1、第3章 操作系統(tǒng)基礎 操作系統(tǒng)概述 操作系統(tǒng)的功能模塊 典型操作系統(tǒng)概述本章要點什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(Operating System，OS)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，為用戶提供一個功能強大、使用方便和可擴展的工作環(huán)境。它是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件功能的擴充。操作系統(tǒng)在整個計算機系統(tǒng)中具有極其重要的特殊地位，它不僅是硬件與其他軟件系統(tǒng)的接口，也是用戶和計算機之間進行“交流”的界面。 操作系統(tǒng)概述裸 機什么是操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)與計算機硬件、軟件和用戶的關系操作系統(tǒng) 編輯器、編譯器等系統(tǒng)軟件 各種應用程序軟件 操作系統(tǒng)的發(fā)

2、展歷程手工操作階段單道批處理系統(tǒng) 多道批處理系統(tǒng) 分時系統(tǒng)實時系統(tǒng) 通用操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)性：在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內，計算機中有多個程序在同時運行。共享性：是指多個并發(fā)執(zhí)行的程序可以共享系統(tǒng)中的資源。 虛擬性：是指通過虛擬技術把一個物理實體變?yōu)槎鄠€邏輯上的對應物。物理實體是實際存在的，而邏輯上的對應物是虛的，是用戶感覺上的東西。通過虛擬技術，可以實現(xiàn)虛擬處理器、虛擬內存、虛擬外部設備等。異步性：程序執(zhí)行順序、完成時間等都是不可預知的 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的基本功能操作系統(tǒng)用戶接口處理器管理存儲器管理設備管理文件管理 操作系統(tǒng)概

3、述進程及處理器管理進程: 進程是執(zhí)行起來的程序，是系統(tǒng)進行資源調度和分配的一個獨立單位。進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊(PCB)三部分組成。 操作系統(tǒng)的功能模塊 在多道程序環(huán)境下，處理器的分配和運行都是以進程為基本單位，因此對處理器的管理實際上就是對進程的管理。 進程及處理器管理其中：程序是用于描述進程所要完成的功能； 數(shù)據(jù)是進程執(zhí)行時的操作對象； PCB包含了有關進程的描述信息、控制信息以及資源信息量，是進程的標志。操作系統(tǒng)就是通過PCB實現(xiàn)對進程的控制和管理。PCB存于系統(tǒng)空間，只有操作系統(tǒng)能夠對其存取，用戶程序是不能訪問的，實際上用戶甚至感覺不到PCB的存在。 操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處

4、理器管理操作系統(tǒng)的功能模塊 進程的基本特性： 動態(tài)性 并發(fā)性 獨立性 異步性 結構特征 制約性進程的狀態(tài)及其轉換 在任何時刻，任何進程都處于以下三種基本狀態(tài)之一。 就緒狀態(tài)。進程已經(jīng)獲得除CPU之外的其他資源，只要再獲得CPU，就立即執(zhí)行的狀態(tài)。在多道程序環(huán)境下，可能有多個處于就緒狀態(tài)的進程，通常將它們排成一隊，稱為就緒隊列。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理 執(zhí)行狀態(tài)。進程獲得了需要的所有資源正在處理器上執(zhí)行的狀態(tài)。對單CPU系統(tǒng)中，任一時刻處于執(zhí)行狀態(tài)的進程只能有一個，對多處理器系統(tǒng)來說，則可能有多個進程處于執(zhí)行狀態(tài)。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程的狀態(tài)及其轉換 阻塞狀態(tài)，也稱

5、為等待狀態(tài)。阻塞狀態(tài)是指正在執(zhí)行的進程由于發(fā)生某事件而暫時無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。處于等待狀態(tài)的進程也可能有多個，組成等待隊列。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程的狀態(tài)及其轉換 就緒等待運行調度I/O完成I/O等待時間片到操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程的狀態(tài)及其轉換 進程與程序程序是進程的軀體，是進程的組成部分，一個進程存在的目的就是執(zhí)行其所對應的程序，沒有程序，進程就失去了其存在的意義。但進程與程序不一一對應。一個程序可以多次執(zhí)行，可以產生多個不同的進程。一個進程也可以對應多個程序。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程與程序程序是靜態(tài)的，它描述的是靜態(tài)的指令集合及相關的數(shù)據(jù)結

