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1、计算机算机导论教材教材课件件本讲稿第一页，共一百四十六页第三章第三章 计算机软件系统计算机软件系统q教学目标掌握软件的相关概念了解系统软件和应用软件的基本知识了解计算机操作系统的基本知识了解几种常用的操作系统了解程序设计语言的相关概念了解软件工程的相关概念本讲稿第二页，共一百四十六页程序和程序设计语言程序和程序设计语言q软件的核心内容是程序，而程序是指令的序列。软件的核心内容是程序，而程序是指令的序列。q起起初初，程程序序员员用用计计算算机机能能够够直直接接执执行行的的二二进进制制码码（机机器器语语言言，Machine language）来写程序。工作效率非常低，而且容易出错、不容易查错。来写

2、程序。工作效率非常低，而且容易出错、不容易查错。q随随后后的的思思路路：先先用用英英文文字字母母和和数数字字按按照照一一定定规规则则来来写写程程序序，再再由由另另一一个个已已经经可可以执行、具有翻译能力的程序把它翻译成等价的二进制表示，交给计算机执行。以执行、具有翻译能力的程序把它翻译成等价的二进制表示，交给计算机执行。q因此，程序实际上是用特定语言表示的指令的序列。因此，程序实际上是用特定语言表示的指令的序列。q这样的语言叫做程序设计语言这样的语言叫做程序设计语言（Programming languages）。汇编语言汇编语言（Assemble language）高级语言高级语言（High-

3、level programming language）本讲稿第三页，共一百四十六页程序和程序设计语言程序和程序设计语言q对程序进行自动翻译：对程序进行自动翻译：#include void f(int*j);*j=9;void main()printf(myProgramn);i=1;printf(“i=”,i);f(i);printf(“i=“,i);高级语言程序高级语言程序MOV DX，OFFSET FILEMOV AL，0MOV AH，3DHINT 21HJC OPERRMOV HANDLE，AXMOV BX，HANDLEMOV DX，OFFSET BUFMOV CX，512MOV AH，

4、3FHINT 21HJC READERRCMP AX，0JE CLOSEMOV BX，AXMOV BUF BX，$MOV DX，OFFSET BUFMOV AH，9INT 21HJMP READ汇编语言程序汇编语言程序11011010110001000101100011000010010110110100010101011111011001010111001011101111011000000100111001010110011101010101110010101001010101010001011000110110111011100101100011010111001011010110001

5、101010011111010101010100100100101110100011100101011000110010110001100110010101010101000000111100101101111100101100001011111111001011001011101010101010100010101111110010100100101110010机器语言程序机器语言程序编译编译汇编汇编编译编译本讲稿第四页，共一百四十六页软件软件q只有程序就可以了吗？通常不是这样，因为：只有程序就可以了吗？通常不是这样，因为：使使用用这这个个程程序序的的人人一一般般不不是是写写程程序序的的人人

6、，他他们们很很可可能能不不懂懂程程序序，因因此此需要有使用说明，甚至需要培训教材；需要有使用说明，甚至需要培训教材；以以后后要要修修改改这这个个程程序序的的人人可可能能不不是是写写程程序序的的人人，他他们们需需要要理理解解这这个个程程序序的的设计思想和程序的演变过程设计思想和程序的演变过程；这这个个程程序序可可能能只只是是一一个个大大系系统统的的一一部部分分，承承担担其其他他任任务务的的人人需需要要知道怎样才能在系统中利用这个程序。知道怎样才能在系统中利用这个程序。q因因此此，还还需需要要与与程程序序有有关关的的其其他他信信息息，这这些些信信息息要要以以人人们们能能够够理理解解的的方方式式加以

7、表现：文档加以表现：文档（Documents）。q软件：程序和与之相关的所有文档。软件：程序和与之相关的所有文档。本讲稿第五页，共一百四十六页等应用软件数据库管理系统系统支撑和服务程序语言处理程序操作系统系统软件软件系统Photoshop AdobeOffice WPSOfficeMicrosoft 第一节第一节 计算机软件概述计算机软件概述本讲稿第六页，共一百四十六页系统软件和应用软件的概念系统软件和应用软件的概念q系统软件系统软件是围绕计算机系统本身开发的软件，它介于硬件和应用软件之间。其主要功能是管理、监控和维护计算机软硬件资源，为应用软件的开发和运行提供环境支持，为用户提供友好的使用计

