计算机操作系统(第一章).ppt

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1、计算机操作系统计算机操作系统电子科技大学计算机学院电子科技大学计算机学院罗惠琼罗惠琼联系方式：联系方式：教师社区教师社区 Recommended Reading计算机操作系统，汤子瀛计算机操作系统，汤子瀛 etc.,etc.,西安电子科技大西安电子科技大学出版社（第学出版社（第3 3版）版）操作系统操作系统内核与设计原理，魏迎梅译，电子内核与设计原理，魏迎梅译，电子工业出版社工业出版社Operating System Internals and Design principles,William Stallings,TsingHua University PressApplied Operat

2、ing System Concepts,Abraham Silberschatz etc.,Higher Education Press第一章第一章操作系统引论操作系统引论1.1操作系统的目标、作用和模型操作系统的目标、作用和模型l操作系统操作系统是裸机上的第一层是裸机上的第一层软件，它是对硬件系统功能的首次扩充，软件，它是对硬件系统功能的首次扩充，是填补人与机器之间的鸿沟。是填补人与机器之间的鸿沟。用户计算机OS1.1.1操作系统的目标操作系统的目标设置操作系统的目的：设置操作系统的目的：1 1、方便性、方便性:操作系统使计算机更易于使用操作系统使计算机更易于使用 2 2、有效性、有效性:操

3、作系统允许以更有效的方式使操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源。用计算机系统资源。3 3、可扩展性、可扩展性:在操作系统中在操作系统中,允许有效地开发，允许有效地开发，测试和引进新的系统功能。测试和引进新的系统功能。4 4、开放性、开放性:实现应用程序的可移植性和互操实现应用程序的可移植性和互操作性作性,要求具有统一的开放的环境。要求具有统一的开放的环境。1.1.2 1.1.2 OSOS的的作用作用计算机用户需要的计算机用户需要的用户命令用户命令 由由OSOS实现的所有用户命令所构成的集合常被人们称实现的所有用户命令所构成的集合常被人们称为为OSOS的的InterfaceInterfa

4、ce(用户接口用户接口)；有时也称为；有时也称为命令接口命令接口。命令的表示形式：命令的表示形式：命令的表示形式：命令的表示形式：字符形式字符形式：较灵活但因繁琐而难记较灵活但因繁琐而难记；菜单形式菜单形式：(试图在字符终端上提供友好的用户界面试图在字符终端上提供友好的用户界面)图形形式图形形式：因直观而易记但不灵活因直观而易记但不灵活。应用软件需要的应用软件需要的System CallSystem Call(系统调用系统调用)由由OSOS实现的所有系统调用所构成的集合被人们称为实现的所有系统调用所构成的集合被人们称为程程程程序接口序接口序接口序接口或或应用编程接口应用编程接口应用编程接口应用

5、编程接口(A A A Application pplication P P P Programming rogramming I I I Interfacenterface,APIAPIAPIAPI)。操作系统作为计算机系统资源管理者操作系统作为计算机系统资源管理者。1 1、处理机管理：分配和控制处理机管理：分配和控制CPUCPU。2 2、存储器管理：内存分配与回收。存储器管理：内存分配与回收。3 3、I/OI/O设备管理：设备管理：I/OI/O设备的分配与操纵。设备的分配与操纵。4 4、文件管理：文件的存取、共享和保护。、文件管理：文件的存取、共享和保护。操作系统用作扩充机器功能，使其便于操

6、作系统用作扩充机器功能，使其便于使用的机器，这种机器又称为虚拟机。使用的机器，这种机器又称为虚拟机。1.1.3推动操作系统发展的动力操作系统发展的动力n操作系统能够不断发展，其原因操作系统能够不断发展，其原因：1.硬件升级和新型硬件的出现硬件升级和新型硬件的出现：OS都应能适应。都应能适应。2.新的服务新的服务：为适应用户的要求或系统管理员的：为适应用户的要求或系统管理员的需要，需要扩展操作系统以提供新的服务。需要，需要扩展操作系统以提供新的服务。3.纠正错误纠正错误：任何一个操作系统都有错误，在使：任何一个操作系统都有错误，在使用一段时间后发现了错误就需要进行纠错。当用一段时间后发现了错误就