6、構，程序可以脫離機器長期保存，即使不執(zhí)行的程序也是存在的，所以程序是無生命的。而進程是動態(tài)的，它描述程序執(zhí)行起來的動態(tài)行為，所以進程有生存期，有創(chuàng)建后存在、撤銷后消亡的特性。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程與程序程序不具有并發(fā)性，不占用CPU、存儲器及輸入輸出設備等系統(tǒng)資源，所以不會受到其他程序的制約和影響。而進程具有并發(fā)性，在并發(fā)執(zhí)行時，由于需要使用系統(tǒng)資源，受到其他進程的制約和影響。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程控制進程從一個狀態(tài)轉換到另一個狀態(tài)都是在操作系統(tǒng)的控制下進行。這種控制通過原語來實現(xiàn)。所謂原語是機器指令的延伸，它是由若干條機器指令構成的用于完成特定功能的一段程

7、序。為了保證操作的正確性，規(guī)定在一個原語執(zhí)行期間不許插入任何其他操作。用于進程控制的原語主要有創(chuàng)建原語、撤銷原語、等待原語和喚醒原語等。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理 創(chuàng)建原語。一般在操作系統(tǒng)中，都采用樹型結構來表示進程之間的關系。一個進程可以創(chuàng)建若干個新進程，創(chuàng)建者稱為父進程，被創(chuàng)建者稱為子進程。父進程為完成指定的任務創(chuàng)建若干子進程，子進程也可以再去創(chuàng)建自已的子進程，如此下去，構成一個進程家族。創(chuàng)建進程的主要任務就是建立進程控制塊PCB。 撤銷原語。若干個進程在完成指定的任務后或因某種原因不再需要時由撤銷原語將其撤銷，以便釋放它所占用的資源。撤銷進程的本質就是刪除進程控制快PCB。操作

8、系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程控制 等待原語。一個處于執(zhí)行狀態(tài)的進程因等待某一事件(如等待輸人輸出完成、等待另一進程發(fā)來消息等)而中止執(zhí)行時，可使用等待原語將自己轉變?yōu)榈却隣顟B(tài)。 喚醒原語。處于等待狀態(tài)而暫停執(zhí)行的進程，當其所等待的事件出現(xiàn)或所受的制約消失時，由喚醒原語將其喚醒，變換為就緒狀態(tài)。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程控制進程調度 進程調度即處理器調度。進程調度的任務是為了控制、協(xié)調進程對CPU的競爭，按照一定的調度算法使就緒狀態(tài)的某一進程獲得CPU，使該進程轉換成運行狀態(tài)。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程調度 幾種進程調度算法 先來先服務法。進程調度總是把處理機

9、分配給最先進入就緒隊列的進程。剛進入就緒隊列的進程排在隊尾，每次調度總是從就緒隊列中，選擇隊頭進程為之分配處理機，使之投入運行。該進程一直運行到完成或發(fā)生某事件而阻塞后，才放棄處理機。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理進程調度 最高優(yōu)先權優(yōu)先調度法。進程調度總是把CPU分配給就緒隊列中具有最高優(yōu)先權的進程。最高優(yōu)先權可在進程創(chuàng)建時設定，并在進程的生存期內保持不變。也可在進程創(chuàng)建時給一個初值，隨進程的推進或隨其等待時間的增加而改變。前者稱為靜態(tài)優(yōu)先權，后者稱為動態(tài)優(yōu)先權。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程及處理器管理 時間片輪轉法。時間片輪轉法主要在分時系統(tǒng)中采用。系統(tǒng)將所有就緒進程按先來先服務的原則排

10、成一個隊列，每次調度時，將CPU的使用權分配給隊頭進程，并令其執(zhí)行一個時間片。所謂時間片是指系統(tǒng)規(guī)定進程每次執(zhí)行的最長時間(例如100 ms)，處于執(zhí)行狀態(tài)的進程時間片用完后即被剝奪CPU的使用權，并排到就緒隊列的末尾。操作系統(tǒng)的功能模塊 進程調度 進程及處理器管理存儲器管理存儲器管理的主要對象是內存。計算機的內存空間一般分為系統(tǒng)存儲區(qū)和用戶存儲區(qū)兩個部分，系統(tǒng)存儲區(qū)存放操作系統(tǒng)以及一些標準子程序和例行程序，用戶存儲區(qū)存放用戶的程序和數(shù)據(jù)，存儲管理實際上是對用戶存儲區(qū)的管理。操作系統(tǒng)的功能模塊 (1) 內存分配與回收 內存分配有靜態(tài)分配和動態(tài)分配兩種方式。在現(xiàn)代多道程序系統(tǒng)中，主要采用動態(tài)分配