8、算机的交互界面。主要包括：操作系统、程序设计语言、语言处理程序、数据库管理系统、系统支撑和服务程序等。本讲稿第七页，共一百四十六页系统软件和应用软件的概念系统软件和应用软件的概念q应用软件应用软件是为用户解决各类应用问题开发的程序。应用软件涉及的应用范围广泛，种类繁多。如今，计算机能够渗透到人们生活的方方面面，就是各种应用软件得到大量成果研发的结果。常见应用软件有办公自动化软件、管理信息系统、大型科学计算软件包以及各类游戏软件等。具体的软件有Microsoft Office、WPS Office、PhotoShop、Corel Draw等。本讲稿第八页，共一百四十六页应用软件、系统软件、硬件之

9、间的层次关系应用软件、系统软件、硬件之间的层次关系计算机硬件计算机硬件系统软件系统软件应用软件应用软件用户按下用户按下 P 键键Hi，OS，发生了，发生了一个事件：一个事件：P 键键被按下了！被按下了！Hi，财务系统，键盘输，财务系统，键盘输入的是入的是P，看着办吧！看着办吧！Hi，OS，打印我，打印我送到你那里的工资送到你那里的工资报表文件报表文件 ！Hi，激光打印机，激光打印机，把我送给你的数据把我送给你的数据打印出来打印出来 ！激光打印机激光打印机开始打印开始打印*本讲稿第九页，共一百四十六页系统软件系统软件本讲稿第十页，共一百四十六页管理和控制计算机的要求管理和控制计算机的要求q计算机

10、有许多部件，需要对它们进行统一管理，包括：计算机有许多部件，需要对它们进行统一管理，包括：内存和外存；内存和外存；各个部件之间的通信与协调运行。各个部件之间的通信与协调运行。q还有许多与硬件有关的、公共的事情：还有许多与硬件有关的、公共的事情：接受输入设备（例如键盘）送来的数据；接受输入设备（例如键盘）送来的数据；把数据存储到外存，或者从外存读取所需要的数据；把数据存储到外存，或者从外存读取所需要的数据；把数据送给输出设备（例如显示器、打印机等）。把数据送给输出设备（例如显示器、打印机等）。q这些事情：这些事情：完全可以用程序来做。因为计算机不仅可以为用户计算，还可以为完全可以用程序来做。因为

11、计算机不仅可以为用户计算，还可以为计算。计算。不应当由每一个程序都来做，而应当由专门的程序来做。不应当由每一个程序都来做，而应当由专门的程序来做。本讲稿第十一页，共一百四十六页系统软件系统软件q这类软件不需要用户的干预，就能处理技术上很复杂的、这类软件不需要用户的干预，就能处理技术上很复杂的、繁杂的、一般用户处理不了的那些事情。繁杂的、一般用户处理不了的那些事情。q这类软件包括：这类软件包括：操作系统操作系统（Operating system，OS）程序设计语言程序设计语言（Programing design language）语言处理程序语言处理程序（Language translators

12、）数据库管理系统数据库管理系统（Data Base Management SystemData Base Management System，DBMSDBMS）设备驱动程序设备驱动程序（Device drivers）系统支撑和服务程序系统支撑和服务程序本讲稿第十二页，共一百四十六页 计算机系统是由硬件和软件两部分构成的。操作系统属计算机系统是由硬件和软件两部分构成的。操作系统属于软件中的系统软件，操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，于软件中的系统软件，操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之是对硬件功能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之上的。通

13、过操作系统对硬件功能进行扩充，并在操作系统的上的。通过操作系统对硬件功能进行扩充，并在操作系统的统统管理和支持下运行各种软件。管理和支持下运行各种软件。因此，操作系统在计算机系统中占据着一个非常重要因此，操作系统在计算机系统中占据着一个非常重要的地位，它不仅是硬件与所有其他软件之间的接口，而且的地位，它不仅是硬件与所有其他软件之间的接口，而且任何数字电子计算机，从微处理器到巨型计算机都必须在任何数字电子计算机，从微处理器到巨型计算机都必须在其硬件平台上加载相应的操作系统之后，才能构成一个可其硬件平台上加载相应的操作系统之后，才能构成一个可以协调运转的计算机系统。以协调运转的计算机系统。操作系统

