第1章操作系统引论课件.ppt

计算机操作系统Operating System,陈 莉,2022/12/18,第一章 绪论,2,本课程地位,专业核心课程考研核心课程技术开发的理论基础,2022/12/18,第一章 绪论,3,本课程内容,第一章 绪论第二章 进程管理第三章 处理机调度与死锁第四章 存储器管理第五章 设备管理第六章 文件管理,2022/12/18,第一章 绪论,4,第一章 绪论,1.1 操作系统的目标、作用1.2操作系统的发展过程1.3 操作系统的基本特征1.4 操作系统的主要功能1.5 操作系统的结构设计,2022/12/18,第一章 绪论,5,目前常见操作系统,微软：Windows系列（以前MS-DOS）UNIX：Solaris, AIX, HP UX, SVR4, BSD, ULTRIX自由软件：Linux, freeBSD, MinixIBM: AIX, zOS(OS/390), OS/2, OS/4000, PC DOS其他：Mac OS, NetWare,2022/12/18,第一章 绪论,6,操作系统的定义,操作系统（operating system，简称OS）是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户的程序的集合。（p8）,2022/12/18,第一章 绪论,7,操作系统的定义,操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调多个任务的活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。,2022/12/18,第一章 绪论,8,操作系统的地位,计算机由硬件系统和软件系统两个部分组成，它们构成了一个完整的计算机系统。,2022/12/18,第一章 绪论,9,操作系统的地位,2022/12/18,第一章 绪论,10,操作系统的地位,操作系统是计算机硬件上加载的第一层软件，是对计算机硬件功能的首次扩充。其他软件只有在操作系统的支持下，才能对计算机硬件工作。,2022/12/18,第一章 绪论,11,1.1 操作系统的目标、作用,操作系统为你完成所有 “硬件相关、应用无关”的工作，以给你 方便 有效可扩充性 开放性,OS的两个最重要目标,2022/12/18,第一章 绪论,12,硬件相关 应用无关,涉及物理地址、设备接口寄存器、设备接口缓冲区代码量大，需硬件知识需随硬件的变化而变化,提供所有应用、用户共需的东西与应用无直接关系,2022/12/18,第一章 绪论,13,1.1.2 操作系统的作用,1.OS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。,OS作为接口的示意图,2022/12/18,第一章 绪论,14,1.1.2 操作系统的作用,2. OS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。,2022/12/18,第一章 绪论,15,1.1.2 操作系统的作用,3. OS用作扩充机器 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。文件管理软件。用户的窗口软件。 每当人们在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统功能便增强一级，由于OS自身包含了若干层软件，因此汉在裸机上覆盖上OS后，便可获得一台功能显著增强，使用极为方便的多层扩充机器（多层虚机器）,2022/12/18,第一章 绪论,16,1.1.3 推动操作系统发展的动力,1不断提高资源利用率的需要 2方便用户操作 3硬件的不断更新换代 4计算机体系结构的不断发展,2022/12/18,第一章 绪论,17,1.2 操作系统的发展过程,操作系统的产生 1.2.1 无操作系统时的计算机系统（40年代） 1.2.2 单道批处理（50年代） 操作系统的形成 1.2.3 多道批处理（60年代初） 1.2.4 分时系统（60年代中）1.2.5 实时操作系统（60年代中）,2022/12/18,第一章 绪论,18,1.2.2无操作系统时的计算机系统,人工操作方式 电子管计算机（19461958） ，无操作系统，由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。用户使用计算机的过程大致如下：先把程序纸带装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机，然后通过控制台开关启动程序运行，计算完毕后，用户拿走打印结果，并卸下纸带。,2022/12/18,第一章 绪论,19,手工交互方式的特点,(1) 程序设计直接编制二进制目标程序 (2) 输入输出设备主要是纸带和卡片 (3) 程序员上机必须预约机时(4) 程序员自己上机操作 (5) 程序的启动与结束处理都以手工方式进行(6) CPU等待人工操作(7) 单用户方式，用户独占CPU(8) 程序执行过程得不到任何帮助,2022/12/18,第一章 绪论,20,脱机输入输出方式（Off-Line I/O）,这种脱机I/O方式的主要优点如下：(1)减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。