源。 網(wǎng)絡(luò)OS:共享主機服務(wù)器資源。(5)健壯性 分布式OS:任何站點的故障,不影響整個系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)OS:集中控制(服務(wù)器),具有潛在的不可靠性。2023/2/655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操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計2023/2/656操作系統(tǒng)的基本特征1.3.1并發(fā)（Concurrence）1.3.2共享（Sharing）1.3.3虛擬（Virtual）1.3.4異步性（Asynchronism）2023/2/6571.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.1并發(fā)(Concurrence)并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生;并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。時間BA時間BA2023/2/658

在多道程序環(huán)境下,并發(fā)性是指在一段時間內(nèi),宏觀上有多個程序在同時運行,但在單處理機系統(tǒng)中,每一時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地交替執(zhí)行。倘若在計算機系統(tǒng)中有多個處理機,則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個處理機上,實現(xiàn)并行執(zhí)行,即利用每個處理機來處理一個可并發(fā)執(zhí)行的程序,這樣,多個程序便可同時執(zhí)行。并發(fā)：即宏觀上在一段時間內(nèi)有多道程序在同時運行,在微觀上,這些程序是在交替執(zhí)行的。為使程序能并發(fā)執(zhí)行,為每個程序建立進程。進程是能獨立運行并作為資源分配的基本單位,是活動實體。引入線程后,進程是分配資源的基本單位,線程作為獨立運行的基本單位。2023/2/659操作系統(tǒng)的基本特征1.3.1并發(fā)（Concurrence）1.3.2共享（Sharing）1.3.3虛擬（Virtual）1.3.4異步性（Asynchronism）2023/2/6601.3.2共享(Sharing)

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)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程(線程)共同使用。2023/2/6611.互斥共享方式

系統(tǒng)中的某些資源,如打印機、磁帶機,雖然它們可以提供給多個進程(線程)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)定在一段時間內(nèi)只允許一個進程(線程)訪問該資源。為此,當(dāng)一個進程A要訪問某資源時,必須先提出請求,如果此時該資源空閑,系統(tǒng)便可將之分配給請求進程A使用,此后若再有其它進程也要訪問該資源時(只要A未用完)則必須等待。僅當(dāng)A進程訪問完并釋放該資源后,才允許另一進程對該資源進行訪問。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享,而把在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源或獨占資源。計算機系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備,以及棧、變量和表格,都屬于臨界資源,它們要求被互斥地共享。

由于資源屬性的不同,進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方式。2023/2/6622.同時訪問方式系統(tǒng)中還有另一類資源,允許在一段時間內(nèi)由多個進程“同時”對它們進行訪問。這里所謂的“同時”往往是宏觀上的,而在微觀上,這些進程可能是交替地對該資源進行訪問。典型的可供多個進程“同時”訪問的資源是磁盤設(shè)備。

并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征,它們又是互為存在的條件。一方面,資源共享是以程序(進程)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,自然不存在資源共享問題;另一方面,若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理,協(xié)調(diào)好諸進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。2023/2/663操作系統(tǒng)的基本特征1.3.1并發(fā)（Concurrence）1.3.2共享（Sharing）1.3.3虛擬（Virtual）1.3.4異步性（Asynchronism）2023/2/6641.3.3虛擬(Virtual)

操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”,是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。物理實體(前者)是實的,即實際存在的;而后者是虛的,是用戶感覺上的東西。相應(yīng)地,用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù),稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了多種虛擬技術(shù),分別用來實現(xiàn)虛擬處理機、虛擬內(nèi)存、虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。例如進程管理的多道程序技術(shù)把一個物理CPU虛擬為多個邏輯上的CPU。在設(shè)備管理上,利用spooling技術(shù),把一臺物理上的I/O設(shè)備虛擬成多態(tài)邏輯上的I/O設(shè)備。CPU－－每個用戶（進程）的“虛處理機“(分時系統(tǒng))存儲器－－虛擬存儲器打印設(shè)備－－將臨界資源變?yōu)橥瑫r訪問資源2023/2/665操作系統(tǒng)的基本特征1.3.1并發(fā)（Concurrence）1.3.2共享（Sharing）1.3.3虛擬（Virtual）1.3.4異步性（Asynchronism）2023/2/6661.3.4異步性(Asynchronism)

在多道程序環(huán)境下,允許多個進程并發(fā)執(zhí)行,但只有進程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機環(huán)境下,由于系統(tǒng)中只有一個處理機,因而每次只允許一個進程執(zhí)行,其余進程只能等待。當(dāng)正在執(zhí)行的進程提出某種資源要求時,如打印請求,而此時打印機正在為其它某進程打印,由于打印機屬于臨界資源,因此正在執(zhí)行的進程必須等待,且放棄處理機,直到打印機空閑,并再次把處理機分配給該進程時,該進程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢?由于資源等因素的限制,使進程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”,而是以“停停走走”的方式運行。進程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進,此即進程的異步性。2023/2/667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操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計2023/2/6681.4操作系統(tǒng)的主要功能

