操作系统电子教案(1)xjg.pptx

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1、操作系统电子教案制作人：安徽电大滁州分校孙灏制作人：安徽电大滁州分校孙灏2002年年9月月一、课程的性质、目的和任务操作系统是中央电大电子与信息工程类计算机专业学生和必修的公共基本课之一，是一门涉及较多硬件知识的计算机系统软件课程。在计算机软硬件课程的设置上，它起着承上启下的作用。操作系统对计算机系统资源实施管理，是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都要得到操作系统提供的服务。因此，本课程的目的和任务是使学生通过本课程的学习，理解操作系统的基本概念和主要功能，掌握UNIX操作系统的使用和一般管理方法。二、课程的教学要求基本概念基本概念多道程序设计、并发、分时、作业、进程

2、、互斥与同步、周转时间、吞吐量、重定位、连接、虚拟存储、虚拟设备、死锁、线程基本知识基本知识计算机系统资源（文件、设备、处理机、存储器）的管理策略重点重点进程概念、存储管理的各种策略、文件系统的管理、设备管理和配置难点难点进程的概念及其与程序的区别、进程间同步与互斥的正确实现、虚拟设备与虚拟存储三、教学方法与教学形式及建议采用多种教学方法和教学形式面授、上机实践、小组讨论、网上学习、网上答疑、网上作业等。教学建议学生自主学习时，应当及时浏览三级电大在线及省电大、我校主页，获取动态教学信息。第一章操作系统引论学习重点什么是操作系统操作系统的主要功能操作系统的基本特征操作系统的主要类型UNIX命令

3、的一般格式什么是操作系统操作系统是管理、控制计算机内各种资源、有效地组织多道程序运行的系统软件，是用户和计算机之间的接口。如何理解操作系统的定义操作系统是什么：操作系统是软件，而且是系统软件；操作系统管什么：管理、控制系统内各种资源，有效地组织多道程序的运行；操作系统有何用：提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功能。操作系统的地位是整个系统的控制中心，既管软件，又管硬件；它为其它软件提供运行环境操作系统的主要功能配置操作系统的目的提供一个计算机用户与计算机硬件系统的接口，使计算机系统易于使用；有效地控制和管理计算机中的各种资源，使之得到更有效的利用；合理地组织计算机的工作流程，以改善系统性能。

4、操作系统的主要功能存储器管理：内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充处理机管理：作业和进程调度、进程控制和进程通信设备管理：缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性文件管理：文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制用户界面管理：命令界面、程序界面和图形界面操作系统的特征并发：两个或两个以上的活动在同一时间间隔中进行共享：计算机系统中资源为多个任务所共用异步性：在多道程序环境下，各程序的执行有“走走停停”的性质，即程序在什么时候运行、在运行过程中是否被其它事情打断、向前推进的速度都是不可预知的，由程序执行时的现场决定；同一程序在相同的初始条件下，无论何时运行都

5、应获得相同的结果。虚拟性：是指一个物理上的实体变为若干个逻辑上的实物。操作系统的主要类型一、批处理系统1、单道批处理（内存中内有一道作业）批处理：是指计算机系统对一批作业作业自动处理的一种技术。联机批处理：作业的自动处理受到监督程序的控制。CPU的利用率不高，不能很好地利用系统资源。脱机批处理：为克服联机批处理的缺点，引入脱机批处理。模型图如下2、多道批处理系统（内存中可以有多道作业，在管理程序的控制下交替执行）多道程序设计：是指同时把多个作业放入内存并允许它们交替执行，共享系统中的各类资源，当一道程序因某种原因而暂停执行时，CPU立即执行另一道程序。3、特点：多道、成批4、优点：资源利用率高

6、、系统吞吐量大5、缺点：等待时间长、无交互能力，用户无法干预脱机批处理模型图操作系统的主要类型二、分时系统1、分时技术：就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业。若某个作业在分配给它时间片内不能完成任务时，则该作业暂时中断，把处理机交给另一个作业。2、特点同时性：若干个用户同时上机使用计算机系统。交互性：用户能方便地与系统进行人机对话。独立性：系统中各用户可以彼此独立地操作，互不干扰或破坏。及时性：用户能在很短的时间内得到系统的响应。3、优点响应快、界面友好多用户、便于普及便于资源共享操作系统主要类型三、实时系统1、是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进

