计算机操作系统第一章.pdf

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1、1第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计234567891.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目1.方便性2.有效性3.可扩充性4.开放性101.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.OS作为

2、用户与计算机硬件系统之间的接口作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。11图 1-1 OS作为接口的示意图用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件12(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调

3、用，来操纵计算机。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。132.OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及信息(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。可见，OS确是计算机系统资源的管理者。事实上，当今世界上广为流行的一个关于OS作用的观点

4、，正是把OS作为计算机系统的资源管理者。143.OS对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件，则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更

5、强的虚机器。151.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力1.不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率2.3.器件的不断更新换代器件的不断更新换代4.计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展161.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.人工操作方式人工操作方式从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。这时的计算机操作是由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡

6、片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。(2)CPU等待人工操作。172.脱机输入脱机输入/输出输出(Off-Line I/O)这种脱机I/O(1)减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备图1-2脱机I/O示意图181.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.单道批处理系统单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程的处理过程图 1-3 单道批处理系统的处理流程把下一个作业的源

7、程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始192.单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。201.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统(Multiprog

8、rammed Batch Processing System)。在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。21在OS(1)提高CPU的利用率。当内存中仅有一道程序时，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU空闲，必须在其I/O完成后才继续运行；尤其因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。图 1-4(a)示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t2t3、t6t7时间间隔内CPU空闲。在引入多道程序设计技术后，由于同时在内存中装有若干道程序，并使

9、它们交替地运行，这样，当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了CPU处于忙碌状态。22图 1-4 单道和多道程序运行情况t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a)单道程序运行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b)四道程序运行情况A完成结束中断23(2)可提高内存和

10、I/O设备利用率。为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容量，但由于80%以上的作业都属于中小型，因此在单道程序环境下，也必定造成内存的浪费。类似地，对于系统中所配置的多种类型的I/O设备，在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序，并允许它们并发执行，则无疑会大大提高内存和I/O设备的利用率。(3)增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的费用。242.多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征(1)多道性。多道性。(2)无序性。无序性。(3)调度性。调度性。253.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的

11、优缺点(1)资源利用率高。(2)系统吞吐量大。(3)平均周转时间长。(4)无交互能力。264.多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题(1)处理机管理问题。(2)内存管理问题。(3)I/O设备管理问题。(4)文件管理问题。(5)作业管理问题。271.2.4 分时系统分时系统1.分时系统分时系统(Time-Sharing System)如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求。或者说，分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求

12、具体表(1)人机交互。(2)共享主机。(3)便于用户上机。281.2.4 分时系统分时系统292.分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。此后，用户可继续键入下一条命令，此即人机交互。应强调指出，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，(1)及时接收。(2)及时处理。303.分时系统的特征分时系统的特征(1)多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。311.2.5 实时系统实时系统所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统

13、(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。1.应用需求应用需求(1)实时控制。(2)实时信息处理。322.实时任务实时任务1)(1)周期性实时任务。(2)非周期性实时任务。外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间(Deadline)。它又可分为：开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行；完成截止时间任务在某时间以前必须完成。332)(1)硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。(2)软实

14、时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。343.实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较(1)多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。(5)可靠性。353637383940414243441.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.3.1 并发并发(Concurrence)并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念，并行性并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两

15、个或多个事件在同一时间间隔内发生多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下在多道程序环境下，并发并发性是指在一段时间内性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行宏观上有多个程序在同时运行，但在但在单处理机系统中单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观故微观上这些程序只能是分时地交替执行上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有倘若在计算机系统中有多个处理机多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上处理机上，实现并行执行实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可即利用每个处理机来处

16、理一个可并发执行的程序并发执行的程序，这样这样，多个程序便可同时执行多个程序便可同时执行。451.3.2 共享共享(Sharing)在操作系统环境下在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程供内存中多个并发执行的进程(线程线程)共同使用共同使用。由于资由于资源属性的不同源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同进程对资源共享的方式也不同，目前主目前主要有以下两种资源共享方式要有以下两种资源共享方式。471.系统中的某些资源系统中的某些资源，如打印机如打印机、磁带机磁带机，虽然它们可以提虽然它们可以提供给多个进程供给多个进程(线程线程)使用使用