11、方式。(2) 內存空間的共享與保護 內存空間的共享:是指兩個或多個進程共用內存中相同的區(qū)域。共享的目的是節(jié)省內存空間，同時還可以實現(xiàn)進程間的通信。 內存保護:在多道程序運行的環(huán)境下，為避免內存中若干道程序間的相互干擾，必須對內存采取保護措施。操作系統(tǒng)的功能模塊 存儲器管理存儲器管理的任務(3)地址變換 對于用戶程序經(jīng)過編譯或匯編后形成的目標代碼，通常采用的是相對地址形式，首地址為零，這個相對地址稱為邏輯地址或虛擬地址。內存中某個存儲單元的編號稱為物理地址。 地址變換，也被稱為地址重定位，是指當系統(tǒng)將用戶程序裝入內存時，為確保CPU執(zhí)行程序指令時能正確地訪問內存單元，需要將用戶程序的邏輯地址轉換

12、為內存中的物理地址的過程。地址重定位分為靜態(tài)重定位和動態(tài)重定位。 (4)內存擴充 內存擴充是指將外存作為內存的擴充部分提供給程序使用，使程序得到比實際內存容量大得多的“內存”空間。操作系統(tǒng)的功能模塊 存儲器管理存儲器管理的任務存儲管理的方法 1) 單一連續(xù)分配存儲管理 這是最簡單的一種存儲管理方式，只適用于單用戶、單任務的操作系統(tǒng)。 2) 分區(qū)存儲管理 分區(qū)存儲管理的基本原理是給內存中的每一個運行的進程劃分一塊適當大小的存儲區(qū)，以連續(xù)存儲各程序的進程和數(shù)據(jù)，使各進程能并發(fā)執(zhí)行。按分區(qū)的時機，分區(qū)存儲管理分為固定分區(qū)和動態(tài)分區(qū)。3) 虛擬存儲管理 虛擬存儲技術的基本思想是把有限的內存空間與大容量

13、的外存統(tǒng)一管理起來，構成一個遠大于實際內存的、虛擬的存儲器。 操作系統(tǒng)的功能模塊 存儲器管理文件管理文件管理就是把存儲、檢索、共享和保護文件的手段，提供給操作系統(tǒng)本身和用戶，以達到方便用戶和提高資源利用率的目的。文件管理的主要任務是實現(xiàn)按名存取，實現(xiàn)對文件的共享、保護和保密，保證文件的安全性；并提供給用戶一套方便操作文件的命令操作系統(tǒng)的功能模塊 文件管理文件系統(tǒng) 文件系統(tǒng)就是管理和操作文件的系統(tǒng)，它的任務就是組織管理各種文件，并在此基礎上實現(xiàn)文件的各種操作。所謂文件是指存儲在計算機外存儲介質上的相關信息的集合。是用戶存儲、查詢和管理信息的一種方式。每一個文件一旦創(chuàng)建，就有唯一的一個標識符即文件

14、名來標識它。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件系統(tǒng)及文件的分類 文件管理文件的分類 按文件性質和用途可分為系統(tǒng)文件、用戶文件和庫文件。 按文件的操作保護可分為只讀文件、讀寫文件、執(zhí)行文件和不保護文件。 按文件中的數(shù)據(jù)形式可分為源文件、目標文件和可執(zhí)行文件。 操作系統(tǒng)的功能模塊 文件系統(tǒng)及文件的分類 文件的邏輯結構和物理結構文件的邏輯結構 文件的邏輯結構反映了文件的組織方式。文件的邏輯結構分為兩大類：一類是記錄式的有結構文件，它由若干個相關記錄組成。例如，數(shù)據(jù)庫文件。另一類是字符流式的無結構文件，它是指由字符流組成的文件，其基本信息單位是字節(jié)或字。例如，大量的源程序、庫函數(shù)文件。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件管