7、行处理，并在被控制对象允许的范围内作出快速响应。2、实时系统的典型应用过程控制系统、信息查询系统、事务处理系统3、实时系统与分时系统的区别交互能力较弱，系统专用响应时间更严格、及时可靠性要求更高操作系统主要类型四、网络操作系统1、计算机网络是计算机技术和通信技术相接合的产物。2、定义：一般建立在各个主机的本地操作系统基础之上，其功能是实现网络通信、资源共享和保护，以及提供网络服务和网络接口等。3、功能网络通信资源共享和保护网络服务网络接口操作系统主要类型五、分布式操作系统1、概念：把大量的计算机组织起来，通过高速网络连接。2、特征：分布式处理模块化结构利用信息通信实施整体控制特点透明性灵活性可

8、靠性高性能可扩充性UNIX命令的一般格式1、现代操作系统的三种界面：命令界面、图形界面、系统调用界面。2、UNIX命令的一般格式命令名选项参数说明命令名可以是UNIX系统提供的命令，也可以是应用程序名，是由小写字母小写字母组成。选项用来扩充命令的特性或功能，往往是一个一个字母，在字母前面有一个“”，可有可无。参数是命令的自变量，表示命令将要处理的对象，可有可无。第二章进程管理学习重点什么是进程，进程与程序的区别与联系进程的基本状态及其变化进程由哪些部分组成，进程控制块的作用什么是进程的同步与互斥临界资源、临界区什么是信号量，P、V操作的动作。进程间简单同步与互斥的实现进程的概念进程的概念程序在

9、并发环境下的执行过程（本教材中的定义）进程是可以和其它计算并发执行的计算进程是程序的一次执行，是在给定区域中的一组指令序列的执行过程。简单来说就是一个程序在给定活动空间和初始条件下，在一个处理机上的执行过程。进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程可定义为一个数据结构和能在其上进行操作的一个程序。进程与程序的区别程序是静态的概念，而进程是动态的概念,有一定的生存期。进程是一个能独立运行的单位,也是资源分配和调度的独立单位程序和进程无一一对应关系。各个进程在并发执行过程中会产生相互制约的关系进程的特征动态性：它是程序的执行过程，有生有亡并发性：引入进程

10、的目的正是为了使程序能与其它程序并发执行。调度性（独立性）：是一个能独立运行的单位,也是资源分配和调度的独立单位异步性：进程间的相互制约使进程的执行具有间断性，即各进程向前推进的速度是不可预知的。结构特征：进程有一定的结构，由程序段、数据段、PCB组成。为了描述进程的运动变化过程，并便之能独立运行，而为每一个进程配置一个PCB。进程的状态和组成进程的基本状态运行态：是指已分配到CPU，它的程序正在处理机上运行时的状态。就绪态：已具备运行条件，但CPU为其它进程占用时所处的状态。阻塞态：是指进程因等待某种事件发生而暂时不能运行的状态。运行态就绪态阻塞态进程状态及其转换进程的组成进程的组成：数据段

11、、程序段、进程控制块进程控制块的组成进程控制块的作用：PCB是进程存在的唯一标志；OS根据PCB管理进程；利用PCB实现进程的动态、并发；每个进程有唯一的PCB。PCB程序部分数据集合进程的组成模型进程控制块的组成PCB描述进程的执行情况。它与进程共存亡：创建进程、产生PCB、撤消进程、系统回收PCB。它包含进程的描述信息和控制信息，例如进程名、特征信息、进程状态信息、调度优先权、通信信息、中断现场保护、程序和数据地址等等。PCB是进程存在的唯一标志。也是系统管理和控制进程的依据。描述信息进程名或进程标志符：每个进程都有一个唯一的进程名或进程标志符，在识别一个进程时，进程名或进程标志符代表一个

12、进程。用户名或用户标志号：每个进程都隶属于某个用户，用户名或用户标志号有利于资源共享与保护。家族关系：反映父子进程间的隶属关系。控制信息进程当前状态、进程优先级、程序开始地址、各种计时信息、通信信息资源管理信息CPU现场信息进程管理及有关命令原语操作是机器指令的延伸,往往是为完成某些特定的功能而编制的一段系统程序。具有不可分割性。进程创建功能：为被创建进程形成一个PCB，并填入相应的初始值。步骤：申请一个空闲的PCB为新进程分配资源将新进程的PCB初始化将新进程加到就绪队列中。进程终止功能：收回并终止进程所占用的全部资源，并撤消它的PCB。步骤：从系统的PCB中找到指定进程的PCB。回收该进程

