計算機操作系統(tǒng)原理與實例分析PPT課件(完整版-全)

1、操作系統(tǒng)原理和案例分析目 錄 第一章 操作系統(tǒng)概述 第二章 進程管理 第三章 存儲器管理 第四章 設(shè)備管理 第五章 文件管理 引例1： 在Window或DOS下用匯編語言編程時，如何打印5個字符？有兩種方法： 一種是用INT指令調(diào)用Window/DOS的功能來完成； 另一種是不調(diào)用Window/DOS功能，而用IN/OUT機器指令直接讀寫打印機的接口寄存器。這兩種方法所對應(yīng)的程序段如下： 程序段1：使用INT語句打印 MOV AH，O5H MOV DL，Char INT 21H Char DB 1程序段2：使用IN/OUT語句打印 MOV I，0 ；本段程序打印12345 ；這5個字符 L1：

2、MOV I，I+1 CMP I，5 JNC L3 ；打完5個字符 MOV A，I L2：IN ADDR1，B ； ADDR1為狀態(tài)寄 ；存器地址 OR B，BS ； BS為狀態(tài)位選擇碼 JNC L2 ；未準備好 OUT ADDR2，A ；輸出字符， ADDR1為狀態(tài) ；寄存器地址 JMP L1 L3：RET 兩種方法的分析比較： 方法2中使用IN/OUT機器指令來完成打印過程需要涉及到打印機接口寄存器，包括打印機的數(shù)據(jù)接口寄存器、狀態(tài)與控制接口寄存器。訪問其它設(shè)備的輸入、輸出過程也是類似的。 方法1中使用INT的程序很簡單，程序員不再需要與接口寄存器打交道，只需要一個簡單的調(diào)用即可。實際的打印

3、工作就通過INT命令調(diào)用交給Window/DOS操作系統(tǒng)來完成，即由Window/DOS來實際讀寫打印機接口寄存器，也就是說， Window/DOS中包含著程序段2。 第一章 操作系統(tǒng)概述內(nèi)容提要： *計算機系統(tǒng)資源 *什么是操作系統(tǒng) *操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展 *操作系統(tǒng)的功能 *現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征及基本概念 *操作系統(tǒng)的分類 *現(xiàn)代主流操作系統(tǒng)簡介 一、計算機系統(tǒng)資源 計算機系統(tǒng)組成：硬件+軟件硬件：計算機物理裝置。指計算機系統(tǒng)中那些 “硬的” 物理設(shè)施，即各種處理機，存儲器，輸入輸出設(shè)備和通信設(shè)備等。軟件：指由計算機硬件執(zhí)行以完成一定任務(wù)的所有程序及數(shù)據(jù)。計算機硬件組織微 型 機： 處理機+

4、存儲器+輸入/輸出設(shè)備。 總線結(jié)構(gòu)（各部分通過總線交換信息）。 大，小型機： 中央處理機，I/O處理機（通道），存儲器，I/O設(shè)備。 非總線結(jié)構(gòu)（存儲器成為其中心部分）計算機軟件組織計算機軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)，語言處理系統(tǒng)， 和常用的例行服務(wù)程序。應(yīng)用軟件：指那些為了某一類的應(yīng)用需 要而設(shè)計的程序，或用戶為 解決某的特定的問題而編制 的程序或程序系統(tǒng)，如航空 定票系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)層次關(guān)系二、什么是操作系統(tǒng) 對于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，人們常用四種觀點來描述操作系統(tǒng)：*用戶環(huán)境的觀點 計算機用戶分為三類： 終端用戶 程序員 系統(tǒng)設(shè)計者 操作系統(tǒng)為計算機用戶提供了兩種接口： 用戶接

5、口（User Interface） 編程接口 (Application Programming Interface,簡稱API) 通過操作系統(tǒng)為計算機用戶提供了兩種接口，用戶可以通過三種方式使用操作系統(tǒng)： 使用鍵盤命令或Shell命令語言 利用鼠標器等點擊窗口中的圖標 調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊，即系統(tǒng)調(diào)用接口 操作系統(tǒng)為計算機用戶提供了兩種的接口的發(fā)展方向： 簡單 友好 使用方便*虛擬機的觀點 軟件與硬件的關(guān)系：軟件是在硬件基礎(chǔ)上對硬件的性能加以擴充和完善。 軟件之間的關(guān)系：一部分軟件運行要以另一部分軟件的存在并為其提供一定的運行條件為基礎(chǔ)；新添加的軟件可以看作是在原來那部分軟件基礎(chǔ)上的擴充與