,2022/12/18,第一章 绪论,21,1.2.3 单道批处理阶段,操作系统的雏形，称为监控程序。单道批处理系统的工作过程：用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，由监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，监控程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。,2022/12/18,第一章 绪论,22,1.2.3 单道批处理阶段,单道批处理系统：系统对作业的处理都是成批地进行的、且在内存中始终只保持一道作业。,2022/12/18,第一章 绪论,23,单道批处理阶段,单道批处理分为：联机批处理、脱机批处理联机批处理：由CPU直接控制作业输入输出脱机批处理：由外围机控制作业输入输出,2022/12/18,第一章 绪论,24,联机批处理和脱机批处理,2022/12/18,第一章 绪论,25,单道批处理阶段的特点,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。 该系统的主要特征如下： (1) 自动性。 (2) 顺序性。 (3) 单道性。,2022/12/18,第一章 绪论,26,对单道批处理阶段的评价,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。,2022/12/18,第一章 绪论,27,1.2.4 多道批处理,操作系统发展史上革命性变革。多道批处理系统(Multiprogrammed 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。 多道程序设计技术：在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。,2022/12/18,第一章 绪论,28,单道和多道程序工作过程比较,CPU和设备利用率,2022/12/18,第一章 绪论,29,引入多道程序设计技术的优点,提高CPU的利用率。可提高内存和I/O设备利用率。增加系统吞吐量。,2022/12/18,第一章 绪论,30,多道运行的特点,多道性：在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行。无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系。调度性：作业从提交给系统开始直至完成需要经过两次调度： （1）作业调度 （2）进程调度,2022/12/18,第一章 绪论,31,多道批处理系统的优缺点,资源利用率高。资源指CPU及设备。系统吞吐量大。系统吞吐量指系统在单位时间完成的总工作量。缺点：平均周转时间长无交互能力需要解决很多问题：（CPU、内存、I/O设备、文件、作业）的管理问题,2022/12/18,第一章 绪论,32,操作系统,为此，应在计算机系统中增加一组软件，用以对上述问题进行妥善、有效地处理。这组软件应包括：能控制和管理四大资源的软件、合理地对各类作业进行调度的软件，以及方便用户使用计算机的软件。正是这样一组软件构成了操作系统。,2022/12/18,第一章 绪论,33,练习题,设有两道程序，按A，B的优先次序运行，其内部计算和I/O操作时间如下：程序A：使用30msCPU后使用40msI/OA,最后使用20msCPU程序B：使用60msCPU后使用20msI/OB,最后使用30msCPU（1）试画出按多道程序运行的时间关系图（2）完成两道程序共花多少时间，它比单道运行节省多少时间,2022/12/18,第一章 绪论,34,1.2.5 分时系统,推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：人-机交互、共享主机、方便上机。分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可以通过自己的终端以交互的方式使用计算机。,2022/12/18,第一章 绪论,35,图示,2022/12/18,第一章 绪论,36,分时系统的关键,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，系统也应能全部地及时接收并处理 （1）及时接收 （2）及时处理,2022/12/18,第一章 绪论,37,分时系统的关键,由此可见为了实现人机交互，必须彻底改变原来的批处理系统的运行方式 （1）用户作业直接进入内存 （2）不允许一个作业长期占有处理机 为此规定每个作业只运行一个很短的时间（时间片），然后暂停该作业的运行，立即调度下一个程序运行。,2022/12/18,第一章 绪论,38,分时系统的特征,多路性：允许同一主机联接多台终端。系统按分时原则为每个用户服务。独立性：每一用户独占一个终端。及时性：用户请求能在很短时间内获得响应。交互性：可人机对话。,2022/12/18,第一章 绪论,39,1.2.6 实时操作系统计算机应用范围日益扩大，比如在控制飞机飞行、导弹发射以及冶炼轧钢等生产过程中采用了实时控制系统，在飞机订票、银行业务中采用了实时信息处理系统，它们都打破了只把计算机用于科学计算和数据处理等方面的格局。所谓“实时”，是指能够及时响应随机发生的外部事件、并对事件做出快速处理的一种能力。