操作系統(tǒng)是用戶與硬件之間的橋梁,它主要負責(zé)管理計算機系統(tǒng)中的所有資源,并負責(zé)它們的調(diào)度和使用,充分發(fā)揮這些資源的作用和方便用戶使用計算機。 從資源管理的角度來看,操作系統(tǒng)的功能主要有1.4.1處理機管理功能1.4.2存儲器管理功能1.4.3設(shè)備管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5用戶接口2023/2/6691.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機管理功能1.進程控制創(chuàng)建、撤銷、掛起等－－主動改變進程的狀態(tài);在現(xiàn)代OS中,進行控制還應(yīng)具有為一個進程創(chuàng)建和撤消線程的功能。

處理機管理的主要任務(wù)是對處理機進行分配,并對其運行進行有效的控制和管理。在多道程序環(huán)境下,處理機的分配和運行都是以進程為單位,所以對處理機的管理可理解為對進程的管理。2023/2/6702.進程同步協(xié)調(diào)并發(fā)進程之間的推進步驟,以協(xié)調(diào)資源共享;－－交換信息能力弱互斥方式諸進程訪問臨界資源時采用這種方式同步方式在相互合作完成任務(wù)的進程之間由同步機構(gòu)對執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)2023/2/6713.進程通信進程之間傳送數(shù)據(jù),以協(xié)調(diào)進程間的協(xié)作;－－交換信息能力強,也可以用來協(xié)調(diào)進程之間的推進。包括直接通信方式和間接通信方式。如,輸入進程、計算進程、打印進程之間的通信2023/2/6724.調(diào)度作業(yè)調(diào)度從外存調(diào)入內(nèi)存進程調(diào)度是從內(nèi)存中的進程就緒隊列中選一個分配處理機2023/2/6731.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機管理功能1.4.2存儲器管理功能1.4.3設(shè)備管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5用戶接口2023/2/6741.4.2存儲器管理功能1.內(nèi)存分配OS在實現(xiàn)內(nèi)存分配時,可采取靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。靜態(tài)分配:每個作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時確定的;在作業(yè)裝入后的整個運行期間,不允許該作業(yè)再申請新的內(nèi)存空間,也不允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動”;

動態(tài)分配:每個作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空間,也是在裝入時確定的,但允許作業(yè)在運行過程中,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)的動態(tài)增長,也允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動”。

管理目標(biāo):提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲空間、方便進程并發(fā)運行。2023/2/675

為了實現(xiàn)內(nèi)存分配,在內(nèi)存分配的機制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能:①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);②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;③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。2023/2/6762.內(nèi)存保護內(nèi)存保護的主要任務(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)中運行,必須設(shè)置內(nèi)存保護機制。一種比較簡單的內(nèi)存保護機制,是設(shè)置兩個界限寄存器,分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界。越界檢查都由硬件實現(xiàn)。當(dāng)然,對發(fā)生越界后的處理,還須與軟件配合來完成。2023/2/677下界寄存器存放程序裝入內(nèi)存后的開始地址（首址）上界寄存器存放程序裝入內(nèi)存后的末地址判別式：下界寄存器≤物理地址＜上界寄存器2023/2/6783.地址映射程序中的地址稱為“邏輯地址”或“相對地址”,這些程序的地址都是從“0”開始的,程序中的其它地址都是相對于起始地址計算的內(nèi)存中單元的地址稱為“物理地址“或“絕對地址”,由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍多道程序下,進程裝入內(nèi)存后要由邏輯地址到內(nèi)存物理地址進行變換,該功能應(yīng)在硬件的支持下完成。2023/2/6794.內(nèi)存擴充借助于虛擬存儲技術(shù),從邏輯上去擴充內(nèi)存容量,借助于虛擬存儲技術(shù)。改善了系統(tǒng)的性能,基本上不增加硬件投資。請求調(diào)入功能。置換功能。2023/2/6801.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機管理功能1.4.2存儲器管理功能1.4.3設(shè)備管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5用戶接口2023/2/6811.4.3設(shè)備管理功能設(shè)備管理的主要任務(wù)是,完成用戶進程提出的I/O請求;為用戶進程分配其所需的I/O設(shè)備;提高CPU和I/O設(shè)備的利用率;提高I/O速度;方便用戶使用I/O設(shè)備。2023/2/6821.緩沖管理匹配CPU和外設(shè)的速度,提高兩者的利用率（單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)和公用緩沖池）最常見的緩沖區(qū)機制有單緩沖機制、能實現(xiàn)雙向同時傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機制,循環(huán)緩沖以及能供多個設(shè)備同時使用的公用緩沖池機制。2023/2/6832.設(shè)備分配根據(jù)用戶請求,分配I/O設(shè)備及相應(yīng)的控制器和通道。2023/2/6843.設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序。其基本任務(wù)是用于實現(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I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動程序還應(yīng)能及時響應(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)的中斷處理程序進行處理。對于設(shè)置了通道的計算機系統(tǒng),設(shè)備處理程序還應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請求,自動地構(gòu)成通道程序。2023/2/6854.設(shè)備獨立性和虛擬設(shè)備(1)設(shè)備獨立性 應(yīng)用程序獨立于物理設(shè)備,使得用戶編制的程序與實際使用的物理設(shè)備無關(guān)。(2)虛擬設(shè)備功能 每次僅允許一個進程使用的物理設(shè)備,變?yōu)槟堋巴瑫r”供多個進程共享的設(shè)備。(即多個對應(yīng)的邏輯設(shè)備)2023/2/6861.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機管理功能1.4.2存儲器管理功能1.4.3設(shè)備管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5用戶接口2023/2/6871.4.4文件管理功能1.文件存儲空間