2023/2/61操作系統第一章操作系統引論院(系):計算機科學與技術學院研究室:數據與知識工程教師:初妍2023/2/62內容概述1.1操作系統的目標和作用1.2操作系統的發展過程1.3操作系統的基本特性1.4操作系統的主要功能1.5操作系統的結構設計

操作系統屬于軟件中的系統軟件,起到對系統資源進行管理和分配,提高運行效率的作用。2023/2/631.1操作系統的目標和作用1.1.1操作系統的目標1.1.2操作系統的作用1.1.3推動操作系統發展的主要動力2023/2/64計算機系統組成計算機系統軟件硬件及固件(裸機)應用軟件系統軟件DBMS,編譯軟件操作系統2023/2/65緊貼系統硬件之上,所有其他軟件之下(是其他軟件的共同環境)2023/2/661.1.1操作系統的目標

目前存在著多種類型的OS,不同類型的OS,其目標各有所側重。通常在計算機硬件上配置的OS,其目標有以下幾點: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)

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

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

OS應采用層次化結構,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 遵循標準規范,方便地實現互連,實現應用程序的可移植性和互操作性。2023/2/681.1操作系統的目標和作用1.1.1操作系統的目標1.1.2操作系統的作用1.1.3推動操作系統發展的主要動力2023/2/691.OS作為用戶與計算機硬件系統之間的接口OS處于用戶與計算機硬件系統之間,用戶通過OS來使用計算機系統。或者說,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是一個系統軟件,因而這種接口是軟件接口。命令方式聯機用戶接口(命令)脫機用戶接口(批處理)系統調用方式形式上類似于過程調用,在應用編程中使用(API)圖標--窗口方式用戶通過屏幕上的窗口和圖標來操縱計算機系統和運行自己的程序。1.1.2操作系統的作用OperatingSystem2023/2/610圖1-1OS作為接口的示意圖操作系統各種應用程序DOS2023/2/6112.OS作為計算機系統資源的管理者計算機的資源包括處理機、存儲器、I/O設備及數據和程序等管理的內容:資源的當前狀態(數量和使用情況)、資源的分配、回收和訪問操作,相應管理策略(包括用戶權限)處理機管理存儲器管理I/O設備管理文件管理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:設備管理、文件管理、存儲管理(針對內存和外存)、處理機管理(針對CPU)。如果我們在裸機上覆蓋一層I/O設備管理軟件,用戶便可以利用這層I/O設備管理軟件提供給用戶的接口來進行數據的輸入和輸出,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。操作系統的非形式化定義(關鍵點):系統軟件,程序模塊的集合,資源管理和用戶接口功能2023/2/6131.1操作系統的目標和作用1.1.1操作系統的目標1.1.2操作系統的作用1.1.3推動操作系統發展的主要動力2023/2/6141.1.3推動操作系統發展的主要動力1.不斷提高計算機資源利用率 計算機發展的初期,計算機系統昂貴,用作集中計算。2.方便用戶 在一定程序上也是它的界面,風格很方便用戶,只需要鼠標點擊,很方便。3.器件的不斷更新換代

CPU的位寬度(指令和數據)、快速外存(摩爾定律)4.計算機體系結構的不斷發展

從單處理機到多處理機;從單機OS到網絡OS軟件呢？2023/2/615第一章操作系統引論1.1操作系統的目標和作用1.2操作系統的發展過程1.3操作系統的基本特征1.4操作系統的主要功能1.5操作系統的結構設計2023/2/6161.2操作系統的發展過程1.2.1無操作系統的計算機系統1.2.2單道批處理系統1.2.3多道批處理系統1.2.4分時系統1.2.5實時系統1.2.6網絡操作系統1.2.7分布式操作系統2023/2/6171.2.1無操作系統的計算機系統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,如程序的裝入、運行、結果的輸出等。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據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從磁帶上讀入數據;輸出過程正好相反。