而“外部事件”，是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种服务请求。实时系统是指系统能及时（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运行。,2022/12/18,第一章 绪论,40,下图所示是一个用计算机系统控制化学生产反应的例子。A、B两种原料通过阀门进入反应堆。反应堆中的各种传感装置周期性地把所测得的温度、压力、浓度等测量信号传送给计算机系统。计算机中的实时操作系统及时接收这些信号，并调用指定的处理程序对这些数据进行分析，然后给出反馈信号，控制两种原料A、B的流量，确保反应堆中的诸原料参数维持在正常范围之内。若参数超过极限允许值，就立即发出报警，甚至关闭反应堆，以免发生事故。,2022/12/18,第一章 绪论,41,2022/12/18,第一章 绪论,42,实时任务的类型,一、按任务执行时是否呈现周期性来划分(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。,2022/12/18,第一章 绪论,43,实时任务的类型,一、根据对截止时间的要求来划分(1)硬实时任务。 (2)软实时任务。,2022/12/18,第一章 绪论,44,3.3实时调度,硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成 。硬实时对满足时限的要求会比软实时来的严格。从工作的特性上来分，硬实时工作 (hard real-time task) 通常指不能有任何差错的工作而软实时则是指比较容许差错的工作。例如我们常会用核能电厂和看 VCD 为例，用在核能电厂的实时操作系统如果出了差错可能会导致严重的损害，然而 VCD Player 出了些差错不过是让使用者认清他所用的程序不够好而已。所以前者是硬实时，后者是软实时。,2022/12/18,第一章 绪论,45,实时系统与分时系统的比较,多路性独立性及时性交互性可靠性,2022/12/18,第一章 绪论,46,操作系统的分类,几种操作系统的比较,综合其中任意两个系统功能的操作系统称为通用系统。又分为前台作业和后台作业。,2022/12/18,第一章 绪论,47,练习题,1、允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统为（），允许多个用户将多个作业提交给计算机集中处理操作系统为（），计算机系统能及时处理过程控制数据并作出响应的操作系统称为（）A、批处理系统，B、分时操作系统，C、多处理机操作系统，D、实时操作系统，E、网络操作系统2、操作系统为用户程序完成与（）的工作A、硬件无关和应用无关，B、硬件相关和应用无关C、硬件无关和应用相关，D、硬件相关和应用相关,2022/12/18,第一章 绪论,48,练习题,3、在计算机上实现地最早的操作系统是一种（）操作系统A 分时 B 批处理 C 实时 D 网络4、推动批处理系统形成和发展的主要动力是_，推动分时系统形成和发展的动力是_5、在排版系统、飞机定票系统、股票系统、机器翻译系统，火箭发射系统，C语言编译系统和远程教育系统中，属于实时操作系统的是,2022/12/18,第一章 绪论,49,练习题,6、在主机控制下进行的输入/输出操作称为_操作。7、在分时系统中，为使多个用户能够同时与系统交互，最关键的问题是_；当用户数目为100时，为保证响应时间不超过2S，此时的时间片最大应为（）。8、在设计分时操作系统时，首先要考虑的是（）；在设计批处理系统时，首先要考虑的是（）；在设计实时操作系统时，首先要考虑的是（）。 A、灵活性和可适应性 B、交互性和响应时间 C、周转时间和系统吞吐量 D、实时性和可靠性。,2022/12/18,第一章 绪论,50,1.2.6 微机操作系统的发展,单用户单任务单用户多任务多用户多任务,2022/12/18,第一章 绪论,51,1.2.6 微机操作系统的发展,单用户单任务 只允许一个用户上机,且只允许用户程序作为一个任务运行。 CP/M MS-DOS,2022/12/18,第一章 绪论,52,实用操作系统,MS DOS操作系统和它的名字一样（Disk Operating System）,其特点在于优良的文件系统，是一个单用户单任务操作系统。MS DOS系统开销小，运行效率高，适用于微型机，但无法发挥硬件能力，缺乏对数据库、网络通信的支持，没有通用的应用程序接口，用户界面不友善，最后一个版本6.22在1994年推出后便不再后续。,2022/12/18,第一章 绪论,53,1.2.6 微机操作系统的发展,单用户多任务 只允许一个用户上机,但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。目前在32位机上配置的操作系统基本上都是单用户多任务操作系统 Windows 它是一个面向傻瓜用户的系统；发展方向是开发更亲切易用的界面，增加更多的用户功能，对用户的行为更宽容； 其内部的设计与其他操作系统并没有什么两样； 包含了用于个人机的多任务分时操作系统Windows Professional和用于网络的网络操作系统Windows Server 。,2022/12/18,第一章 绪论,54,1.2.6 微机操作系统的发展,多用户多任务 允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。