第一講 操作系統(tǒng)導(dǎo)論

1、2013-92第第1 1章章 操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)引論 1.1 OS的目標(biāo)和作用的目標(biāo)和作用1.2 OS的發(fā)展過程的發(fā)展過程 1.3 操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的基本特征 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能 1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計第第1章復(fù)習(xí)題章復(fù)習(xí)題31.1.1 OS的目標(biāo)的目標(biāo)n 有效性有效性n 方便性方便性n 可擴展性可擴展性n 開放性開放性操作系統(tǒng)（操作系統(tǒng)（Operating System , OS）是計算機硬）是計算機硬件上的第一層軟件，是計算機必須配置的最基件上的第一層軟件，是計算機必須配置的最基本、最重要的系統(tǒng)軟件。本、最重要的系統(tǒng)軟件。1.1

2、OS的目標(biāo)和作用的目標(biāo)和作用41有效性有效性(早期早期OS的主要目標(biāo)的主要目標(biāo))n有效提高有效提高CPU和和I/O設(shè)備利用率設(shè)備利用率n提高的方法：提高的方法：合理地組織計算機的合理地組織計算機的工作流程工作流程2方便性方便性(現(xiàn)在現(xiàn)在OS越來越重視方便性越來越重視方便性)n可使計算機系統(tǒng)更容易使用可使計算機系統(tǒng)更容易使用( (解釋之解釋之) )方便性和有效性是設(shè)計方便性和有效性是設(shè)計OS的兩個最重要的目標(biāo)的兩個最重要的目標(biāo)53可擴展性可擴展性n計算機硬件和體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對計算機硬件和體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對OS提出了更提出了更高的功能和性能要求高的功能和性能要求n計算機網(wǎng)絡(luò)，特別是計算機網(wǎng)絡(luò)，特

3、別是Internet的發(fā)展，也對的發(fā)展，也對OS提提出了一系列更高的要求出了一系列更高的要求為什么要有可擴充性？為什么要有可擴充性？ 因為：因為：OS為了能適應(yīng)發(fā)展的要求，須具有良好的可擴充性。為了能適應(yīng)發(fā)展的要求，須具有良好的可擴充性。如何才有可擴充性？如何才有可擴充性？ 應(yīng)采用新的應(yīng)采用新的OS結(jié)構(gòu)，如微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和客戶服務(wù)器模式。模式。64開放性開放性v 為什么要有開放性？為什么要有開放性？計算機網(wǎng)絡(luò)，特別是計算機網(wǎng)絡(luò)，特別是LANLAN的迅速發(fā)展，使的迅速發(fā)展，使OSOS的應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境由單機轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。為使不同廠家的計用環(huán)境由單機轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。為使不同廠家

4、的計算機和設(shè)備能通過網(wǎng)絡(luò)加以集成化，并能正確、算機和設(shè)備能通過網(wǎng)絡(luò)加以集成化，并能正確、有效地協(xié)同工作，實現(xiàn)應(yīng)用的可移植性和互操作有效地協(xié)同工作，實現(xiàn)應(yīng)用的可移植性和互操作性，必須具有統(tǒng)一的開放環(huán)境，進(jìn)而要求性，必須具有統(tǒng)一的開放環(huán)境，進(jìn)而要求OSOS具有具有開放性。開放性。 v 什么是開放性？什么是開放性？開放性是指系統(tǒng)能遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵開放性是指系統(tǒng)能遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵循開放系統(tǒng)互連（循開放系統(tǒng)互連（OSIOSI）國際標(biāo)準(zhǔn)。）國際標(biāo)準(zhǔn)。7n從用戶觀點看，從用戶觀點看，OS是用戶和計算機硬件系統(tǒng)是用戶和計算機硬件系統(tǒng)之間的之間的接口接口n從資源管理觀點看，從資源管理觀點看，

5、OS是計算機系統(tǒng)資源是計算機系統(tǒng)資源（軟、硬）的（軟、硬）的管理者管理者1.1.2 OS的作用的作用1OS作為用戶和計算機硬件系統(tǒng)的接口作為用戶和計算機硬件系統(tǒng)的接口2OS作為計算機資源的管理者作為計算機資源的管理者3OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象實現(xiàn)了對計算機資源的抽象操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用:81.OS作為用戶和計作為用戶和計算機硬件系統(tǒng)的算機硬件系統(tǒng)的接口接口( (用戶接口用戶接口) )用用 戶戶系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 命令命令 窗口窗口操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序計算機硬件計算機硬件圖圖1-1 1-1 操作系統(tǒng)作為用戶接口示意圖操作系統(tǒng)作為用戶接口示意圖用戶可以通過三種用戶可以通過三種

6、方式使用計算機方式使用計算機： 命令方式（鍵盤命令）命令方式（鍵盤命令） 圖標(biāo)、窗口方式圖標(biāo)、窗口方式（GUI） 系統(tǒng)調(diào)用方式系統(tǒng)調(diào)用方式（程序接口程序接口）操作接口操作接口1.1.2 OS的作用的作用9n計算機系統(tǒng)資源可歸結(jié)為四類：處理器、存計算機系統(tǒng)資源可歸結(jié)為四類：處理器、存儲器、儲器、I/O設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和程序）設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和程序）nOS的主要功能也正是針對這四類資源進(jìn)行的主要功能也正是針對這四類資源進(jìn)行有效管理：有效管理：2. OS作為計算機資源的管理者作為計算機資源的管理者l處理機管理：分配和控制處理機處理機管理：分配和控制處理機l存儲器管理：主要是內(nèi)存分配和回收存儲器管理：

7、主要是內(nèi)存分配和回收lI/O設(shè)備管理：設(shè)備管理：I/O設(shè)備的分配與操縱設(shè)備的分配與操縱l文件管理：文件的存取、共享和保護(hù)文件管理：文件的存取、共享和保護(hù)10n完全無軟件的計算機完全無軟件的計算機裸機。裸機。n“裸機裸機”難于使用。難于使用。n裸機覆蓋了一層裸機覆蓋了一層I/O設(shè)備管理軟件如圖設(shè)備管理軟件如圖1-2所示，由它來實所示，由它來實現(xiàn)對現(xiàn)對I/O設(shè)備操作的細(xì)節(jié)，并向上提供一組設(shè)備操作的細(xì)節(jié)，并向上提供一組I/O操作命令，操作命令，如如Read和和Write命令，用戶可以利用它進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入命令，用戶可以利用它進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出，輸出，而無需關(guān)心而無需關(guān)心I/O實現(xiàn)的細(xì)節(jié)。此時用戶所看到的

