一、操作系統(tǒng)緒論

一、緒論1.操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1操作系統(tǒng)(OS)的定義(1)有哪些OSWindows、Linux、Mac、Android。(2)OS能做什么各種命令：dir(相當(dāng)于linux下的ls)、copy、del(刪除文件)、format(格式化磁盤或分區(qū))。啟動(dòng)、結(jié)束用戶程序。系統(tǒng)調(diào)用：例如INT指令。UNIX等提供多任務(wù)、多用戶環(huán)境。(3)OS不能做什么不做文檔編輯、不做房屋設(shè)計(jì)、不是編譯程序、...。(4)OS是什么OS是直接控制和管理計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源，合理地對(duì)各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度，方便用戶使用的程序集合。1.2OS在計(jì)算機(jī)中的地位1.3OS的目標(biāo)目前存在著多種類型OS，不同類型OS其目標(biāo)各有所側(cè)重。通常計(jì)算機(jī)硬件上配置OS的目標(biāo)有以下幾點(diǎn)：(1)方便性：方便用戶操縱計(jì)算機(jī)。(2)有效性：第一層含義是提高系統(tǒng)資源利用率；第二層含義是提高系統(tǒng)吞吐量。(3)可擴(kuò)充性：隨著硬件的發(fā)展，OS具有可擴(kuò)充性。例如出現(xiàn)了網(wǎng)卡，OS功能有了進(jìn)一步發(fā)展。(4)開(kāi)放性(兼容性)：兼容不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備。1.4OS的作用(1)作為用戶和計(jì)算機(jī)硬件間的接口OS處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過(guò)OS來(lái)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(2)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理。(3)實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象。1.5推動(dòng)OS發(fā)展的主要?jiǎng)恿?1)不斷提高計(jì)算機(jī)資源的利用率(2)方便用戶(3)元器件的不斷更新?lián)Q代(例如內(nèi)存地址位數(shù)的擴(kuò)展，操作系統(tǒng)也需要更新?lián)Q代)(4)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展(多CPU的出現(xiàn))2.操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程2.1無(wú)OS2.1.1人工操作方式1946-50年代中：電子管時(shí)代，計(jì)算機(jī)速度慢；計(jì)算資源昂貴，集中計(jì)算，無(wú)操作系統(tǒng)。工作方式：用戶：既是程序員又是操作員；用戶是專業(yè)人員。輸入輸出：紙帶或卡片。缺點(diǎn)：用戶獨(dú)占全機(jī)，CPU等待人工操作。2.1.2脫機(jī)I/O方式優(yōu)點(diǎn)：(1)減少了CPU的空閑時(shí)間(2)提高了I/O速度2.2有OS2.2.1批處理系統(tǒng)用戶使用系統(tǒng)提供的作業(yè)控制語(yǔ)言(JCL)描述自己對(duì)作業(yè)運(yùn)行的控制意圖，并將這些控制信息連同作業(yè)一起提交給計(jì)算機(jī)。由OS去控制、調(diào)度各作業(yè)的運(yùn)行并輸出結(jié)果。由于作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)后用戶不再干預(yù)，從而提高了效率?？刂浦笇?duì)單個(gè)作業(yè)的管理和指揮；調(diào)度指在多個(gè)作業(yè)之間分配和管理計(jì)算資源的過(guò)程。設(shè)計(jì)目標(biāo)：提高系統(tǒng)資源的使用效率。提高作業(yè)吞吐量。(1)單道批處理系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)的連續(xù)處理，需要先把一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序(Monitor)，在它的控制下，使這批作業(yè)能一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)處理。單道批處理系統(tǒng)的特征：自動(dòng)性、順序性、單道性。單道批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)：系統(tǒng)中的資源得不到充分的利用。這是因?yàn)樵趦?nèi)存中僅有一道程序，每逢該程序在運(yùn)行中發(fā)出I/O請(qǐng)求后，CPU便處于等待狀態(tài)，必須在其I/O完成后才繼續(xù)運(yùn)行。又因I/O設(shè)備的低速性，更使CPU的利用率顯著降低。如下圖所示為單道程序的運(yùn)行情況，在t2～t3、t6～t7時(shí)間間隔內(nèi)CPU空閑。(2)多道批處理系統(tǒng)在多道批處理系統(tǒng)中，用戶提交的作業(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和軟硬系統(tǒng)中的各種資源。后備隊(duì)列按照某種規(guī)則存放，如先來(lái)先到，或優(yōu)先級(jí)別。硬件系統(tǒng)的資源：CPU、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備(如硬盤、打印機(jī)和網(wǎng)絡(luò)接口等)、其他硬件資源(如系統(tǒng)總線)。軟件系統(tǒng)的資源：操作系統(tǒng)服務(wù)、共享庫(kù)和程序、數(shù)據(jù)資源。