這種脫機I/O方式的主要優點如下: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操作系統的發展過程1.2.1無操作系統的計算機系統1.2.2單道批處理系統1.2.3多道批處理系統1.2.4分時系統1.2.5實時系統1.2.6網絡操作系統1.2.7分布式操作系統2023/2/621批處理系統理解批處理系統主要是采用了批處理技術。批處理技術是指計算機系統對一批作業自動進行處理的一種技術。所謂批處理系統是指加載在計算機上的一個系統軟件,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。所謂中斷是指當主機接到外界硬件發來的中斷信號時,停止原來的工作,轉去處理中斷的事件。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運行,同時為多道程序并發執行打下了基礎。2023/2/6221.2.2單道批處理系統(SimpleBatchProcessingSystem)

1.單道批處理系統的處理過程圖1-3單道批處理系統的處理流程2023/2/6232.單道批處理系統的特征 單道批處理系統是最早出現的一種OS,嚴格地說,它只能算作是OS的前身而并非是現在人們所理解的OS。盡管如此,該系統比起人工操作方式的系統已有很大進步。該系統的主要特征如下: (1)自動性 在順利的情況下,磁帶上的一批作業能自動地逐個地依次運行,而無需人工干預

(2)順序性 磁帶上的各道作業是順序地進入內存,完成順序與進入內存順序相同

(3)單道性 內存中只有一道程序運行

CPU和I/O設備使用忙閑不均(取決于當前作業的特性)

對計算為主的作業,外設空閑對I/O為主的作業,CPU空閑2023/2/6241.2操作系統的發展過程1.2.1無操作系統的計算機系統1.2.2單道批處理系統1.2.3多道批處理系統1.2.4分時系統1.2.5實時系統1.2.6網絡操作系統1.2.7分布式操作系統2023/2/6251.2.3多道批處理系統(MultiprogramedBatchSystem)1.多道程序設計的基本概念在單道批處理系統中,內存中僅有一道作業,它無法充分利用系統中的所有資源,致使系統性能較差。為了進一步提高資源的利用率和系統吞吐量,在60年代中期又引入了多道程序設計技術,由此而形成了多道批處理系統。在該系統中,用戶所提交的作業都先存放在外存上并排成一個隊列,稱為“后備隊列”;然后,由作業調度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業調入內存,使它們共享CPU和系統中的各種資源。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.多道批處理系統的特征(1)多道性 內存中同時存放幾個作業,并允許并發執行,從而有效地提高了資源利用率和系統吞吐量。(2)無序性 多個作業完成的先后順序與它們進入內存的順序之間無嚴格對應關系。(3)調度性

作業調度,從后備隊列進入內存;進程調度,分配處理機運行。(4)宏觀上并發、微觀上串行2023/2/6283.多道批處理系統的優缺點優點:資源利用率高:CPU、內存和I/O設備利用率較高;系統吞吐量大:單位時間內完成的工作總量大。缺點:用戶交互性差:整個作業完成后或中間出錯時,才與用戶交互,不利于調試和修改;作業平均周轉時間長:短作業的周轉時間顯著增長;2023/2/6294.多道批處理系統需要解決的問題(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)內存管理問題(第4章)

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

既方便用戶使用I/O設備,又提高設備利用率。(4)文件管理問題(第6章)

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

對各種應用程序進行組織。操作系統是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源,合理地對各類作業進行調度,以及方便用戶使用的程序集合。2023/2/630單道批處理系統與多道批處理系統的比較2023/2/6311.2操作系統的發展過程1.2.1無操作系統的計算機系統1.2.2單道批處理系統1.2.3多道批處理系統1.2.4分時系統1.2.5實時系統1.2.6網絡操作系統1.2.7分布式操作系統2023/2/6321.2.4分時系統(Time-SharingSystem)1.分時系統的產生如果說,推動多道批處理系統形成和發展的主要動力,是提高資源利用率和系統吞吐量,那么,推動分時系統形成和發展的主要動力,則是用戶的需求。或者說,分時系統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之間,有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現在以下幾個方面:(1)人機交互。(對程序進行調試、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。(作業直接從終端進入,并能控制)2023/2/633分時系統定義分時系統: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。“分時”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,因而允許多個應用程序同時在內存中,分別服務于不同的用戶。有用戶輸入時由CPU執行,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－－現在的圖形用戶界面(GUI),除當前交互的程序(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上執行的輪換時間。2023/2/6352.分時系統實現中的關鍵問題

