1、101-54-1,1,第1章 操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中必不可少的、最重要的基本系統(tǒng)軟件。 操作系統(tǒng)不斷地完善與發(fā)展，被人們形象地喻為 “管家”，即計算機系統(tǒng)的管理者。 操作系統(tǒng)管理和控制了計算機系統(tǒng)的所有軟件和硬件資源，是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的靈魂和核心。 操作系統(tǒng)也為用戶提供了一個方便、靈活、安全、可靠地使用計算機的工作環(huán)境，如果讓現(xiàn)代用戶去使用一臺沒有配置操作系統(tǒng)的計算機，那是難以想象的。,101-54-2,2,第1章 操作系統(tǒng),軟件技術基礎課群“重在應用、兼顧理論”的指導思想，本章雖然涉及一些操作系統(tǒng)的基本理論，但不作詳細的展開，對操作系統(tǒng)特別感興趣的讀者，可以參看有關的操作系統(tǒng)書

2、籍。 本章將主要介紹操作系統(tǒng)在軟件中的地位，操作系統(tǒng)的形成、類型、管理功能（包括進程管理、存儲管理、設備管理和文件管理）、操作系統(tǒng)與用戶的接口等基本概念，最后簡單介紹幾種常用的操作系統(tǒng)。,101-54-3,3,1.1 操作系統(tǒng)的概念,什么是操作系統(tǒng)？通俗地講，操作系統(tǒng)相當于計算機系統(tǒng)的“管家”，而這位“管家”的主人就是計算機用戶。 計算機系統(tǒng)由兩部分系統(tǒng)資源組成，即硬件資源和軟件資源。 硬件資源通常包括中央處理單元（簡稱處理機或CPU）、存儲器（內(nèi)存、外存）和各種外部設備。 軟件資源包括系統(tǒng)軟件和應用軟件，主要是指以各種文件形式存儲的程序集合。,101-54-4,4,1.1 操作系統(tǒng)的概念,所

3、以對于操作系統(tǒng)這位“管家”而言，要管理的事務就是計算機的硬件和軟件資源，然而不只是管理硬件和軟件資源，更重要的是控制和調(diào)度好這些資源，最終為了一個目標：為計算機用戶服務。所以計算機操作系統(tǒng)是方便用戶、管理和控制計算機軟硬件資源的系統(tǒng)軟件（或程序集合）。,101-54-5,5,1.1.1 操作系統(tǒng)在軟件中的地位,從軟件方面來看，計算機軟件可以分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。計算機操作系統(tǒng)自身是一種軟件，它屬于系統(tǒng)軟件，且是最重要的、大型的系統(tǒng)軟件之一。 操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件，卻又不同于其它的系統(tǒng)軟件。 系統(tǒng)軟件大致可分為3類，即操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)和常用的例行服務程序。 操作系統(tǒng)是最底層的系統(tǒng)軟件

4、，對于任何一個通用計算機系統(tǒng)來說，可以沒有其它系統(tǒng)軟件，但決不可以沒有操作系統(tǒng)。,101-54-6,6,1.1.1 操作系統(tǒng)在軟件中的地位,一臺只有硬件的計算機稱為計算機“裸機”，在每加上一層軟件后，就變成了一臺新的、功能更強大的計算機，稱為計算機系統(tǒng)，也可稱為“虛擬計算機”。 所以計算機軟件的作用就是將原來的計算機改造成具有更強功能的計算機（虛擬計算機）。操作系統(tǒng)是加在計算機硬件上的第一層軟件，帶有操作系統(tǒng)的計算機像是在計算機“裸機”上擴充了一層“硬件”的一臺功能更強的虛擬計算機。,101-54-7,7,圖1-1 操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位,1.1.1 操作系統(tǒng)在軟件中的地位,101-54

5、-8,8,作為軟件，計算機操作系統(tǒng)實際上是一個加在計算機硬件上的自動管理軟件，在方便用戶使用計算機的前提下，管理和控制計算機軟硬件資源。 從操作系統(tǒng)為用戶服務的角度看，操作系統(tǒng)是用戶和計算機之間的接口，即用戶必須通過它才能與計算機進行操作。 例如：DOS和UNIX操作系統(tǒng)在顯示器屏幕上給出的是命令提示符和閃動的光標，用戶可以用命令與計算機進行交流； Windows操作系統(tǒng)的顯示器屏幕上有桌面、開始菜單等，通過桌面上各種圖標或開始菜單的命令，用戶可以打開各種對話框和窗體與計算機進行交流。,1.1.1 操作系統(tǒng)在軟件中的地位,101-54-9,9,從操作系統(tǒng)管理資源的角度看，操作系統(tǒng)是計算機中各種

6、軟硬件資源的管理者，負責資源的登記、狀況的記錄、分配、回收以及維護其完整性等，并控制和協(xié)調(diào)其工作。根據(jù)計算機軟硬件資源存在狀況，一般操作系統(tǒng)在資源管理方面分為4種，即處理機管理、存儲管理、設備管理和文件管理。 從操作系統(tǒng)是管理者的角度看，操作系統(tǒng)是計算機技術和管理技術的結(jié)合，即設計操作系統(tǒng)既需要計算機知識也需擁有管理知識。,1.1.1 操作系統(tǒng)在軟件中的地位,101-54-10,10,1.1.2 操作系統(tǒng)的形成,操作系統(tǒng)是由監(jiān)控程序發(fā)展而來，其最早僅是為了管理計算機的硬件資源，特別是外部設備。 三種最基本的操作系統(tǒng)：多道批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)。 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)

7、也應運而生。,101-54-11,11,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,操作系統(tǒng)在形成過程中，逐漸形成發(fā)展有5類操作系統(tǒng)，這5類操作系統(tǒng)分別為：批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)。 1批處理操作系統(tǒng) （Batch Processing Operating System） 批處理操作系統(tǒng)也稱批量系統(tǒng)或作業(yè)流處理系統(tǒng)。所謂批處理是指用戶作業(yè)的成批輸入并處理，即系統(tǒng)將作業(yè)一批一批地輸入系統(tǒng)并暫存在外存中，組成一個后備作業(yè)隊列，每次按一定的調(diào)度原則從后備作業(yè)中挑選一個或多個裝入主機處理，作業(yè)完成后退出主機，作業(yè)的裝入和退出均由系統(tǒng)自動實現(xiàn)。,101-54-12,12,

8、1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,2分時操作系統(tǒng) （Time Sharing Operating System） 安裝有分時操作系統(tǒng)的計算機能為多個終端用戶服務，同時可保證每個用戶都能經(jīng)常與計算機進行交互。 分時操作系統(tǒng)的特點是計算機規(guī)定或制約用戶，工作的主動權(quán)掌握在計算機手里。 在分時系統(tǒng)中，要有給定的合理響應時間，時間片的大小在一定程度上取決于時間片的切換速度。 所以在使用多用戶分時系統(tǒng)時要注意操作系統(tǒng)廠商提供的最多用戶數(shù)目。,101-54-13,13,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,分時操作系統(tǒng)與批處理操作系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：在批處理系統(tǒng)中，一個作業(yè)可以長時間地占用CPU直至該作業(yè)執(zhí)行完成；而在分