UNIXSolaris OSLinux OS,2022/12/18,第一章 绪论,55,实用操作系统,Unix操作系统 1969年美国电报电话公司的贝尔实验室开发成功，1973年用出C语言改写，1978年的Unix第7版，可以看作当今Unix的祖先，该版为Unix走进商界奠定了基础。Unix是目前唯一可以安装和运行在从微型机、工作站直到大型机和巨型机上的操作系统。 目前Unix已不是指一个具体操作系统，许多公司和大学都推出了自己的Unix系统，如AT&T的SVR，SUN的Solaris，Berkeley的Unix BSD，DEC的Digital Unix，HP的HP UX，SGI的Irix，CMU的Mach，SCO公司的SCO UnixWare，IBM的AIX等。UNIX用C语言编写，具有可移植的，是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时的操作系统。其运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖,2022/12/18,第一章 绪论,56,实用操作系统,Linux操作系统由芬兰藉科学家Linus Torvalds于1991年编写完成的一个操作系统内核，当时他还是芬兰赫尔辛基大学计算机系的学生，在学习操作系统课程中，自己动手编写了一个操作系统原型，并把这个系统放在Internet上，允许自由下载；许多人对这个系统进行改进、扩充、完善，Linux由最初一个人写的原型变化成在Internet上由无数志同道合的程序高手参与的一场运动。Linux继承了Unix的优点，又有了许多更好的改进，由于其开放的源代码，有利于发展各种操作系统，它符合Unix的POSIX标准，各种应用可方便地移植。,2022/12/18,第一章 绪论,57,1.3 操作系统的基本特征,并发（Concurrence）共享（Sharing）虚拟（Virtual）异步性（Asynchronism）,2022/12/18,第一章 绪论,58,1.3.1并发性,所谓并发是指在内存中放多道作业， 在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进。但在任何一个时间点上只能有一道占用CPU。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同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。,2022/12/18,第一章 绪论,59,1.3.1并发性,进程 程序是静态实体，在多道程序系统中，它们是不能独立运行的，更不能和其它程序并发执行。 为了使多个程序能并发执行，在操作系统中引入了进程。,2022/12/18,第一章 绪论,60,1.3.1并发性,线程 将一个进程分为若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源，可以独立运行，可以并发执行。它更高效地提高了系统内多个程序间并发执行的程度。(2009年考研)单处理机系统中，可并行的是I进程与进程 II. 处理机与设备III处理机与通道 IV. 设备与设备AI、II和III BI、II和 IV CI、III和 IV DII、III和 IV,2022/12/18,第一章 绪论,61,1.3.2共享性,系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。两种共享方式：互斥共享方式（打印机）一段时间内只允许一个进程访问（临界资源）同时访问方式（磁盘设备）允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。并发和共享是操作系统的两个最基本特征,2022/12/18,第一章 绪论,62,1.3.3虚拟,一个物理实体映射为若干个对应的逻辑对应物。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率CPU每个用户（进程）的虚处理机内存 虚拟存储器 I/O设备多台逻辑上的I/O设备 在操作系统中利用了两种方式实现虚拟技术：时分复用和空分复用,2022/12/18,第一章 绪论,63,1.3.3虚拟,时分复用 分时使用某个设备提高其利用率。虚拟处理机技术 利用多道程序设计技术，为每道程序建立一个进程，让多道程序并发地执行，以此来分时使用一台处理机。 虚拟设备技术 将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每一个用户占用一台逻辑上的I/O设备。,2022/12/18,第一章 绪论,64,1.3.3虚拟,空分复用 主要提高存储空间的利用率。虚拟磁盘技术 将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘。 虚拟存储器技术 提高内存的利用率。