6、完善。 “虛擬機”：一個裸機在每加上一層軟件后，就變成了一個功能更強的機器，把這“新的更強功能的機器”稱作虛擬機。 OS的地位：緊挨硬件層的第一層軟件，對硬件進行首次擴充，同時又是其他軟件運行的基礎(chǔ)。*資源管理的觀點 資源管理的觀點是目前對操作系統(tǒng)描述的主要觀點，操作系統(tǒng)資源管理的主要功能如下： 跟蹤資源狀態(tài) (2) 分配資源 (3) 回收資源 (4) 保護資源。*作業(yè)組織的觀點 在個人計算機上，作業(yè)這個概念已經(jīng)不存在，主要存在于巨型和大型機，引入作業(yè)是為了有效利用高性能強大的主機資源作業(yè)：是用戶在一次解題或一個事務(wù)處理過程中要求計算機系統(tǒng)所做工作的集合。它包括用戶程序、所需要的數(shù)據(jù)及控制命令

7、等。作業(yè)是由一系列有序的作業(yè)步組成的。 綜上所述，我們可以得出操作系統(tǒng)的概念： 操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機的工作流程，以便有效利用這些資源為用戶提供一個功能強大、使用方便的工作環(huán)境，從而在計算機與用戶之間起接口的作用二、操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展 *推動操作系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素 計算機硬件升級和新硬件的出現(xiàn) 提供新的服務(wù)、方便用戶使用 提高計算機資源利用率 更正軟件錯誤 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展*操作系統(tǒng)發(fā)展歷程手工操作階段早期批處理多道程序系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展*手工操作階段 沒有操作系統(tǒng)程序員編程準備程序帶程序員

8、預(yù)約機時程序員將程序（帶或卡片）與數(shù)據(jù)裝入輸入裝置（帶機或卡機）按下控制臺面板上的裝入按鈕程序裝入內(nèi)存面板指示燈亮按下啟動按鈕程序開始運行程序執(zhí)行完后，面板指示燈亮，控制臺終端打印或輸出結(jié)果在控制臺上修改程序卸帶卸帶（程序和數(shù)據(jù)（輸入和結(jié)果）正確否預(yù)約時間到否結(jié)束匯編語言出現(xiàn)后手工交互階段編程、穿孔、預(yù)約安裝匯編帶或匯編源程序帶裝入與啟動匯編程序匯編程序運行完產(chǎn)生目標程序帶卸下匯編、源程序、目標程序帶成功否安裝連接帶產(chǎn)生、卸下連接、目標、可執(zhí)行匯編目標程序帶卸下匯編、源程序、目標程序帶成功否安裝用戶可執(zhí)行目標程序和數(shù)據(jù)帶安裝啟動該用戶程序運行完畢、產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)卸下程序、數(shù)據(jù)、結(jié)果帶下機聯(lián)機或下

9、機修改成功否下機修改源程序手工批處理階段編程、并輸入到紙帶、卡式磁帶上準備關(guān)于運行步驟與各步程序帶、輸入數(shù)據(jù)帶輸出數(shù)據(jù)帶的說明，運行步驟還包括運行不成功處理，運行次數(shù)將作業(yè)申請（帶及說明）提交給系統(tǒng)操作員操作員分批。系統(tǒng)操作員待接到一批作業(yè)申請后進行分批：將運行同一程序的放在一起，例如把要需要匯編的源程序帶放在一起程序員取結(jié)果裝入與運行。凡是運行同一程序的都盡可能一次裝入與多次運行，每次運行都需要系統(tǒng)操作員判斷結(jié)果與手工裝卸數(shù)據(jù)帶成功了嗎修改程序結(jié)束*第一代操作系統(tǒng)：單道批處理系統(tǒng) 第一個操作系統(tǒng)就是一個監(jiān)控程序單道批處理系統(tǒng)的操作過程硬件自動裝入監(jiān)控程序，進入內(nèi)存約定地址并運行結(jié)束開機程序員

10、取結(jié)果關(guān)機卸帶運行裝帶操作員分批（方法同手工批處理）程序員編程、輸入、提交（卡片疊）成功否FMS 的JOB結(jié)構(gòu)監(jiān)控程序工作過程開機自舉運行完畢回到監(jiān)控程序（用戶程序的最后一條指令為返回監(jiān)控程序）作業(yè)結(jié)束處理作業(yè)結(jié)束卡讀卡啟動內(nèi)存指定其始地址的程序開始運行讀入內(nèi)存當前地址控制卡哪一種作業(yè)開始卡運行程序卡作業(yè)啟動處理單任務(wù)自動批處理階段的內(nèi)存分配情況裝入程序作業(yè)自動轉(zhuǎn)換程序控制卡解釋程序用戶程序區(qū)監(jiān)控程序*多道批處理系統(tǒng) 引入多道批處理系統(tǒng)是為了提高系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量 多道程序系統(tǒng)內(nèi)存中的三個作業(yè)（ job）*分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng) 分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)的特點：1. 多路調(diào)制性：即眾多聯(lián)機