7、需要进行纠错。当然，纠错本身可能会产生新的错误。然，纠错本身可能会产生新的错误。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.1.2操作系统的发展操作系统的发展n50年代中期出现了第一个批处理系统。年代中期出现了第一个批处理系统。n60年代中期产生了分时系统。年代中期产生了分时系统。n80年代之后出现了：微机系统、多处理年代之后出现了：微机系统、多处理机系统、计算机网络系统机系统、计算机网络系统。传统计算机划代传统计算机划代 根据计算机采用的电子器件来划分根据计算机采用的电子器件来划分根据计算机采用的电子器件来划分根据计算机采用的电子器件来划分 1.1.电子管计算机电子管计算机电子管计

8、算机电子管计算机 2.2.晶体管计算机晶体管计算机晶体管计算机晶体管计算机 3.3.集成电路计算机集成电路计算机集成电路计算机集成电路计算机 4.4.大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机 5.5.智能计算机智能计算机智能计算机智能计算机 6.6.生物计算机生物计算机生物计算机生物计算机功能强大的通用数字电子计算机功能强大的通用数字电子计算机功能强大的通用数字电子计算机功能强大的通用数字电子计算机 3.3.大中型计算机大中型计算机大中型计算机大中型计算机 2.2.小型计算机小型计算机小型计算机小型计算机功能较强功能较强功能较强功能较强,可以同时执行多个

9、任务可以同时执行多个任务可以同时执行多个任务可以同时执行多个任务 1.1.微型计算机微型计算机微型计算机微型计算机 功能多样的个人电子计算机功能多样的个人电子计算机功能多样的个人电子计算机功能多样的个人电子计算机 4.4.超级计算机超级计算机超级计算机超级计算机运算速度最快、存储容量最大、功运算速度最快、存储容量最大、功运算速度最快、存储容量最大、功运算速度最快、存储容量最大、功能最完善能最完善能最完善能最完善 体积大小、处理能力强弱标准划分体积大小、处理能力强弱标准划分体积大小、处理能力强弱标准划分体积大小、处理能力强弱标准划分 世界上第世界上第1台计算机台计算机电子管电子管第第 1 代代电

10、子管计算机电子管计算机名称：名称：ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)目的：用于第二次世界大战后期的弹道计算目的：用于第二次世界大战后期的弹道计算诞生时间：诞生时间：1946年年2月月15日日诞生地：美国宾夕法尼亚大学诞生地：美国宾夕法尼亚大学ENIAC计算机计算机使用使用18000只电子管只电子管1500个继电器个继电器占地面积占地面积170m2重量重量30吨吨耗电量耗电量140千瓦千瓦n世界上第一台投入运行的电子计算机世界上第一台投入运行的电子计算机ENIAC,1946.2,美国美国n世界上第一台按存储程序控制功能设计的计算

11、机世界上第一台按存储程序控制功能设计的计算机EDVAC，1946-1950，美国美国n世界上第一台投入运行的实现存储程序控制的计算机世界上第一台投入运行的实现存储程序控制的计算机EDSAC，1947-1949，英国英国计算机时代的开始：以计算机时代的开始：以1951年年UNIVAC-投入运行为投入运行为标志，第一台批量生产的商用计算机，从此，计算机走标志，第一台批量生产的商用计算机，从此，计算机走向社会。向社会。计算机诞生中的三个第一计算机诞生中的三个第一第2代晶体管计算机 1947年，美国贝尔电话实验室发明了晶体管，利用半导体锗和硅制作年，美国贝尔电话实验室发明了晶体管，利用半导体锗和硅制作

12、 的晶体管开始用于计算机的制造上。的晶体管开始用于计算机的制造上。晶体管体积小，反应速度快，晶体管体积小，反应速度快，使计算机的运算速度和处理使计算机的运算速度和处理 能力得到很大提高。能力得到很大提高。程序设计方面程序设计方面 研制出通用的算法和语言研制出通用的算法和语言 出现批处理操作系统出现批处理操作系统 主要应用于科学计算、数主要应用于科学计算、数据处理和实时控制等方面据处理和实时控制等方面 晶体管晶体管第3代集成电路计算机苹果苹果(Apple)计算机计算机 1958年，美国德州仪器公司利用照像技术年，美国德州仪器公司利用照像技术 把多个晶体管和电路蚀刻在一块硅片上，把多个晶体管和电路