,2022/12/18,第一章 绪论,65,1.3.4异步性,操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应 进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢 进程的异步性是操作系统的一个重要特征,2022/12/18,第一章 绪论,66,1.4 操作系统的功能,1.4.1 处理机管理 1.4.2 存储器管理1.4.3 设备管理 1.4.4 文件管理1.4.5 用户接口,2022/12/18,第一章 绪论,67,资源管理,将计算机系统内的所有硬件、软件、数据等看作资源，操作系统的任务就是对这些资源进行分配、释放、相互配合、信息记录和信息修改资源是静态的，而操作系统是动态的动态的管理者不断地调整资源的分配与释放，实现用户所要求的各种功能。,Windows系统中对所有资源的组织与管理,由于资源有不同的种类，资源的打开方式和操作方式也是不同的，Windows将这些展示平台集中在一起用户可以自由选择,2022/12/18,第一章 绪论,68,1.4.1 处理机管理功能,处理机是最重要的资源，现代操作系统允许多个程序共享处理机，按照某种算法（分时、优先级）交替地使用处理机。 处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行有效的控制和管理。 处理机的分配和运行都是以进程为基本单位。因此对处理机的管理可归结为对进程的管理。 包括进程控制、进程同步、进程通信、进程调度 。,2022/12/18,第一章 绪论,69,1.4.1 处理机管理功能,进程控制：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，以及控制进程在运行过程中的状态转换。 在OS中经常是利用若干条进程控制原语或系统调用，来实现进程控制的。 原语 原子性,2022/12/18,第一章 绪论,70,1.4.1 处理机管理功能,进程同步：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为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式： 进程互斥方式， 这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式； 进程同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。,2022/12/18,第一章 绪论,71,1.4.1 处理机管理功能,进程通信：系统为一个应用程序建立多个进程，这些进程相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程之间，又往往需要交换信息。进程通信的任务就是用来实现在相互合作进程之间的信息交换。直接通信方式间接通信方式email,2022/12/18,第一章 绪论,72,1.4.1 处理机管理功能,调度：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，包括作业调度和进程调度。 作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源(首先是分配内存)。 在将它们调入内存后，便分别为它们建立进程，使它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它们插入就绪队列。（外-内）进程调度的任务，则是从进程的就绪队列中选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场， 使进程投入执行。（内-内）,2022/12/18,第一章 绪论,73,进程管理观点,认为系统中存在着大量的动态行为：处理机在执行着程序，存储器上面的页面被不断地换出、换进，设备上数据在流动，用户在不停地命令计算机做事。这一切动态的行为都是以叫做进程的形式存在着，操作系统对进程进行管理。,进程不是静态的程序，而是程序运行起来才会存在的一个实体，进程是一个动态的概念。,2022/12/18,第一章 绪论,74,1.4.2 存储器管理功能,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，以及能从逻辑上扩充内存。存储器管理要具备下列功能：内存分配：为每道程序分配内存空间。 内存保护：使多道程序间互不干扰地址映射：把程序中的逻辑地址映射为物理地址 存贮扩充：用辅存扩充主存，实现“虚拟存贮器”,2022/12/18,第一章 绪论,75,1.4.2 存储器管理功能,内存分配：为每道程序分配内存空间，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，以适应程序和数据动态增长的需要。可采取静态和动态两种方式。 在静态分配方式中，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，不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”； 在动态分配方式中，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，继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨，也允许作业在内存中“移动”。