13、所占用的资源若该进程还有子孙进程，则还要终止其所有子孙进程，并回收它们所占用的全部资源。释放被终止进程的PCB，并从原来的队列中移走。进程管理及有关命令进程阻塞功能：将进程由执行态转为就绪态。步骤：立即停止当前进程的执行将现行进程的CPU现场送到该进程的PCB现场保护区保存起来，以便将来重新运行时恢复此时的现场把该进程PCB中的现行状态由“执行”改为“阻塞”，把它插入到具有相同事件的阻塞队列中转到进程调度程序，重新从就绪队列挑选合适的进程投入运行。进程唤醒功能：将进程由阻塞态变为就绪态步骤：把被阻塞进程从相应的队列中摘下来将现行状态改为就绪态，然后把该进程插入到就绪队列中进程管理命令UNIX中

14、的进程状态核心态：又称管态，是OS管理程序执行时所处的状态，它具有较高的特权，能执行所有指令，访问所有的寄存器和存储区。用户态：又称目态，是用户程序执行时所处的状态，它只能执行规定的指令，访问特定的寄存器和存储区。UNIX中的十种进程状态：用户态运行、核心态运行、在内存就绪、在内存睡眠、在外存就绪、在外存睡眠、在内存暂停、创建态、在外存暂停、终止态UNIX的进程组成进程控制块、进程执行的程序、程序执行时所用的数据、进程运行时所用的工作区。进程管理的基本命令程管理的基本命令进程的管理主要包括创建进程、撤消进程、挂起进程、恢复进程、改变进程优先级、封锁进程、唤醒进程、调度进程等。在UNIX系统中，

15、进程的状态分为10种。相关的基本命令有：ps检查系统中当前存在的进程的状态。sleep使进程暂停执行一段时间（参数单位为秒）。&使键入的命令进入后台运行。wait等待后台进程结束。kill终止一个进程的运行。nice以不同的优先级执行一条命令。进程的相互作用和通信进程同步：是指对多个相关进程在执行次序上的协调。进程互斥：在OS中，当一个进程进入临界区时，另一个进程必须等待，当占用临界资源的进程退出临界区后，另一个进程被允许去访问此临界资源。这种进程间的相互制约关系，称为互斥。是同步的一种特殊情况。（参见教材57页例题）临界资源、临界区1、临界资源一次仅允许一个进程使用的共享资源。2、临界区由每

16、个进程访问的那段程序。3、互斥进程访问临界区的准则空闲让进：若有多个进程要求进入临界区，一次仅允许一个进程进入。忙则等待：任何时候，处于临界区的进程只能有一个，若已有进程进入临界区，则其它进程必须等待。有限等待：进入临界区的进程必须在有限的时间内退出。让权等待：若进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU。同步机制及其应用用锁操作原语实现互斥锁：在同步机构中，常用一个变量来代表临界资源的状态，称为锁。通常用“0”代表资源可用，用“1”代表资源已被占用。关锁算法：考察锁的状态是0还是1；若原来是0，将锁位置为1；若原来是1，则返回第一步继续考察。开锁算法：当进程使用完临界资源后，将锁置为0步骤：关

17、锁；执行临界区程序；开锁信息量及P、V操作原语信息量(semaphore)是一个确定的二元组（s,q),其中s是非负初值的整型变量，q是指向PCB的指针。信息量的初值与相应资源的使用情况有关。S0，表示当前可用资源的个数，S=0调用进程入等待队列转进程调度返回V操作流程图入口S=S+1S0唤醒等待队列中的一个进程返回或转进程调度返回用P、V操作实现简单的进程互斥或同步解决此类问题的一般方式：根据问题给出的条件，确定进程有几个或几类；确定进程间的制约关系是互斥，还是同步；各相关进程间通过什么信号量实现彼此的制约，标明信号量的含义和初值。用P、V操作写出相应的代码段。验证代码的正确性：设以不同的次

18、序运行各进程，是否能保证问题的圆满解决。切忌按固定顺序执行各进程。用P、V操作实现互斥用信息量和P、V操作实现互斥的一般模型进程1P(mutex)临界区V(mutex)进程2P(mutex)临界区V(mutex)进程nP(mutex)临界区V(mutex)用P、V操作实现同步要设置两个信号量Empty:表示缓冲区是否为空；初值为1；Full：表示缓冲区是否为满，初值为0供者缓冲区用者简单供者和用者的关系用P、V操作实现同步的注意事项分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程应先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源进行协调，从而明确要设置哪些信号量。信