為實現分時系統,其中,最關鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業進行交互,即當用戶在自己的終端上鍵入命令時,系統應能及時接收并及時處理該命令,再將結果返回給用戶。此后,用戶可繼續鍵入下一條命令,此即人—機交互。應強調指出,即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵入命令,系統也應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,同時接收各終端數據)(2)及時處理。(在不長的時間能響應用戶命令)2023/2/6363.分時系統的實現方法(1)單道分時系統(2)具有“前臺”和“后臺”的分時系統

“單道分時”+”單道批處理”(3)多道分時系統 現在分時系統2023/2/6374.分時系統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盡快得到響應(2-3秒)交互性用戶可通過終端與系統進行廣泛的人機對話2023/2/6381.2操作系統的發展過程1.2.1無操作系統的計算機系統1.2.2單道批處理系統1.2.3多道批處理系統1.2.4分時系統1.2.5實時系統1.2.6網絡操作系統1.2.7分布式操作系統2023/2/6391.2.5實時系統(Real-TimeSystem)

所謂“實時”,是表示“及時”,而實時系統是指系統能及時(或即時)響應外部事件的請求,在規定的時間內完成對該事件的處理,并控制所有實時任務協調一致地運行。要求:響應時間短,在一定范圍之內;系統可靠性高1.應用需求實時控制。包括:生產控制和武器控制。

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

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

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

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

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

分時系統:由交互引入。(5)可靠性 實時系統:要求高度可靠。

分時系統:可靠性低。2023/2/6431.2操作系統的發展過程1.2.1無操作系統的計算機系統1.2.2單道批處理系統1.2.3多道批處理系統1.2.4分時系統1.2.5實時系統1.2.6網絡操作系統

1.2.7分布式操作系統2023/2/644計算任務由大量獨立而又相互聯結的計算機共同完成。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絡技術。網絡操作系統是在操作系統之上增加網絡功能實現的。網絡功能部分模塊將網絡中的各臺計算設備通過各種網絡協議,實現各臺計算設備之間的通信及網絡中各種資源的共享。1.2.6網絡操作系統(NetworkOperatingSystem)2023/2/6452023/2/646內容1.計算機網絡的類型2.網絡OS的模式3.網絡OS的功能2023/2/6471.計算機網絡的類型(1)按網絡拓撲結構分類 星型、樹型、總線型、環型、網狀型(2)按網絡地理范圍分類 廣域網、局域網2023/2/6482.網絡OS的模式(1)客戶/服務器(C/S)模式 網絡中各站點分兩大類: ①服務器 ②客戶(2)對等模式 各站點是對等的,既是“客戶”,又是“服務器”2023/2/6493.網絡OS的功能(1)網絡通信 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)網絡資源管理 對共享資源(硬盤、打印機、文件和數據等)的管理和協調使用。(3)網絡服務 主要有電子郵件服務、文件傳輸存取、共享硬盤及打印機等。2023/2/6503.網絡OS的功能(續)(4)網絡管理 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絡中(或別的網絡中)的文件服務器上的文件系統。2023/2/6511.2操作系統的發展過程1.2.1無操作系統的計算機系統1.2.2單道批處理系統1.2.3多道批處理系統1.2.4分時系統1.2.5實時系統1.2.6網絡操作系統