13、蚀刻在一块硅片上，这种半导体集合体就是这种半导体集合体就是:“集成电路集成电路”IC(Integrated Circuit)程序设计方面程序设计方面 提出提出“多道程序多道程序”和和“分时系统分时系统”概念概念 出现了系列计算机、远程终端联机系统出现了系列计算机、远程终端联机系统 应用于系统模拟、系统控制、智能模拟等应用于系统模拟、系统控制、智能模拟等新的领域新的领域 第4代大规模集成电路计算机 大规模集成电路（大规模集成电路（LSI）、）、超大规模集成电路超大规模集成电路（VLSI）器件的使用是第四代计算机的主要标志。器件的使用是第四代计算机的主要标志。应用领域：应用领域：军事预警、尖端科学

14、、航天科学、天气预报等。军事预警、尖端科学、航天科学、天气预报等。第第 5 代代 智能计算机智能计算机 广泛使用多媒体技术，使人们能够用语音、图像、视广泛使用多媒体技术，使人们能够用语音、图像、视频等更为自然的方式与计算机进行信息交互。频等更为自然的方式与计算机进行信息交互。硬件系统支持高度并行和快速推理，软件系统能够处硬件系统支持高度并行和快速推理，软件系统能够处理知识信息理知识信息。超大超大规模集成模集成电路路第6代生物计算机 利用蛋白质分子制造出基因芯片利用蛋白质分子制造出基因芯片,研制生物计算机是当今研制生物计算机是当今计算机技术的最前沿。计算机技术的最前沿。阻抗低、能耗少、发热量极小

15、。阻抗低、能耗少、发热量极小。（1 1）微型化）微型化 体积更小，重量更轻，价格更便宜，且功能更强。体积更小，重量更轻，价格更便宜，且功能更强。现代计算机的发展趋势（2 2）巨型化）巨型化 目前世界上还有很多领域，如国防、百年天气预测和地震分析等，目前世界上还有很多领域，如国防、百年天气预测和地震分析等，都需要功能更为强大的计算机。都需要功能更为强大的计算机。为中国银行引进了大型计算机数据处理为中国银行引进了大型计算机数据处理系统系统 为国家气象中心引进了中期气象预报为国家气象中心引进了中期气象预报数据分析系统数据分析系统 计算机网络化的出现，掀起了电子计算机发展史计算机网络化的出现，掀起了电

16、子计算机发展史上的第三次浪潮上的第三次浪潮!（）网络化（）网络化 将计算机连成网络，可实现计算机的相互通信和资源共享。将计算机连成网络，可实现计算机的相互通信和资源共享。在第一次浪潮中，信息处理是关键。在第一次浪潮中，信息处理是关键。第二次浪潮的情景是每张桌子上摆有一台计算机。第二次浪潮的情景是每张桌子上摆有一台计算机。第三次浪潮是把所有这些计算机都连接在一起。第三次浪潮是把所有这些计算机都连接在一起。计算机网络的发展速度异常迅猛，全球网络化时代的到来已经指日可待！计算机网络的发展速度异常迅猛，全球网络化时代的到来已经指日可待！（4 4）多媒体化）多媒体化 使人们面对图、文、声并茂使人们面对图

17、、文、声并茂的计算机信息。的计算机信息。（5 5）智能化）智能化 让计算机能够模仿人脑的让计算机能够模仿人脑的功能，即对信息具有智能处功能，即对信息具有智能处理能力。理能力。1.2.1无操作系统时的计算机系统无操作系统时的计算机系统1、人工操作方式人工操作方式一台计算机的所有资源由用户独占，降一台计算机的所有资源由用户独占，降低了计算机资源利用率，人操作慢，出低了计算机资源利用率，人操作慢，出现了严重的人机矛盾。现了严重的人机矛盾。2、脱机输入输出方式脱机输入输出方式n在外围计算机的控制下，实现输入输出。在外围计算机的控制下，实现输入输出。n主要解决了主要解决了CPU与设备之间不匹配的与设备之