11、用戶可以同時使用同一臺計算機；2. 獨占性：各終端用戶感覺到自己獨占了計算機；3. 交互性：用戶與計算機之間可進行“會話”。實時操作系統(tǒng) 到了60年代初，計算機開始應(yīng)用到生產(chǎn)過程控制、工業(yè)控制、防空系統(tǒng)、信息處理等，在這些應(yīng)用中不但要解決計算間題，還要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成計算，即實時處理。在實時處理中的一個核心的問題就是響應(yīng)時間問題。響應(yīng)時間： 指用戶發(fā)出命令，到系統(tǒng)完成用戶命令所需的時間。批處理操作系統(tǒng) 沒有分時操作系統(tǒng) 秒級(一般情況）實時操作系統(tǒng) 微秒級 甚至更小（經(jīng)典說法）系統(tǒng)滿足用戶時限（deadline)的要求 (現(xiàn)代）實時： 指計算機對于用戶請求能足夠快地進行處理，并做出反映。要

12、求毫秒、微秒級。實時操作系統(tǒng)特點：1、系統(tǒng)對外部的信號必須能及時響應(yīng)，(在規(guī)定的時間內(nèi)（deadline)；2、要求高可靠性和安全性，效率則放在第二位；3、系統(tǒng)整體性強；4、不要求很強的“會話”能力。實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用：實時控制： 工業(yè)過程控制、防空系統(tǒng)等等實時信息處理： 情報檢索和查詢、飛機訂票系統(tǒng)、銀行信用卡系統(tǒng)等等。*操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布市操作系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng): 在通常的操作系統(tǒng)中增加了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)低層協(xié)議（一般到傳送層）功能和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理功能的操作系統(tǒng)。如UNIX、LINUX, WINDOWS NT都是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)

13、在各處理機之間采用無主從關(guān)系來設(shè)計的操作系統(tǒng)，除了最低級的輸入輸出支援外，所有的系統(tǒng)任務(wù)可以在系統(tǒng)中任何處理機上運行。系統(tǒng)有高度的并行性和有效的同步方法。*操作系統(tǒng)的功能功能示意圖*接口功能 操作系統(tǒng)為用戶提供的人機交互界面，稱為接口。 計算機為用戶提供了三類接口。1、命令接口 命令接口通過在用戶和操作系統(tǒng)之間提供高級通信控制程序運行，用戶通過輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標、觸摸屏等）發(fā)出一系列命令告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行所需功能。命令分為兩類：聯(lián)機命令 聯(lián)機命令接口有一組鍵盤命令及命令解釋器組成。脫機命令 脫機命令又稱批處理用戶接口，由一組作業(yè)控制語言JCL組成，控制批處理作業(yè)的運行。2、程序接口 程序接口也

14、稱為系統(tǒng)調(diào)用，是操作系統(tǒng)對運行程序提供服務(wù)并與之通信的一種機構(gòu)。3、圖形用戶接口 圖形用戶接口產(chǎn)生的背景是聯(lián)機命令用戶接口提供的各種命令的名字和格式，并嚴格按照規(guī)定的格式輸入命令，難于記憶，使用不方便，效率很低，所以出現(xiàn)了圖形用戶接口。 操作系統(tǒng)提供的界面的友好性和易用性成為操作系統(tǒng)中的重要部分，用戶在相當?shù)某潭壬弦赃@兩個標準來判斷一個系統(tǒng)的優(yōu)劣。*處理機管理 處理機管理主要包括進程控制、進程同步、進程通信和進程調(diào)度。1、進程控制 進程控制的基本功能是創(chuàng)建和撤消進程以及控制進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。2、進程同步 進程同步是指系統(tǒng)對并發(fā)執(zhí)行的進程進行協(xié)調(diào) 包括一互斥的方式訪問臨界資源和對合作進程之間進行的

15、協(xié)調(diào)。3、進程通信 我們把進程間所進行的信息交換成為進程通信。4、進程調(diào)度 進程調(diào)度是指按照一定的調(diào)度算法，例如：先來先服務(wù)的算法，從進程的就緒隊列中選出一個進程，把處理機分配給它，為該進程設(shè)置運行現(xiàn)場，并運行之。*存儲器管理 存儲器管理的主要任務(wù)有：1、為多道程序的并發(fā)執(zhí)行提供良好的環(huán)境。2、便于用戶使用存儲器3、提高存儲器的利用率。4、為盡量多的用戶提供足夠大的存儲空間。 為實現(xiàn)上述任務(wù)，存儲器管理應(yīng)具有以下4中功能：1、內(nèi)存分配 多道程序能并發(fā)運行的基本條件是，各個程序都要有自己的內(nèi)存空間，因此，內(nèi)存分配是存儲管理的基本功能。 對內(nèi)存的分配可按照兩種方式進行： 一種是靜態(tài)分配。 另一種是