9、時操作系統(tǒng)中，一個作業(yè)只能在一個時間片內(nèi)占用CPU，時間一到，系統(tǒng)將剝奪作業(yè)的CPU使用權(quán)，把CPU分配給其它的作業(yè)使用。所以分時操作系統(tǒng)具有以下基本特征。 多路性：多路性也是同時性，指將一臺主機連接上若干臺終端，系統(tǒng)按時間分片的原則為每個終端服務。,101-54-14,14,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,獨占性：由于CPU處理的速度大大高于用戶操作的速度，所以盡管CPU按時間分片為多個用戶輪流服務，每個用戶仍然感覺自己好像獨占著計算機系統(tǒng)。 及時性：由于時間片很短，每個作業(yè)等待運行的時間不會很長，所以系統(tǒng)對每一個用戶的輸入請求能作出及時的響應。 交互性：分時系統(tǒng)中用戶的操作方式是聯(lián)機方式。即用

10、戶通過終端采用人機會話的方式直接控制程序運行，所以在程序運行中，系統(tǒng)與用戶可以及時進行廣泛的人機對話。,101-54-15,15,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,3實時操作系統(tǒng) （Real Time Operating System） 與分時操作系統(tǒng)正好相反，實時操作系統(tǒng)的工作主動權(quán)掌握在用戶手里，特點是用戶規(guī)定或制約計算機。 實時操作系統(tǒng)追求的則是在盡量短的時間內(nèi)完成用戶所要求的工作或作出響應，不延誤用戶的工作要求。 實時系統(tǒng)又分為實時控制系統(tǒng)和實時信息系統(tǒng)兩種。,101-54-16,16,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：實時系統(tǒng)一般是專用的，其交互能力比較差，只允

11、許用戶訪問數(shù)量有限的專用程序，但系統(tǒng)響應時間要求極高。而分時系統(tǒng)具有很強的通用性，有很強的交互功能，但響應時間可以稍長，以不超過用戶的忍受范圍為限。 總的來說，批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的三種基本類型。而一個實用的操作系統(tǒng)可以是獨立的一種系統(tǒng)，也可以是兩兩結(jié)合或三者兼而有之的通用操作系統(tǒng)。,101-54-17,17,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,4網(wǎng)絡操作系統(tǒng) （Network Operating System） 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)是在原來各自計算機操作系統(tǒng)的基礎上，按照網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)提供計算機網(wǎng)絡管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡應用服務。 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)除了具有基本類型操作系統(tǒng)中所

12、應具備的管理功能和服務功能外，還具有網(wǎng)絡管理和服務功能。,101-54-18,18,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,主要包括如下幾點： 網(wǎng)絡資源共享 網(wǎng)絡通信 作業(yè)遷移,101-54-19,19,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,5. 分布式操作系統(tǒng) （Distributed Operating System） 真正的分布式操作系統(tǒng)，其定義應為運行在不具有共享主存的多臺計算機上，而在用戶眼里卻像是一臺計算機。其運行的基礎是一群聯(lián)網(wǎng)的計算機，其行為像是一臺虛擬的單處理計算機，用戶不必關心計算機的資源在什么地方、什么時間工作以及資源如何調(diào)配等工作。 分布式操作系統(tǒng)也是通過通信網(wǎng)絡將物理上分布的具有自治功能的

13、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)互聯(lián)起來，實現(xiàn)信息交換和資源共享、協(xié)作完成任務。,101-54-20,20,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,分布式操作系統(tǒng)的特征如下： 需要一個全局的文件系統(tǒng) 所有CPU上運行同樣的內(nèi)核，統(tǒng)一的管理和控制機構(gòu)，進行優(yōu)化的協(xié)調(diào)工作； 要有一個單一的、全局的進程通信機制，提供選擇和優(yōu)化本地和遠地的資源利用； 有全局的保護機制。 分布式操作系統(tǒng)是當今操作系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向，目前還不存在完全滿足該定義的分布式操作系統(tǒng)，有些系統(tǒng)也只能稱作半分布式系統(tǒng)，但已經(jīng)開始研究一些原型機。,101-54-21,21,1.1.3 操作系統(tǒng)的類型,五大類型的操作系統(tǒng)，從面向用戶服務的人機交互時效

14、功能來看，與社會服務行業(yè)可作一些“類比”： 批處理操作系統(tǒng)對用戶的服務有點像批發(fā)商店; 分時操作系統(tǒng)的管理有點像零售商店; 實時操作系統(tǒng)的管理有點像24小時“全天候”服務的飯店或商店; 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的管理有點像眼下時興的“電視購物”或網(wǎng)上“電子商務”購物; 分布式操作系統(tǒng)的管理有點像新興的社區(qū)服務公司或咨詢公司。,101-54-22,22,1.2 操作系統(tǒng)的用戶接口,所謂“作業(yè)”，就是用戶讓計算機干的一件事，類似日常工作中的“任務”，這件事可大可小、可多可少。通常我們的用戶在使用計算機時看到的是操作系統(tǒng)的用戶界面，也稱為用戶接口。 具體地說：用戶是通過命令（命令接口）或者程序（系統(tǒng)調(diào)用）向計算

15、機發(fā)出請求，多個用戶的請求以用戶作業(yè)的方式在后備存儲設備中等待；當計算機收到用戶請求后，利用操作系統(tǒng)提供的命令解釋來調(diào)用相應的處理程序，有序有效地使用各種系統(tǒng)資源，完成用戶作業(yè)的處理。,1.2.1操作系統(tǒng)的作業(yè)管理,101-54-23,23,1.2.1操作系統(tǒng)的作業(yè)管理,作業(yè)是由用戶程序、數(shù)據(jù)及某種形式的控制所組成，是指用戶在一次計算過程或在一次事務處理過程中，要求計算機系統(tǒng)所做工作的集合。操作系統(tǒng)作業(yè)管理的任務是為方便用戶建立作業(yè)（或任務），組織調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部資源執(zhí)行，并在完成任務后將其撤銷。一個作業(yè)的建立過程一般是作業(yè)的輸入和系統(tǒng)建立起作業(yè)控制塊的管理控制兩個過程。 作業(yè)輸入方式主要有3種方