1.2.7分布式操作系統2023/2/6521.2.7分布式操作系統

(DistributedOperatingSystem)概念:分布式處理系統是指由多個分散的處理單元經互聯網絡的連接而形成的系統。將大量計算機通過網絡連接在一起,以獲得極高的運算能力和數據共享的系統稱為分布式系統(DistributedSystem)。能使分布式計算機系統中若干臺計算機相互協作完成一個共同任務的系統軟件稱為分布式操作系統。2023/2/653分布式OS與網絡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。 網絡OS:控制是集中式的,在某個主機或服務器中。(2)并行性 分布式OS:分配多個任務到多個處理器上并行執行。 網絡OS:無任務分配功能,因為任務都在本地機上處理。2023/2/654分布式OS與網絡OS的比較(續)(3)透明性 分布式OS:具有物理位置上的透明性。 網絡OS:具有操作實現上的透明性。(4)共享性 分布式OS:共享各站點資源。 網絡OS:共享主機服務器資源。(5)健壯性 分布式OS:任何站點的故障,不影響整個系統。 網絡OS:集中控制(服務器),具有潛在的不可靠性。2023/2/655第一章操作系統引論1.1操作系統的目標和作用1.2操作系統的發展過程1.3操作系統的基本特征1.4操作系統的主要功能1.5操作系統的結構設計2023/2/656操作系統的基本特征1.3.1并發（Concurrence）1.3.2共享（Sharing）1.3.3虛擬（Virtual）1.3.4異步性（Asynchronism）2023/2/6571.3操作系統的基本特性1.3.1并發(Concurrence)并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發生;并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。時間BA時間BA2023/2/658

在多道程序環境下,并發性是指在一段時間內,宏觀上有多個程序在同時運行,但在單處理機系統中,每一時刻卻僅能有一道程序執行,故微觀上這些程序只能是分時地交替執行。倘若在計算機系統中有多個處理機,則這些可以并發執行的程序便可被分配到多個處理機上,實現并行執行,即利用每個處理機來處理一個可并發執行的程序,這樣,多個程序便可同時執行。并發：即宏觀上在一段時間內有多道程序在同時運行,在微觀上,這些程序是在交替執行的。為使程序能并發執行,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操作系統的基本特征1.3.1并發（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)

在操作系統環境下,所謂共享是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程(線程)共同使用。2023/2/6611.互斥共享方式

系統中的某些資源,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果不致造成混淆,應規定在一段時間內只允許一個進程(線程)訪問該資源。為此,當一個進程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。計算機系統中的大多數物理設備,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.同時訪問方式系統中還有另一類資源,允許在一段時間內由多個進程“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備。

并發和共享是操作系統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)的并發執行為條件的,若系統不允許程序并發執行,自然不存在資源共享問題;另一方面,若系統不能對資源共享實施有效管理,協調好諸進程對共享資源的訪問,也必然影響到程序并發執行的程度,甚至根本無法并發執行。2023/2/663操作系統的基本特征1.3.1并發（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)

操作系統中的所謂“虛擬”,是指通過某種技術把一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物。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。相應地,用于實現虛擬的技術,稱為虛擬技術。在OS中利用了多種虛擬技術,分別用來實現虛擬處理機、虛擬內存、虛擬外部設備和虛擬信道等。例如進程管理的多道程序技術把一個物理CPU虛擬為多個邏輯上的CPU。在設備管理上,利用spooling技術,把一臺物理上的I/O設備虛擬成多態邏輯上的I/O設備。CPU－－每個用戶（進程）的“虛處理機“(分時系統)存儲器－－虛擬存儲器打印設備－－將臨界資源變為同時訪問資源2023/2/665操作系統的基本特征1.3.1并發（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)

在多道程序環境下,允許多個進程并發執行,但只有進程在獲得所需的資源后方能執行。在單處理機環境下,由于系統中只有一個處理機,因而每次只允許一個進程執行,其余進程只能等待。當正在執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,該進程方能繼續執行。可見,由于資源等因素的限制,使進程的執行通常都不是“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第一章操作系統引論1.1操作系統的目標和作用1.2操作系統的發展過程1.3操作系統的基本特征1.4操作系統的主要功能1.5操作系統的結構設計2023/2/6681.4操作系統的主要功能

操作系統是用戶與硬件之間的橋梁,它主要負責管理計算機系統中的所有資源,并負責它們的調度和使用,充分發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操作系統的主要功能1.4.1處理機管理功能1.進程控制創建、撤銷、掛起等－－主動改變進程的狀態;在現代OS中,進行控制還應具有為一個進程創建和撤消線程的功能。