8、是一臺功能實現(xiàn)的細(xì)節(jié)。此時用戶所看到的是一臺功能顯著增強、使用極為方便的的機器，它向上提供了一組抽顯著增強、使用極為方便的的機器，它向上提供了一組抽象的象的I/O設(shè)備，稱為擴充機或虛擬機。設(shè)備，稱為擴充機或虛擬機。3. OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象實現(xiàn)了對計算機資源的抽象虛擬性虛擬性是是OSOS的基本的基本特征之一特征之一用戶用戶用戶用戶物理接口物理接口硬件硬件物理接口物理接口硬件硬件I/O軟件軟件I/O操作命令操作命令(Read, Write)機器指令機器指令虛擬機虛擬機圖圖1-2 I/O軟件隱藏了軟件隱藏了I/O操作實現(xiàn)的細(xì)節(jié)操作實現(xiàn)的細(xì)節(jié)第一層軟件第一層軟件第二層軟件第二層軟件11為了方

9、便用戶使用文件系統(tǒng)，又在第一層軟件上再為了方便用戶使用文件系統(tǒng)，又在第一層軟件上再覆蓋一層用于文件的管理軟件，用它來實現(xiàn)對文件覆蓋一層用于文件的管理軟件，用它來實現(xiàn)對文件操作的細(xì)節(jié)，并向上提供一組對文件進(jìn)行存取操作操作的細(xì)節(jié)，并向上提供一組對文件進(jìn)行存取操作的命令。的命令。第二個層次的抽象第二個層次的抽象。又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計算機，形件，用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計算機，形成一臺功能更強的虛擬機。成一臺功能更強的虛擬機。由此可知，操作系統(tǒng)是鋪設(shè)在硬件上的多層系統(tǒng)軟由此可知，操作系統(tǒng)是鋪設(shè)

10、在硬件上的多層系統(tǒng)軟件，它們不僅增強了系統(tǒng)功能，而且還隱藏了對硬件，它們不僅增強了系統(tǒng)功能，而且還隱藏了對硬件操作的細(xì)節(jié)，由它們實現(xiàn)對計算機硬件的多個層件操作的細(xì)節(jié)，由它們實現(xiàn)對計算機硬件的多個層次的抽象。次的抽象。121.1.3 推動推動OS發(fā)展的主要動力發(fā)展的主要動力1不斷提高計算機資源利用率。不斷提高計算機資源利用率。2方便用戶方便用戶: 繼續(xù)發(fā)展的因素繼續(xù)發(fā)展的因素分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)（或稱或稱多用戶多用戶系統(tǒng)系統(tǒng)）3器件的不斷更新?lián)Q代器件的不斷更新?lián)Q代 4計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 最初發(fā)展的動力。最初發(fā)展的動力。批處理系統(tǒng)批處理系統(tǒng)8位機位機16位機位機32位機位

11、機64位機位機(8位位OS 16位位OS . )單機系統(tǒng)單機系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)：單機多處理機系統(tǒng)：單機OS多處理機多處理機OS 計算機網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)OS131.2 OS的發(fā)展過程的發(fā)展過程 n20世紀(jì)世紀(jì)50年代中期，第一個簡單的批處理年代中期，第一個簡單的批處理系統(tǒng)系統(tǒng) n60年代中期，多道程序批處理系統(tǒng)，隨后年代中期，多道程序批處理系統(tǒng)，隨后出現(xiàn)分時系統(tǒng)出現(xiàn)分時系統(tǒng) n上世紀(jì)上世紀(jì)80年代開始至年代開始至21世紀(jì)初，微型機、世紀(jì)初，微型機、多處理機、計算機網(wǎng)絡(luò)大發(fā)展年代多處理機、計算機網(wǎng)絡(luò)大發(fā)展年代微機微機OS、多處理機、多處理機OS和網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)OS的形成和大發(fā)的形成和大發(fā)展年代

12、。展年代。 141.2.1 無無OS的計算機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) n人工操作方式人工操作方式 n脫機輸入脫機輸入/輸出（輸出（Off-Line I/O）方式）方式 （20世紀(jì)世紀(jì)50年代末年代末 ）這一時期有兩種操作方式：這一時期有兩種操作方式：151人工操作方式人工操作方式 n程序員將事先已穿孔（對應(yīng)于程序和數(shù)據(jù)）程序員將事先已穿孔（對應(yīng)于程序和數(shù)據(jù)）的紙帶（或卡片）裝入紙帶輸入機（或卡片的紙帶（或卡片）裝入紙帶輸入機（或卡片輸入機）；輸入機）；n再啟動輸入機將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機；再啟動輸入機將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機；n然后啟動計算機運行。然后啟動計算機運行。n當(dāng)程序運行完畢并取走計算結(jié)果后，才

13、讓下當(dāng)程序運行完畢并取走計算結(jié)果后，才讓下一個用戶上機。一個用戶上機。 缺點：缺點：n 用戶獨占全機；用戶獨占全機；n CPUCPU等待人工操作等待人工操作162脫機輸入脫機輸入/輸出方式輸出方式 優(yōu)點優(yōu)點： （1）減少了）減少了CPU的空閑時間的空閑時間 （2）提高了）提高了I/O速度速度外圍機外圍機磁帶機磁帶機磁帶機磁帶機磁帶機磁帶機磁帶機磁帶機外圍機外圍機輸出機輸出機主機主機輸入設(shè)備輸入設(shè)備圖圖1-2 脫機脫機I/O示意圖示意圖171.2.2 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng) l把一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁帶上；把一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁帶上； l在監(jiān)督程序在監(jiān)督程序（Monitor）控制

14、下使這批作業(yè)）控制下使這批作業(yè) 一個接一個地連續(xù)處理。一個接一個地連續(xù)處理。參看下頁的圖參看下頁的圖1-3它是它是OS的前身，而非現(xiàn)在人們理解的的前身，而非現(xiàn)在人們理解的OS。 1. 單道批處理系統(tǒng)的處理過程單道批處理系統(tǒng)的處理過程18開始開始還有下一還有下一個作業(yè)？個作業(yè)？停止停止把下一個作業(yè)的源程把下一個作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序源程序有源程序有錯嗎？錯嗎？裝配目標(biāo)裝配目標(biāo)程序程序目標(biāo)程序運行目標(biāo)程序運行直到結(jié)束直到結(jié)束否否是是是是否否圖圖1-3 單道批處理系統(tǒng)的處理流程單道批處理系統(tǒng)的處理流程192. 單道批處理系統(tǒng)的特征單道批處理系統(tǒng)的特征(1) 自動性自動性在磁帶上的

15、作業(yè)能自動地逐個地依次在磁帶上的作業(yè)能自動地逐個地依次運行，而無需人工干預(yù)。運行，而無需人工干預(yù)。(2) 順序性順序性(3) 單道性單道性磁帶上的各道作業(yè)是順序地進(jìn)入內(nèi)存，磁帶上的各道作業(yè)是順序地進(jìn)入內(nèi)存，各道作業(yè)的完成順序與它們進(jìn)入內(nèi)存各道作業(yè)的完成順序與它們進(jìn)入內(nèi)存的順序相同，即先調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)先的順序相同，即先調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)先完成。完成。在內(nèi)存中僅有一道程序運行，即監(jiān)督程在內(nèi)存中僅有一道程序運行，即監(jiān)督程序每次從磁帶上只調(diào)入一道程序進(jìn)入內(nèi)序每次從磁帶上只調(diào)入一道程序進(jìn)入內(nèi)存，當(dāng)該程序完成或發(fā)生異常情況時，存，當(dāng)該程序完成或發(fā)生異常情況時，才換入其后繼程序進(jìn)入內(nèi)存運行。才換入其后繼程序進(jìn)入