19、号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作有程序代码中出现的位置有关。同一信号量的P、V操作要“成对”出现，但他们分别在不同的进程代码中。生产者、消费者问题系统中释放某一类资源的进程，称为该资源的生产者系统中使用某一类资源的进程，称为该资源的消费者生产者、消费者是进程的同步问题，满足如下条件：消费者想接收数据时，有界缓冲区中至少有一个单元是满的生产者想发送数据时，有界缓冲区中至少有一个是空的由于有界缓冲区是临界资源，因此各生产者、消费者进程之间必须互斥执行。算法描述生产者进程消费者进程算法描述生产者算法消费者算法While(true)p(full);p(mutex);从有界缓冲区中取产品；

20、v(mutex);v(empty);消费一个产品；While(true)p(empty);p(mutex);产品送往有界缓冲区；v(mutex);v(full);说明1、full：表示放有产品的缓冲区数，其初值为0；2、empty：表示可供使用的缓冲区数，其初值为N；3、mutex：互斥信号量，初值为14、在每个程序中必须先做P（mutex），后做V(mutex)，二者要成对出现。二者中间的代码段就是该进程的临界区5、对同步信号量full和empty的P、V操作同样要成对出现，但他们分别在不同的程序中无论在生产者进程还是消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，后执行

21、互斥信号量的P操作。进程程间的通信的通信1、低级通信进程通信是指进程间的信息交换。P、V操作做为进程的同步与互斥工具因信息交换量少，效率太低，称为低级通信。而高级通信则以较高的效率传送大批数据。2、高级通信方式共享存储器方式是在内存中分配一片空间作为共享存储区，每个进程都可以访问它，通过共享存储区，相关进程可以传输大量信息。消息传递以消息为单位在进程间进行数据交换。（详见教材67-70页）管道文件管道是用于连接读进程和写进程以实现它们之间通信的共享文件，即一个命令的执行结果放在系统缓冲区内直接作为下一个命令的输入。例1：进程的同步桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放

22、桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步分析：在本题中爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，且盘子中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可向盘中放一个水果。若放入盘中的是桔子，则允许儿儿吃，女儿必须等待；若放入盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待；本例实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中的一类产品。解：在本题中，设应三个信号量S，Sa,So，信号量S表示盘子是否为空，其初值为1；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘子是否有苹果，其初值为

23、0；同步描述如下：爸爸进程P(S)；将水果放入盘中If（放入的是桔子）V(So)；ELSEV（Sa)儿子进程P(So)；从盘中取桔子V(S)；吃桔子女儿进程P(Sa)；从盘中取苹果V(S)；吃苹果例2：进程的同步设公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：司机的活动：启动车辆；正常行车；到站停车；售票员的活动：关车门；售票；开车门；在汽车不断地到站、停车、行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？用信号量机制和P、V操作实现它们的同步。解：在汽车行驶过程中，司机与售票员活动之间的活动的同步关系是：售票员关车门关车门后，向司机发开车信号，司机收到信号后启动车辆启动车辆，在汽车正常行驶正常行驶过程中售票员

24、售票售票员售票，到站时司机停车停车，售票员在车停限后开车门开车门让乘客上下车。因此，司机启动车辆的动作必须与售票员关车门的活动取得同步；售票员开车门的活动必须与司机停车取得同步。可以设置两个信号量：S1，S2，S1表示是否允许司机启动车辆，其初值为0；S2表示是否允许售票员开门，其初值为0司机进程：P(S1)；启动车辆；正常行车；到站停车；V(S2)售票员进程：关车门；V(S1)；售票；P(S2)开车门；上下乘客；例3、进程的互斥有三个进程PA、PB、PC合作解决文件打印问题：PA将文件记录从磁盘读入主存有缓冲区1，每执行一次读一个记录；PB将缓冲区1的内容复制到缓冲区2，每执行一次复制一个记

25、录；PC将缓冲区2的内容打印出来，每执行一次打印一个记录。缓冲区的大小等于一个记录大小。请用P、V操作来保证文件的正确打印解：在本题中，进程PA、PB、PC之间的关系为：PA、PB共用一个单缓冲区，而PB、PC共用一个单缓冲区，其合作关系可用图1表示。当缓冲区1为空时，进程PA可将一个记录读入其中；若缓冲区1中有数据且缓冲区2为空，则进程PB可将记录从缓冲区1复制到缓冲区2中；若缓冲区2中有数据，则进程PC可以打印记录。要其他条件下，相应进程必须等待。事实上，这是一个生产者-消费者问题。从磁盘读入缓冲区1PA缓冲区2PB复制PC打印应设置四个信号量empty1,empty2,full1,ful