17、，但为使所打印或记录的结果不致造但为使所打印或记录的结果不致造成混淆成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程应规定在一段时间内只允许一个进程(线程线程)访问该资访问该资源源。为此为此，当一个进程当一个进程A要访问某资源时要访问某资源时，必须先提出请求必须先提出请求，如果此时该资源空闲如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程系统便可将之分配给请求进程A使用使用，此后若再有其它进程也要访问该资源时此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要只要A未用完未用完)则必须则必须等待等待。仅当仅当A进程访问完并释放该资源后进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程才允许另一进程对该资源进行访问对该资源进行

18、访问。我们把这种资源共享方式称为我们把这种资源共享方式称为互斥式共互斥式共享享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源资源或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备计算机系统中的大多数物理设备，以及某以及某些软件中所用的栈些软件中所用的栈、变量和表格变量和表格，都属于临界资源都属于临界资源，它们要它们要求被互斥地共享求被互斥地共享。482.系统中还有另一类资源系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程允许在一段时间内由多个进程“同时同时”对它们进行访问对它们进行访问。这里所谓的这里所谓的“同时同时”往往是宏观往往是宏观

19、上的上的，而在微观上而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访这些进程可能是交替地对该资源进行访问问。典型的可供多个进程典型的可供多个进程“同时同时”访问的资源是磁盘设备访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件一些用重入码编写的文件，也可以被也可以被“同时同时”共享共享，即若干即若干个用户同时访问该文件个用户同时访问该文件。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是它们又是互为存在的条件互为存在的条件。一方面一方面，资源共享是以程序资源共享是以程序(进程进程)的并发的并发执行为条件的执行为条件的，若系统不允许程序并发执行若系统不允许程序并发执

20、行，自然不存在资自然不存在资源共享问题；另一方面源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管若系统不能对资源共享实施有效管理理，协调好诸进程对共享资源的访问协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序也必然影响到程序并发执行的程度并发执行的程度，甚至根本无法并发执行甚至根本无法并发执行。491.3.3 虚拟虚拟(Virtual)操作系统中的所谓操作系统中的所谓“虚拟虚拟”，是指通过某种技术把一是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体物理实体(前者前者)是实的是实的，即实际存在的；而后者是虚的即实际存在的；而后者是虚的，是用户感

21、觉上是用户感觉上的东西的东西。相应地相应地，用于实现虚拟的技术用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术称为虚拟技术。在在OS中利用了多种虚拟技术中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等虚拟外部设备和虚拟信道等。50在虚拟处理机技术中在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机来分时使用一台处理机的的。此时此时，虽然只有一台处理机虽然只有一台处理机，但它能同时为多个但它能同时为多个用户服务用户服务，使每个终端用户都认为是有一个使每个终端用户都认

22、为是有一个CPU在专在专门为他服务门为他服务。亦即亦即，利用多道程序设计技术利用多道程序设计技术，把一台把一台物理上的物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚拟也称为虚拟处理机处理机，我们把用户所感觉到的我们把用户所感觉到的CPU称为虚拟处理器称为虚拟处理器。51类似地类似地，可以通过虚拟存储器技术可以通过虚拟存储器技术，将一台机器的将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储以便从逻辑上来扩充存储器的容量器的容量。此时此时，虽然物理内存的容量可能不大虽然物理内存的容量可能不大(如如32MB)，但它可以运行比它大得多的用户程序但

23、它可以运行比它大得多的用户程序(如如128 MB)。这使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多这使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，认为该机器的内存至少也有认为该机器的内存至少也有128 MB。当然这时用户所感当然这时用户所感觉到的内存容量是虚的觉到的内存容量是虚的。我们把用户所感觉到的存储器我们把用户所感觉到的存储器称为虚拟存储器称为虚拟存储器。52我们还可以通过虚拟设备技术我们还可以通过虚拟设备技术，将一台物理将一台物理I/O设备虚设备虚拟为多台逻辑上的拟为多台逻辑上的I/O设备设备，并允许每个用户占用一台逻辑并允许每个用户占用一台逻辑上的上的I/O设备设备，这样便可使原来仅