16、式： 脫機輸入 聯(lián)機輸入 假脫機輸入,101-54-24,24,一個作業(yè)從進入系統(tǒng)到運行完成，通常要經(jīng)歷“進入”、“后備”、“運行”和“終止”四個階段，相應地作業(yè)就有四種狀態(tài)。 進入狀態(tài)：當用戶的作業(yè)通過某種輸入方式將作業(yè)輸入到外存上時，稱此階段為作業(yè)處于進入狀態(tài)。 后備狀態(tài)：當作業(yè)所需全部信息已輸入到外存，由作業(yè)建立程序為之建立了作業(yè)控制塊，并插入到后備作業(yè)隊列中等待調(diào)度運行為止。把作業(yè)在后備隊列上等待調(diào)度的狀態(tài)稱為后備狀態(tài)。,1.2.1操作系統(tǒng)的作業(yè)管理,101-54-25,25,運行狀態(tài)：作業(yè)調(diào)度程序從處于后備狀態(tài)的作業(yè)隊列中選出一個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為之建立相應的進程后，由于此時的作業(yè)已

17、具有獨立運行的資格，如果處理機空閑，便可立即開始執(zhí)行，故稱此時的作業(yè)進入了運行狀態(tài)。 作業(yè)的運行狀態(tài)又可進一步分為“就緒”、“執(zhí)行”和“阻塞”三個基本狀態(tài)。 終止狀態(tài)：當作業(yè)的運行正?；虍惓＝Y(jié)束時便自我終止，或被迫終止，此時作業(yè)便進入終止狀態(tài)。處于終止狀態(tài)的作業(yè)被作業(yè)終止程序回收其作業(yè)控制塊并回收已分配給它的所有資源，作業(yè)隨之消亡。,1.2.1 操作系統(tǒng)的作業(yè)管理,101-54-26,26,總體來說，作業(yè)由進入狀態(tài)到后備狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，是由作業(yè)建立程序完成的；從后備狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\行狀態(tài)是由作業(yè)調(diào)度程序完成的；而作業(yè)由運行狀態(tài)自愿或被迫轉(zhuǎn)變?yōu)榻K止狀態(tài)，則是在有關作業(yè)終止的系統(tǒng)調(diào)用的作用下完成的。,1.

18、2.1操作系統(tǒng)的作業(yè)管理,101-54-27,27,操作系統(tǒng)的作業(yè)管理為用戶提供了兩類接口： 一類是為一般用戶提供的操作命令接口，包括聯(lián)機的鍵盤操作命令和脫機的作業(yè)控制命令，簡稱命令接口； 另一類是為編程人員提供的在程序模式下的系統(tǒng)調(diào)用接口，用它們來請求操作系統(tǒng)服務，簡稱程序接口。,1.2.1操作系統(tǒng)的作業(yè)管理,101-54-28,28,1.2.2操作系統(tǒng)的命令接口,操作系統(tǒng)是用戶和計算機之間的接口。其中一類是為一般用戶提供的操作命令接口，包括聯(lián)機的鍵盤操作命令和脫機的作業(yè)控制命令或稱為作業(yè)控制語言。 操作系統(tǒng)的命令接口有兩個基本任務， 判別和解釋用戶輸入的操作命令，并將相應的命令操作轉(zhuǎn)向?qū)?/p>

19、的命令處理程序； 接收從操作系統(tǒng)傳來的信息，然后通過屏幕提示等方式提供給用戶。 總之，各種操作系統(tǒng)命令的功能基本類似，但具體格式各不相同，同時命令還有不少選擇項參數(shù)，記憶使用比較麻煩。,101-54-29,29,1.2.2操作系統(tǒng)的命令接口,操作系統(tǒng)人機交互界面的功能應從以下幾個方面去考慮： 實現(xiàn)高效的人機通信 改善計算機的可用性、可學性和有效性 支持3維及多媒體技術 人的生活空間是3維的，頭腦在進行思維時又可進入多維的空間。而當今計算機的屏幕是二維的。雖然通過圖形用戶界面已提供了一些仿三維的按鈕等界面元素，但界面仍難以進行3維操作。需要有語音、圖像和動畫等多媒體支持。,101-54-30,3

20、0,1.2.3 操作系統(tǒng)的程序接口,操作系統(tǒng)的另一類接口是為編程人員提供的在程序模式下的系統(tǒng)調(diào)用接口，用它們來請求操作系統(tǒng)服務，簡稱程序接口。操作系統(tǒng)的程序接口通常采用若干系統(tǒng)調(diào)用組成，也稱為編程接口。,101-54-31,31,1.3 操作系統(tǒng)的管理功能,操作系統(tǒng)的用戶接口起到了溝通用戶和計算機系統(tǒng)的“橋梁”作用，但從操作系統(tǒng)是管理者的角度來說，其職能還必須管理計算機系統(tǒng)的軟硬件資源。本小節(jié)將介紹操作系統(tǒng)這個“管家”的管理功能，即進程管理、存儲管理、設備管理和文件管理。,101-54-32,32,1.3.1 進程管理(Process Management),處理機是操作系統(tǒng)管理的最重要的硬件

21、資源之一。多道程序系統(tǒng)中處理機管理的主要任務是如何安排多任務使用處理機，即如何把處理機合理的分配給多個任務使用。目前，大多數(shù)操作系統(tǒng)的設計都基于進程的概念，處理機的分配對象也大都是進程，因此處理機管理被歸結(jié)為進程管理。 進程是操作系統(tǒng)分配軟件資源及硬件資源的基本單位，在多道程序環(huán)境下，多個進程并發(fā)運行，爭奪處理機和共享其它有限的系統(tǒng)資源，因此進程管理是操作系統(tǒng)中最重要且最復雜的管理。,101-54-33,33,1.3.1 進程管理(Process Management), 進程的定義 進程已經(jīng)成為操作系統(tǒng)乃至并發(fā)程序設計中最核心的概念，它是對正在運行的程序的抽象，操作系統(tǒng)的其它所有內(nèi)容都是圍繞

22、著進程展開的。 進程至今沒有一個統(tǒng)一的定義。許多學者從不同的角度對進程下過各式各樣的定義：,101-54-34,34,1.3.1 進程管理(Process Management),進程是程序的一次執(zhí)行； 進程是可以與其它計算并發(fā)執(zhí)行的計算； 進程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時發(fā)生的活動； 進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位； 進程是進程實體的一次活動。,101-54-35,35,1.3.1 進程管理(Process Management),一般被大家所公認的進程定義為：進程是一個具有一定獨立功能的程序關于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動，是操作系統(tǒng)進

23、行資源分配的單位。,101-54-36,36,1.3.1 進程管理(Process Management), 進程的5大特征： 動態(tài)性 并發(fā)性 獨立性 異步性 結(jié)構(gòu)特性:進程控制塊（PCB）,101-54-37,37,1.3.1 進程管理(Process Management), 進程的狀態(tài) 操作系統(tǒng)給進程設置了三種狀態(tài)，以代表進程生命周期存在的基本狀態(tài)：即就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)。 就緒狀態(tài) 執(zhí)行狀態(tài) 阻塞狀態(tài),101-54-38,38,1.3.1 進程管理(Process Management), 進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,101-54-39,39,1.3.1 進程管理(Process Mana