26、l2,信号量empty1及empty2分别表示缓冲区1及缓冲区2是否为空，其初值为1；信号量full1及full2分别表示缓冲区1及缓冲区2是否有记录可供处理，其初值为0。PA进程：从磁盘读一个记录；P（empty1）；将记录存入缓冲区1V（full1）PB进程：P（full1）；从缓冲区1中取出记录；V（empty1）；P（empty2）；将记录存入缓冲区2V（full2）P（full2）；从缓冲区2中取出记录；V（empty2）打印记录第三章处理机管理学习重点：作业调度和进程调度的功能；简单的调度算法：先来先服务时间片轮转法优先法评价调度算法的指标：吞吐量、周转时间、平均周转时间、带权周转

27、时间、平均带权周转时间shell命令执行过程教学要求掌握作业调度和进程调度的功能理解作业的四种状态：提交、后备、执行、完成理解作业调度与进程调度的关系掌握常用调度算法的评价指标：吞吐量、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间掌握三种基本调度算法的实现思想，并能进行评价指标的计算。可以利用图表形式列出各作业或进程的有关时间值，如到达时间、运行时间、结束时间等，利用评价公式计算出各指标的值。了解一般SHELL命令的执行过程处理机理机调度度级别处理机调度是操作系统的主要功能之一，它的实现策略决定了操作系统的类型，其调度算法的优劣直接影响整个系统的性能。处理机调度的任务是选出待分派的作

28、业或进程，为之分配处理机。一般来说，处理机调度可分为三个级别，分别是高级调度、中级调度和低级调度。高级调度又称作业调度，作业就是用户程序及其所需的数据和命令的集合，作业管理就是对作业的执行情况进行系统管理的程序的集合。作业调度程序的主要功能是审查系统是否能满足用户作业的资源要求以及按照一定的算法来选取作业。引入中级调度的主要目的是为了提高内存的利用率和系统吞吐量，使得暂时不运行的进程从内存对换到外存上。低级调度又称进程调度，其主要功能是根据一定的算法将CPU分派给就绪队列中的一个进程。进程调度是操作系统中最基本的一种调度，其调度策略的优劣直接影响整个系统的性能。作作业调度和度和进程程调度的功能

29、度的功能作业调度主要功能是审查系统是否能满足用户作业的资源要求以及按照一定的算法来选取作业。主要有：记录系统中各个作业的情况；按照某种调度算法从后备作业队列中挑选作业；为选中的作业分配内存和外设等资源；为选中的作业建立相应的进程；作业结束后进行善后处理工作。进程调度主要功能保存将放弃CPU进程的现场；根据一定的调度算法，从就绪队列中挑选一个待运行进程；为选中的进程恢复现场，并把CPU的控制权交给该进程作作业调度的常用算法度的常用算法先来先服务法（FCFS）-如同“排队买票”，先来先做时间片轮转法（RR）-轮流坐庄优先级法-优先级别高的“急事”先办其他调度算法：短作业优先法最短剩余时间优先法多级

30、队列法多级反馈队列法等。调度性能的度性能的评价价不同的调度算法有不同的特性，往往适用于某一类进程的运行。一般来说，评价CPU调度算法的常用准则有：（1）CPU利用率（2）吞吐量-单位时间内CPU完成作业的数量。（3）周转时间-从作业提交到作业完成的时间间隔。（4）就绪等待时间（5）响应时间-从提交第一个请求到产生第一个响应所用的时间。UNIX常用常用调度命令度命令nohup：以忽略挂起和退出的方式执行指定的命令。at：指定命令执行的时间。batch：命令执行的优先级低于at命令。jobs：显示当前shell下正在运行哪些作业（后台作业）fg：把指定的后台作业移到前台。bg：把前台进程换到后台执

31、行SHELL命令的执行过程UNIX系统中，shell命令是用户与操作系统之间的界面，它以用户态运行，执行过程如下：读命令：在$提示符下，键入用户命令，回车，即可读入用户命令。判对错：终端进程分析用户键入的命令是否正确。建子进程：终端进程调用fork，建立子进程。等待完成子进程运行子进程终止父进程运行发提示符SHELL命令执行过程流程图终端进程读入命令行命令有错典型例题1设有4道作业，它们的提交时间及执行时间如下：试计算在单道程序环境下，采用先来先服务算法和短作业优先算法的平均周转时间和平均带权周转时间作业号提交时间执行时间110.02.0210.21.0310.40.5410.50.3解答(1

32、)若采用先来先服务调度算法，其调度顺序为1、2、3、4平均周转时间：T=（2.0+2.8+3.1+3.3)/4=2.8平均带权周转时间W=(1+2.8+6.2+11)/4=5.25作业号提交时间执行时间开始时间完成时间周转时间带权周转时间110.02.010.012.02.01.0210.21.012.013.02.82.8310.40.513.013.53.16.2410.50.313.513.83.311.0作业号提交时间执行时间开始时间完成时间周转时间带权周转时间110.02.010.012.02.01.0410.50.312.012.31.86.0310.40.512.312.82.4