16、內(nèi)存運行。201.2.3 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)n多道程序設(shè)計的基本概念多道程序設(shè)計的基本概念 20世紀(jì)世紀(jì)60年代中期年代中期 n 用戶提交的作業(yè)事先存放在外存上，形用戶提交的作業(yè)事先存放在外存上，形成成“后備隊列后備隊列” n 作業(yè)調(diào)度程序按一定算法從后備隊列中作業(yè)調(diào)度程序按一定算法從后備隊列中選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。和系統(tǒng)中的各種資源。 好處好處： （1）提高）提高CPU利用率利用率（2）提高內(nèi)存和）提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率設(shè)備利用率（3）增加系統(tǒng)吞吐量）增加系統(tǒng)吞吐量 21多道批處理系統(tǒng)的特征多道批處理系統(tǒng)的特征

17、( (1) ) 多道性多道性： 多道程序在內(nèi)存中并發(fā)執(zhí)行。提高多道程序在內(nèi)存中并發(fā)執(zhí)行。提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。 ( (2) ) 無序性無序性： 先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)可能后完成；先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)可能后完成；后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)可能先完成。后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)可能先完成。 ( (3) ) 調(diào)度性調(diào)度性： 作業(yè)從提交到完成，需經(jīng)過兩種作業(yè)從提交到完成，需經(jīng)過兩種調(diào)度：調(diào)度：作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度和和進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度。 22多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點：多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點： （1）資源利用率高。）資源利用率高。(CPU(CPU、內(nèi)存、內(nèi)存、I/OI/O設(shè)備利用率設(shè)備利用率) ) （2）系

18、統(tǒng)吞吐量大。）系統(tǒng)吞吐量大。 （3）周轉(zhuǎn)時間長。）周轉(zhuǎn)時間長。 （4 4）無交互能力。）無交互能力。 系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所完成的總工作量。時間內(nèi)所完成的總工作量。 作業(yè)周轉(zhuǎn)時間是指從作業(yè)進(jìn)入系作業(yè)周轉(zhuǎn)時間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)（提交）開始，直至它完成并統(tǒng)（提交）開始，直至它完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時間。退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時間。 對修改和調(diào)試程序?qū)π薷暮驼{(diào)試程序極不方便。極不方便。 23多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題 （1）處理機管理問題）處理機管理問題( (處理機分配、提高利用率處理機分配、提高利用率) )（2 2）內(nèi)存管理問題）內(nèi)

19、存管理問題( (分配、保護(hù)等分配、保護(hù)等) )（3 3）I/OI/O設(shè)備管理問題設(shè)備管理問題( (方便用戶、提高利用率方便用戶、提高利用率) )（4 4）文件管理問題）文件管理問題( (方便用戶、數(shù)據(jù)安全一致方便用戶、數(shù)據(jù)安全一致) )（5 5）作業(yè)管理問題）作業(yè)管理問題( (計算型、計算型、I/OI/O型不同處理型不同處理) )241.2.4 分時系統(tǒng)分時系統(tǒng) n分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)是指在一臺主機上連接多個是指在一臺主機上連接多個帶有顯示器和鍵盤的帶有顯示器和鍵盤的終端終端，同時允許多個，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。

20、算機，共享主機中的資源。 251. 分時系統(tǒng)的產(chǎn)生分時系統(tǒng)的產(chǎn)生 是為了滿足用戶的以下需求而產(chǎn)生的：是為了滿足用戶的以下需求而產(chǎn)生的： （1）人）人- -機交互機交互（2）共享主機）共享主機（3）便于用戶上機）便于用戶上機 262分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題 （1）及時接收及時接收（2）及時處理及時處理 n 用戶作業(yè)不能先進(jìn)入磁盤，然后再調(diào)入內(nèi)存用戶作業(yè)不能先進(jìn)入磁盤，然后再調(diào)入內(nèi)存n 不允許一個作業(yè)長期占用處理機，直至它運不允許一個作業(yè)長期占用處理機，直至它運行結(jié)束或出現(xiàn)行結(jié)束或出現(xiàn)I/O請求后，方才調(diào)度其它作業(yè)請求后，方才調(diào)度其它作業(yè)運行運行n 應(yīng)該規(guī)定每個作業(yè)只運行一

21、個很短的時間應(yīng)該規(guī)定每個作業(yè)只運行一個很短的時間（稱為（稱為時間片時間片） 要做到上述兩條，必須徹底改變批處理系統(tǒng)的運要做到上述兩條，必須徹底改變批處理系統(tǒng)的運行方式，即：行方式，即：273分時系統(tǒng)的特征分時系統(tǒng)的特征 （1）多路性：）多路性： 允許一臺主機上同時聯(lián)接多個聯(lián)允許一臺主機上同時聯(lián)接多個聯(lián)機終端機終端（2）獨立性：）獨立性： 每個用戶各占一個終端，彼此獨每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，互不干擾。立操作，互不干擾。 （3）及時性：）及時性： 用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。響應(yīng)。 （4）交互性：）交互性： 用戶可通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的用戶可通過終端

22、與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的對話。對話。 281.2.5 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)（Real-Time System） 是指系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件是指系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成該事件的請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。一致地運行。定義：定義：291應(yīng)用需求應(yīng)用需求 （1）實時控制。）實時控制。飛機或火車的訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)等飛機或火車的訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)等 。（2）實時信息處理。）實時信息處理。實時數(shù)據(jù)采集處理；執(zhí)行機構(gòu)；自動控制實時數(shù)據(jù)采集處理；執(zhí)行機構(gòu)；自動控制302實時任務(wù)實時任務(wù) 在實時系統(tǒng)中必

23、然存在著若干個實時任務(wù)，這些實時在實時系統(tǒng)中必然存在著若干個實時任務(wù)，這些實時任務(wù)通常與某個（某些）外部設(shè)備相關(guān)，能反映或控任務(wù)通常與某個（某些）外部設(shè)備相關(guān)，能反映或控制相應(yīng)的外部設(shè)備，因而帶有某種程度的緊迫性。制相應(yīng)的外部設(shè)備，因而帶有某種程度的緊迫性。 周期性周期性實時任務(wù)實時任務(wù)按指定周期循環(huán)執(zhí)行，以便按指定周期循環(huán)執(zhí)行，以便周期性地控制某外部設(shè)備。周期性地控制某外部設(shè)備。非周期性非周期性實時任務(wù)實時任務(wù) 外部設(shè)備發(fā)出的激勵信號無外部設(shè)備發(fā)出的激勵信號無明顯周期性，但都必須聯(lián)系明顯周期性，但都必須聯(lián)系著一個著一個截止時間截止時間。開始截止時間開始截止時間任務(wù)在某時間以前必須開始執(zhí)行任務(wù)