18、间不匹配的矛盾矛盾1.2.2单道批处理系统单道批处理系统1、在内存中仅存一道作业运行，运行结束、在内存中仅存一道作业运行，运行结束或出错，才自动调另一道作业运行。或出错，才自动调另一道作业运行。2、单道批处理系统主要特征单道批处理系统主要特征：自动性、顺：自动性、顺序性、单道性。序性、单道性。3、单道批处理系统、单道批处理系统主要优点主要优点：减少人工操：减少人工操作，解决了作业的自动接续。作，解决了作业的自动接续。4、单道批处理系统、单道批处理系统主要缺点主要缺点：平均周转时：平均周转时间长，没有交互能力。间长，没有交互能力。1.2.3多道批处理系统多道批处理系统一、一、多道程序的概念：多道

19、程序的概念：在内存中存放多道作业运行，运在内存中存放多道作业运行，运行结束或出错，自动调度内存中行结束或出错，自动调度内存中的另一道作业运行。的另一道作业运行。多道程序带来的好处：多道程序带来的好处：1、提高、提高CPU的利用率。的利用率。2、提高内存和、提高内存和I/O设备利用率。设备利用率。3、增加系统吞吐率。、增加系统吞吐率。举例:多道执行情况用户程序监督程序I/O操作A程序B程序C程序D程序调度A请求I/OB请求I/OC请求I/OA完成D请求I/OC完成B完成D完成程序1程序2程序3单道执行多道执行二、二、多道批处理系统主要特征：多道批处理系统主要特征：多道性、无序性、调度性（进程多道

20、性、无序性、调度性（进程调度和作业调度）。调度和作业调度）。三、多道批处理的三、多道批处理的主要优点主要优点：提高了：提高了资源利用率和吞吐能力。资源利用率和吞吐能力。多道批处理的多道批处理的主要缺点主要缺点：平均周：平均周转时间长，没有交互能力。转时间长，没有交互能力。1 1、处理机管理：分配和控制、处理机管理：分配和控制CPUCPU。2 2、存储器管理：内存分配与回存储器管理：内存分配与回3 3、I/OI/O设备管理：设备管理：I/OI/O设备的分配与操纵。设备的分配与操纵。4 4、文件管理：文件的存取、共享和保护。、文件管理：文件的存取、共享和保护。5 5、作业管理：如何组织作业运行。、

21、作业管理：如何组织作业运行。四、多道批处理系统需要解决的问题四、多道批处理系统需要解决的问题操作系统的定义操作系统的定义 操作系统是一组控制和管理计算操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。使用的程序的集合。1.2.4分时系统分时系统一、分时系统的产生一、分时系统的产生 用户需要：人机交互、共享主机、便于用户用户需要：人机交互、共享主机、便于用户上机上机二、分时系统实现的方法二、分时系统实现的方法 简单分时系统简单分时系统 具有具有“前台前台”和和“后台后台”的分时系统的分时系

22、统 多道分时系统多道分时系统三、分时系统实现中的关键问题：三、分时系统实现中的关键问题：及时接收：实现多个用户的信息及时接收。及时接收：实现多个用户的信息及时接收。及时处理：及时控制作业的运行。及时处理：及时控制作业的运行。多路性：多个用户分时使用一台计算机。多路性：多个用户分时使用一台计算机。独立性：独立运行，不混淆，不破坏。独立性：独立运行，不混淆，不破坏。及时性：系统能在很短的时间得到回答。及时性：系统能在很短的时间得到回答。交互性：能实现人机对话。交互性：能实现人机对话。四、分时系统的特征：四、分时系统的特征：五、影响响应时间的若干因素五、影响响应时间的若干因素 TiTi（响应时间）响

23、应时间）=NQ+To.s+NQ+To.s+TwapTwapn改善响影时间的方法改善响影时间的方法 采用重入码减少信息的对换量采用重入码减少信息的对换量 采用虚拟存储技术采用虚拟存储技术,减少信息对换量减少信息对换量用户数时间片系统开销信息交换时间1.2.5实时系统实时系统 所谓实时系统：是计算机及时所谓实时系统：是计算机及时响应外部响应外部 事件的请求，在规事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致的运行。时任务协调一致的运行。一、实时系统分为两类一、实时系统分为两类 1、实时控制系统实时控制系统 2、