24、gement),就緒、執(zhí)行、阻塞是進程的三種基本狀態(tài)。執(zhí)行狀態(tài)是進程的物理運行，就緒狀態(tài)和阻塞狀態(tài)是進程的邏輯運行，宏觀上它們都是活動的（即都處在運行之中）。 （1）處于就緒狀態(tài)的進程，在進程調(diào)度程序為它分配處理機后，進程由就緒狀態(tài)變?yōu)閳?zhí)行狀態(tài)，該進程運行。,101-54-40,40,1.3.1 進程管理(Process Management),（2）正在運行的進程，一當分配給它的CPU時間片用完，則進程變回就緒狀態(tài)；若在執(zhí)行過程中需要等待某一事件的發(fā)生（如請求訪問某臨界資源，而該資源正被其它進程訪問，該進程只能等待這個資源的可用）而使正在執(zhí)行的進程受阻，無法繼續(xù)執(zhí)行下去，則進程將變?yōu)樽枞麪顟B(tài)

25、。 （3）處于阻塞狀態(tài)的進程，在其等待的事件已經(jīng)發(fā)生或完成后，則進程就由阻塞狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。,101-54-41,41,1.3.1 進程管理(Process Management), 進程與程序的區(qū)別 進程定義為程序在并發(fā)環(huán)境中的執(zhí)行過程，它與程序有著完全不同的概念，但又密切相關，通過以下幾點來對它們加以聯(lián)系與區(qū)別：,101-54-42,42,1.3.1 進程管理(Process Management),（1）進程是動態(tài)的，而程序是靜態(tài)的，即進程是程序的執(zhí)行過程，而程序是指令的有序集合。 （2）程序是永久的，而進程是有生命周期的，且是短暫的。 （3）程序是指令代碼的集合，而進程實體包括：程序

26、、數(shù)據(jù)及進程控制塊。 （4）進程具有動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性和異步性等，而程序不具有這些特性。 （5）進程可以生成其它進程，而程序不能生成新的程序，進程和程序并非一一對應。,101-54-43,43,1.3.1 進程管理(Process Management),總之，程序是靜態(tài)的概念，而進程是動態(tài)的概念。程序可以長期保存，而進程是短暫存在的，它動態(tài)地產(chǎn)生、變化和消亡。程序和相應進程之間，有點像樂譜和相應演奏之間的關系，樂譜可以長期保存，而演奏是個動態(tài)的過程。,101-54-44,44,1.3.1 進程管理(Process Management), 線程 自從進程概念產(chǎn)生以后，在操作系統(tǒng)中一直作為

27、能獨立運行的基本單位。但在程序并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷還較大，人們?yōu)榱诉M一步提高程序的并發(fā)執(zhí)行程度，提高系統(tǒng)的吞吐量，提出了比進程更小的能獨立運行的基本單位線程。,101-54-45,45,1.3.1 進程管理(Process Management),線程是由進程進一步派生出來的一組代碼（指令組）的執(zhí)行過程。一個進程可以產(chǎn)生多個線程，這些線程都共享該進程的內(nèi)存地址空間，它們可以并發(fā)、異步地執(zhí)行。采用線程可以使同一個進程能有幾個并發(fā)執(zhí)行的路徑，執(zhí)行速度得到了更大的提高，且線程需要的系統(tǒng)開銷比進程要小。,101-54-46,46,1.3.1 進程管理(Process Management),線程

28、擁有進程所具有的許多特征，故又稱為輕型進程，故可以把進程稱為重型進程。下面從4個方面比較線程與進程。 （1）擁有資源 （2）調(diào)度 （3）并發(fā)性 （4）系統(tǒng)開銷,101-54-47,47,1.3.1 進程管理(Process Management), 進程的控制和調(diào)度 進程控制亦即進程管理，也就是對進程在整個生命周期中各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換進行有效的控制和管理。進程控制的主要任務是負責進程的創(chuàng)建、撤銷以及實現(xiàn)進程之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和進程通信等功能，這是操作系統(tǒng)的基本功能，是由系統(tǒng)內(nèi)核中的相應程序完成的。,101-54-48,48,1.3.1 進程管理(Process Management),由于處理機是

29、個可以搶占方式使用的資源，即系統(tǒng)可以將處理機從正在運行的進程手中搶奪過來給另一個進程，因此處理機的使用方式有兩種：不可搶占方式與可搶占方式。后者的調(diào)度性能更好，是目前常用的一種。另外進程調(diào)度程序的運行頻率很高，典型情況是幾十毫秒一次。,101-54-49,49,1.3.1 進程管理(Process Management),目前常用的調(diào)度算法有先來先服務調(diào)度算法、優(yōu)先級調(diào)度算法和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法等，這是3種基本的調(diào)度算法。現(xiàn)在也有些操作系統(tǒng)使用綜合性的調(diào)度算法，如多級反饋隊列調(diào)度算法等。,101-54-50,50,1.3.1 進程管理(Process Management),這里主要介紹這4種

30、算法。 先來先服務調(diào)度算法 優(yōu)先級調(diào)度算法 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法 多級反饋隊列調(diào)度算法,101-54-51,51,1.3.1 進程管理(Process Management), 進程的協(xié)調(diào)和通信 在操作系統(tǒng)中進程之間不可避免地會有某種聯(lián)系或通信，為使并發(fā)執(zhí)行的進程能有條不紊地運行，系統(tǒng)必須對它們進行協(xié)調(diào)。在相互合作的進程之間，也往往需要交換一定的信息，這種在進程之間進行的信息交換，稱為進程通信。 由于進程合作與資源共享，使得并發(fā)執(zhí)行的多個進程間產(chǎn)生互斥或同步的相互制約關系，即產(chǎn)生的間接制約關系和直接制約關系。 （1）間接制約關系 （2）直接制約關系,101-54-52,52,1.3.1 進程管理

31、(Process Management),進程之間的信息交換稱為進程通信，指的是進程之間可以直接以較高的速率傳輸較多數(shù)據(jù)的信息交換方式。這種高級的進程通信方式的主要優(yōu)點是：效率高和使用方便。下面主要介紹消息緩沖通信、信箱通信和管道通信3種方式。 消息緩沖通信 信箱通信 管道通信,101-54-53,53,1.3.1 進程管理(Process Management), 死鎖 計算機系統(tǒng)中的各種資源（硬件和軟件）)都是由操作系統(tǒng)進行管理和分配的。進程所需要的資源是在進程運行時根據(jù)實際需求來分配的，也就是根據(jù)進程執(zhí)行情況動態(tài)地申請資源。 在多道程序系統(tǒng)中，計算機系統(tǒng)的有限資源與眾多請求分配資源的進程