24、在某時間以前必須開始執(zhí)行完成截止時間完成截止時間任務(wù)在某時間以前必須完成任務(wù)在某時間以前必須完成分類：按執(zhí)行是否周期性劃分分類：按執(zhí)行是否周期性劃分31分類：實時任務(wù)按對截止時間要求劃分分類：實時任務(wù)按對截止時間要求劃分硬實時任務(wù)硬實時任務(wù) 軟實時任務(wù)軟實時任務(wù) 系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對截止時間系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對截止時間的要求，否則可能出現(xiàn)難于預(yù)的要求，否則可能出現(xiàn)難于預(yù)測的結(jié)果。測的結(jié)果。它也聯(lián)系著一個截止時間，但它也聯(lián)系著一個截止時間，但并不嚴(yán)格，若偶爾錯過了任務(wù)并不嚴(yán)格，若偶爾錯過了任務(wù)的截止時間，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影的截止時間，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不會太大。響也不會太大。323實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征

25、的比較實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較 （1）多路性：）多路性： 實時系統(tǒng)的多路性主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)經(jīng)常對多路實時系統(tǒng)的多路性主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)經(jīng)常對多路的現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，以及對多個對象或多個執(zhí)的現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，以及對多個對象或多個執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制。行機構(gòu)進(jìn)行控制。 （2）獨立性：）獨立性： 實時系統(tǒng)中對信息的采集和對對象的控制，也都實時系統(tǒng)中對信息的采集和對對象的控制，也都是彼此互不干擾是彼此互不干擾 （3）及時性：）及時性： 實時系統(tǒng)的及時性，是以控制對象所要求的開實時系統(tǒng)的及時性，是以控制對象所要求的開始截止時間或完成截止時間來確定的。一般為始截止時間或完成截止時間來確定的。一般為秒級、百毫

26、秒級直至毫秒級，甚至有的要低于秒級、百毫秒級直至毫秒級，甚至有的要低于100微秒。微秒。 （4）交互性：）交互性： 實時系統(tǒng)的交互性僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定實時系統(tǒng)的交互性僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序，不象分時系統(tǒng)那樣能向終端的專用服務(wù)程序，不象分時系統(tǒng)那樣能向終端用戶提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)、資源共享等服務(wù)。用戶提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)、資源共享等服務(wù)。 （5）可靠性可靠性： 實時系統(tǒng)要求系統(tǒng)高度可靠，往往采用多級容實時系統(tǒng)要求系統(tǒng)高度可靠，往往采用多級容錯措施來保證系統(tǒng)的安全性及數(shù)據(jù)的安全性。錯措施來保證系統(tǒng)的安全性及數(shù)據(jù)的安全性。 331.2.6 微機操作系統(tǒng)的發(fā)展微機操作系統(tǒng)的發(fā)展1單用戶單

27、任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)1)CP/M 上世紀(jì)上世紀(jì)70年代年代(8位機位機)2)MS-DOS 上世紀(jì)上世紀(jì)80年代年代(16位機位機/32位機位機)2單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)Windows 95Windows 98Windows XPWindows NT兼容兼容16位應(yīng)用程序位應(yīng)用程序的的32位操作系統(tǒng)位操作系統(tǒng)343多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)UNIX OS(AT&T的的Bell實驗室實驗室)Solaris OS(SUN公司公司)Linux OS(UNIX重要變種，芬蘭學(xué)生；集體開發(fā)重要變種，芬蘭學(xué)生；集體開發(fā))35操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)是

28、一組控制和管理計算機操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各類作硬件和軟件資源，合理地對各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度，以及方便用戶使用的業(yè)進(jìn)行調(diào)度，以及方便用戶使用的程序的集合。程序的集合。無統(tǒng)一的定義無統(tǒng)一的定義361.3 操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的基本特征 1.3.1 并發(fā)并發(fā)（Concurrence） OS最重要的特征，其它三個特征都以并發(fā)為前提的。最重要的特征，其它三個特征都以并發(fā)為前提的。 并行與并發(fā)：并行與并發(fā)：并行性并行性兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。 并發(fā)性并發(fā)性兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。 在多道

29、程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上有多個程序在同時運行，但在單處理機系統(tǒng)中，每一時有多個程序在同時運行，但在單處理機系統(tǒng)中，每一時刻卻只能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分刻卻只能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時地交替執(zhí)行。若計算機系統(tǒng)中有多個處理機，則這些時地交替執(zhí)行。若計算機系統(tǒng)中有多個處理機，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序可被分配到多個處理機上，實現(xiàn)并可以并發(fā)執(zhí)行的程序可被分配到多個處理機上，實現(xiàn)并行執(zhí)行。行執(zhí)行。 37與并發(fā)緊密相連的概念與并發(fā)緊密相連的概念進(jìn)程進(jìn)程通常的程序是靜態(tài)實體，它是不能并發(fā)執(zhí)行通常的程序是靜態(tài)實

30、體，它是不能并發(fā)執(zhí)行的。為了使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)必須分別的。為了使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)必須分別為每個程序建立為每個程序建立進(jìn)程進(jìn)程（Process）。）。 進(jìn)程是指在系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成的，是一個活動實體。多個進(jìn)程之間可以多個進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行并發(fā)執(zhí)行和交換信息。和交換信息。38n 在在OS中引入進(jìn)程的目的，是使多個程序中引入進(jìn)程的目的，是使多個程序能并發(fā)執(zhí)行。能并發(fā)執(zhí)行。n 進(jìn)程和并發(fā)是現(xiàn)代進(jìn)程和并發(fā)是現(xiàn)代OS中最重要的基本概中最重要的基本概念，也是念，也是OS運行的基礎(chǔ)。運行的基礎(chǔ)。n 直到直到80年代中期，人們才提出了比進(jìn)程年

31、代中期，人們才提出了比進(jìn)程更小的單位更小的單位 線程（線程（Threads）。）。n 一個進(jìn)程通常包含若干線程。一個進(jìn)程通常包含若干線程。n 近年來推出的近年來推出的OS 都引入了線程。都引入了線程。關(guān)于關(guān)于進(jìn)程進(jìn)程、線程線程的初步概念：的初步概念：391.3.2 共享共享（sharing） 共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程（線程）共同使用。并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程（線程）共同使用。 目前主要有以下兩種資源共享方式：目前主要有以下兩種資源共享方式： （1）互斥共享方式互斥共享方式 對于對于臨界資源臨界資源，要求被互斥地共享。，要求被互斥地共享。 什么叫臨界資

32、源？什么叫臨界資源？ 臨界資源例子。臨界資源例子。（2）同時訪問方式同時訪問方式 對于對于共享資源共享資源允許在一段時間內(nèi)由多個進(jìn)程允許在一段時間內(nèi)由多個進(jìn)程“同時同時”對它進(jìn)行訪問。這對它進(jìn)行訪問。這里所說的里所說的“同時同時”往往是宏觀上的，而微觀上，這些進(jìn)程往往是宏觀上的，而微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對該資源進(jìn)行訪問。可能是交替地對該資源進(jìn)行訪問。 共享資源共享資源40n 資源的共享是以進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若資源的共享是以進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題；享問題；n 若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理，協(xié)