15、理文件的邏輯結構和物理結構文件的物理結構 文件的物理結構是指文件在外存上的存儲形式，與存儲介質的存儲性能有關。為了有效地管理存儲空間，通常把文件存儲設備(如磁盤)劃分為大小相等的物理塊，以物理塊作為存儲分配的基本單位。例如，一個物理塊為1024個字節(jié)或512個字節(jié)。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件管理常見的文件物理結構形式： 連續(xù)文件。其特點是文件存放在存儲設備的相鄰的物理塊中，即連續(xù)存放。 串聯(lián)文件。它采用非連續(xù)的物理塊來存放文件信息，每一個物理塊都有一個指針，塊之間通過指針鏈接。 索引文件。要求系統(tǒng)為每一個文件建立一張索引表，表中每一欄目指出文件的邏輯塊號和與之對應的物理塊號。索引表的物理地址則由

16、文件說明信息項給出。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件的邏輯結構和物理結構文件管理文件目錄 文件控制塊 在文件系統(tǒng)中采用文件控制塊(FCB)來管理和標識文件。FCB包括了文件名、文件類型、存儲位置、長度、訪問權限、文件建立日期和時間等。在文件系統(tǒng)中，每個文件在FCB中都有一個目錄項。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件管理文件目錄 文件目錄結構 文件目錄結構的組織，關系到文件系統(tǒng)的存取速度、共享性和安全性。目前常用的目錄結構形式有單級目錄、二級目錄和多級目錄。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件管理單級目錄結構 這是最簡單的目錄結構，在整個系統(tǒng)中只建立一個目錄表，每個文件占一個目錄項。單級目錄結構雖然簡單，但是查找速度慢、不允

17、許文件重名，不便于實現(xiàn)文件共享。因而只適用于單用戶環(huán)境。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件目錄 文件管理二級目錄結構 在整個系統(tǒng)中建立兩級目錄表：一級是主文件目錄表(Master File Directory，MFD)，每個用戶目錄文件占一個目錄項，目錄項中包括用戶名以及指向該用戶目錄文件的指針。二級是為每一個用戶建立一個單獨的用戶文件目錄表(User File Directory，UFD)，由用戶所有文件的文件控制塊組成。 操作系統(tǒng)的功能模塊 文件目錄 文件管理多級目錄結構 多級目錄構成了樹形結構，第一級目錄稱為根目錄，其他目錄為子目錄。 在樹形目錄結構中，從根目錄到任何數(shù)據(jù)文件，只有唯一的路徑，用戶

18、要訪問某個文件時往往使用該文件的路徑名來標記文件。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件目錄 文件管理多級目錄結構 文件的路徑名又分絕對路徑和相對路徑；絕對路徑是指從根目錄出發(fā)到指定文件所在位置的路徑；相對路徑是從當前目錄出發(fā)到指定文件所在位置的路徑。當前目錄是用戶正在使用的目錄。操作系統(tǒng)的功能模塊 文件目錄 文件管理文件的存取控制 存取控制可采用存取控制矩陣、存取控制表、口令和密碼的方法進行存取驗證，以確定用戶權限。 操作系統(tǒng)的功能模塊 文件管理設備管理設備管理的對象主要是指所有輸入輸出(I/O)設備、控制器和通道。設備管理的目的是完成用戶提出的I/O請求，讓用戶方便有效地使用I/O設備，同時提高設備的利

19、用率以及提高CPU與I/O設備之間的并行工作能力。操作系統(tǒng)的功能模塊 設備管理設備管理的任務就是負責控制和操縱所有I/O設備，實現(xiàn)不同類型的I/O設備之間、I/O設備與CPU之間、I/O設備與通道和I/O設備與控制器之問的數(shù)據(jù)傳輸，使它們能協(xié)調地工作，為用戶提供高效、便捷的I/O操作服務。 操作系統(tǒng)的功能模塊 設備管理的任務和功能 設備管理設備管理功能應具有緩沖區(qū)管理、設備分配和設備處理等。緩沖區(qū)管理負責緩沖區(qū)的分配、釋放及有關的管理工作；設備分配是根據(jù)用戶進程的I/O請求、系統(tǒng)現(xiàn)有資源情況以及按照某種設備分配策略，為之分配其所需的設備。設備處理是用于實現(xiàn)CPU和設備控制器之間的通信。操作系統(tǒng)