,2022/12/18,第一章 绪论,76,1.4.2 存储器管理功能,内存分配： 为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有这样的结构和功能： 内存分配数据结构，该结构用于记录内存空间的使用情况，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的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能,2022/12/18,第一章 绪论,77,1.4.2 存储器管理功能,内存保护： 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存空间内运行，彼此互不干扰。 界限寄存器,2022/12/18,第一章 绪论,78,1.4.2 存储器管理功能,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“0”开始的，程序中的其它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“地址空间”， 其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”， 其中的地址称为“物理地址”。 地址映射功能，以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地址。,2022/12/18,第一章 绪论,79,1.4.2 存储器管理功能,内存扩充：存储器管理中的内存扩充任务，并非是去扩大物理内存的容量，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。这样，既满足了用户的需要，改善了系统的性能，又基本上不增加硬件投资。 为了能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制， 用于实现下述各功能： (1) 请求调入功能。 (2) 置换功能。,2022/12/18,第一章 绪论,80,1.4.3 设备管理功能,最庞大、琐碎的部分，因为： 物理设备品种繁多、用法各异 各种外设能和主机并行工作主机与各类外设速度极不匹配，级差很大,2022/12/18,第一章 绪论,81,1.4.3 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， 而设备管理的主要任务是，完成用户进程提出的I/O请求；为用户进程分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。应具有功能：缓冲管理：为设备提供缓冲区以缓和CPU同设备的I/O速度不匹配的矛盾。 设备分配 设备处理：为设备提供驱动程序。设备独立性和虚拟设备,2022/12/18,第一章 绪论,82,1.4.4 文件管理功能,文件管理的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运行速度。文件系统管理的功能： 文件存储空间管理。目录管理：为了用户方便找到他所需的文件。 文件的读写管理和保护。,2022/12/18,第一章 绪论,83,1.4.5 用户接口,用户接口 便于用户直接或间接的控制自己的作业。联机用户接口：由一组键盘操作命令及命令解释程 序组成脱机用户接口：该接口是为批处理作业的用户提供的，故也称为批处理用户接口。该接口由一组作业控制语言JCL组成。图形接口：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(icon)来将系统的各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。,2022/12/18,第一章 绪论,84,1.4.5 用户接口,程序接口 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惟一途径。 它由一组系统调用组成。,2022/12/18,第一章 绪论,85,1. 软件的含义 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，该程序能够正确地处理信息的数据结构；作为规范软件，还应具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文档。如果说，硬件是物理部件，那么，软件则是一种逻辑部件，它具有与硬件完全不同的特点。,1.5 操作系统的结构设计,2022/12/18,第一章 绪论,86,在计算机的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题。对软件开发成本和进度的估计常常很不准确用户对已完成的软件系统不满意的现象经常发生软件产品的质量往往靠不住软件常常是不可维护的软件通常没有适当的文档资料。,软件危机,2022/12/18,第一章 绪论,87,2. 软件工程的含义 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；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等问题。,2022/12/18,第一章 绪论,88,操作系统是一个十分复杂的大型软件。