33、調(diào)好若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理，協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對共享資源的訪問，也必然影響到程序諸進(jìn)程對共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。 并發(fā)并發(fā)和和共享共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征，它們是互為存在條件的。征，它們是互為存在條件的。411.3.3. 虛擬虛擬（Virtual） 虛擬虛擬是指通過某種技術(shù)把一個物理實體是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。 OSOS中利用了兩種方式實現(xiàn)中利用了兩種方式實現(xiàn)虛擬技術(shù)虛擬技術(shù)，即時分復(fù)，即時分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)，

34、分別用來實現(xiàn)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)，分別用來實現(xiàn)虛擬處理虛擬處理機機、虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存、虛擬外部設(shè)備虛擬外部設(shè)備和和虛擬信道虛擬信道等。等。 421. 時分復(fù)用技術(shù)時分復(fù)用技術(shù)時分復(fù)用技術(shù)最早用于電信行業(yè)，它將一條物理信道虛時分復(fù)用技術(shù)最早用于電信行業(yè)，它將一條物理信道虛擬為多條邏輯信道，將每條邏輯信道供一對用戶通話。擬為多條邏輯信道，將每條邏輯信道供一對用戶通話。操作系統(tǒng)中利用時分復(fù)用技術(shù)來實現(xiàn)操作系統(tǒng)中利用時分復(fù)用技術(shù)來實現(xiàn)虛擬處理機、虛擬處理機、虛擬虛擬設(shè)備設(shè)備等，以提高資源利用率。等，以提高資源利用率。1) 1) 虛擬處理機技術(shù)虛擬處理機技術(shù)利用多道程序設(shè)計技術(shù)，為每道程序建立一個進(jìn)程，

35、讓利用多道程序設(shè)計技術(shù)，為每道程序建立一個進(jìn)程，讓多道程序并發(fā)地執(zhí)行，以此來分時使用一臺處理機。此多道程序并發(fā)地執(zhí)行，以此來分時使用一臺處理機。此時，雖然系統(tǒng)中只有一臺處理機，但它能同時為多個用時，雖然系統(tǒng)中只有一臺處理機，但它能同時為多個用戶服務(wù)，使每個終端用戶都認(rèn)為有一臺處理機在專門為戶服務(wù)，使每個終端用戶都認(rèn)為有一臺處理機在專門為他服務(wù)，亦即把一臺物理上的他服務(wù)，亦即把一臺物理上的CPU虛擬為多臺邏輯上的虛擬為多臺邏輯上的CPU，也稱為，也稱為虛擬處理機虛擬處理機。 43通過通過虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺物理技術(shù)，將一臺物理I/O設(shè)備虛擬為多設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的臺邏輯上的I/O設(shè)備，

36、允許每個用戶占用一臺邏輯設(shè)備，允許每個用戶占用一臺邏輯上的上的I/O設(shè)備，這樣便可使原來在一段時間僅允許設(shè)備，這樣便可使原來在一段時間僅允許一個用戶訪問的設(shè)備（即臨界資源），變?yōu)樵谝欢我粋€用戶訪問的設(shè)備（即臨界資源），變?yōu)樵谝欢螘r間內(nèi)允許多個用戶同時訪問的共享設(shè)備。例如，時間內(nèi)允許多個用戶同時訪問的共享設(shè)備。例如，虛擬打印機。虛擬打印機。2) 虛擬設(shè)備技術(shù)虛擬設(shè)備技術(shù)442. 空分復(fù)用技術(shù)空分復(fù)用技術(shù)上世紀(jì)初，電信業(yè)中就利用頻分復(fù)用技術(shù)來提高上世紀(jì)初，電信業(yè)中就利用頻分復(fù)用技術(shù)來提高信道的利用率。計算機中使用空分復(fù)用技術(shù)來提信道的利用率。計算機中使用空分復(fù)用技術(shù)來提高存儲空間的利用率。高存儲空

37、間的利用率。1) 虛擬磁盤技術(shù)虛擬磁盤技術(shù)通過虛擬磁盤技術(shù)，將一臺硬盤虛擬成多臺虛擬通過虛擬磁盤技術(shù)，將一臺硬盤虛擬成多臺虛擬磁盤，這樣使用起來方便、安全。虛擬磁盤技術(shù)磁盤，這樣使用起來方便、安全。虛擬磁盤技術(shù)采用了空分復(fù)用技術(shù)，它將硬盤劃分成幾個卷，采用了空分復(fù)用技術(shù)，它將硬盤劃分成幾個卷，再通過安裝程序?qū)⑺鼈兎謩e安裝在再通過安裝程序?qū)⑺鼈兎謩e安裝在C、D、E .邏邏輯驅(qū)動器上。輯驅(qū)動器上。磁盤分區(qū)磁盤分區(qū)452) 虛擬存儲器技術(shù)虛擬存儲器技術(shù)在單道程序環(huán)境下，內(nèi)存會有很多空閑空間，空分復(fù)在單道程序環(huán)境下，內(nèi)存會有很多空閑空間，空分復(fù)用則是利用存儲器的空閑空間來存放其它程序，以提用則是利用存

38、儲器的空閑空間來存放其它程序，以提高內(nèi)存利用率。高內(nèi)存利用率。單純的空分復(fù)用存儲器只能提高內(nèi)存的利用率，不能單純的空分復(fù)用存儲器只能提高內(nèi)存的利用率，不能實現(xiàn)在邏輯上擴大存儲器容量的功能，必須引入實現(xiàn)在邏輯上擴大存儲器容量的功能，必須引入虛擬虛擬存儲技術(shù)存儲技術(shù)才能達(dá)到此目的才能達(dá)到此目的。虛擬存儲器技術(shù)在本質(zhì)上虛擬存儲器技術(shù)在本質(zhì)上就是使內(nèi)存時分復(fù)用和空分復(fù)用。該技術(shù)將一道程序就是使內(nèi)存時分復(fù)用和空分復(fù)用。該技術(shù)將一道程序劃分成若干部分，物理內(nèi)存也劃分成多個部分，通過劃分成若干部分，物理內(nèi)存也劃分成多個部分，通過“請求調(diào)入功能請求調(diào)入功能”和和“置換功能置換功能”，每次只把用戶程，每次只把用

39、戶程序的一部分調(diào)入內(nèi)存運行，這樣便實現(xiàn)了用戶程序各序的一部分調(diào)入內(nèi)存運行，這樣便實現(xiàn)了用戶程序各個部分分時進(jìn)入內(nèi)存運行的功能，從而在邏輯上擴充個部分分時進(jìn)入內(nèi)存運行的功能，從而在邏輯上擴充存儲器的容量。存儲器的容量。464 異步性異步性（Asynchronism） n 由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常不是由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常不是“一氣呵成一氣呵成”，而是以，而是以“停停等等停停等等”的方式運行。的方式運行。 n 內(nèi)存中的每個進(jìn)程在何時能獲得處理機運行，何內(nèi)存中的每個進(jìn)程在何時能獲得處理機運行，何時又因提出某種資源請求而暫停，以及進(jìn)程以怎時又因提出某種資源請求而暫停，以及