20、的功能模塊 設備管理的任務和功能 設備管理按傳輸速度的高低，I/O設備分為低速設備、中速設備和高速設備三類按資源特點，I/O設備分為獨占設備、共享設備和虛擬設備三類。 按信息交換的單位，I/O設備分為塊設備和字符設備兩類。 操作系統(tǒng)的功能模塊 I/O設備分類數(shù)據(jù)傳送控制方式常用的傳送數(shù)據(jù)的方式有：程序直接控制方式、中斷控制方式、直接存儲器存取方式(DMA)和通道方式。 程序直接控制方式：是由用戶進程來控制CPU和I/O設備的數(shù)據(jù)傳輸和操作。操作系統(tǒng)的功能模塊 設備管理數(shù)據(jù)傳送控制方式中斷控制方式: 當I/O設備需要傳輸數(shù)據(jù)時，便主動給CPU發(fā)一個中斷請求信號。只有當CPU接到I/O設備中斷請求

21、后，才處理I/O操作。這種控制方式具有支持多道程序處理和I/O設備并行操作的功能，提高了資源的利用率。但是I/O操作依賴于CPU，可能會發(fā)生因中斷次數(shù)劇增CPU無法及時響應而造成數(shù)據(jù)丟失的情況。操作系統(tǒng)的功能模塊 設備管理DMA方式：DMA方式無需CPU通過執(zhí)行程序來控制I/O數(shù)據(jù)傳輸，而是由DMA控制器硬件來控制數(shù)據(jù)在I/O設備與內存之間直接傳輸。這種傳輸方式傳輸速度快，占用CPU資源也低。操作系統(tǒng)的功能模塊 數(shù)據(jù)傳送控制方式設備管理通道控制方式：現(xiàn)代操作系統(tǒng)中采用通道控制方式。通道是一個獨立于CPU的專管輸入輸出的硬件(也稱I/O處理機)，它控制設備與內存直接進行數(shù)據(jù)交換。在采用通道方式的

22、I/O系統(tǒng)中，CPU有兩個作用：一是將I/O操作任務下達給某個通道，由通道代替CPU專門處理I/O工作；二是隨時了解通道、控制器和I/O設備工作的情況。通道控制方式采用了通道技術之后，不僅CPU與設備之間能并行工作，而且設備與設備之間也能并行工作，極大提高了資源的利用率。操作系統(tǒng)的功能模塊 數(shù)據(jù)傳送控制方式設備管理設備分配程序 在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)設備不允許用戶自行使用，必須由系統(tǒng)統(tǒng)一分配，當進程發(fā)出I/O操作申請后，設備分配程序按照一定的分配策略，把用戶指定的設備分配給該進程。設備分配的原則： 充分發(fā)揮設備的使用效率； 應避免由于不合理的分配方法造成進程死鎖； 當進程需要設備時，向系統(tǒng)發(fā)出

23、請求，由設備分配程序根據(jù)分配策略對所需設備進行分配。操作系統(tǒng)的功能模塊 設備管理設備處理程序 設備處理程序包括設備驅動程序和I/O中斷處理程序。其主要任務是直接控制設備完成實際I/O操作，當在I/O操作過程中遇到中斷請求時(如設備出現(xiàn)故障時)，負責中斷處理。 操作系統(tǒng)的功能模塊 設備管理設備處理程序應具有以下功能: 設備初始化。設備初始化使設備、控制器以及通道處于正常準備工作狀態(tài)。檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設備狀態(tài)，傳遞有關參數(shù)，設置設備工作方式，組織I/O緩沖隊列等。操作系統(tǒng)的功能模塊 設備處理程序 設備管理設備處理程序應具有以下功能: 發(fā)出I/O命令，如果設備空閑，則立即啟動I

24、/O設備去完成指定的I/O操作；如果設備處于忙碌狀態(tài)，則將該請求掛在設備隊列上等待。及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調用相應的中斷處理程序進行處理。對于設有通道的系統(tǒng)，設備處理程序應根據(jù)用戶I/O請求，自動地構成通道程序。 操作系統(tǒng)的功能模塊 設備處理程序 設備管理設備處理過程設備處理過程分為啟動過程和執(zhí)行過程啟動過程: 啟動過程的工程流程是接收I/O操作請求，檢查I/O請求的合法性，并將該請求轉換為具體操作要求，檢查設備的當前工作狀態(tài)，傳進必要的操作參數(shù)，設置設備的工作方式，最后啟動I/O設備準備執(zhí)行I/O操作。操作系統(tǒng)的功能模塊 設備處理程序 設備管理設備處理過程執(zhí)行過程: 執(zhí)行過程的工作流程是在I/O操作過程中，每當I/O設備完成一次I/O操作后.系統(tǒng)就要調用一次中斷處理程序，喚醒等待的I/O進程，保護被中斷進程的