32、之間會產(chǎn)生矛盾，如果管理和分配不當會引起進程相互等待所需資源而無法繼續(xù)執(zhí)行的情況，在某種條件下，這種等待永遠不能結(jié)束，系統(tǒng)進入“停止”狀態(tài)，這種情況稱為死鎖。,101-54-54,54,1.3.1 進程管理(Process Management),死鎖最終可能導致整個系統(tǒng)處于癱瘓，因此，死鎖是操作系統(tǒng)設計中必須認真考慮的問題。,101-54-55,55,1.3.2 存儲管理(Storage Management),現(xiàn)代計算機系統(tǒng)一般把存儲器分為內(nèi)存、外存和高速緩存3種。 內(nèi)存也即主存儲器，容量一般要比外存小得多，但是進程駐留與活動的地方，一直以來與處理機的地位類似，也是計算機系統(tǒng)中對系統(tǒng)性能影

33、響很大的瓶頸資源之一。 外存是程序和數(shù)據(jù)可以長期保存在的地方，容量最大，但是程序只有進入內(nèi)存才能被處理機執(zhí)行和處理。 高速緩沖存儲器只是處理機與內(nèi)存之間的緩沖區(qū)域，它容量小，主要暫存系統(tǒng)當前用的某些關鍵數(shù)據(jù)和預取的指令等，不能存放完整的程序。,101-54-56,56,1.3.2 存儲管理(Storage Management),如何讓容量有限的內(nèi)存被多任務安全高效地共享是現(xiàn)代操作系統(tǒng)存儲管理的核心任務。 計算機系統(tǒng)運行期間，操作系統(tǒng)程序（主要是其內(nèi)核程序）與其它程序一起共享內(nèi)存，為安全起見，多道程序系統(tǒng)常常由操作系統(tǒng)把內(nèi)存初始化成一個系統(tǒng)區(qū)和一個用戶區(qū)兩大塊。 系統(tǒng)區(qū)用于存放操作系統(tǒng)的程序和

34、數(shù)據(jù)； 用戶區(qū)則還要被操作系統(tǒng)繼續(xù)劃分，以供多個用戶程序使用。 不同的操作系統(tǒng)用不同的方法對用戶區(qū)進行劃分。,101-54-57,57,1.3.2 存儲管理(Storage Management),采用靜態(tài)劃分法的存儲管理方式主要有： 固定分區(qū)存儲管理方式 分頁存儲管理方式 采用動態(tài)劃分法的存儲管理方式主要有： 可變分區(qū)存儲管理方式 分段存儲管理方式,101-54-58,58,1.3.2 存儲管理(Storage Management), 操作系統(tǒng)的存儲管理功能 操作系統(tǒng)的存儲管理必須具有以下4個功能： 內(nèi)存分配與回收 內(nèi)存分配的主要任務是為每道程序分配內(nèi)存空間，提高存儲器的利用率，允許正在運

35、行的程序申請附加內(nèi)存空間，以適應程序或數(shù)據(jù)動態(tài)增長的需要。 當內(nèi)存中某個進程撤離或主動歸還內(nèi)存空間時，系統(tǒng)必須及時回收它所占有的全部或部分的內(nèi)存空間。,101-54-59,59,1.3.2 存儲管理(Storage Management), 地址映射 由于用戶程序中使用的是邏輯地址，而處理機執(zhí)行程序時要按物理地址訪問內(nèi)存，所以存儲管理必須配合硬件進行地址轉(zhuǎn)換工作，把一組邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址（即地址映射），以保證處理機的正確執(zhí)行。地址映射有兩種方式，即靜態(tài)重定位和動態(tài)重定位。 內(nèi)存共享與保護 有共享才需要保護，有保護才能正確地實現(xiàn)共享，存儲保護為多個程序共享內(nèi)存提供了保證，存儲保護確保多道程序

36、都在各自分配到的存儲區(qū)內(nèi)工作，互不干擾。,101-54-60,60,1.3.2 存儲管理(Storage Management),存儲保護的工作由軟件和硬件配合實現(xiàn)，操作系統(tǒng)把進程可訪問的區(qū)域通知硬件，進程執(zhí)行時由硬件檢查是否允許訪問，若允許則執(zhí)行，否則產(chǎn)生“地址越界”中斷，由操作系統(tǒng)的中斷處理程序進行處理。對內(nèi)存區(qū)域的保護可采取如下3種措施： 進程執(zhí)行時對屬于自己的內(nèi)存區(qū)既可讀又可寫； 進程執(zhí)行時對共享區(qū)域中的信息只能讀不能寫； 進程執(zhí)行時對屬于其它進程的非可共享的內(nèi)存區(qū)既不可讀又不可寫。,101-54-61,61,1.3.2 存儲管理(Storage Management), 內(nèi)存擴充 內(nèi)

37、存容量總是有限的。為了既滿足大作業(yè)的存儲要求，又能實現(xiàn)在內(nèi)存中存放盡可能多的用戶程序，系統(tǒng)常采用虛擬存儲技術或其它自動覆蓋技術，邏輯上擴充內(nèi)存容量，為用戶提供比物理內(nèi)存空間大得多的地址空間。簡單地說內(nèi)存擴充技術可以解決“小內(nèi)存”運行“大作業(yè)”的問題，為用戶提供一個比實際內(nèi)存的容量大的虛擬存儲器，起到了邏輯擴充內(nèi)存空間的作用。,101-54-62,62,1.3.2 存儲管理(Storage Management), 操作系統(tǒng)的存儲管理方式 操作系統(tǒng)的存儲管理方式有許多，一般可分為實存模式和虛存模式兩大類。 采用實存模式的系統(tǒng)，要求進程運行時全部在內(nèi)存； 而虛存模式下進程運行時只需部分在內(nèi)存。按照

38、對內(nèi)存劃分策略的不同來分類，到目前為止使用的存儲管理方式有4種類型： 分區(qū)存儲管理 頁式存儲管理 段式存儲管理 段頁式存儲管理,101-54-63,63,1.3.2 存儲管理(Storage Management), 分區(qū)式存儲管理 分區(qū)式存儲管理是由操作系統(tǒng)對內(nèi)存進行分區(qū)，規(guī)定每個分區(qū)只能裝入一個進程的存儲管理方式，是一種連續(xù)分配方案。具體又可分為單一連續(xù)區(qū)、固定分區(qū)和可變分區(qū)存儲管理等3種方式。 單一連續(xù)區(qū)存儲管理是一種最簡單的只有一個用戶分區(qū)的存儲管理方式。在這種管理方式下，內(nèi)存中除操作系統(tǒng)占用的一部分存儲空間外，其余的用戶區(qū)域作為一個連續(xù)的分區(qū)每次分配給一個作業(yè)或進程使用，即在任何時刻