14、的概念操作系统的概念本讲稿第十三页，共一百四十六页 只有在操作系统的指挥控制下，各种计算机资源才能被只有在操作系统的指挥控制下，各种计算机资源才能被分配给用户所使用。也只有在操作系统的支撑下，其他系统分配给用户所使用。也只有在操作系统的支撑下，其他系统软件如各类编译系统、程序库、运行支持环境才得以取得运软件如各类编译系统、程序库、运行支持环境才得以取得运行条件。没有操作系统，任何应用软件都无法运行。行条件。没有操作系统，任何应用软件都无法运行。可见，操作系统实际上是一个计算机系统中硬、软件可见，操作系统实际上是一个计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。操作系统的性能高低，决定了整体计算资源的总指

15、挥部。操作系统的性能高低，决定了整体计算机的潜在硬件性能能否发挥出来。操作系统本身的安全可机的潜在硬件性能能否发挥出来。操作系统本身的安全可靠程度，决定了整个计算机系统的安全性和可靠性。操作靠程度，决定了整个计算机系统的安全性和可靠性。操作系统正是软件技术含量最大、附加值最高的部分，是软件系统正是软件技术含量最大、附加值最高的部分，是软件技术的核心，是软件的基础运行平台。技术的核心，是软件的基础运行平台。操作系统的概念操作系统的概念本讲稿第十四页，共一百四十六页 据此，我们可给出操作系统的一个定义：据此，我们可给出操作系统的一个定义：操作系统是计算机系统中的一个系统操作系统是计算机系统中的一个

16、系统软件，是能软件，是能有效有效地组织和管理计算机系统中地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，的硬件和软件资源，合理合理地组织计算机工作地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、服务功能，使得用户能够灵活、方便方便、有效、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合地运行的一组程序模块的集合。操作系统的概念操作系统的概念本讲稿第十五页，共一百四十六页 其中，其中，“有效有效”主要指操作系统在管理资源方面要考虑到系统运主要指操作系统在管理资源方面要考虑到

17、系统运行效率和资源的利用率，要尽可能的提高处理器的利用率，让行效率和资源的利用率，要尽可能的提高处理器的利用率，让它尽可能少的空转，其他的资源例如内存、硬盘则应该在保证它尽可能少的空转，其他的资源例如内存、硬盘则应该在保证访问效能的前提下尽可能的减少浪费的空间等。访问效能的前提下尽可能的减少浪费的空间等。“合理合理”主要是指操作系统对于不同的用户程序要主要是指操作系统对于不同的用户程序要“公平公平”，以保证系统不发生，以保证系统不发生“死锁死锁”和和“饥饿饥饿”的现象。的现象。“方便方便”主要是指人机界面方面，包括用户使用界面和主要是指人机界面方面，包括用户使用界面和程序设计接口两方面的易用性

18、、易学性和易维护性。程序设计接口两方面的易用性、易学性和易维护性。操作系统的概念操作系统的概念本讲稿第十六页，共一百四十六页操作系统的功能操作系统的功能q存储器管理q处理器管理（进程管理）q文件管理q设备管理q作业管理本讲稿第十七页，共一百四十六页 处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。它包括以下几方面

19、：管理。它包括以下几方面：进程控制进程控制 在多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或在多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。进程运行结束时，要立即撤几个进程，并为之分配必要的资源。进程运行结束时，要立即撤销该进程，以便及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的销该进程，以便及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要任务便是为作业创建进程，撤销已结束的进程，以及控制进主要任务便是为作业创建进程，撤销已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。程在运行过程中的状态转换。一、处理机管理功能一、处理机管理功能本讲稿第十八页，共一百四十六

20、页 进程同步进程同步 进程是以异步方式运行的，并以人们不可预知的速度向前进程是以异步方式运行的，并以人们不可预知的速度向前推进。为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程推进。为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。同步机制。进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。有两种协调方式：有两种协调方式：进程互斥方式。指诸进程在对临界资源进行访问时，应进程互斥方式。指诸进程在对临界资源进行访问时，应该用互斥方式。该用互斥方式。进程同步方式。指在相互合作完成共同任务的进程间，进程同步方式。指在相互合作完成共同任务的进程间，由同步机构