16、動態(tài)分配。2、內(nèi)存保護 為保證各道程序都能在自己的內(nèi)存空間運行而互不干擾，要求每道程序在執(zhí)行時能隨時檢查對內(nèi)存的所有訪問是否合法。因此，需要內(nèi)存保護功能。3、地址映射 邏輯地址：是指由目標程序所限定的地址范圍稱為該程序的地址空間，該地址空間中的地址成為邏輯地址。 物理地址：是指描述內(nèi)存空間的地址。 地址映射：程序要裝載到內(nèi)存空間中才能運行，因此，必須將邏輯地址映射到內(nèi)存的物理地址。將邏輯地址映射成物理地址稱為地址映射。4、內(nèi)存擴充 由于物理內(nèi)存的大小可能不能滿足大型作業(yè)或多個作業(yè)的并發(fā)運行（超出了物理內(nèi)存的大?。瑸榱藵M足用戶的要求并改善系統(tǒng)的性能，必須對內(nèi)存加以擴充。 這種擴充是利用虛擬存儲

17、技術(shù)。 *設(shè)備管理 設(shè)備器管理的主要任務(wù)有：1、為用戶程序分配I/O設(shè)備；2、完成用戶程序的I/O請求；3、提高處理機和I/O設(shè)備的利 用率；4、改善人機界面。 為實現(xiàn)上述任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)具有以下4中功能：1、緩沖管理 由于外圍設(shè)備和處理機交換信息時，會出現(xiàn)速度不匹配的矛盾，為了提高處理機和外設(shè)的利用率，引入了緩沖管理。2、設(shè)備分配 操作系統(tǒng)根據(jù)用戶所請求的設(shè)備類型和所采用的分配算法對設(shè)備進行分配，并將為獲得所需設(shè)備的進程放進相應(yīng)設(shè)備的等待隊列。3、設(shè)備處理 啟動指定的I/O設(shè)備，完成用戶規(guī)定的I/O操作，并對由設(shè)備發(fā)來的中斷請求進行及時響應(yīng)，根據(jù)中斷類型進行相應(yīng)的處理。4、虛擬設(shè)備功能 獨占

18、設(shè)備：一次僅允許一個進程使用的設(shè)備稱為獨占設(shè)備。 為了提高設(shè)備利用率及其加快程序的執(zhí)行過程，讓用戶感覺到自己獨占設(shè)備，采用了將設(shè)備虛擬化，虛擬化后的設(shè)備叫虛擬設(shè)備或邏輯設(shè)備。 一臺物理設(shè)備虛擬成多臺虛擬設(shè)備。*文件管理 計算機必須永久化數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)永久化數(shù)據(jù)是將數(shù)據(jù)放在文件里面，存儲在可以永久化的設(shè)備上。 為了對文件進行管理，引入了文件系統(tǒng)。其主要功能包括：1、文件目錄管理 文件目錄是聯(lián)系用戶和外存中文件數(shù)據(jù)之間的紐帶，使文件系統(tǒng)向用戶提供按名存取 的功能。使用戶不關(guān)心文件存儲的細節(jié)，從而方便用戶使用文件。 2、文件的邏輯組織與文件訪 問方式 文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)決定了文件的訪問方式，典型的結(jié)

19、構(gòu)有： 堆文件 順序文件 索引順序文件 索引文件 直接訪問文件（哈希文件）3、文件存儲空間的管理 文件存儲空間的管理的功能有如何組織管理磁盤上的大量文件和空閑空間、有效利用磁盤空間和如何快速檢索磁盤上的文件等等。4、文件共享與安全 資源共享是不可以避開的功能，這樣才能使資源充分利用。 共享帶來了一個副作用，就是安全問題，比如數(shù)據(jù)丟失、非法侵入。因此，文件安全也是文件系統(tǒng)的重要功能。*現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征及基本概念*現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征 現(xiàn)代操作系統(tǒng)一般都具有四個基本特征： 1、任務(wù)共行性 任務(wù)共行有兩層含義： 從宏觀上看，任務(wù)共行是指系統(tǒng)中有多個任務(wù)同時運行。 從微觀上看，任務(wù)共行是指但處理機系統(tǒng)