33、4.8210.21.012.813.83.63.6平均周转时间：T=（2.0+1.8+2.4+3.6)/4=2.45平均带权周转时间W=(1+6+4.8+3.6)/4=3.85(2)若采用短作业优先算法，则其调度顺序为1、4、3、2例题2在单CPU和两台输入/输出设备(I1,I2)的多道程序设计环境下,同时投入三个作业JOB1、JOB2、JOB3运行。这三个作业对CPU和输入输出设备的使用顺序和时间如下所示：1：I2(30ms);CPU(10ms);I1(30ms);CPU(10ms);I2(20ms)2：I1(20ms);CPU(20ms);I2(40ms)3：CPU(30ms);I1(20

34、ms);CPU(10ms);I1(10ms)假定CPU、I1、I2都能并行工作，JOB1优先级最高，JOB2次之，JOB3最低，优先级高的作业可以抢占优先级低的作业的CPU但不抢占I1和I2。试求：（1）三个作业从投入到完成分别需要的时间（2）从投入到完成的CPU利用率（3）输入输出设备利用率解答三个作业并发执行的情况如下：从图式中可以看出，JOB1从投入到运行完成需要110ms，JOB2从投入到运行完成需要90ms，JOB3从投入到运行完成需要110msCPU在时间段60ms至70ms，80ms至90ms，100ms至110ms空闲，所以CPU的利用率为(110-30)/110=72.7%设

35、备I1在时间段20ms至40ms,90ms至100ms期间空闲,设备I2在时间段30ms至50ms期间空闲,所以I1、I2的利用率分别为：(110-30)/110=72.7%；(110-20)/110=81.8%第四章第四章存储器管理存储器管理学习重点：学习重点：(1)用户程序的主要处理阶段；(2)存储器管理的功能；(3)有关地址、重定位、虚拟存储器、分页、分段等概念；(4)分页存储管理技术的实现思想；(5)分段存储管理技术的实现思想；(6)页面置换及先进先出法。教学要求教学要求(1)理解三级存储器结构：高速缓存，内存，外存。(2)记住用户程序的主要处理阶段：编辑、编译、连接、装入、运行。(3

36、)结合1.1.2节，理解存储器管理的功能：内存分配、地址映射、内存保护、内存扩充。(4)牢固掌握以下概念：逻辑地址、物理地址、可重定位地址、重定位、静态重定位、动态重定位、碎片、虚拟存储器。(5)理解虚拟存储器的基本特征：虚拟扩充、部分装入、离散分配、多次对换。虚存容量主要受到哪些方面的限制？(6)掌握分页和分段概念，二者的主要区别。(7)掌握分页存储管理技术的实现思想，如何实现从逻辑地址到物理地址的转换。(8)理解分段存储管理技术的实现思想。(9)理解对换技术的实现思想。(10)理解页面置换的先进先出法；了解最佳置换法（OPT）和最近最少使用置换法（LRU）。存储器的层次存储器的层次三级存储

37、器结构:程序和数据必须先移到内存,才能被CPU存取高速缓存器CPU内存外存程序和数据可以被CPU直接存取存储器存取时间减少存储器存取速度增加每位存储器成本增加存储器容量减少用户程序的主要处理阶段用户的源程序（用高级语言或汇编语言编写的程序）进入计算机系统，到该程序在计算机上运行，主要经历5个处理阶段。编辑阶段：利用计算机提供的编辑程序，入UNIX中的vi，将用户编好的程序输入到计算机内。生成源程序文件。编译阶段：把源程序经过翻译或汇编处理，生成目标代码。编译过程即把高级语言翻译成计算机理解的低级语言。连接阶段：将编译后得到的一组目标模块以及它们所需的库函数装配成一个完整的装入模块。装入阶段：将

38、装入模块放入分到的内存区中。这时需要进行重定位，即将装入模块的逻辑地址转变为内存的实际物理地址。运行阶段：运行可执行的程序file1.exe。用户程序的主要处理阶段存储器管理的相关概念存储器管理的相关概念 逻辑地址-用户程序经编译后，每个目标模块以0为基地址进行的顺序编址。逻辑地址又称相对地址，相对基地址而言。物理地址-内存中各物理存储单元的地址从统一的基地址进行的顺序编址。物理地址又称绝对地址，它是数据在内存中的实际存储地址。重定位-把逻辑地址转变为内存的物理地址的过程静态重定位：是在目标程序装入内存时，由装入程序对目标程序中的指令和数据进行修改，即把程序中逻辑地址都改成实际的内存地址。过程