所以為了進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，在20世紀(jì)60年代中期引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，將多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于批處理系統(tǒng)由此形成多道批處理系統(tǒng)。多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)是一種軟件技術(shù)。多道批處理系統(tǒng)的特征：多道性、無(wú)序性、調(diào)度性。多道程序運(yùn)行，系統(tǒng)性能明顯改善。優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大。缺點(diǎn)：周轉(zhuǎn)時(shí)間變長(zhǎng)(周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從程序發(fā)出I/O請(qǐng)求到I/O完成的時(shí)間，可能存在多個(gè)程序競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)資源，從而導(dǎo)致周轉(zhuǎn)時(shí)間變長(zhǎng))、無(wú)交互能力(無(wú)法中斷執(zhí)行程序)。多道批處理系統(tǒng)是一種十分有效但又非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為使系統(tǒng)多道程序間能協(xié)調(diào)地運(yùn)行，系統(tǒng)必須解決下述一系列問(wèn)題：(1)處理機(jī)爭(zhēng)用問(wèn)題。既要滿足各道程序運(yùn)行需要，又要提高處理機(jī)利用率。(2)內(nèi)存分配和保護(hù)問(wèn)題。系統(tǒng)應(yīng)為每道程序分配必要的內(nèi)存空間，使它們"各得其所"；且不會(huì)因某道程序出現(xiàn)異常情況而破壞其它程序。(3)I/O設(shè)備分配問(wèn)題。系統(tǒng)應(yīng)采取適當(dāng)策略分配系統(tǒng)中的I/O設(shè)備，以達(dá)到既能方便用戶對(duì)設(shè)備的使用，又能提高設(shè)備利用率的目的。(4)文件的組織和管理問(wèn)題。系統(tǒng)應(yīng)能有效組織存放在永久性存儲(chǔ)介質(zhì)中的大量程序和數(shù)據(jù)，使它們既便于用戶使用，又能保證數(shù)據(jù)的安全性。(5)作業(yè)管理問(wèn)題。系統(tǒng)中存在著各種作業(yè)(應(yīng)用程序)，系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)所有作業(yè)進(jìn)行合理組織，以滿足這些作業(yè)用戶的不同要求。(6)用戶與系統(tǒng)的接口問(wèn)題。為使用戶能方便的使用操作系統(tǒng)，OS還應(yīng)提供用戶與OS之間的接口。程序是靜態(tài)代碼的集合，操作系統(tǒng)通過(guò)變成進(jìn)程來(lái)執(zhí)行程序。作業(yè)是完成特定任務(wù)的一個(gè)或一組程序，由操作系統(tǒng)管理和調(diào)度。2.2.2分時(shí)系統(tǒng)(Time-SharingSystem)(1)一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接多個(gè)終端，用戶通過(guò)各自的終端把作業(yè)送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)又通過(guò)終端向各個(gè)用戶報(bào)告其作業(yè)的運(yùn)行情況。(2)計(jì)算機(jī)能分時(shí)輪流地為各終端用戶服務(wù)，并能及時(shí)地對(duì)用戶服務(wù)請(qǐng)求予以響應(yīng)。目標(biāo)：對(duì)用戶的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)；盡量提高系統(tǒng)資源的利用率。分時(shí)系統(tǒng)基本特征：(1)多路性(含有多個(gè)終端)(2)獨(dú)立性(各個(gè)終端的執(zhí)行互不影響)(3)及時(shí)性(在某個(gè)時(shí)間內(nèi)響應(yīng))(4)交互性(在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)一定會(huì)結(jié)束)2.2.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-TimeSystem)提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)外部發(fā)生事件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行處理。(1)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)能盡快處理測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，以盡快實(shí)施響應(yīng)控制。如：工業(yè)控制、導(dǎo)彈發(fā)射、飛機(jī)飛行。(2)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)能對(duì)終端設(shè)備發(fā)來(lái)的服務(wù)請(qǐng)求及時(shí)予以正確回答。如：訂票系統(tǒng)、股票交易系統(tǒng)。實(shí)時(shí)任務(wù)按任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否呈現(xiàn)周期性劃分：周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。都必須聯(lián)系著一個(gè)截止時(shí)間(Deadline)。開(kāi)始截止時(shí)間——任務(wù)在某時(shí)間以前必須開(kāi)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。根據(jù)對(duì)截止時(shí)間的要求來(lái)劃分：硬實(shí)時(shí)任務(wù)(hardreal-timetask)。