20、中的任務(wù)并發(fā)，即多個任務(wù)在單個處理機上交替運行，或多處理機系統(tǒng)中的任務(wù)并行，即多個任務(wù)在多個處理機上同時運行。2、資源共享性 資源共享性有兩層含義： 從宏觀上看，資源共享性是指系統(tǒng)中有多個任務(wù)可以同時使用系統(tǒng)中的軟硬件資源。 從微觀上看，資源共享性是指多個任務(wù)可以交替互斥地使用系統(tǒng)的中某個資源。資源共享：系統(tǒng)資源被多個并發(fā)執(zhí)行的進 程共同使用。資源共享的兩種方式： *互斥共享 指多個進程使用資源時，在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問。比如：打印機、繪圖儀等等 *同時共享 指系統(tǒng)資源允許在一段時間內(nèi)由多個進程同時訪問。這里的同時是宏觀的，微觀上還是交替訪問系統(tǒng)資源，比如：硬盤等 資源共享與并發(fā)的關(guān)系

21、： 資源共享是以并發(fā)執(zhí)行為條件，即：沒有并發(fā)就不存在共享。 資源共享也影響程序的并發(fā)執(zhí)行，若資源共享不當，并發(fā)會減弱，甚至無法實現(xiàn)。 資源共享和并發(fā)互為存在條件，是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征3、虛擬性 虛擬是指將一個物理上的實體變?yōu)椋ㄓ成錇椋┤舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。 前者是實際存在的，后者是虛擬的，是一種感覺性的存在。4、不確定性 操作系統(tǒng)中不確定性有兩層含義： * 程序執(zhí)行結(jié)果的不確定性，程序不可再現(xiàn)（不允許出現(xiàn)這種情形）。 * 多道程序環(huán)境下進程以異步方式執(zhí)行，每個進程的開始執(zhí)行時間、進程的執(zhí)行順序、運行所需時間都是不可預(yù)知的。*基本概念1、多道程序設(shè)計技術(shù) 多道程序設(shè)計技術(shù)是指系統(tǒng)中允許多

22、道程序同時準備運行，當正在運行的那道程序因為某種原因（比如：等待從磁盤輸入數(shù)據(jù)等等）暫時不能繼續(xù)運行時，系統(tǒng)將自動地啟動另一道程序運行；一旦原因消除（比如：數(shù)據(jù)已經(jīng)從磁盤里輸入到了內(nèi)存），暫時停止運行的那道程序在將來某個時候還可以被系統(tǒng)繼續(xù)運行。 多道程序設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的最重要的特征之一，它將現(xiàn)代操作系統(tǒng)和早期操作系統(tǒng)區(qū)別開來。 多道程序設(shè)計技術(shù)給操作系統(tǒng)帶來巨大變化的同時，也伴隨著操作系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。由此，給操作系統(tǒng)帶來了如下一些必須解決的問題：* 多個用戶作業(yè)共享處理機和輸入/輸出設(shè)備，協(xié)調(diào)因爭奪處理機或輸入/輸出設(shè)備而產(chǎn)生的沖突，解決個道程序之間的同步

23、互斥和進程的死鎖問題，有效地分配這些資源。* 既要有較大容量的存儲器，以便裝入盡可能多的用戶作業(yè)，有必須采取措施防止各道程序之間的交叉沖突，防止作業(yè)被有意或無意地破壞。* 必須建立高效、可靠和方便的文件系統(tǒng)，有效地管理和存取系統(tǒng)中的軟件資源和輔助空間2、進程和線程 進程是操作系統(tǒng)的核心概念： 按照一些觀點，將進程描述為： 進程是“執(zhí)行中的程序”或者“程序的一次執(zhí)行”。 線程是操作系統(tǒng)內(nèi)部機制在發(fā)展過程中，對進程的有效細化，目的是為了減少對進程處理的開銷，將進程的執(zhí)行環(huán)境減少至最少。 3 、作業(yè) 作業(yè)是指用戶要求計算機系統(tǒng)所做的工作的集合。 作業(yè)的構(gòu)成：程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書。 4、任務(wù) 任務(wù)和

24、進程在經(jīng)典的多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，沒有什么區(qū)別。 任務(wù)是從系統(tǒng)資源分配的角度描述程序在系統(tǒng)中的運行。 進程是從處理器利用和工作流程控制的角度描述程序的執(zhí)行。5、系統(tǒng)調(diào)用 系統(tǒng)調(diào)用就是操作系統(tǒng)提供的最基本的一級服務(wù)，供用戶程序使用。6、接口 接口多用于描述系統(tǒng)硬件之間的連接關(guān)系，以及軟件和程序模塊間的調(diào)用關(guān)系。7、虛擬內(nèi)存 引入虛擬內(nèi)存的原因： * 解決有限的內(nèi)存空間無法裝入尺寸超過其大小的程序； * 解決駐留內(nèi)存的進程數(shù)受到物理內(nèi)存空間的限制。 虛擬內(nèi)存：就是將磁盤空間虛擬為邏輯內(nèi)存，使用戶感覺到一個比物理內(nèi)存空間大得多的邏輯內(nèi)存空間，即實際物理內(nèi)存空間與虛擬的那部分邏輯內(nèi)存空間的總和，統(tǒng)稱為