39、如图所示 动态重定位：是在程序执行期间每次访问内存之前进行重定位。需要一个重定位寄存器BR。用BR寄存器的内容加上操作对象的逻辑地址就得到实际的内存地址。过程如图所示 实存管理实存管理1、单一连续区分配最简单的存储分配方法，即整个主存区域的用户空间均归一个用户作业使用。2、分区管理：由于多道程序设计技术的产生，几个作业得以共享主存储区，因此可以采取分区法分配内存。分区法通常有：（1）固定分区：在系统建立时确定每个分区的大小及分区的个数；（2）动态分区：在转入作业时确定分区的个数及每个分区的大小；回收分区时，合并相邻空闲分区从而避免分区越来越小（3）可重定位分区：在装入作业时，根据需要及时地将空

40、闲存储区拼接在一起，以消除碎片，满足作业对存储空间的要求；对换：当主存空间不能满足作业要求时，通过对换技术来解决。对换是指系统把内存中暂时不能运行的进程换出到外存上，腾出空间，把具备运行条件的进程从外存换入内存。对换是以时间来换取空间，减少对换的信息量和时间是设计时要考虑的问题。虚拟存储器组织虚拟存储器组织 问题的引入：内存不够用的矛盾作业全部装入造成内存浪费程序执行具有局部性规律虚拟存储器（Virtual Memory）：是一种存储管理技术，用以完成用小的内存实现在大的虚空间中程序的运行工作。虚拟存储器是由操作系统提供的一个假想的特大存储器。虚拟存储器所具有的基本特征是：（1）虚拟扩充：不是

41、物理上、而是逻辑上扩充了内存容量；（2）部分装入：每个作业不是全部一次性地装入内存，而是只装入一部分；（3）离散分配：不必占用连续的内存空间，而是“见缝插针“（4）多次对换：所需的全部程序和数据要分成多次调入内存。页式存储组织页式存储管理的基本原理：逻辑地址空间页，存储地址空间分块，页和块的大小相等，通过页表进行管理。页式系统的逻辑地址分为页号和页内位移量。页表包括页号和块号数据项，它们一一对应。根据逻辑空间的页号，查找页表对应项找到对应的块号，块号乘以块长，加上位移量就形成存储空间的物理地址。每个作业的逻辑地址空间是连续的，而映象到内存空间后就不一定连续了。请求分页页表组成除了页号，块号外，

42、还包括状态位（指示该页面是否在内存中）、外存地址、改变位（该页的内容在内存中是否修改过）、引用位（最近是否被引用）等。页式存储管理的动态地址转换过程是：进程运行时，其页表地址已在系统的动态地址转换机构中的基本地址寄存器中，执行的指令访问逻辑地址（p，d）时，首先根据页号p查页表，由状态位可知，这个页是否已经调入主存。若调入主存，则可直接将虚地址转换为实地址，如果该页未调入主存，则产生缺页中断，以装入所虚的页。1、逻辑地址分页，内存空间分块；2、引入一个页表，实现从页号到物理块号的地址映射页号块号12233146解答提示：设页号为P，页内位移为D，逻辑地址为A，页面大小为L，则：P=int（A/

43、L）W=AmodL例例1：若在一分页存储管理系统中，某作业的页表如下所示。已知页面超大小为1024字节，试将逻辑地址为1011、2148、3000，4000、5012转化为相应的物理地址1、对于逻辑地址1011P=INT（1011/1024）=0W=1011MOD1024=1024查页表知第0页在第2块，所以物理地址为21024+1011=30592、同理可知，对于逻辑地址为2148，3000，4000，它们的物理地址分别为1124，1976，70723、对于逻辑地址5012P=INT（5012/1024）=4，超过页表长度，所以地址非法请求分页请求分页的基本思想：硬件通过生成访内地址若缺页，

44、进行缺页中断处理，换入内存请求分页=分页+请求请求分页提供虚拟存储器页表中的状态位指示该页是否在内存，若不在，则产生缺页中断请求分页的执行过程与缺页中断具有快表的地址变换机构段式存储组织段式存储管理的基本原理：是逻辑地址空间分段，一个作业是由若干个具有逻辑意义的段，如主程序、子程序、数据段、栈段等组成的。在分段系统中，允许作业占据主存中许多分离的分区，段内连续，段有段号，但段长可以相同，通过段表进行管理。段式系统的逻辑地址由段号和段内位移量两项组成。段表由若干表目组成，每一表目有段号、段长、在主存中的首地址、存取方式和状态位等项。作业访问虚存时，根据地址空间的段号，查找段表对应段号找到段的首地