24、允许在一段时间内由一个这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备用户访问的设备(即临界资源即临界资源)，变为在一段时间内允许多变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备个用户同时访问的共享设备。例如例如，原来的打印机属于临原来的打印机属于临界资源界资源，而通过虚拟设备技术而通过虚拟设备技术，可以把它变为多台逻辑上可以把它变为多台逻辑上的打印机的打印机，供多个用户供多个用户“同时同时”打印打印。此外此外，也可以把一也可以把一条物理信道虚拟为多条逻辑信道条物理信道虚拟为多条逻辑信道(虚信道虚信道)。在操作系统中在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法虚拟的实现主要是通过分时使

25、用的方法。显然显然，如果如果n是是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的均速度必然是物理设备速度的1/n。531.3.4 异步性异步性(Asynchronism)在多道程序环境下在多道程序环境下，允许多个进程并发执行允许多个进程并发执行，但只有但只有进程在获得所需的资源后方能执行进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下在单处理机环境下，由于系统中只有一个处理机由于系统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进程执因而每次只允许一个进程执行行，其余进程只能等待其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源当

26、正在执行的进程提出某种资源要求时要求时，如打印请求如打印请求，而此时打印机正在为其它某进程打而此时打印机正在为其它某进程打印印，由于打印机属于临界资源由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须因此正在执行的进程必须等待等待，且放弃处理机且放弃处理机，直到打印机空闲直到打印机空闲，并再次把处理机并再次把处理机分配给该进程时分配给该进程时，该进程方能继续执行该进程方能继续执行。可见可见，由于资源由于资源等因素的限制等因素的限制，使进程的执行通常都不是使进程的执行通常都不是“一气呵成一气呵成”，而是以而是以“停停走走停停走走”的方式运行的方式运行。54内存中的每个进程在何时能获得处理机运行内存中

27、的每个进程在何时能获得处理机运行，何时何时又因提出某种资源请求而暂停又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度以及进程以怎样的速度向前推进向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成每道程序总共需多少时间才能完成，等等等等，都是不可预知的都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同由于各用户程序性能的不同，比如比如，有的侧重于计算而较少需要有的侧重于计算而较少需要I/O；而又有的程序其计算少；而又有的程序其计算少而而I/O多多，这样这样，很可能是先进入内存的作业后完成；很可能是先进入内存的作业后完成；而后进入内存的作业先完成而后进入内存的作业先完成。或者说或者说，进程是以人们不进程是以人们不可预

28、知的速度向前推进可预知的速度向前推进，此即进程的异步性此即进程的异步性。尽管如此尽管如此，但只要运行环境相同但只要运行环境相同，作业经多次运行作业经多次运行，都会获得完全都会获得完全相同的结果相同的结果。因此因此，异步运行方式是允许的异步运行方式是允许的，是操作系是操作系统的一个重要特征统的一个重要特征。551.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.4.1 处理机管理功能处理机管理功能1.在传统的多道程序环境下在传统的多道程序环境下，要使作业运行要使作业运行，必须先为它必须先为它创建一个或几个进程创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源并为之分配必要的资源。当进程运当进程运行结束时行结束

29、时，立即撤消该进程立即撤消该进程，以便能及时回收该进程所占以便能及时回收该进程所占用的各类资源用的各类资源。进程控制的主要功能是为作业创建进程进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束的进程撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转以及控制进程在运行过程中的状态转换换。在现代在现代OS中中，进程控制还应具有为一个进程创建若干进程控制还应具有为一个进程创建若干个线程的功能和撤消个线程的功能和撤消(终止终止)已完成任务的线程的功能已完成任务的线程的功能。562.进程同步进程同步为使多个进程能有条不紊地运行为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程系统中必须设置进程同步机制同步机制

30、。进程同步的主要任务是为多个进程进程同步的主要任务是为多个进程(含线程含线程)的运的运行进行协调行进行协调。有两种协调方式：有两种协调方式：进程互斥方式进程互斥方式，这是指这是指诸进程诸进程(线程线程)在对临界资源进行访问时在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；应采用互斥方式；进程同步方式进程同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸进程指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程线程)间间，由同步机构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。为了实现进程同步为了实现进程同步，系统中必须设置进程同步机制系统中必须设置进程同步机制。最最简单的用于实现进程互斥的机制简单的用于实现进程