39、內(nèi)存中最多只有一個用戶作業(yè)或進程。故單一連續(xù)區(qū)存儲管理主要適用于單用戶的情況。 優(yōu)點：簡單易于實現(xiàn)，缺點內(nèi)存利用率低,101-54-64,64,1.3.2 存儲管理(Storage Management),固定分區(qū)管理方式是把內(nèi)存中可分配的用戶區(qū)域預先劃分成若干個連續(xù)的分區(qū)，每個連續(xù)區(qū)的大小可以相同，也可以不同。 但是，一旦劃分好分區(qū)之后，內(nèi)存中分區(qū)的個數(shù)就固定，且每個分區(qū)的大小也固定不變。這種分區(qū)法屬于一種靜態(tài)分區(qū)法。 固定分區(qū)管理的優(yōu)點是技術簡單，易于實現(xiàn)。缺點是用固定分區(qū)方式管理內(nèi)存時，由于很多作業(yè)的尺寸比所占用的分區(qū)尺寸小，因此造成這些分區(qū)內(nèi)部有一部分空間閑置不用，這種分區(qū)內(nèi)的空閑部分

40、稱為內(nèi)碎片，嚴重影響了內(nèi)存空間的利用率，即內(nèi)存利用率不高。,101-54-65,65,1.3.2 存儲管理(Storage Management),可變分區(qū)管理方式不是把作業(yè)裝入已經(jīng)劃分好的分區(qū)中，而是在作業(yè)要求裝入內(nèi)存時，根據(jù)作業(yè)需要的內(nèi)存容量和當時內(nèi)存空間的使用情況決定是否可以裝入該作業(yè)。 當內(nèi)存有足夠的空間能滿足作業(yè)要求時，則按作業(yè)需求量劃出一個分區(qū)給該作業(yè)。由于分區(qū)的大小是按照作業(yè)的實際需求量來定的，故在作業(yè)占用的分區(qū)里沒有內(nèi)碎片。這種分區(qū)法屬于動態(tài)分區(qū)法，分區(qū)的長度根據(jù)作業(yè)的大小而變。,101-54-66,66,1.3.2 存儲管理(Storage Management),在可變分區(qū)

41、管理方式的系統(tǒng)中，系統(tǒng)初始化時，內(nèi)存中除操作系統(tǒng)占用的區(qū)域外，其余部分是用戶空閑區(qū)。當有作業(yè)要裝入內(nèi)存時，從空閑區(qū)中劃出一個與作業(yè)長度一致的分區(qū)來裝作業(yè)，剩余部分仍為空閑區(qū)。當某作業(yè)執(zhí)行結(jié)束后，它所占的分區(qū)被收回，成為一個與被收回作業(yè)大小一致的空閑區(qū)。隨著作業(yè)不斷地進出內(nèi)存，內(nèi)存空間被分成了許多區(qū)，有的分區(qū)被占用，有的分區(qū)空閑。這樣運行一段時間后，可能在許多被作業(yè)占用的分區(qū)之間出現(xiàn)一些無法裝入任何作業(yè)的小的空閑區(qū)，這些小的無法裝入任何作業(yè)的空閑區(qū)稱為外碎片。,101-54-67,67,1.3.2 存儲管理(Storage Management),分區(qū)管理小結(jié)： 分區(qū)管理實現(xiàn)了多道程序共享內(nèi)存，

42、提高了CPU的利用率，管理算法簡單，容易實現(xiàn)。 但分區(qū)式存儲管理的最大缺點是碎片問題嚴重，內(nèi)存利用率低。 而分區(qū)管理出現(xiàn)碎片的主要原因在于連續(xù)分配的限制，即它要求每個作業(yè)或進程在內(nèi)存中必須占用一個連續(xù)的分區(qū)，為了打破連續(xù)分配的限制，應運而生了頁式存儲管理方式。,101-54-68,68,1.3.2 存儲管理(Storage Management),分頁式存儲管理 分頁式存儲管理的出發(fā)點是為了消除碎片而打破存儲分配的連續(xù)性，使得一個作業(yè)的地址空間可以分布在若干離散的內(nèi)存塊上，從而充分利用內(nèi)存空間，提高了內(nèi)存利用率。 頁式存儲管理的基本思想是結(jié)合固定分區(qū)管理方式和離散存儲方式而產(chǎn)生的，可以基本解決

43、碎片問題。 它允許一個進程在內(nèi)存中占有多個不連續(xù)的但是大小相等的區(qū)域，從而可以消除外碎片，而且內(nèi)碎片也很少。 分頁式存儲管理具體又分為實分頁和虛分頁兩種存儲管理方式。,101-54-69,69,1.3.2 存儲管理(Storage Management),實分頁式存儲管理的基本思想是： 將整個系統(tǒng)的內(nèi)存空間劃分成一系列大小相等的塊，每一塊稱為一個物理塊、物理頁或?qū)嶍?，也可稱為頁架或頁幀，簡稱為塊。 每個進程的地址空間也劃分成一系列與內(nèi)存塊一樣大小的塊，每一塊稱為一個邏輯頁或虛頁，也可稱為頁面，簡稱為頁。 當一個進程的總頁數(shù)不大于內(nèi)存中的可用塊數(shù)時，系統(tǒng)就可以對它實施分配，在裝入進程時，進程的一

44、頁分配內(nèi)存的一塊，進程的所有頁所占的塊可以在內(nèi)存中不連續(xù)。 系統(tǒng)同時為這個進程建立一個頁號與塊號的對照表，稱為頁表。,101-54-70,70,1.3.2 存儲管理(Storage Management),實分頁式存儲管理是一種實存模式下的存儲管理方式，其最大優(yōu)點就是內(nèi)存利用率高，實現(xiàn)簡單、程序運行快，實現(xiàn)過程對用戶是透明的。 不存在外碎片；最后一頁中有部分空間未被利用，稱為頁內(nèi)碎片。頁式存儲管理無外碎片，而且頁內(nèi)碎片也很少，是目前內(nèi)存利用率較高的一種存儲管理方式。 在實分頁式存儲管理中一個進程必須一次同時裝入內(nèi)存，當內(nèi)存中的塊數(shù)小于進程中的頁數(shù)時，則該進程就不能裝入內(nèi)存，即產(chǎn)生小內(nèi)存不能運行