21、对它们的执行次序加以协调。由同步机构对它们的执行次序加以协调。本讲稿第十九页，共一百四十六页 为了实现进程同步与互斥，系统中必须设置为了实现进程同步与互斥，系统中必须设置进程同步机制。最简单的用于实现进程互斥的机进程同步机制。最简单的用于实现进程互斥的机制是为每一种临界资源配置一把锁。当锁打开时，制是为每一种临界资源配置一把锁。当锁打开时，进程可以对临界资源进行访问；而关上时，则禁进程可以对临界资源进行访问；而关上时，则禁止进程访问该临界资源。止进程访问该临界资源。进程通信进程通信 在多道程序环境下，可由系统为一个应用程序在多道程序环境下，可由系统为一个应用程序建立多个进程。这些进程相互合作去

22、完成一共同建立多个进程。这些进程相互合作去完成一共同任务，而在这些相互合作的进程之间，往往需要任务，而在这些相互合作的进程之间，往往需要交换信息。交换信息。本讲稿第二十页，共一百四十六页 例如，有三个相互合作的进程，它们是输入进程、计算进程例如，有三个相互合作的进程，它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算，并把计算结果传送给打印进程，算进程利用输入数据进行计算，并把计算结果传送给打印进程，由打印进程把结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现相互由打印进程把结果打印出来。进

23、程通信的任务就是用来实现相互合作进程之间的信息交换。合作进程之间的信息交换。当相互合作的进程处于同一计算机系统时，通常是采用直接当相互合作的进程处于同一计算机系统时，通常是采用直接通信方式。即由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的通信方式。即由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。消息。本讲稿第二十一页，共一百四十六页 当相互合作的进程处于不同的系统中时，常采用间接通当相互合作的进程处于不同的系统中时，常采用间接通讯方式，即由源进程利用发送命令将消息送入一个存放消息讯

24、方式，即由源进程利用发送命令将消息送入一个存放消息的中间实体中，以后由目标进程利用接收命令从中间实体中的中间实体中，以后由目标进程利用接收命令从中间实体中取走消息。该中间实体通常称为邮箱，相应的通信系统称为取走消息。该中间实体通常称为邮箱，相应的通信系统称为电子邮件系统。电子邮件系统。调度调度 等待在后备队列上的每个作业，通常要经过调度（包括等待在后备队列上的每个作业，通常要经过调度（包括作业调度和进程调度两步），才能执行。作业调度的基本任作业调度和进程调度两步），才能执行。作业调度的基本任务是从后备队列中按照一定的算法，选择若干务是从后备队列中按照一定的算法，选择若干个作业，为它们分配必要的

25、资源（首先是分配内存）。个作业，为它们分配必要的资源（首先是分配内存）。本讲稿第二十二页，共一百四十六页 在将它们调入内存后，便为它们建立进程，在将它们调入内存后，便为它们建立进程，使之成为可能获得处理机的就绪进程；并将它们使之成为可能获得处理机的就绪进程；并将它们按一定算法插入就绪队列。而进程调度的任务则按一定算法插入就绪队列。而进程调度的任务则是从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一是从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入运行。场，使进程投入运行。在进行作业调度和进程调度时，都必须遵循在进

26、行作业调度和进程调度时，都必须遵循某种调度算法。某种调度算法。本讲稿第二十三页，共一百四十六页 存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。为此，存储器管理应具有以下功能：内存分辑上来扩充内存。为此，存储器管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等。配、内存保护、地址映射和内存扩充等。内存分配内存分配 内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，使它们内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，使它

27、们“各得其所各得其所”，提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空，提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间，允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和间，允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。数据动态增长的需要。二、存储器管理功能二、存储器管理功能本讲稿第二十四页，共一百四十六页 操作系统在实现内存分配时，可采取以下两种方操作系统在实现内存分配时，可采取以下两种方式：式：静态分配方式。每个作业的内存空间是在作业装静态分配方式。每个作业的内存空间是在作业装入时确定的；在作业装入后的整个运行期间，不允许入时确定的；在作业装入后的整个运行期间，不允许再申请新

28、的内存空间，也不允许作业在内存中再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动移动”。动态分配。每个作业所要求的基本内存空间也是在装动态分配。每个作业所要求的基本内存空间也是在装入时确定的；但允许作业在运行过程中继续申请新的附加入时确定的；但允许作业在运行过程中继续申请新的附加空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中中“移动移动”。本讲稿第二十五页，共一百四十六页 为了实现内存分配，在内存分配的机制中应为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有以下结构和功能具有以下结构和功能 内存分配数据结构。该结构用于记录内内存分配数据结构。该结