系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對(duì)截止時(shí)間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的結(jié)果。軟實(shí)時(shí)任務(wù)(Softreal-timetask)。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(guò)了任務(wù)的截止時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不會(huì)太大。實(shí)時(shí)系統(tǒng)基本特征：快速的響應(yīng)時(shí)間。有限的交互能力(交互能力位于批處理與分時(shí)任務(wù)之間)。高可靠性。2.2.4三種基本操作系統(tǒng)的比較3.操作系統(tǒng)的基本特性(1)并發(fā)(Concurrence)并發(fā)：指在一段時(shí)間內(nèi)宏觀上有兩個(gè)或兩個(gè)以上事件同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)交替執(zhí)行。并行：指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生(宏觀上同時(shí)，微觀上同時(shí))。(2)共享(Sharing)系統(tǒng)中資源供內(nèi)存中多道程序共同使用。(3)虛擬(Virtual)技術(shù)通過(guò)某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變成若干個(gè)邏輯上對(duì)應(yīng)物。時(shí)分復(fù)用技術(shù)(將CPU時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片，輪流為多個(gè)程序提供服務(wù))，分時(shí)系統(tǒng)將一機(jī)虛擬為多機(jī)。虛擬處理機(jī)技術(shù)：例，計(jì)算機(jī)將CPU時(shí)間分成小片段，每個(gè)用戶輪流獲得一小段時(shí)間來(lái)運(yùn)行其任務(wù)。系統(tǒng)通過(guò)這種快速切換，使得每個(gè)用戶都感覺(jué)到他們仿佛擁有存儲(chǔ)、輸入輸出設(shè)備等資源，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)度算法高效管理這些資源?？辗謴?fù)用技術(shù)(將整個(gè)磁盤分為邏輯上的C盤、D盤、E盤、F盤)。(4)異步性(Asynchronism)由于資源共享，系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行的多道進(jìn)程"走走停停"，以不可預(yù)知速度向前推進(jìn)。異步性特征是并發(fā)和共享帶來(lái)的結(jié)果。4.操作系統(tǒng)的主要功能4.1處理機(jī)管理功能4.1.1進(jìn)程控制在傳統(tǒng)多道程序環(huán)境下，進(jìn)程控制是操作系統(tǒng)管理計(jì)算資源的關(guān)鍵部分。多道程序：操作系統(tǒng)可以同時(shí)加載多個(gè)程序到內(nèi)存中，并在它們之間進(jìn)行切換以實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行。(1)創(chuàng)建進(jìn)程：當(dāng)一個(gè)作業(yè)(job)需要運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)首先為它創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程。(2)分配資源：創(chuàng)建進(jìn)程后，操作系統(tǒng)會(huì)為其分配必要資源，這可能包括內(nèi)存空間、輸入輸出設(shè)備、文件句柄等。資源的分配使得進(jìn)程能夠執(zhí)行其任務(wù)。(3)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換：在進(jìn)程生命周期中，它會(huì)經(jīng)歷幾種狀態(tài)，如新建(new)、就緒(ready)、運(yùn)行(running)、等待/阻塞(waiting/blocked)和結(jié)束(terminated)。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以確保系統(tǒng)資源的有效使用和進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)。(4)撤消進(jìn)程：當(dāng)進(jìn)程完成其任務(wù)或因其他原因需要結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)撤消該進(jìn)程，更改其狀態(tài)為終止?fàn)顟B(tài)，并在進(jìn)程控制塊(PCB)中記錄相關(guān)信息。(5)資源回收：進(jìn)程撤消后，操作系統(tǒng)會(huì)回收它所占用的資源，如內(nèi)存、設(shè)備、文件句柄等，使其可供其他進(jìn)程使用。4.1.2進(jìn)程同步為確保多個(gè)進(jìn)程能夠有條不紊地運(yùn)行，操作系統(tǒng)引入了同步機(jī)制。同步機(jī)制是為了解決進(jìn)程間沖突和協(xié)調(diào)問(wèn)題，特別是在涉及共享資源和執(zhí)行順序。有兩種協(xié)調(diào)方式：(1)進(jìn)程互斥(MutualExclusion)目的：進(jìn)程互斥的目的是防止多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)臨界資源(如共享數(shù)據(jù)、設(shè)備等)。實(shí)現(xiàn)方式：常用的實(shí)現(xiàn)方法包括鎖(如互斥鎖、信號(hào)量)、監(jiān)視器等。這些方法能夠確保在任何時(shí)刻，只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)臨界資源。