24、实时信息处理系统实时信息处理系统二、实时任务的类型二、实时任务的类型 1 1、按任务执行是否为周期性来化分、按任务执行是否为周期性来化分 2 2、按截止时间来化分、按截止时间来化分三、实时系统的特征三、实时系统的特征1、多路性多路性：能对多个对象进行控制。：能对多个对象进行控制。2、独立性独立性：独立运行，不混淆，不破坏。独立运行，不混淆，不破坏。3、交互性交互性：仅限于访问系统中某些特定：仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。的专用服务程序。4、可靠性：可靠性：高可靠性，应具有过载防护高可靠性，应具有过载防护能力。能力。5、及时性及时性：不同的系统要求不一样，控：不同的系统要求不一样，控制

25、对象必须在截止时间内完成。制对象必须在截止时间内完成。1.3操作系统的基本特征操作系统的基本特征n n现代现代OSOS的四个基本特征：的四个基本特征：1 1、并发、并发2 2、共享、共享3 3、虚拟、虚拟4 4、异步、异步n n并发是最重要的特征，其它特征都并发是最重要的特征，其它特征都以并发为前提。以并发为前提。1.3.1并发n n并发并发并行性和并发性，并发执行的并行性和并发性，并发执行的 过程。过程。-并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。-并发性是指两个或多个事件在

26、同一时间间隔内发生。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。n n任务共行任务共行-从宏观上看，任务共行是指系统中有多个任务同时运行从宏观上看，任务共行是指系统中有多个任务同时运行-从微观上看，任务共行是指单处理机系统中的从微观上看，任务共行是指单处理机系统中的任务并发任务并发任务并发任务并发（Task ConcurrencyTask ConcurrencyTask ConcurrencyTask Concurrency：即多个任务在单个处理机上交替运行）即多个任务在单个处理机上交替运行）即多个任

27、务在单个处理机上交替运行）即多个任务在单个处理机上交替运行）或多处理机系统中的或多处理机系统中的任务并行（任务并行（任务并行（任务并行（Task ParallelismTask ParallelismTask ParallelismTask Parallelism：即多个任即多个任即多个任即多个任务在多个处理机上同时运行）务在多个处理机上同时运行）务在多个处理机上同时运行）务在多个处理机上同时运行）。13.2共享n n所谓共享是指系统中的资源可供内存中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共同使用。多个并发执行的进程共同使用。1 1、互斥共享方式：、互斥共享方式：-把在一段时间内

28、只允许一个进程访问的资源，称为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。临界资源。-系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一次仅允许一个进程使用，称为互斥共享方式。次仅允许一个进程使用，称为互斥共享方式。2 2、同时访问方式：、同时访问方式：-从宏观上看，资源共享是指多个任从宏观上看，资源共享是指多个任务可以同时使用系统中的软硬件资务可以同时使用系统中的软硬件资源源-从微观上看，资源共享是指多个从微观上看，资源共享是指多个任务可以任务可以交替互斥交替互斥地使用系统中的地使用系统中的某个资源。例如磁盘。某个资源。例如磁盘。1.3.3虚拟

29、虚拟n所谓虚拟所谓虚拟是指通过某种技术把一个物理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。实体变为若干个逻辑上的对应物。n虚拟处理机：分时实现虚拟处理机：分时实现n虚拟设备虚拟设备：SPOOLING技术技术n虚拟存储器：虚拟存储管理实现虚拟存储器：虚拟存储管理实现1.3.4异步性异步性n n异步性异步性 是指进程以异步的方式是指进程以异步的方式执行，进程是以人们不可预知的速执行，进程是以人们不可预知的速度向前推进。度向前推进。14操作系统的主要功能操作系统的主要功能n操作系统应具有五方面的功能：操作系统应具有五方面的功能：1、处理机管理、处理机管理2、存储器管理、存储器管理3、设

30、备管理、设备管理4、文件管理、文件管理5、方便用户使用的用户接口。、方便用户使用的用户接口。1.4.1处理机管理功能处理机管理功能n n处理机管理的主要功能处理机管理的主要功能：按照一定的算：按照一定的算法把处理机分配给进程（线程），并对法把处理机分配给进程（线程），并对其进行有效的管理和控制。其进行有效的管理和控制。1进程控制进程控制 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，以及控制进程在运撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。行过程中的状态转换。2、进程同步、进程同步n进进程程同同步步的的主主要要任任务务是是为为多多个个进进