處理機管理的主要任務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.進程同步協調并發進程之間的推進步驟,以協調資源共享;－－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的進程之間由同步機構對執行次序加以協調2023/2/6713.進程通信進程之間傳送數據,以協調進程間的協作;－－交換信息能力強,也可以用來協調進程之間的推進。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.調度作業調度從外存調入內存進程調度是從內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.內存分配OS在實現內存分配時,可采取靜態和動態兩種方式。靜態分配:每個作業的內存空間是在作業裝入時確定的;在作業裝入后的整個運行期間,不允許該作業再申請新的內存空間,也不允許作業在內存中“移動”;

動態分配:每個作業所要求的基本內存空間,也是在裝入時確定的,但允許作業在運行過程中,繼續申請新的附加內存空間,以適應程序和數據的動態增長,也允許作業在內存中“移動”。

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

為了實現內存分配,在內存分配的機制中應具有這樣的結構和功能:①內存分配數據結構:該結構用于記錄內存空間的使用情況,作為內存分配的依據;②內存分配功能:系統按照一定的內存分配算法,為用戶程序分配內存空間;③內存回收功能:系統對于用戶不再需要的內存,通過用戶的釋放請求,去完成系統的回收功能。2023/2/6762.內存保護內存保護的主要任務,是確保每道用戶程序都只在自己的內存空間內運行,彼此互不干擾。為了確保每道程序都只在自己的內存區中運行,必須設置內存保護機制。一種比較簡單的內存保護機制,是設置兩個界限寄存器,分別用于存放正在執行程序的上界和下界。越界檢查都由硬件實現。當然,對發生越界后的處理,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存后的開始地址（首址）上界寄存器存放程序裝入內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存中單元的地址稱為“物理地址“或“絕對地址”,由內存中的一系列單元所限定的地址范圍多道程序下,進程裝入內存后要由邏輯地址到內存物理地址進行變換,該功能應在硬件的支持下完成。2023/2/6794.內存擴充借助于虛擬存儲技術,從邏輯上去擴充內存容量,借助于虛擬存儲技術。改善了系統的性能,基本上不增加硬件投資。請求調入功能。置換功能。2023/2/6801.4操作系統的主要功能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設備管理功能設備管理的主要任務是,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設備;提高CPU和I/O設備的利用率;提高I/O速度;方便用戶使用I/O設備。2023/2/6821.緩沖管理匹配CPU和外設的速度,提高兩者的利用率（單緩沖區、雙緩沖區和公用緩沖池）最常見的緩沖區機制有單緩沖機制、能實現雙向同時傳送數據的雙緩沖機制,循環緩沖以及能供多個設備同時使用的公用緩沖池機制。2023/2/6832.設備分配根據用戶請求,分配I/O設備及相應的控制器和通道。2023/2/6843.設備處理設備處理程序又稱為設備驅動程序。其基本任務是用于實現CPU和設備控制器之間的通信,即由CPU向設備控制器發出I/O命令,要求它完成指定的I/O操作;反之由CPU接收從控制器發來的中斷請求,并給予迅速的響應和相應的處理。

處理過程是:設備處理程序首先檢查I/O請求的合法性,了解設備狀態是否是空閑的,了解有關的傳遞參數及設置設備的工作方式。然后,便向設備控制器發出I/O命令,啟動I/O設備去完成指定的I/O操作。設備驅動程序還應能及時響應由控制器發來的中斷請求,并根據該中斷請求的類型,調用相應的中斷處理程序進行處理。對于設置了通道的計算機系統,設備處理程序還應能根據用戶的I/O請求,自動地構成通道程序。2023/2/6854.設備獨立性和虛擬設備(1)設備獨立性 應用程序獨立于物理設備,使得用戶編制的程序與實際使用的物理設備無關。(2)虛擬設備功能 每次僅允許一個進程使用的物理設備,變為能“同時”供多個進程共享的設備。(即多個對應的邏輯設備)2023/2/6861.4操作系統的主要功能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