40、進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需要多少時間樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需要多少時間才能完成等等，都是不可預(yù)知的。很可能是先進(jìn)才能完成等等，都是不可預(yù)知的。很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成，而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完入內(nèi)存的作業(yè)后完成，而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成，或者說，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前成，或者說，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。 471.4 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能 n 處理機管理功能處理機管理功能n 存儲器管理功能存儲器管理功能n 設(shè)備管理功能設(shè)備管理功能 n 文件管理功能文件管理功能n 用戶接口用戶接口 48

41、1.1. 處理機管理功能處理機管理功能 在傳統(tǒng)的多道程序設(shè)計系統(tǒng)中，處理機的在傳統(tǒng)的多道程序設(shè)計系統(tǒng)中，處理機的分配和運行，都是以進(jìn)程為基本單位的，分配和運行，都是以進(jìn)程為基本單位的，因而對處理機的管理，因而對處理機的管理，可以歸結(jié)為對進(jìn)程可以歸結(jié)為對進(jìn)程的管理的管理。 在引入線程的在引入線程的OS中，還包含對中，還包含對線程線程的管理。的管理。 也可稱為也可稱為進(jìn)程管理進(jìn)程管理49處理機管理的主要功能是：處理機管理的主要功能是：創(chuàng)建和撤消進(jìn)程（線程）創(chuàng)建和撤消進(jìn)程（線程）對諸進(jìn)程（線程）的運行進(jìn)行協(xié)調(diào)對諸進(jìn)程（線程）的運行進(jìn)行協(xié)調(diào)實現(xiàn)進(jìn)程（線程）之間的信息交換實現(xiàn)進(jìn)程（線程）之間的信息交換按

42、照一定的算法把處理機分配給進(jìn)程（線程）按照一定的算法把處理機分配給進(jìn)程（線程）進(jìn)程控制進(jìn)程控制進(jìn)程同步進(jìn)程同步進(jìn)程通信進(jìn)程通信進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度( (處理機調(diào)度處理機調(diào)度) )502.2. 存儲器管理存儲器管理 存儲器管理應(yīng)具有以下功能：存儲器管理應(yīng)具有以下功能： n 內(nèi)存分配內(nèi)存分配 (靜態(tài)靜態(tài) 、動態(tài)分配方式動態(tài)分配方式 )n 內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù) (硬件檢查越界，軟件處理硬件檢查越界，軟件處理)n 地址映射地址映射 (邏輯、物理地址，硬件支持邏輯、物理地址，硬件支持)n 內(nèi)存擴充內(nèi)存擴充 (虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù))51 主要任務(wù)：主要任務(wù)： l l 完成進(jìn)程提出的完成進(jìn)程提出的I/O請求請求

43、l l為用戶進(jìn)程分配其所需的為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備設(shè)備l l 提高提高CPU和和I/O設(shè)備的利用率設(shè)備的利用率l l 提高提高I/O速度速度l l方便用戶使用方便用戶使用I/O設(shè)備設(shè)備3.設(shè)備管理功能設(shè)備管理功能52設(shè)備管理應(yīng)具有以下功能：設(shè)備管理應(yīng)具有以下功能： 1. 緩沖管理緩沖管理在設(shè)備和在設(shè)備和CPU之間引入緩沖，之間引入緩沖，可有效地緩和可有效地緩和CPU和和I/O設(shè)備速度不匹配的矛設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高盾，提高CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的吞的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的吞吐量。吐量。 2. 設(shè)備分配設(shè)備分配按某種策略將設(shè)備分配給用戶按某種策略將設(shè)備分配給用戶進(jìn)程。需設(shè)備控

44、制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進(jìn)程。需設(shè)備控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3. 設(shè)備處理設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序?；救蝿?wù)是實現(xiàn)程序?；救蝿?wù)是實現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器通與設(shè)備控制器通信：信：CPU 發(fā)發(fā)I/O命令；命令；設(shè)備控制器發(fā)中斷請求。設(shè)備控制器發(fā)中斷請求。53主要任務(wù)主要任務(wù)： 對用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，以方便用對用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。戶使用，并保證文件的安全性。 文件管理應(yīng)具有以下功能：文件管理應(yīng)具有以下功能： 1文件存儲空間的管理文件存儲空間的管理 2目錄管理目錄管理 3文件的讀文件的讀/寫管理和保護(hù)寫管理和保護(hù) 4. 文件

45、管理文件管理54n 命令接口命令接口( (聯(lián)機命令、脫機命令聯(lián)機命令、脫機命令) ) n 程序接口程序接口( (系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用) ) n 圖形接口圖形接口( (GUI) ) 5. 5. 用戶接口用戶接口551.5 1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 OS的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了四代變革：的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了四代變革： 第一代的第一代的OS是無結(jié)構(gòu)的是無結(jié)構(gòu)的 第二代第二代OS采用了模塊式結(jié)構(gòu)采用了模塊式結(jié)構(gòu) 第三代第三代OS是層次式結(jié)構(gòu)是層次式結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的操作傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第四代第四代OS采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期年代后期56模塊化模塊化OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n模塊化程

46、序設(shè)計技術(shù)：模塊化程序設(shè)計技術(shù)：“分解分解”和和“模塊化模塊化”n模塊化模塊化OS：按：按OS功能劃分為若干個具有一功能劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模塊。每個模塊具有某方定獨立性和大小的模塊。每個模塊具有某方面的管理功能，如進(jìn)程管理模塊、存儲器管面的管理功能，如進(jìn)程管理模塊、存儲器管理模塊等，并規(guī)定好各模塊間的接口理模塊等，并規(guī)定好各模塊間的接口n各模塊之間能通過該接口實現(xiàn)交互，然后再各模塊之間能通過該接口實現(xiàn)交互，然后再進(jìn)一步將各模塊細(xì)分為若干個具有一定管理進(jìn)一步將各模塊細(xì)分為若干個具有一定管理功能的子模塊功能的子模塊。 57模塊化模塊化OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)程控制 進(jìn)程調(diào)度 內(nèi)存分配 內(nèi)存保

47、護(hù) 磁盤管理 目錄管理進(jìn)程管理存儲器管理文件管理操作系統(tǒng)模塊子模塊58模塊化模塊化OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n優(yōu)點優(yōu)點:(1) 提高了提高了OS設(shè)計的正確性、設(shè)計的正確性、 可理解性和可維護(hù)性。可理解性和可維護(hù)性。 (2) 增強了增強了OS的可適應(yīng)性。的可適應(yīng)性。 (3) 加速了加速了OS的開發(fā)過程的開發(fā)過程。n缺點缺點:(1)模塊在設(shè)計之初不一定定義的十分準(zhǔn)確模塊在設(shè)計之初不一定定義的十分準(zhǔn)確(2)從功能觀點來劃分模塊，未能將共享資源和獨占資源從功能觀點來劃分模塊，未能將共享資源和獨占資源加以區(qū)別；加以區(qū)別； (3)模塊間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系使模塊間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系使OS結(jié)構(gòu)變得不清晰。結(jié)構(gòu)變得不清晰