31、程程的的运运行行进进行协调。行协调。n两种协调方式：两种协调方式：进进程程互互斥斥方方式式，这这是是指指诸诸进进程程（线线程程）在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；进进程程同同步步方方式式，指指进进程程相相互互合合作作去去完完成成共同的任务时，诸进程之间的协调。共同的任务时，诸进程之间的协调。n实现进程同步采用信号量机制。实现进程同步采用信号量机制。3进程通信进程通信 n进程通信进程通信是进程之间的信息交换。是进程之间的信息交换。n当相互合作的进程（线程）处于同一计当相互合作的进程（线程）处于同一计算机系统时，通常在它们之间是采用直算机系统时，通常在

32、它们之间是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令接通信方式，即由源进程利用发送命令直接将消息（直接将消息（message）挂到目标进程挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。收命令从其消息队列中取出消息。4.调度调度n在后备队列上等待的每个作业，通常都在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能执行。要经过调度才能执行。n在操作系统中作业运行需经作业调度和在操作系统中作业运行需经作业调度和进程调度才能执行完成。进程调度才能执行完成。-作业调度是从后备队列中按照一定的算法，作业调度是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干

33、个作业，为它们分配其必需的资源，选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源，将它们调入内存后，为它们建立进程，插入就将它们调入内存后，为它们建立进程，插入就绪队列。绪队列。-进程调度是从进程的就绪队列中选出一新进进程调度是从进程的就绪队列中选出一新进程，把处理机分配给它，使进程投入执行。程，把处理机分配给它，使进程投入执行。142存储器管理功能存储器管理功能n存储器管理的主要任务：存储器管理的主要任务：为多道程序的运行提供良好的环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存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。扩充内存。存储器管

34、理功能有存储器管理功能有4个个：1内存分配内存分配n内存分配有两种方式：内存分配有两种方式：静态分配方式静态分配方式，每个作业运行之前分配，每个作业运行之前分配好内存空间，在作业的整个运行期间不好内存空间，在作业的整个运行期间不再改变。再改变。动态分配方式中动态分配方式中，每个作业在运行前或，每个作业在运行前或运行中，均可申请新的附加内存空间，运行中，均可申请新的附加内存空间，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。n内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：内存分配的数据结构，该结构用于记录内存内存分配的数据结构，该结构用于记录内存空间的

35、使用情况。空间的使用情况。内存分配功能内存分配功能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当用户不再需要的内存时，当用户不再需要的内存时，系统能回收内存的功能。系统能回收内存的功能。2内存保护内存保护n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的内是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。存空间内运行，彼此互不干扰。n内存保护机制：内存保护机制：是设置两个界限寄存器，越界检查都是设置两个界限寄存器，越界检查都由硬件实现由硬件实现3地址映射地址映射 地址空间地址空间 目标程序或装入程序限定目标程序或装入程序限定的空间，称

36、为的空间，称为“地址空间地址空间”。单元的编号。单元的编号称为逻辑地址，又称为相对地址。称为逻辑地址，又称为相对地址。内内存存空空间间由由内内存存中中的的一一系系列列单单元元所所限限定定的的地地址址范范围围称称为为“内内存存空空间间”，其其中中的地址称为的地址称为“物理地址物理地址”。地地址址映映射射运运行行时时，将将地地址址空空间间中中的的逻逻辑辑地地址址转转换换为为内内存存空空间间中中与与之之对对应应的的物物理地址，称为地址映射理地址，称为地址映射。4内存扩充内存扩充n借助于虚拟存储技术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容量从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到

37、的内存容量比实际内存容量大得多；比实际内存容量大得多；n扩充内存必须具有内存扩充机制扩充内存必须具有内存扩充机制：（1）请请求求调调入入功功能能。在在程程序序运运行行过过程程中中，若若所所需需的的程程序序和和数数据据尚尚未未装装入入内内存存，可可由由OS从从磁磁盘盘中中将将所所需需部部分分调调入入内存，继续运行。内存，继续运行。（2）置置换换功功能能。将将内内存存中中的的一一部部分分暂暂时时不不用用的的程程序序和和数数据调出到磁盘上，然后再将所需调入的部分装入内存。据调出到磁盘上，然后再将所需调入的部分装入内存。143设备管理功能设备管理功能n设备管理的主要任务设备管理的主要任务：是完成用户进