为了控制该软件的复杂性，在开发OS时，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OS结构的更新换代。这里，我们把第一代至第三代的OS结构， 称为传统的OS结构，而把微内核的OS结构称为现代OS结构。,1.5.1 传统的操作系统结构,2022/12/18,第一章 绪论,89,1. 无结构操作系统 在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。 此时的OS是为数众多的一组过程的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构，因此，这种OS是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。,2022/12/18,第一章 绪论,90,2. 模块化OS结构 1) 模块化结构 模块化程序设计技术，是最早(20世纪60年代)出现的一种程序设计技术。该技术是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度的。将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接口实现交互，然后再进一步将各模块细分为若干个具有一定管理功能的子模块，同样也要规定各子模块之间的接口。若子模块较大时，再进一步将它细分。图 1-5 示出了由模块、子模块等组成的模块化OS结构。,2022/12/18,第一章 绪论,91,图 1-5 模块化操作系统结构,2022/12/18,第一章 绪论,92,2) 模块化OS的优点提高了OS设计的正确性、 可理解性和可维护性。 (2) 增强了OS的可适应性。 (3) 加速了OS的开发过程。,模块化结构设计的缺点：首先，在开始设计OS时，对模块的划分及对接口的规定并不精确， 而且还可能存在错误，因而很难保证按此规定所设计出的模块会完全正确，这将使在把这些模块装配成OS时发生困难；其次，从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别；由于管理上的差异，又会使模块间存在着复杂的依赖关系使OS结构变得不清晰。,2022/12/18,第一章 绪论,93,3. 分层式OS结构,1) 分层的基本概念从物理机器开始， 在其上面先添加一层具有一定功能的软件A1, 由于A1是建立在完全确定的物理机器上的，在经过精心设计和几乎是穷尽无遗的测试后，可以认为A1是正确的；然后再在A1上添加一层新软件A2，如此一层一层地自底向上增添软件层，每一层都实现若干功能，最后总能构成一个能满足需要的OS。,2022/12/18,第一章 绪论,94,分层式结构设计的基本原则是：每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务，这样可使系统的调试和验证都变得容易， 例如，在调试第一层软件A1时，由于它只使用了物理机器提供的功能，因此它将与其所有的高层软件A2，An无关； 同样在调试A2时，它也只使用了A1和物理机器所提供的功能， 而与其高层软件A3, ，An无关，这样，一旦发现Ai出现错误时，通常该错误只会局限于Ai，因为它与所有其高层的软件无关，而Ai层以下的各层软件，又都经过仔细的调试。,2022/12/18,第一章 绪论,95,分层结构的优点 1) 易保证系统的正确性 2）易扩充和易维护性分层结构的缺点 1）降低了系统效率,2022/12/18,第一章 绪论,96,1. 客户/服务器模式(Client-Server Model)的组成 1) 客户机 2）服务器 3）网络系统,1.5.2 客户服务器模式,2022/12/18,第一章 绪论,97,2. 客户/服务器之间的交互 1) 客户发送请求消息 2）服务器接收消息 3）服务器回送消息 4）客户机接收消息,1.5.2 客户服务器模式,2022/12/18,第一章 绪论,98,3. 客户/服务器模式的优点 1) 数据的分布处理和存储 2）便于集中管理 3）灵活性和可扩充性 4）易于改编应用软件,1.5.2 客户服务器模式,2022/12/18,第一章 绪论,99,1. 面向对象技术的基本概念 面向对象技术是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。 1)对象，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象，而把其中的具体事物称为对象的实例。,1.5.3 面向对象的程序设计,2022/12/18,第一章 绪论,100,图 1-7 一个对象的示意图,2022/12/18,第一章 绪论,101,1. 面向对象技术的基本概念 2)对象类许多对象可能表示的是同一类事物，每个对象具有自己的变量集合，而它们所具有的方法是相同的。对象类用来定义一组大体相似的对象。对象是类的实例。,1.5.3 面向对象的程序设计,2022/12/18,第一章 绪论,102,1. 面向对象技术的基本概念 3)继承在面向对象技术中，可以根据已有类来定义一个新的类，新类被称为子类，原来的类被称为父类。继承是父类和子类之间共享变量和方法的机制，该机制规定，子类自动继承父类中定义的变量和方法，并允许子类再增加新内容。,1.5.3 面向对象的程序设计,2022/12/18,第一章 绪论,103,2. 面向对象技术的优点 1