31、互斥的机制，是为每一个临界资源配置是为每一个临界资源配置一把锁一把锁W，当锁打开时当锁打开时，进程进程(线程线程)可以对该临界资源进行可以对该临界资源进行访问；而当锁关上时访问；而当锁关上时，则禁止进程则禁止进程(线程线程)访问该临界资源访问该临界资源。573.在多道程序环境下在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行为了加速应用程序的运行，应在系统应在系统中建立多个进程中建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程并且再为一个进程建立若干个线程，由这些由这些进程进程(线程线程)相互合作去完成一个共同的任务相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程而在这些进程(线线程程)之间之间，又往往需要交换

32、信息又往往需要交换信息。例如例如，有三个相互合作的进有三个相互合作的进程程，它们是输入进程它们是输入进程、计算进程和打印进程计算进程和打印进程。输入进程负责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计算，并把计算结果传送给打印进程；最后并把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把由打印进程把计算结果打印出来计算结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现在相互合作进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换的进程之间的信息交换。当相互合作的进程当相互合作的进程(线程线程)处于同一计算机系统时处于同一计算

33、机系统时，通常在通常在它们之前是采用直接通信方式它们之前是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令直接即由源进程利用发送命令直接将消息将消息(message)挂到目标进程的消息队列上挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息程利用接收命令从其消息队列中取出消息。584.在后备队列上等待的每个作业在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能通常都要经过调度才能执行执行。在传统的操作系统中在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步包括作业调度和进程调度两步。作业调度的基本任务作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法是从后备队列中按照一定的

34、算法，选选择出若干个作业择出若干个作业，为它们分配其必需的资源为它们分配其必需的资源(首先是分配内首先是分配内存存)。在将它们调入内存后在将它们调入内存后，便分别为它们建立进程便分别为它们建立进程，使它使它们都成为可能获得处理机的就绪进程们都成为可能获得处理机的就绪进程，并按照一定的算法将并按照一定的算法将它们插入就绪队列它们插入就绪队列。而进程调度的任务而进程调度的任务，则是从进程的就绪则是从进程的就绪队列中选出一新进程队列中选出一新进程，把处理机分配给它把处理机分配给它，并为它设置运行并为它设置运行现场现场，使进程投入执行使进程投入执行。值得提出的是值得提出的是，在多线程在多线程OS中中，

35、通常是把线程作为独立运行和分配处理机的基本单位通常是把线程作为独立运行和分配处理机的基本单位，为此为此，须把就绪线程排成一个队列须把就绪线程排成一个队列，每次调度时每次调度时，是从就绪线程队是从就绪线程队列中选出一个线程列中选出一个线程，把处理机分配给它把处理机分配给它。591.4.2 存储器管理功能存储器管理功能1.内存分配内存分配OS在实现内存分配时在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式可采取静态和动态两种方式。在静态分配方式中在静态分配方式中，每个作业的内存空间是在作业装入时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确定的；在作业装入后的整个运行期间，不允许该

36、作业再不允许该作业再申请新的内存空间申请新的内存空间，也不允许作业在内存中也不允许作业在内存中“移动移动”；在在动态分配方式中动态分配方式中，每个作业所要求的基本内存空间每个作业所要求的基本内存空间，也是也是在装入时确定的在装入时确定的，但允许作业在运行过程中但允许作业在运行过程中，继续申请新继续申请新的附加内存空间的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨以适应程序和数据的动态增涨，也允许也允许作业在内存中作业在内存中“移动移动”。60为了实现内存分配为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有在内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：这样的结构和功能：内存分配数据结构内存分配数据结构，该结构

37、用于记录内存空间该结构用于记录内存空间的使用情况的使用情况，作为内存分配的依据；作为内存分配的依据；内存分配功能内存分配功能，系统按照一定的内存分配算法系统按照一定的内存分配算法，为用户程序分配内存空间；为用户程序分配内存空间；内存回收功能内存回收功能，系统对于用户不再需要的内存系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能去完成系统的回收功能。612.内存保护的主要任务内存保护的主要任务，是确保每道用户程序都只在自己是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行的内存空间内运行，彼此互不干扰彼此互不干扰。为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行为了确保每