48、。59分層分層OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n1) 有序分層的基本概念有序分層的基本概念 從改進(jìn)設(shè)計方式上說，應(yīng)使我們的每一步設(shè)計都從改進(jìn)設(shè)計方式上說，應(yīng)使我們的每一步設(shè)計都是建立在可靠的基礎(chǔ)上。我們可以從物理機器開始，是建立在可靠的基礎(chǔ)上。我們可以從物理機器開始， 在其上面先添加一層具有一定功能的軟件在其上面先添加一層具有一定功能的軟件A1, 由于由于A1是建立在完全確定的物理機器上的，在經(jīng)過精心設(shè)計是建立在完全確定的物理機器上的，在經(jīng)過精心設(shè)計和幾乎是窮盡無遺的測試后，可以認(rèn)為和幾乎是窮盡無遺的測試后，可以認(rèn)為A1是正確的；是正確的；然后再在然后再在A1上添加一層新軟件上添加一層新軟件A2，如此一層，如此一

49、層一層地自底向上增添軟件層，每一層都實現(xiàn)若干功能，一層地自底向上增添軟件層，每一層都實現(xiàn)若干功能，最后總能構(gòu)成一個能滿足需要的最后總能構(gòu)成一個能滿足需要的OS。 60分層分層OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2）分層）分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是：每一層都僅使用其式結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是：每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務(wù)，這樣可使系統(tǒng)的調(diào)試和驗證都變底層所提供的功能和服務(wù)，這樣可使系統(tǒng)的調(diào)試和驗證都變得容易，得容易， 例如，在調(diào)試第一層軟件例如，在調(diào)試第一層軟件A1時，由于它只使用了時，由于它只使用了物理機器提供的功能，因此它將與其所有的高層軟件物理機器提供的功能，因此它將與其所有的高層軟件A2，An無關(guān)；無關(guān)

50、； 同樣在調(diào)試同樣在調(diào)試A2時，它也只使用了時，它也只使用了A1和物和物理機器所提供的功能，理機器所提供的功能， 而與其高層軟件而與其高層軟件A3, ，An無關(guān)，無關(guān)，這樣，一旦發(fā)現(xiàn)這樣，一旦發(fā)現(xiàn)Ai出現(xiàn)錯誤時，通常該錯誤只會局限于出現(xiàn)錯誤時，通常該錯誤只會局限于Ai，因為它與所有其高層的軟件無關(guān)，而因為它與所有其高層的軟件無關(guān)，而Ai層以下的各層軟件，層以下的各層軟件，又都經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)試。又都經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)試。 61分層分層OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 3) 層次的設(shè)置層次的設(shè)置 (1) 程序嵌套。程序嵌套。 通常通常OS的每個功能的實現(xiàn)，的每個功能的實現(xiàn)， 并非是只用并非是只用一個程序便能完成的，而是要經(jīng)由

51、若干個軟件層才有可能完一個程序便能完成的，而是要經(jīng)由若干個軟件層才有可能完成。因此在劃分成。因此在劃分OS層次時，首先要考慮在實現(xiàn)層次時，首先要考慮在實現(xiàn)OS 的每個功的每個功能時所形成的程序嵌套。例如，作業(yè)調(diào)度模塊須調(diào)用進(jìn)程控能時所形成的程序嵌套。例如，作業(yè)調(diào)度模塊須調(diào)用進(jìn)程控制模塊；在為某作業(yè)創(chuàng)建一進(jìn)程時，進(jìn)程控制模塊又須調(diào)用制模塊；在為某作業(yè)創(chuàng)建一進(jìn)程時，進(jìn)程控制模塊又須調(diào)用內(nèi)存管理模塊為新進(jìn)程分配內(nèi)存空間，可見，進(jìn)程控制模塊內(nèi)存管理模塊為新進(jìn)程分配內(nèi)存空間，可見，進(jìn)程控制模塊應(yīng)在內(nèi)存管理模塊之上；應(yīng)在內(nèi)存管理模塊之上； 而作業(yè)調(diào)度模塊又應(yīng)在更高層。而作業(yè)調(diào)度模塊又應(yīng)在更高層。 62分層

52、分層OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 3）層次設(shè)置）層次設(shè)置 (2) 運行頻率。在分層結(jié)構(gòu)中，各層次軟件的運行速運行頻率。在分層結(jié)構(gòu)中，各層次軟件的運行速度是不同的，因為度是不同的，因為A1層軟件能直接在物理機器上運行，層軟件能直接在物理機器上運行， 故它有最高的運行速度。隨著層次的增高，其相應(yīng)軟件故它有最高的運行速度。隨著層次的增高，其相應(yīng)軟件的運行速度就隨之下降，因而的運行速度就隨之下降，因而An層軟件的運行速度最層軟件的運行速度最低。低。 為了提高為了提高OS的運行效率，應(yīng)該將那些經(jīng)?；钴S的的運行效率，應(yīng)該將那些經(jīng)?；钴S的模塊放在最接近硬件的模塊放在最接近硬件的A1層，如時鐘管理、進(jìn)程調(diào)度，層，如時鐘管理、

53、進(jìn)程調(diào)度，通常都放在通常都放在A1層。層。 63分層分層OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 3）層次設(shè)置）層次設(shè)置 (3)公用模塊。應(yīng)把供多種資源管程程序調(diào)用的公用公用模塊。應(yīng)把供多種資源管程程序調(diào)用的公用模塊，模塊， 設(shè)置在最低層，不然，會使比它低的層次模塊設(shè)置在最低層，不然，會使比它低的層次模塊由于無法調(diào)用它而須另外配置相應(yīng)功能的模塊。例如，由于無法調(diào)用它而須另外配置相應(yīng)功能的模塊。例如，用于對信號量進(jìn)行操作的原語用于對信號量進(jìn)行操作的原語Signal和和Wait。64分層分層OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 3）層次設(shè)置）層次設(shè)置 (4)用戶接口。為方便用戶用戶接口。為方便用戶(程序程序)，OS向用戶提供了向用戶提供了“用戶與用

54、戶與OS的接口的接口”，如命令接口、程序接口以及圖，如命令接口、程序接口以及圖形用戶接口。這些接口應(yīng)設(shè)置在形用戶接口。這些接口應(yīng)設(shè)置在OS的最高層，直接提的最高層，直接提供給用戶使用。供給用戶使用。65分層分層OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n 優(yōu)點：系統(tǒng)的正確性、易擴充、易維護(hù)n 缺點：通信開銷66微內(nèi)核微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)現(xiàn)代現(xiàn)代OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)能有效地支持多處理機運行，故非微內(nèi)核結(jié)構(gòu)能有效地支持多處理機運行，故非常使用于分布式系統(tǒng)環(huán)境。常使用于分布式系統(tǒng)環(huán)境。Windows NT采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 在與微內(nèi)核技術(shù)發(fā)展的同時，在與微內(nèi)核技術(shù)發(fā)展的同時，客戶客戶/服務(wù)器技術(shù)服務(wù)器技術(shù)、面向?qū)?/p>