29、构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。存空间的使用情况，作为内存分配的依据。内存分配功能。系统按照一定的内存分内存分配功能。系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。配算法为用户程序分配内存空间。内存回收功能。系统对于用户不再需要内存回收功能。系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。收功能。本讲稿第二十六页，共一百四十六页 内存保护内存保护 内存保护的主要任务是确保每道用户程序都在自己的内存空内存保护的主要任务是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。进一步说，绝不允许用户程序访问操作系间中

30、运行，互不干扰。进一步说，绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据；也不允许转移到非共享的其他用户程序中去执统的程序和数据；也不允许转移到非共享的其他用户程序中去执行。行。为了确保每道程序只在自己的内存区内运行，必须设置内为了确保每道程序只在自己的内存区内运行，必须设置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制是设置两个界限寄存保护机制。一种比较简单的内存保护机制是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统需对每存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统需对每条指令所访问的地址进行越界检查，如果发生越界，便发出越条指令所访问的地址进行越界检查，如果发生越界，便发出越界中

31、断请求，以停止该程序的执行。界中断请求，以停止该程序的执行。本讲稿第二十七页，共一百四十六页 如果这种检查完全用软件实现，则每执行一条指令，便需如果这种检查完全用软件实现，则每执行一条指令，便需要增加若干条指令去进行越界检查，这将显著地降低程序的执要增加若干条指令去进行越界检查，这将显著地降低程序的执行速度。因此，越界检查都由硬件实现，当然，对发生越界后行速度。因此，越界检查都由硬件实现，当然，对发生越界后的处理，还须与软件配合来完成。的处理，还须与软件配合来完成。地址映射地址映射 一个应用程序（源程序）经编译后，通常会形成若干个目标一个应用程序（源程序）经编译后，通常会形成若干个目标程序；这

32、些目标程序再经过链接而形成可装入程序。这些程序的程序；这些目标程序再经过链接而形成可装入程序。这些程序的地址都是从地址都是从“0”0”开始的，程序中的其他地址都是相对于起始开始的，程序中的其他地址都是相对于起始地址计算的；由这些地址所形成的地址范围称为地址计算的；由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间地址空间”，其中的地址称为，其中的地址称为“逻辑地址逻辑地址”或或“相对地址相对地址”。本讲稿第二十八页，共一百四十六页 此外，由内存中的一系列单元所限定的地址此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为范围称为“内存空间内存空间”，其中的地址称为，其中的地址称为“物理物理地址地址”。在多道程

33、序环境下，地址空间中的逻辑地址在多道程序环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的，因此，和内存空间中的物理地址是不可能一致的，因此，存储器管理必须提供地址映射功能，将地址空间存储器管理必须提供地址映射功能，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能同样应在硬件的支持下完成。地址。该功能同样应在硬件的支持下完成。本讲稿第二十九页，共一百四十六页 内存扩充内存扩充 由于物理内存的容量有限（它是非常宝贵的由于物理内存的容量有限（它是非常宝贵的硬件资源，不可能做得太大），因而难以满足用硬件资源，不可能做得太大），因

34、而难以满足用户的需要，势必影响到系统的性能。在存储器管户的需要，势必影响到系统的性能。在存储器管理中的内存扩充任务，并非是去增加物理内存的理中的内存扩充任务，并非是去增加物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存比物理内存充内存容量，使用户所感觉到的内存比物理内存大得多；或者是让更多的用户程序能并发运行。大得多；或者是让更多的用户程序能并发运行。这样，即满足了用户的需要、改善了系统性能，这样，即满足了用户的需要、改善了系统性能，又基本上不增加硬件投资。又基本上不增加硬件投资。本讲稿第三十页，共一百四十六页 为了

35、从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存为了从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述各功能：扩充机制，用于实现下述各功能：请求调入功能。允许在仅装入一部分用户请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下，启动该程序运行。在运行程序和数据的情况下，启动该程序运行。在运行过程中当发现继续运行时所需的程序和数据尚未过程中当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，可向操作系统发出请求，由操作系装入内存时，可向操作系统发出请求，由操作系统将所需部分调入内存，以便继续运行。统将所需部分调入内存，以便继续运行。置换功能。若内存中已无足够的空间来装置换功能。若内存中已无足够的空间来装