25、虛擬內(nèi)存空間。8、文件 文件就是命名了的字節(jié)流，它是現(xiàn)代操作系統(tǒng)對計算機系統(tǒng)中種類繁多的外圍設(shè)備進行高度抽象的結(jié)果。*操作系統(tǒng)分類 操作系統(tǒng)分類的原則： 按照硬件平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同可分為單機操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)和多機操作系統(tǒng)。 按照操作系統(tǒng)在用戶界面的使用環(huán)境和功能特征的不同，可分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)。 現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常兼有分時和批處理功能。1、批處理操作系統(tǒng) 批處理操作系統(tǒng)的工作方式： 一批用戶作業(yè)提交后首先在外存上排成一個隊列；然后由作業(yè)調(diào)度程序負責從該隊列中選取一個或多個作業(yè)進入內(nèi)存，并分別為它們建立進程，使若干進程共享包括處理機、內(nèi)存空間在內(nèi)的系統(tǒng)資源，以提

26、高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。 批處理操作系統(tǒng)的優(yōu)點： * 多道程序由操作系統(tǒng)自動調(diào)度執(zhí)行，大大降低了人工干預(yù)對系統(tǒng)性能的影響； * 資源利用率高； *系統(tǒng)吞吐量大。批處理操作系統(tǒng)的優(yōu)點： * 系統(tǒng)交互性差，修改和調(diào)試程序及其困難； * 增加了作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時間。 周轉(zhuǎn)時間：作業(yè)從進入系統(tǒng)到執(zhí)行完成退出系統(tǒng)所經(jīng)歷的時間。2、分時操作系統(tǒng) 分時操作系統(tǒng)的工作方式： 一臺主機連接若干臺終端，每臺終端供一個用戶使用，用戶交互地向系統(tǒng)提出聯(lián)機命令請求，系統(tǒng)接受所有用戶的命令，采用分式原則處理服務(wù)請求，在通過交互終端顯示執(zhí)行結(jié)果。3、實時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng)的工作方式： 及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時

27、間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行的操作系統(tǒng)。 實時操作系統(tǒng)設(shè)計的目標： 對外部請求必須及時響應(yīng)，在規(guī)定的時間內(nèi)完成某事件，要求系統(tǒng)具有極高的可靠性和完整性。4、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 計算機網(wǎng)絡(luò)：指利用通信線路將位于不同地點、不同類型的計算機連接起來，使各臺計算機之間可以共享資源，計算機用戶之間可以相互通信、共同合作的一種計算機系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：指在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供網(wǎng)絡(luò)管理、通信、安全、資源共享和各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等功能的操作系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)目標：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各計算機之間的通信和網(wǎng)絡(luò)資源共享，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。5、分布式操作系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)：指多個處理器通過

28、通信線路互連而構(gòu)成的系統(tǒng)，系統(tǒng)的處理和控制功能分布在各個處理機上。 分布式操作系統(tǒng)：指配置在分布式系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)。 分布式系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別： 分布式系統(tǒng)的所有資源是共享的，由分布式操作系統(tǒng)進行集中、統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)對用戶是透明的。 計算機網(wǎng)絡(luò)中允許每臺計算機配置自己的操作系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)不要求對網(wǎng)絡(luò)資源進行透明訪問。 總之，分布式系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)非常相似，但各自配置的操作系統(tǒng)卻完全不同，分布式系統(tǒng)具有高度的整體性和透明性。6、嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)：運行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對整個嵌入式系統(tǒng)以及它所操作、控制的各種部件裝置進行協(xié)調(diào)

29、、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。*現(xiàn)代主流操作系統(tǒng)簡介1、Linux操作系統(tǒng) Linux操作系統(tǒng)特點： * 免費、源代碼開放； * 具有出色的穩(wěn)定性和速度性能； * 功能完善，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功 能； * 應(yīng)用程序兼容性好。第二章 進程管理2.1 進程的引入2.1.1 程序順序執(zhí)行與并發(fā)執(zhí)行程序的執(zhí)行順序1程序的順序執(zhí)行 例子： S1：a： x+y； S2：b： a-5； S3：c： b+1； 2程序順序執(zhí)行時的特征（1）順序性：處理機的操作嚴格按照程序所規(guī)定的順序執(zhí)行。（2）封閉性：程序運行時獨占全機資源，程序一旦開始執(zhí)行，其執(zhí)行結(jié)果不受外界因素影響。（3）可再現(xiàn)性：只要程序執(zhí)行時的環(huán)境和初始條