55、象技術(shù)面向?qū)ο蠹夹g(shù)也在迅速發(fā)展，把它們應(yīng)用到基于也在迅速發(fā)展，把它們應(yīng)用到基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的OS中，便具有了以微內(nèi)核為中，便具有了以微內(nèi)核為OS核核心，以客戶心，以客戶/服務(wù)器為基礎(chǔ)，并且采用了面向?qū)Ψ?wù)器為基礎(chǔ)，并且采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法的特征。象的程序設(shè)計方法的特征。 67n微內(nèi)核技術(shù)微內(nèi)核技術(shù) 微內(nèi)核技術(shù)微內(nèi)核技術(shù)是指精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代是指精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS核心功能的小型內(nèi)核。核心功能的小型內(nèi)核。 OS的變龐大，使對的變龐大，使對OS的開發(fā)、維護(hù)和移植的開發(fā)、維護(hù)和移植變得十分困難。變得十分困難。為了減少為了減少OS的復(fù)雜性，增加的復(fù)雜性，增加OS的可擴展性的

56、可擴展性和可維護(hù)性而產(chǎn)生了微內(nèi)核技術(shù)。和可維護(hù)性而產(chǎn)生了微內(nèi)核技術(shù)。 產(chǎn)生背景產(chǎn)生背景681. 微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念1）足夠小的內(nèi)核）足夠小的內(nèi)核微內(nèi)核是指精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代微內(nèi)核是指精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS最基本的最基本的核心功能的部分。核心功能的部分。 2）基于客戶基于客戶/ /服務(wù)器模式服務(wù)器模式把把OSOS的最基本部分放在內(nèi)核中，把的最基本部分放在內(nèi)核中，把OSOS的絕大部分的絕大部分功能放在內(nèi)核外面的一組服務(wù)器功能放在內(nèi)核外面的一組服務(wù)器( (進(jìn)程進(jìn)程) )中實現(xiàn)。中實現(xiàn)。69客戶客戶/服務(wù)器模式服務(wù)器模式(Client-Server Model)n

57、將OS劃分為兩部分， 一部分是用于提供各種服務(wù)的一組服務(wù)器(進(jìn)程)(進(jìn)程管理、存儲器管理、文件管理等），所有這些服務(wù)器(進(jìn)程)都運行在用戶態(tài)用戶態(tài)。 當(dāng)有一用戶進(jìn)程(現(xiàn)在稱為客戶進(jìn)程)要求讀文件的一個盤塊時，該進(jìn)程便向文件服務(wù)器(進(jìn)程)發(fā)出一個請求；當(dāng)服務(wù)器完成了該客戶的請求后，便給該客戶回送一個響應(yīng)。n操作系統(tǒng)的另一部分是內(nèi)核，用來處理客戶和服務(wù)器之間的通信， 即由內(nèi)核來接收客戶的請求，再將該請求送至相應(yīng)的服務(wù)器；同時它也接收服務(wù)器的應(yīng)答， 并將此應(yīng)答回送給請求客戶。 此外，在內(nèi)核中還應(yīng)具有其它一些機構(gòu)，用于實現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的和一些較基本的功能。 70客戶客戶/服務(wù)器模式服務(wù)器模式(Cli

58、ent-Server Model)客戶進(jìn)程客戶進(jìn)程進(jìn)程服務(wù)器終端服務(wù)器文件服務(wù)器存儲器服務(wù)器用戶方式核心方式回答核心請求圖圖 1-6 單機環(huán)境下的客戶單機環(huán)境下的客戶/服務(wù)器模式服務(wù)器模式 71作業(yè)管理作業(yè)管理文件管理文件管理設(shè)備管理設(shè)備管理內(nèi)存管理內(nèi)存管理進(jìn)程管理進(jìn)程管理硬件硬件內(nèi)核模式內(nèi)核模式(a)(a)分層結(jié)構(gòu)內(nèi)核分層結(jié)構(gòu)內(nèi)核(b) (b) 微內(nèi)核微內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序客戶進(jìn)程客戶進(jìn)程文件服務(wù)器文件服務(wù)器虛存管理器虛存管理器安全服務(wù)安全服務(wù)微內(nèi)核微內(nèi)核硬件硬件用戶模式用戶模式圖圖1-4 分層結(jié)構(gòu)內(nèi)核和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)內(nèi)核和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)723）應(yīng)用）應(yīng)用“機制與策略分離機制與策略分

59、離”原理原理n 所謂所謂機制機制，是指實現(xiàn)某一功能的具體執(zhí)行機構(gòu)。，是指實現(xiàn)某一功能的具體執(zhí)行機構(gòu)。n 策略策略是在機制基礎(chǔ)上，借助于某些參數(shù)和算法來是在機制基礎(chǔ)上，借助于某些參數(shù)和算法來實現(xiàn)該功能的優(yōu)化，或達(dá)到不同的功能目標(biāo)。實現(xiàn)該功能的優(yōu)化，或達(dá)到不同的功能目標(biāo)。n 機制處于系統(tǒng)的低層，而策略處于系統(tǒng)的高層。機制處于系統(tǒng)的低層，而策略處于系統(tǒng)的高層。n 傳統(tǒng)傳統(tǒng)OS將機制放在內(nèi)核低層，策略放在內(nèi)核高將機制放在內(nèi)核低層，策略放在內(nèi)核高層。層。n 微內(nèi)核微內(nèi)核OS將機制放在微內(nèi)核中，策略放在微內(nèi)將機制放在微內(nèi)核中，策略放在微內(nèi)核外。核外。4）采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)）采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)732. 微內(nèi)核的

60、基本功能微內(nèi)核的基本功能1 1）進(jìn)程（線程）管理）進(jìn)程（線程）管理進(jìn)程隊列屬于調(diào)度功能的機制部分，放在微內(nèi)核進(jìn)程隊列屬于調(diào)度功能的機制部分，放在微內(nèi)核中；確定、修改優(yōu)先級，屬于策略問題，放在進(jìn)中；確定、修改優(yōu)先級，屬于策略問題，放在進(jìn)程管理服務(wù)器中。程管理服務(wù)器中。進(jìn)程進(jìn)程( (線程線程) )通信、進(jìn)程切換、線程調(diào)度、多處理通信、進(jìn)程切換、線程調(diào)度、多處理機之間的同步等功能也放在微內(nèi)核中。機之間的同步等功能也放在微內(nèi)核中。2 2）低級存儲管理）低級存儲管理頁表機制和地址變換機制在微內(nèi)核中；實現(xiàn)虛存頁表機制和地址變換機制在微內(nèi)核中；實現(xiàn)虛存的策略，包括頁面置換算法、內(nèi)存分配回收策略的策略，包括頁