38、程提出的是完成用户进程提出的I/O请求；为用户进程请求；为用户进程分配其所需的分配其所需的IO设备；提高设备；提高CPU和和IO设设备的利用率；提高备的利用率；提高IO速度；方便用户使用速度；方便用户使用IO设备。设备。n设备管理具有的功能设备管理具有的功能：1缓缓冲冲管管理理：有有效效地地缓缓和和CPU和和1O设设备备速速度不匹配的矛盾度不匹配的矛盾，提高，提高CPU的利用率。的利用率。对于不同的系统，可以采用不同的缓冲区机制对于不同的系统，可以采用不同的缓冲区机制 2设备分配设备分配设设备备分分配配的的基基本本任任务务，是是根根据据用用户户进进程程的的IO请请求求，按按照照某某种种设设备备

39、分分配配策策略略，为为之分配其所需的设备。之分配其所需的设备。为为了了实实现现设设备备分分配配，系系统统中中应应设设置置设设备备控控制制表表、控控制制器器控控制制表表等等数数据据结结构构，用用于于记记录录设设备备及及控控制制器器的的标标识识符符和和状状态态，以以供供进行设备分配时参考。进行设备分配时参考。不不同同的的设设备备类类型型（独独占占、共共享享）而而采采用用不同的设备分配方式。不同的设备分配方式。3设备处理设备处理n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。n设设备备处处理理其其基基本本任任务务：是是用用于于实实现现CPU和和设设备备控控制制器器之之间间的的通通信

40、信，即即由由CPU向向设设备备控控制制器器发发出出IO命命令令，要要求求它它完完成成指指定定的的IO操操作作；反反之之由由CPU接接收收从从控控制制器器发发来来的的中中断断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。请求，并给予迅速的响应和相应的处理。n处处理理过过程程：检检查查请请求求的的合合法法性性设设备备空空闲闲否？否？向向控制器发控制器发I/O命令命令启动启动I/O执行。执行。144文件管理功能文件管理功能n文件管理的主要任务文件管理的主要任务：是对用户文件和：是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。并保证文件的安全性。n文件管理的

41、主要功能：文件管理的主要功能：1文件存储空间的管理文件存储空间的管理是是对诸多文对诸多文件及文件的存储空间，实施统一的管理。件及文件的存储空间，实施统一的管理。基于数据结构（基于数据结构（MCB）对存储空间进行对存储空间进行分配和回收的功能。分配和回收的功能。2目录管理目录管理为为每每个个文文件件建建立立目目录录项项，并并对对众众多多的的目目录录项项加加以以有有效效的的组组织织与与管管理理（例例如如，按按名存取，文件共享名存取，文件共享）。）。3文件的读写管理和保护文件的读写管理和保护（1）文文件件的的读读写写管管理理：是是根根据据用用户户的的请请求求，从外存中读取数据或将数据写入外存。从外存

42、中读取数据或将数据写入外存。（2）文件保护：即存取控制功能：）文件保护：即存取控制功能：防止未经核准的用户存取文件；防止未经核准的用户存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止以不正确的方式使用文件。防止以不正确的方式使用文件。1 14 45 5用户接口用户接口 1命令接口命令接口用户可通过该接口向作用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。业发出命令以控制作业的运行。（1）联机用户接口）联机用户接口：这是为联机用户提供的，它由：这是为联机用户提供的，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。（2）脱机用户接口：）脱机用户接口：用户用

43、用户用JCL把需要对作业进行把需要对作业进行的控制和干预，事先写在作业说明书上，然后将的控制和干预，事先写在作业说明书上，然后将作业连同作业说明书一起提供给系统。当系统调作业连同作业说明书一起提供给系统。当系统调度到该作业运行时，再调用命令解释程序，对作度到该作业运行时，再调用命令解释程序，对作业说明书上的命令，逐条地解释执行。该接口即业说明书上的命令，逐条地解释执行。该接口即为批处理接口。为批处理接口。2程序接口程序接口n该接口是为用户程序在执行中访问系统资源该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的而设置的，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。惟一途径。