45、址，首地址加上位移量就是存储空间的物理地址。段式系统的动态地址转换过程：例题2：在一个段式存储管理系统中，其段表为：段号内存起始地址段长02105001235020210090313505904193895试求下述逻辑地址对应的物理地址是什么？段号段内位移0430110250034004112532解答提示：在段式存储管理系统中，为了实现从逻辑地址到物理地址的转换，系统将逻辑地址中的段号与段表长度进行比较，若段号超过段表长度，则产生越界中断信号；否则，则根据段表始地址和段号计算出该段对应段表项的位置，从中读出该段在内存的起始地址，再检查段内地址是否超过该段的长度，若超过，则产生越界中断信号；否

46、则，则将该段的起始地址与段内位移相加，从而得到了要访问的物理地址。1、由于第0段的内存起始地址为210，段长为500，故逻辑地址0，430是合法地址，对应的物理地址为210+430=6402、同理第1段、第3段逻辑地址合法，对应的物理地址分别为2360，17503、对于第2、4段，段内位移量大于段长，地址非法；4、对于第5段，由于段号超过段表长度，故地址非法虚存管理虚存管理-置换算法置换算法 虚存中的置换算法主要指内存中页面、段的选择、换出算法。好的置换算法能适当降低页面更换频率。有4种常用的页面置换算法：（1）先进先出法先进先出法（FIFO）：先进入内存的页先被换出内存。（2）最佳置换法最佳

47、置换法（OPT）：选择将来不再被使用，或在最远的将来才被访问的老页换出。（3）最近最少使用置换法最近最少使用置换法（LRU）：选择最近最久没有使用过的页面换出。注意：OPT算法考查将要被访问的页面，而LRU算法考查已访问过的页面。从时间上考虑，前者是向前看的，后者是向后看的。（4）最近未使用置换法（NUR）：是LRU算法的一种近似评价一个算法优劣，可通过在一个特定的存储访问序列上运行它，并计算缺页数量来实现。存储访问序列，又叫页面走向。一般来说，随着可用块数的增加，缺页数将减少。典型例题1在一个请求分页存储管理系统中，一个作业的页面走向为4、3、2、1、4、3、5、4、3、2、1、5，当分配给

48、该作业的物理块数分别为3、4时，试计算采用下述页面淘汰算法时的缺页率（假设开始执行时主存中没有页面），并比较所得结果。（1）最佳置换算法（2）先进先出算法（3）最近最久未使用淘汰算法解：（1）根据所给页面走向，使用最佳页面淘汰算法，页面置换情况如下：走向432143543215块14444422块2333331块321555缺页缺缺缺缺缺缺 缺缺页率：7/12走向432143543215块1444441块233333块32222块4155缺页缺缺缺缺缺缺缺页率：6/12由上述结果可以看出，增加分配给作业的内存块数可以降低缺页率（2）根据所给页面走向，使用先进先出页面淘汰算法，页面置换情况如下：

49、走向432143543215块1444111555块233344422块32223331缺页缺缺缺缺 缺缺缺缺 缺缺页率：9/12走向432143543215块14444555511块2333344445块322223333块41111222缺页缺缺缺缺缺 缺 缺缺 缺缺缺页率：10/12由上述结果看出，对先进先出算法而言，增加分配给作业的内存块数反而使缺页率上升，这种现象称为Belady现象（3）根据所给页面走向，使用最近最久页面淘汰算法，页面置换情况如下：走向432143543215块14441115222块2333444411块322233335缺页缺缺缺缺 缺缺缺缺 缺缺缺页率：10/

50、12走向432143543215块144444445块23333333块3225211块411122缺页缺缺缺缺缺缺 缺缺缺页率：8/12由上述结果可以看出，增加分配给作业的内存块数可以降低缺页率第五章第五章文件系统文件系统1学习重点：学习重点：(1)文件、文件系统的概念；(2)文件的逻辑组织和物理组织的概念；(3)目录和目录结构；(4)路径名和文件链接；(5)文件的存取控制；(6)对文件和目录的主要操作。1教学要求：教学要求：(1)牢固掌握文件、文件系统、目录概念。(2)了解文件系统的功能。(3)掌握文件的逻辑组织和物理组织的概念，以及相应的组织形式。(4)掌握目录的基本组织方式，特别是UN