36、入需要调入的部分时，系统应能将内存中的一部入需要调入的部分时，系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将需部分调入内存。内存空间，然后再将需部分调入内存。本讲稿第三十一页，共一百四十六页 设备管理的主要任务是完成用户提出的设备管理的主要任务是完成用户提出的I/OI/O请求，为用户分配请求，为用户分配I/OI/O设备；提高设备；提高CPUCPU和和I/OI/O设备的利用率；提高设备的利用率；提高I/OI/O速度；以及方速度；以及方便用户使用便用户使用I/OI/O设备。为实现上述任务，设设备。为实现上述任务，设备管理

37、应具有缓冲管理、设备分配和设备备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚拟设备等功能。处理以及虚拟设备等功能。三、设备管理功能三、设备管理功能本讲稿第三十二页，共一百四十六页 缓冲管理缓冲管理 缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲区，如字缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲区，如字符缓冲区和字符块缓冲区，以缓和符缓冲区和字符块缓冲区，以缓和CPUCPU和和I/OI/O速度不匹配的矛速度不匹配的矛盾，最终达到提高盾，最终达到提高CPUCPU和和I/OI/O设备利用率，进而提高系统吞吐设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。在不少系统中，还通过增加缓冲区容量的办法量的目的。在不少系统中，

38、还通过增加缓冲区容量的办法来改善文件系统的性能。来改善文件系统的性能。对于不同的系统，可以采用不同类型的缓冲区机制。最常见对于不同的系统，可以采用不同类型的缓冲区机制。最常见的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲机制、以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。机制、以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。本讲稿第三十三页，共一百四十六页 设备分配设备分配 设备分配的基本任务是根据用户的设备分配的基本任务是根据用户的I/OI/O请求，为之分配其请求，为之分配其所需的设备。如果在所需的设备。如果在I/OI/O设备和设备和C

39、PUCPU之间还存在着设备控制器和之间还存在着设备控制器和I/OI/O通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。为了实现设备分配，系统中应配置设备控制表、控制器为了实现设备分配，系统中应配置设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态。控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态。它们可用以说明该设备是否可用、是否忙碌，以供设备分配它们可用以说明该设备是否可用、是否忙碌，以供设备分配时参考。在进行设备分配时，应针对不同的设备而采用不同时参考。在进行设备分配时，应针对不同的设备而采用不同的设备分配方式

40、。对于独占设备（临界资源）的分配，还应的设备分配方式。对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全。设备用完后还考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全。设备用完后还应立即加以回收。应立即加以回收。本讲稿第三十四页，共一百四十六页 设备处理设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务通常设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务通常是实现是实现CPUCPU和设备控制器之间的通信。即由和设备控制器之间的通信。即由CPUCPU向设备控制向设备控制器发出器发出I/OI/O指令，要求它完成指定的指令，要求它完成指定的I/OI/O操作；并能接收由设操作；并能接收由设备

41、控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。备控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。处理过程是：设备处理程序首先检查处理过程是：设备处理程序首先检查I/OI/O请求的合法性、了请求的合法性、了解设备的状态是否空闲、了解有关传递参数以及设置设备的解设备的状态是否空闲、了解有关传递参数以及设置设备的工作方式。然后，便向设备控制器发出工作方式。然后，便向设备控制器发出I/OI/O命令，启动命令，启动I/OI/O设设备去完成指定的备去完成指定的I/OI/O操作。最后是及时响应由控制器发来的中断操作。最后是及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型调用相应的中断处理程序进行

42、处请求，并根据该中断请求的类型调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统，设备处理程序还应能根据用理。对于设置了通道的计算机系统，设备处理程序还应能根据用户的户的I/OI/O请求，自动地构成通道程序。请求，自动地构成通道程序。本讲稿第三十五页，共一百四十六页 设备独立性和虚拟设备设备独立性和虚拟设备 设备独立性。设备独立性的基本含义是指应用程序独设备独立性。设备独立性的基本含义是指应用程序独立于物理设备，以使用户编制的程序与实际使用的物理设备立于物理设备，以使用户编制的程序与实际使用的物理设备无关。这种独立性不仅能提高用户程序的可适应性，使程序无关。这种独立性不仅能提高用户程序

43、的可适应性，使程序不局限于某具体的物理设备，而且易于实现输入、输出的重不局限于某具体的物理设备，而且易于实现输入、输出的重定向。即在定向。即在I/OI/O操作中所使用的设备可方便地重新指定，而操作中所使用的设备可方便地重新指定，而无须改变原有程序。无须改变原有程序。虚拟设备功能。这一功能可把每次仅允许一个进程使虚拟设备功能。这一功能可把每次仅允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的设备。或者用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的设备。或者说，它能把一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备，以使说，它能把一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备，以使一个物理设备能供多个用户共享。这样