44、n它是由一组系统调用组成，每一个系统调用它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求用程序要求OS提供某种服务（功能）时，提供某种服务（功能）时，便调用具有相应功能的系统调用。便调用具有相应功能的系统调用。n不同的系统其调用形式不同。不同的系统其调用形式不同。3图形接口图形接口n图形用户接口采用了图形化的操作界面，图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标（用非常容易识别的各种图标（icon）来来将系统的各项功能、各种应用程序和文将系统的各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。用户可用

45、件，直观、逼真地表示出来。用户可用鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应用程序和文件的操作。用程序和文件的操作。15操作系统的结构设计n 操作系统是一个大型系统软件，其操作系统是一个大型系统软件，其结构已经历了四代的变革：结构已经历了四代的变革：第一代的第一代的OS是无结构的；是无结构的；第二代第二代OS采用了模块式结构；采用了模块式结构；第三代是层次式结构。第三代是层次式结构。第四代是把工程学引入到软件开发的过程中，第四代是把工程学引入到软件开发的过程中，从而形成了软件工程学从而形成了软件工程学1.5.1软件工程的基本概念软件工程的基本概念1软件的含义软件的含义

46、所谓软件，是指当计算机运行时，能提供所要所谓软件，是指当计算机运行时，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序能够正确地处理信息的数据结构；能够正确地处理信息的数据结构；n软件则是一种逻辑部件，它具有的特点：软件则是一种逻辑部件，它具有的特点：软件是人的思想产物，看不见，也摸不着。软件是人的思想产物，看不见，也摸不着。软软件件产产品品则则不不允允许许有有误误差差，因因此此在在软软件件的的生生产产上，要求有很高的质量保证体系。上，要求有很高的质量保证体系。对软件的维护要比硬件的维护复杂得多。对软件的维护要比硬件的维护复杂得多。2软件工程的含义软件

47、工程的含义软件工程是指运用系统的、规范的和可软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件；定量的方法，来开发、运行和维护软件；或者说，是采用工程的概念、原理、技或者说，是采用工程的概念、原理、技术和方法，来开发与维护软件，其目的术和方法，来开发与维护软件，其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。等问题。1.5.2传统的操作系统结构n操作系统中增加了越来越多的功能，并操作系统中增加了越来越多的功能，并且随着底层硬件更高的性能，更加通用，且随着底层硬件更高的性能，更

48、加通用，操作系统的大小和复杂性也随着增加。操作系统的大小和复杂性也随着增加。n为了控制该软件的复杂性，在开发为了控制该软件的复杂性，在开发OSOS时，时，先后引入了分解、模块化、抽象和隐蔽先后引入了分解、模块化、抽象和隐蔽等方法。开发方法的不断发展，促进了等方法。开发方法的不断发展，促进了OsOs结构的更新换代。结构的更新换代。1无结构操作系统无结构操作系统n在在早早期期开开发发操操作作系系统统时时，设设计计者者只只是是把把他他的的注注意意力力放放在在功功能能的的实实现现和和获获得得高高的的效效率率上上，缺缺乏乏首首尾尾一致的设计思想。一致的设计思想。nOS是是为为数数众众多多的的一一组组过过

49、程程的的集集合合，各各过过程程之之间间可可以以相相互互调调用用，在在操操作作系系统统内内部部不不存存在在任任何何结结构构，因此，有人把它称为整体系统结构。因此，有人把它称为整体系统结构。n设设计计出出的的操操作作系系统统既既庞庞大大又又杂杂乱乱，缺缺乏乏清清晰晰的的程程序结构。序结构。n编编制制出出的的程程序序错错误误很很多多，给给调调试试工工作作带带来来很很多多困困难；增加了维护人员的负担。难；增加了维护人员的负担。2模块化OS结构(1)(1)模块化结构模块化结构 n使用分块结构的系统包含若干使用分块结构的系统包含若干modulemodulemodulemodule（模块）；其中，模块）；其

50、中，每一块实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。每一块实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。n块与块之间的块与块之间的相互关系相互关系相互关系相互关系：-所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提供的所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提供的所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提供的所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提供的概念及属性。概念及属性。概念及属性。概念及属性。n例如，图例如，图1-51-5（P21P21）(2)(2)模块化模块化OSOS的优缺点的优缺点 优点：优点：提高了提高了OSOS设计的正确性、可理解性和可维护性。设计的正确性、可理解性和可维护性。增强了增强了0 0S