45、大程序的問題，或同時并發(fā)執(zhí)行的進程數(shù)將減少。,101-54-71,71,1.3.2 存儲管理(Storage Management),虛擬頁式存儲管理把進程的一部分裝入內(nèi)存進行運行，能同時使更多的進程進入內(nèi)存，內(nèi)存利用率得到提高，徹底解決小內(nèi)存不能運行大程序的問題。 虛擬頁式存儲管理技術也稱為請求分頁存儲管理技術，其基本思想是系統(tǒng)自動地將進程的地址空間分頁，將系統(tǒng)的內(nèi)存空間分塊，頁與塊大小相等。進程運行時，只在內(nèi)存中裝入初始需要的一部分頁面，若運行中需要訪問當前不在內(nèi)存的頁面時則會產(chǎn)生缺頁中斷，由缺頁中斷服務程序?qū)⑺璧捻撁嬲{(diào)入內(nèi)存。 虛擬頁式存儲管理中增加請求調(diào)入和置換頁的功能，以實現(xiàn)虛擬存

46、儲管理。,101-54-72,72,1.3.2 存儲管理(Storage Management),虛分頁式存儲管理實際上是實分頁技術與虛擬存儲技術相結(jié)合的產(chǎn)物，其分頁思想與實分頁是一樣的，但在請求調(diào)入和置換功能的實現(xiàn)上要比實分頁技術復雜。 采用虛擬頁式存儲管理方式時，進程是在一個比內(nèi)存大得多的虛擬存儲器中運行，即進程在運行時，不但在內(nèi)存中，而且有一部分在外存中，解決了小內(nèi)存運行大程序的問題。 所以虛擬頁式存儲管理是目前最流行的內(nèi)存管理方式，但實現(xiàn)較復雜，且程序運行速度較慢，這是虛擬頁式存儲管理方式的缺點。,101-54-73,73,1.3.2 存儲管理(Storage Management),

47、段式存儲管理 段式存儲管理方式是結(jié)合可變分區(qū)和離散存儲的思想而產(chǎn)生的，它支持段的動態(tài)增長，便于實現(xiàn)段的共享。 它對內(nèi)存以作業(yè)地址空間中的段為單位進行動態(tài)分區(qū)，規(guī)定每一個段可以裝入內(nèi)存中的一個分區(qū)，一個作業(yè)所有的段在內(nèi)存中所占分區(qū)可以不連續(xù)，是一種支持用戶分段（例如主程序段、子程序段、數(shù)據(jù)段等），即模塊化編程的存儲管理方式，得到了許多編譯器的支持。 段式存儲管理可分為實分段式存儲管理與虛擬段式存儲管理兩種方式。,101-54-74,74,1.3.2 存儲管理(Storage Management),實分段式存儲管理也即實模式的段式存儲管理方式。其管理內(nèi)存的思想與可變分區(qū)方式相似，段相當于可變分區(qū)

48、管理中的作業(yè)，可能產(chǎn)生外碎片，離散存儲方式又與分頁管理相似。 實模式的分段存儲管理方式是當把作業(yè)從其地址空間全部裝入內(nèi)存時，以其地址空間中各個長度不一的段為單位進行動態(tài)分區(qū)，每個段在內(nèi)存占有連續(xù)區(qū)域，但一個作業(yè)所有段在內(nèi)存中可以不連續(xù)。作業(yè)地址空間中的每個段與其所裝入的內(nèi)存連續(xù)區(qū)域的對應情況記錄在段表中。 段表記錄一個作業(yè)的各個段與其所裝入的內(nèi)存區(qū)域的映射情況，每個段有一個表目，其中記錄了該段在內(nèi)存中的起始地址和段的長度。作業(yè)運行時，以動態(tài)重定位方式進行地址轉(zhuǎn)換。,101-54-75,75,1.3.2 存儲管理(Storage Management),在實分段式存儲管理中段是有邏輯意義的，所以

49、易于實現(xiàn)共享同一內(nèi)存塊里的程序或數(shù)據(jù)，即兩個或以上的作業(yè)可訪問同一個段。 分段系統(tǒng)與分頁系統(tǒng)有許多相似之處，它們都采用離散分配方式，都用硬件的動態(tài)重定位機構(gòu)實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換等，但它們在概念上是不同的，從以下2個方面加以區(qū)分： 頁是信息的物理單位，頁的內(nèi)容通常無完整的邏輯意義；段是信息的邏輯單位，段的內(nèi)容具有完整的邏輯意義；分頁是靜態(tài)的，而分段是動態(tài)的。 頁的大小固定，且由操作系統(tǒng)決定；段的長度不固定，決定于用戶所寫的程序，常由編譯器根據(jù)信息的性質(zhì)來劃分； 分頁是為了節(jié)省內(nèi)存，而分段是為了滿足用戶編程的需要。,101-54-76,76,1.3.2 存儲管理(Storage Management),虛

50、擬段式存儲管理與虛擬頁式存儲管理相似，只是將頁變化為段。其基本原理是作業(yè)運行前只需將主程序段裝入內(nèi)存，其它段仍在外存。當作業(yè)運行時所需訪問的段如果不在內(nèi)存，則將其動態(tài)調(diào)入，如果此時內(nèi)存空間不夠，則可采用如下兩種方法獲取內(nèi)存空間： 緊縮，即將內(nèi)存中所有空閑區(qū)合并； 淘汰，即將內(nèi)存中某段移出至外存。 虛擬段式存儲管理是實分段和虛擬存儲技術結(jié)合的產(chǎn)物。其優(yōu)點是：提高了運行效率，可以方便地按段共享、支持可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；但所有分段方式的內(nèi)存利用率都與可變分區(qū)方式的差不多，會產(chǎn)生外碎片。,101-54-77,77,1.3.2 存儲管理(Storage Management), 段頁式存儲管理 段頁式存儲管

51、理可以實現(xiàn)分段、分頁管理的優(yōu)勢互補，方便用戶，提高內(nèi)存利用率。也就是將段式存儲管理和頁式存儲管理結(jié)合在一起，保持二者的優(yōu)點，克服二者的缺點，形成一種更佳的管理模式。 段頁式存儲管理技術的基本思想是用分段的方法來管理虛擬存儲器，用分頁的方法來分配和管理實際存儲器。這樣既可以獲得分段技術在邏輯上的優(yōu)點，保持段地址空間所帶來的好處；又可獲得分頁技術在存儲空間管理方面的優(yōu)點，即解決了碎片問題。,101-54-78,78,1.3.2 存儲管理(Storage Management),在段頁式存儲管理系統(tǒng)中，作業(yè)的地址仍按邏輯意義分段，再把每一段劃分成若干頁；對內(nèi)存進行分塊，塊的大小與頁相同。 在作業(yè)的內(nèi)