應(yīng)用場(chǎng)景：例如，當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程都需要寫(xiě)入同一個(gè)文件數(shù)據(jù)時(shí)，互斥機(jī)制可以防止數(shù)據(jù)沖突或損壞。(2)進(jìn)程同步(Synchronization)目的：進(jìn)程同步的目的是協(xié)調(diào)合作進(jìn)程間的執(zhí)行順序，以確保按照特定順序完成任務(wù)。實(shí)現(xiàn)方式：可以通過(guò)條件變量、信號(hào)量、屏障(barriers)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些機(jī)制可以使一個(gè)進(jìn)程在特定條件得到滿足之前等待，或者在繼續(xù)執(zhí)行前等待其他進(jìn)程達(dá)到某個(gè)狀態(tài)。應(yīng)用場(chǎng)景：例如，在一個(gè)由多階段組成的流水線處理任務(wù)中，一個(gè)階段的輸出可能是下一個(gè)階段的輸入，進(jìn)程同步確保了數(shù)據(jù)在各階段之間正確地傳遞。綜合來(lái)說(shuō)，進(jìn)程互斥和進(jìn)程同步是操作系統(tǒng)用以管理和協(xié)調(diào)多個(gè)并發(fā)進(jìn)程的基本機(jī)制。它們確保了系統(tǒng)資源的有效利用，避免了數(shù)據(jù)沖突，并協(xié)調(diào)了進(jìn)程間的工作流程。4.1.3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)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(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(線程)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，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)程把計(jì)算結(jié)果打印出來(lái)。進(jìn)程通信的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)相互合作進(jìn)程之間的信息交換。4.1.4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(guò)調(diào)度才能執(zhí)行。在傳統(tǒng)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)列中按照一定算法，選擇出若干作業(yè)，為它們分配其必需的資源(首先是分配內(nèi)存，分配的資源不包括CPU)。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)行現(xiàn)場(chǎng)，使進(jìn)程投入執(zhí)行。4.2存儲(chǔ)器管理功能4.2.1內(nèi)存分配OS實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配有靜態(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；在作業(yè)裝入后的整個(gè)運(yùn)行期間，不允許該作業(yè)再申請(qǐng)新的內(nèi)存空間，也不允許作業(yè)在內(nèi)存中"移動(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)存空間是在裝入時(shí)確定，但允許作業(yè)在運(yùn)行過(guò)程中，繼續(xù)申請(qǐng)新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)增漲，也允許作業(yè)在內(nèi)存中"移動(dòng)"。為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，在內(nèi)存分配機(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(duì)于用戶不再需要的內(nèi)存，通過(guò)用戶的釋放請(qǐng)求，去完成內(nèi)存回收功能。4.2.2內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)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(yùn)行，彼此互不干擾。為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(jiǎn)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(duì)每條指令所要訪問(wèn)的地址進(jìn)行檢查，如果發(fā)生越界，便發(fā)出越界中斷請(qǐng)求，以停止該程序的執(zhí)行。4.2.3地址映射一個(gè)應(yīng)用程序(源程序)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(guò)鏈接形成一個(gè)可裝入程序。這些程序的地址都是從"0"開(kāi)始，程序中其它地址都是相對(duì)于起始地址計(jì)算。所形成的地址范圍稱為"地址空間"，其中的地址稱為"邏輯地址"或"相對(duì)地址"。此外，由內(nèi)存中一系列單元所限定的地址范圍稱為"內(nèi)存空間"，其中的地址稱為"物理地址"。在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從"0"地址開(kāi)始裝入(內(nèi)存)，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一致。為使程序能正確運(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)換為內(nèi)存空間中與之對(duì)應(yīng)的物理地址。該功能應(yīng)在硬件支持下完成。4.2.4內(nèi)存擴(kuò)充存儲(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，讓更多用戶程序能并發(fā)運(yùn)行，使用戶感覺(jué)到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多。