38、道程序都只在自己的内存区中运行，必须设必须设置内存保护机制置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制一种比较简单的内存保护机制，是设置两是设置两个界限寄存器个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统须对每条指令所要访问的地址进行检查系统须对每条指令所要访问的地址进行检查，如果发生越界如果发生越界，便发出越界中断请求便发出越界中断请求，以停止该程序的执行以停止该程序的执行。如果这种检查如果这种检查完全用软件实现完全用软件实现，则每执行一条指令则每执行一条指令，便须增加若干条指令便须增加若干条指令去进行越界检查去进行越界检查，这将显著降低程序的运行

39、速度这将显著降低程序的运行速度。因此因此，越越界检查都由硬件实现界检查都由硬件实现。当然当然，对发生越界后的处理对发生越界后的处理，还须与还须与软件配合来完成软件配合来完成。623.一个应用程序一个应用程序(源程序源程序)经编译后经编译后，通常会形成若干个目通常会形成若干个目标程序；这些目标程序再经过链接便形成了可装入程序标程序；这些目标程序再经过链接便形成了可装入程序。这些程序的地址都是从这些程序的地址都是从“0”开始的开始的，程序中的其它地址都程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的；是相对于起始地址计算的；由这些地址所形成的地址范围由这些地址所形成的地址范围称为称为“地址空间地址空间”，

40、其中的地址称为其中的地址称为“逻辑地址逻辑地址”或或“相相对地址对地址”。此外此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为围称为“内存空间内存空间”，其中的地址称为其中的地址称为“物理地址物理地址”。在多道程序环境下在多道程序环境下，每道程序不可能都从每道程序不可能都从“0”地址开地址开始装入始装入(内存内存)，这就致使地址空间内的逻辑地址和内存空这就致使地址空间内的逻辑地址和内存空间中的物理地址不相一致间中的物理地址不相一致。使程序能正确运行使程序能正确运行，存储器管存储器管理必须提供地址映射功能理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转以将地址空

41、间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的该功能应在硬件的支持下完成支持下完成。634.存储器管理中的内存扩充任务存储器管理中的内存扩充任务，并非是去扩大物理内存并非是去扩大物理内存的容量的容量，而是借助于虚拟存储技术而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存从逻辑上去扩充内存容量容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多；使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多；或者是让更多的用户程序能并发运行或者是让更多的用户程序能并发运行。这样这样，既满足了用既满足了用户的需要户的需要，改善了系统的性能改善了系统的性能，又基本上不增加硬

42、件投资又基本上不增加硬件投资。为了能在逻辑上扩充内存为了能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制系统必须具有内存扩充机制，(1)请求调入功能。请求调入功能。(2)置换功能。置换功能。641.4.3 设备管理功能设备管理功能设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备，而设备管理的主要任务是而设备管理的主要任务是，完成用户进程提出的完成用户进程提出的I/O请求；请求；为用户进程分配其所需的为用户进程分配其所需的I/O设备；提高设备；提高CPU和和I/O设备设备的利用率；提高的利用率；提高I/O速度；方便用户使用速度；方便用户使用I/O设备设备。为实为实

43、现上述任务现上述任务，设备管理应具有缓冲管理设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设设备分配和设备处理备处理，以及虚拟设备等功能以及虚拟设备等功能。651.CPU运行的高速性和运行的高速性和I/O低速性间的矛盾自计算机诞生低速性间的矛盾自计算机诞生时起便已存在时起便已存在。而随着而随着CPU速度迅速速度迅速、大幅度的提高大幅度的提高，使使得此矛盾更为突出得此矛盾更为突出，严重降低了严重降低了CPU的利用率的利用率。如果在如果在I/O设备和设备和CPU之间引入缓冲之间引入缓冲，则可有效地缓和则可有效地缓和CPU和和I/O设备设备速度不匹配的矛盾速度不匹配的矛盾，提高提高CPU的利用率的利用率，进而提