44、，不仅提高了设备的一个物理设备能供多个用户共享。这样，不仅提高了设备的利用率，而且还加速了程序的运行，使每个用户都感觉到自利用率，而且还加速了程序的运行，使每个用户都感觉到自己在独占该设备。己在独占该设备。本讲稿第三十六页，共一百四十六页 四、文件管理功能四、文件管理功能 在现代计算机系统中，总是把程序和数据以在现代计算机系统中，总是把程序和数据以文件的形式存储在磁盘和磁带上，供所有的或指文件的形式存储在磁盘和磁带上，供所有的或指定的用户使用。为此，在操作系统中必须配置文定的用户使用。为此，在操作系统中必须配置文件管理机构。文件管理的主要任务，是对用户文件管理机构。文件管理的主要任务，是对用户

45、文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。为此，文件管理应具有对文件证文件的安全性。为此，文件管理应具有对文件存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理以及文件的共享与保护等功能。以及文件的共享与保护等功能。本讲稿第三十七页，共一百四十六页文件存储空间的管理文件存储空间的管理 为了方便用户的使用，对于一些当前需要使为了方便用户的使用，对于一些当前需要使用的系统文件和用户文件，都必须存放在可随机用的系统文件和用户文件，都必须存放在可随机存取的磁盘上。在多用户环境下，若由用户自己存取的磁盘上。在多

46、用户环境下，若由用户自己对文件的存储进行管理，不仅非常困难，而且也对文件的存储进行管理，不仅非常困难，而且也必然是十分低效的。因而，需要由文件系统对诸必然是十分低效的。因而，需要由文件系统对诸多文件及文件的存储空间，实施统一的管理。其多文件及文件的存储空间，实施统一的管理。其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的工高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的工作速度作速度本讲稿第三十八页，共一百四十六页 为了实现对文件存储空间的管理，系统应设为了实现对文件存储空间的管理，系统应设置相应的数据结构，用于记录文件存储

47、空间的使置相应的数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间时参考；系统还应具用情况，以供分配存储空间时参考；系统还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。为了提高有对存储空间进行分配和回收的功能。为了提高存储空间的利用率，对存储空间的分配通常是采存储空间的利用率，对存储空间的分配通常是采用离散分配方式，以减少外存零头，并以盘块为用离散分配方式，以减少外存零头，并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为基本分配单位。盘块的大小通常为512512字节至字节至4K4K字字节。节。本讲稿第三十九页，共一百四十六页 目录管理目录管理 为了使用户能方便地在外存上找到他所需要的文件，通为了使用户

48、能方便地在外存上找到他所需要的文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包含文件名、常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包含文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又可构成一个目录文件。目录管理的主要任务是为每个文件建可构成一个目录文件。目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取。便的按名存取。也就是说，用户只须提供文件名，即可对该文件进行存取。也就是说，用户只须提供文件名，即可对该文件进行存取。其次，目录管理

49、还应能实现文件共享，这样，只需在外存上保其次，目录管理还应能实现文件共享，这样，只需在外存上保留一份该共享文件的副本。此外，还应能提供快速的目录查询留一份该共享文件的副本。此外，还应能提供快速的目录查询手段，以提高文件的检索速度。手段，以提高文件的检索速度。本讲稿第四十页，共一百四十六页 文件的读、写管理和存取控制文件的读、写管理和存取控制 文件的读、写管理。读、写管理是最基本的功能。文件的读、写管理。读、写管理是最基本的功能。这是根据用户的请求，从外存中读取数据；或将数据写入这是根据用户的请求，从外存中读取数据；或将数据写入外存。外存。在进行文件读（写）时，系统先根据用户给出的文件在进行文件

50、读（写）时，系统先根据用户给出的文件名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读（写）指针，对文件进行读（写）。一旦后，利用文件读（写）指针，对文件进行读（写）。一旦读（写）完成，便修改读（写）指针，为下一次读（写）读（写）完成，便修改读（写）指针，为下一次读（写）做好准备。由于读和写操作不会同时进行，故可以和用一做好准备。由于读和写操作不会同时进行，故可以和用一个读个读/写指针。写指针。本讲稿第四十一页，共一百四十六页 文件的存取控制文件的存取控制 为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，在文件系统中为了防止系统中的文件被非