這樣，既滿足了用戶改善系統(tǒng)性能的需要，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)必須具有下述功能實(shí)現(xiàn)內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制：(1)請(qǐng)求調(diào)入功能。(2)置換功能。4.3設(shè)備管理功能設(shè)備管理用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有外圍設(shè)備，設(shè)備管理的主要任務(wù)是：(1)處理用戶進(jìn)程提出的I/O請(qǐng)求。通常涉及到從用戶空間接收I/O命令，轉(zhuǎn)換為設(shè)備可理解的形式，并確保數(shù)據(jù)正確地傳輸?shù)交驈脑O(shè)備傳輸回來(lái)。(2)為用戶進(jìn)程分配其所需I/O設(shè)備。通常涉及到處理設(shè)備的共享和競(jìng)爭(zhēng)，確保多個(gè)進(jìn)程可以有效使用設(shè)備資源。(3)提高CPU和I/O設(shè)備利用率。通過(guò)有效的設(shè)備管理和調(diào)度，操作系統(tǒng)可以最大限度地提高CPU和I/O設(shè)備的利用率。(4)通過(guò)各種技術(shù)提高I/O操作的速度。如緩沖機(jī)制。(5)方便用戶使用I/O設(shè)備。設(shè)備管理器為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、抽象的接口與復(fù)雜的硬件設(shè)備交互，使用戶不必關(guān)心設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。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)備分配、設(shè)備處理以及虛擬設(shè)備等功能。4.3.1緩沖管理CPU運(yùn)行的高速性和I/O的低速性間矛盾自計(jì)算機(jī)誕生時(shí)便已存在。隨著CPU速度迅速大幅度提高，此矛盾更為突出，嚴(yán)重降低了CPU的利用率。如果在I/O設(shè)備和CPU之間引入緩沖，則可有效緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量。因此，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，都毫無(wú)例外地在內(nèi)存中設(shè)置了緩沖區(qū)。最常見(jiàn)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)使用的公用緩沖池機(jī)制。4.3.2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(qǐng)求、系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況以及按照某種設(shè)備分配策略，為其分配所需設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間存在設(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(duì)不同的設(shè)備類型而采用不同的設(shè)備分配方式。對(duì)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。4.3.3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(lái)的中斷請(qǐng)求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。處理過(guò)程是：設(shè)備處理程序首先檢查I/O請(qǐng)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(lái)的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)該中斷請(qǐng)求的類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。對(duì)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(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。4.4文件管理功能(程序和數(shù)據(jù))4.4.1文件存儲(chǔ)空間的管理由文件系統(tǒng)對(duì)諸多文件及文件的存儲(chǔ)空間實(shí)施統(tǒng)一管理，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(duì)存儲(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(duì)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512B~8KB。4.4.2目錄管理為了使用戶能方便地在外存上找到自己所需文件，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(duì)眾多的目錄項(xiàng)加以有效的組織，以實(shí)現(xiàn)方便的按名存取。即用戶只須提供文件名，即可對(duì)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(duì)文件的檢索速度。4.4.3文件的讀/寫(xiě)管理和保護(hù)(1)文件的讀/寫(xiě)管理。該功能是根據(jù)用戶的請(qǐng)求，從外存中讀取數(shù)據(jù)；或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入外存。在進(jìn)行文件讀(寫(xiě))時(shí)，系統(tǒng)先根據(jù)用戶給出的文件名，去檢索文件目錄，獲得文件在外存中的位置。然后，利用文件讀(寫(xiě))指針，對(duì)文件進(jìn)行讀(寫(xiě))。一旦讀(寫(xiě))完成，便修改讀(寫(xiě))指針，為下一