30、件相同，都將獲得相同的結(jié)果。（不論它是從頭到尾不停頓地執(zhí)行，還是“停停走走”地執(zhí)行）3. 程序的并發(fā)執(zhí)行 4. 程序并發(fā)執(zhí)行時的特征 1）間斷性:由于它們共享系統(tǒng)資源，以及為完成同一項任務(wù)而相互合作，致使在這些并發(fā)執(zhí)行的程序之間，形成了相互制約的關(guān)系。相互制約將導(dǎo)致并發(fā)程序具有“執(zhí)行暫停執(zhí)行”這種間斷性的活動規(guī)律。2）失去封閉性: 是多個程序共享系統(tǒng)中的各種資源，因而這些資源的狀態(tài)將由多個程序來改變，致使程序的運行已失去了封閉性。 3）不可再現(xiàn)性: 程序在并發(fā)執(zhí)行時，由于失去了封閉性，導(dǎo)致不可再現(xiàn)性 。例如，有兩個循環(huán)程序A和已它們共享一個變量N。程序A每執(zhí)行一次時，都要做N：=N1操作；程序

31、B每執(zhí)行一次時，都要執(zhí)行Print（N）操作，然后再將N置成“0”。程序A和B以不同的速度運行。這樣，可能出現(xiàn)其計算結(jié)果不可再現(xiàn)性，亦即，程序經(jīng)過多次執(zhí)行后，雖然它們執(zhí)行時的環(huán)境和初始條件相同，但得到的結(jié)果卻各不相同。例子：變量X為共享變量，程序1和程序2都要對X進行訪問，當兩個程序執(zhí)行的速度變化時可得到不同的結(jié)果。執(zhí)行順序1：程序1程序2 結(jié)果為：X增加2。執(zhí)行順序2： R1=X; R2=X; R1=R1+1; R2=R2+1; X=R1; X=R2 結(jié)果為： X 增加1。 還可有許多其它組合程序2 R2=XR2=R2+1X=R2 程序1 R1=XR1=R1+1X=R1 目 標 程 序并發(fā)執(zhí)

32、行的條件：達到封閉性和可再現(xiàn)性 并發(fā)執(zhí)行失去封閉性的原因是共享資源的影響，去掉這種影響就行了。1966年，由Bernstein給出并發(fā)執(zhí)行的條件。程序 P(i) 針對共享變量的讀集和寫集 R(i)和W(i)條件：任意兩個程序P(i)和P(j)，有：R(i)W(j)=; W(i)R(j)=; W(i)W(j)=;前兩條保證一個程序的兩次讀之間數(shù)據(jù)不變化；最后一條保證寫的結(jié)果不丟掉?，F(xiàn)在的問題是這個條件不好檢查。并發(fā)和并行區(qū)別 并發(fā)是指在某一時間間隔內(nèi)計算機系統(tǒng)中存在著多個程序活動。 并行是指在同一時刻計算機內(nèi)有多個程序都在執(zhí)行，這只有在多CPU的系統(tǒng)中才能實現(xiàn)。在單CPU的計算機系統(tǒng)中，多個程序

33、是不可能同時執(zhí)行的。并發(fā)是從宏觀上（這種“宏觀”也許不到一秒的時間）看多個程序的運行活動，這些程序在串行的、交錯的運行，由操作系統(tǒng)負責這些程序之間的運行切換，人們從外部宏觀上觀察，有多個程序都在系統(tǒng)中運行。2.1.2 進程的概念和特征1、進程的定義 進程是一個具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位。進程與程序的區(qū)別和相互關(guān)系程序 進程靜態(tài)的指令序列 動態(tài)的程序執(zhí)行過程一程序可對應(yīng) 一個進程對應(yīng)至少有多個進程 一個程序在工作永久性軟件資源 暫存資源, 動態(tài)產(chǎn)生過程 資源分配和調(diào)度的單位2、進程的特征動態(tài)性：進程是程序在并發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的一次執(zhí)行，一個進