44、高系统吞进而提高系统吞吐量吐量。因此因此，在现代计算机系统中在现代计算机系统中，都毫无例外地在内存都毫无例外地在内存中设置了缓冲区中设置了缓冲区，而且还可通过增加缓冲区容量的方法而且还可通过增加缓冲区容量的方法，来来改善系统的性能改善系统的性能。最常见的缓冲区机制有单缓冲机制最常见的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传能实现双向同时传送数据的双缓冲机制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以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制冲池机制。662.设备分配的基本任务设备分配的基本任务，是根据用户进程的是根据用户进程的I/O请求请求、系统系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略

45、的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需为之分配其所需的设备的设备。如果在如果在I/O设备和设备和CPU之间之间，还存在着设备控制器和还存在着设备控制器和I/O通道时通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。为了实现设备分配为了实现设备分配，系统中应设置设备控制表系统中应设置设备控制表、控制器控制器控制表等数据结构控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态用于记录设备及控制器的标识符和状态。据这些表格可以了解指定设备当前是否可用据这些表格可以了解指定设备当前是否可用，是否忙碌是否忙碌，以供以供进行设备分配时参考进行设备

46、分配时参考。在进行设备分配时在进行设备分配时，应针对不同的设备应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式类型而采用不同的设备分配方式。对于独占设备对于独占设备(临界资源临界资源)的的分配分配，还应考虑到该设备被分配出去后还应考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全系统是否安全。设备设备使用完后使用完后，还应立即由系统回收还应立即由系统回收。673.设备处理程序又称为设备驱动程序设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是用于其基本任务是用于实现实现CPU和设备控制器之间的通信和设备控制器之间的通信，即由即由CPU向设备控制器向设备控制器发出发出I/O命令命令，要求它完成指定的要求它完成指定的I

47、/O操作；反之由操作；反之由CPU接收接收从控制器发来的中断请求从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理并给予迅速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/O请求的合法性请求的合法性，了解设备状态是否是空闲的了解设备状态是否是空闲的，了解有关的传递参数及设置设了解有关的传递参数及设置设备的工作方式备的工作方式。然后然后，便向设备控制器发出便向设备控制器发出I/O命令命令，启动启动I/O设备去完成指定的设备去完成指定的I/O操作操作。设备驱动程序还应能及时响设备驱动程序还应能及时响应由控制器发来的中断请求应由控制器发来的中断请求，并根据该

48、中断请求的类型并根据该中断请求的类型，调调用相应的中断处理程序进行处理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对于设置了通道的计算机系统系统，设备处理程序还应能根据用户的设备处理程序还应能根据用户的I/O请求请求，自动地构自动地构成通道程序成通道程序。681.4.4 文件管理功能文件管理功能1.由文件系统对诸多文件及文件的存储空间由文件系统对诸多文件及文件的存储空间，实施统一的管实施统一的管理理。其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存提高外存的利用率的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度并能有助于提高文件系统的运行速度。为此为

49、此，系统应设置相应的数据结构系统应设置相应的数据结构，用于记录文件存储空用于记录文件存储空间的使用情况间的使用情况，以供分配存储空间时参考；系统还应具有对存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为了提高存储空间的利用率，对存储空间的分配对存储空间的分配，通常是采用离散分配方式通常是采用离散分配方式，以减少外存零以减少外存零头头，并以盘块为基本分配单位并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为盘块的大小通常为512 B8KB。692.目录管理目录管理为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件为了使用户能方便地在外存上

50、找到自己所需的文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包括文目录项包括文件名件名、文件属性文件属性、文件在磁盘上的物理位置等文件在磁盘上的物理位置等。由若干由若干个目录项又可构成一个目录文件个目录项又可构成一个目录文件。目录管理的主要任务目录管理的主要任务，是为每个文件建立其目录项是为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有并对众多的目录项加以有效的组织效的组织，以实现方便的按名存取以实现方便的按名存取。即用户只须提供文即用户只须提供文件名件名，即可对该文件进行存取即可对该文件进行存取。其次其次，目录管理还应能目录管理还应能实现文件共享实现文件共享