52、存空間中，不僅各邏輯段的物理空間之間可以是不連續(xù)的，而且同一段中的各頁也可能是不連續(xù)的。 段頁式管理綜合了分段、分頁管理的優(yōu)勢，既方便用戶，又提高了內(nèi)存利用率，但實現(xiàn)代價也是相當大的，主要被大型機的操作系統(tǒng)采用。,101-54-79,79,1.3.3 設備管理(Devices Management),硬件系統(tǒng)中除了處理機和內(nèi)存外，其它大部分的硬件設備都可統(tǒng)稱為外部設備。 設備管理就是管理計算機系統(tǒng)的外部設備。其中包括常用的輸入輸出設備、外存設備和終端設備等，還包括將外設和主機連結(jié)起來的通道和設備控制器，甚至時鐘和控制臺都可看成是外部設備。 設備管理的目的是：方便用戶使用外部設備；實現(xiàn)某些設備的

53、共享，提高設備的利用率；實現(xiàn)外部設備和其它計算機部件之間的并行操作，以提高系統(tǒng)效率；防止用戶錯誤地使用外部設備，從而提高外部設備及系統(tǒng)的可靠性和安全性。,101-54-80,80,1.3.3 設備管理(Devices Management), 設備管理的任務和功能 設備管理的任務： 按用戶提出的要求接入外部設備，并按一定算法分配和控制設備，而用戶不必關心設備的實際地址和控制指令。 盡量提高輸入輸出設備的利用率。使各種外部設備與主機以及各外部設備之間能協(xié)調(diào)地工作，以便充分合理地利用系統(tǒng)資源，盡量提高真正并行工作能力。 向用戶提供一個統(tǒng)一地、友好地使用外部設備的界面，使用戶能方便地利用外部設備資源

54、。,101-54-81,81,1.3.3 設備管理(Devices Management),設備管理的功能： 分配設備：按設備的不同類型和操作系統(tǒng)相應的分配算法決定將設備分配給進程，對未分配到所需設備的進程放入等待隊列。 設備處理：由設備處理程序?qū)崿F(xiàn)CPU和設備控制器之間的通信 輸入輸出緩沖區(qū)管理：管理邏輯名，多個緩沖區(qū)的分時以及串并行操作，同類多個外部設備的均衡工作等。 實現(xiàn)設備獨立性或設備無關性。 實現(xiàn)虛擬設備技術。,101-54-82,82,1.3.3 設備管理(Devices Management), 設備的輸入輸出控制方式 計算機外部設備和內(nèi)存之間的信息傳送稱為輸入輸出操作，到目前為

55、止，輸入輸出操作有4種控制方式： 程序直接控制方式 中斷控制方式 DMA控制方式 通道控制方式,101-54-83,83,1.3.3 設備管理(Devices Management),程序直接控制方式：管理簡單，CPU的利用率低。 中斷控制方式：CPU與輸入輸出設備可以并行工作，提高了CPU的利用率。若中斷的次數(shù)較多，耗去大量的CPU時間。 DMA控制方式：在設備和主存之間成批地進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU干預，CPU與輸入輸出設備的并行操作加強。 通道控制方式：采用專門用于輸入輸出工作的處理器實現(xiàn)對輸入輸出設備的控制。是一種以內(nèi)存為中心，實現(xiàn)設備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式，所需CPU的干預更

56、少。,101-54-84,84,1.3.3 設備管理(Devices Management), 設備管理技術 中斷技術：中斷技術是指計算機在運行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了某一急需處理的事件，可使CPU暫時中止當前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序，待處理完畢后又返回到剛才暫停程序的被中斷處繼續(xù)執(zhí)行的一種技術。 引起中斷發(fā)生的事件被稱為中斷源，中斷源向CPU發(fā)出的請求中斷處理的信號稱為中斷請求，CPU收到中斷請求后轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序稱為中斷響應。 發(fā)生中斷時，剛執(zhí)行完的那條指令所在的單元號稱為斷點，斷點的邏輯后繼指令的單元號稱為恢復點。而現(xiàn)場是指中斷的那一時刻能確保程序繼續(xù)執(zhí)行的有關信息

57、。,101-54-85,85,1.3.3 設備管理(Devices Management),一旦中斷發(fā)生，CPU響應中斷，系統(tǒng)進行中斷處理的過程為： 保護被中斷進程的現(xiàn)場，為了在中斷處理結(jié)束后能使進程正確地返回到中斷點，系統(tǒng)必須保存當前處理機狀態(tài)字PSW和程序計數(shù)器PC等信息。 分析中斷原因，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的中斷處理程序。系統(tǒng)根據(jù)中斷寄存器等內(nèi)容分析出產(chǎn)生中斷的原因，并轉(zhuǎn)入相應的中斷處理程序。若有多個中斷請求同時發(fā)生，則先處理優(yōu)先級最高的中斷源發(fā)出的中斷請求。 恢復被中斷進程的現(xiàn)場，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的進程。,101-54-86,86,1.3.3 設備管理(Devices Manageme

58、nt),緩沖技術：解決設備間速度差異的一種技術，有硬件緩沖和軟件緩沖之分。 硬件緩沖是指用專用的寄存器作為緩沖器，通常設在設備中。 軟件緩沖是指在操作系統(tǒng)的管理下，在內(nèi)存中劃出若干個單元作為緩沖區(qū)。 軟件緩沖的優(yōu)點是緩沖區(qū)的大小和數(shù)量可以根據(jù)實際需要改變，缺點是占用了一部分內(nèi)存空間。根據(jù)系統(tǒng)設置的緩沖區(qū)個數(shù)和組成形式，緩沖技術可分為：單緩沖、雙緩沖、環(huán)形緩沖和緩沖池4種。 在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，緩沖技術可明顯改善系統(tǒng)內(nèi)信息流動的狀況，提高CPU與輸入輸出設備之間的并行操作能力，顯著提高了系統(tǒng)性能。,101-54-87,87,1.3.3 設備管理(Devices Management),虛擬設備技術

59、：是外部設備與計算機主機交換信息的一種技術，是一種預輸入、緩輸出和轉(zhuǎn)儲的管理技術。 字符設備一般都是獨占的慢速設備。因此，當一個進程在某臺字符設備上進行數(shù)據(jù)交換時都要等待較長時間，且在數(shù)據(jù)交換完畢前，其它進程就不能訪問該設備，降低了整個系統(tǒng)的并發(fā)能力。利用虛擬設備技術可把獨占設備轉(zhuǎn)變成可以共享的虛擬設備，從而提高獨占設備的利用率和進程的推進速度。 字符設備與主機交換信息有兩種基本方式，即聯(lián)機方式和脫機方式。,101-54-88,88,1.3.3 設備管理(Devices Management),虛擬設備技術是以聯(lián)機的輸入輸出方式，獲得脫機的輸入輸出優(yōu)點，所以有時也稱為假脫機技術。虛擬設備技術是對脫機輸入輸出工作的模擬，其核心思想是利用一臺可共享的、高速大容量的塊設備來模擬獨占設備操作，使一臺獨占設備變成多臺可并發(fā)使用的虛擬設備。虛擬設備的實現(xiàn)也可看做