34、程有一個從產(chǎn)生到消失的生命期，是進程的最基本的特征；并發(fā)性：正是為了描述程序在并發(fā)系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行的動態(tài)特性才引入了進程，沒有并發(fā)就沒有進程，是進程的最重要的特征，正是因為并發(fā)性，才提高了系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量；獨立性：每個進程的程序都是相對獨立的順序程序，可以按照自己的方向和速度獨立地向前推進；異步性：指進程的執(zhí)行進度，或推進速度不可預(yù)測，而與同時駐留在內(nèi)存的其它進程有關(guān)；制約性：進程之間的相互制約，主要表現(xiàn)在互斥地使用資源和相關(guān)進程之間必要的同步和通訊；結(jié)構(gòu)性：進程 = PCB + 程序 + 數(shù)據(jù)集合3、引入進程后需要解決的問題 *增加了空間開銷 *額外的時間開銷 *更難控制 *處理機的

35、競爭尤為突出2.1.3 進程的結(jié)構(gòu) 為了刻畫進程的動態(tài)變化，通常把進程表示為由程序段、私有數(shù)據(jù)塊和進程控制塊（PCB）組成。進程控制塊是操作系統(tǒng)感知進程存在的唯一標志。 程序部分描述進程本身所要完成的功能，而“私有數(shù)據(jù)塊”是接受程序規(guī)定操作的一組存儲單元的內(nèi)容，是操作的對象。進程控制塊是在進程創(chuàng)建時產(chǎn)生的，當進程存在于系統(tǒng)時（運行），進程控制塊就標識了這個進程。PCB包含了進程的描述信息和控制信息，通常有如下項目：(1) 標識符(2) 存貯信息(3) 現(xiàn)場狀態(tài)(4) 優(yōu)先數(shù)(5) 現(xiàn)場信息(6) 鏈接字(或稱隊列指針)(7) 族系關(guān)系(8) 資源清單(9) 其他 * 標識符 分為外部標識符和內(nèi)

36、部標識符。外部標識符由創(chuàng)建進程者提供，通常由字母、數(shù)字等組成，在用戶或其它進程訪問該進程時使用。內(nèi)部標識符是一個整數(shù)。在操作系統(tǒng)的PCB表區(qū)中，有多個PCB表，每個PCB表有一個序號，通常將這個序號做為內(nèi)部標識符，以方便系統(tǒng)使用。* 程序地址 進程的程序部分在內(nèi)存及外存的地址，或描述程序地址信息的段表地址、頁表地址等。* 數(shù)據(jù)地址 進程的數(shù)據(jù)部分在內(nèi)存及外存的地址，或描述數(shù)據(jù)地址信息的段表地址、頁表地址等。* 狀態(tài) 進程當前所處的狀態(tài)，即就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)及阻塞狀態(tài)，已經(jīng)被創(chuàng)建的進程的狀態(tài)必為此三者之一。* CPU狀態(tài)保護區(qū) CPU狀態(tài)信息主要由通用寄存器、程序計數(shù)器PC、程序狀態(tài)字PSW以及

37、用戶棧指針等組成，也稱為中斷點現(xiàn)場信息。CPU狀態(tài)保護區(qū)用以保護進程被中斷而暫停執(zhí)行時CPU的狀態(tài)信息，以便進程重新獲得CPU時能夠重布現(xiàn)場，從上次被中斷處繼續(xù)執(zhí)行。* 進程優(yōu)先級 進程優(yōu)先級是用以描述進程使用處理機的優(yōu)先級別的整數(shù)，是優(yōu)先級調(diào)度算法中調(diào)度的依據(jù)。通常數(shù)值越小，優(yōu)先級別越高。優(yōu)先級可以處理成不變的，稱為靜態(tài)優(yōu)先級，也可以處理成可變的，稱為動態(tài)優(yōu)先級。* 通信信息 進程通信時需要使用的信息，包括標志位、信號或信號量、消息隊列信息等。如消息緩沖通信機制中，在進程的PCB表中，需要有消息隊列隊首指針、消息個數(shù)及互斥使用消息隊列的信號量等。* 資源信息 進程對資源的需求及已經(jīng)分配資源的

38、清單。* 隊列指針 除了執(zhí)行狀態(tài)的進程外，其余的進程PCB表都處于某一就緒隊列或某一阻塞隊列中。隊列指針用于指向進程所在隊列中下一個PCB表的首地址。* 家族指針 進程在運行過程中可以創(chuàng)建新進程來協(xié)同完成同一任務(wù)。創(chuàng)建者稱為父進程，被創(chuàng)建者稱為子進程。父進程PCB表中有指向子進程的PCB表的指針，子進程的PCB表中有指向父進程的PCB表的指針，這就是家族指針，它可以將一個家族的進程聯(lián)系起來，形成進程家族樹。進程控制塊的組織 為了便于管理，系統(tǒng)把所有的PCB用適當方式組織起來。一般說來，大致有以下三種組織方式： (1) 線性表方式 (2) 索引方式 (3) 鏈接方式2.2 進程的狀態(tài)2.2.1

39、進程執(zhí)行軌跡例 假設(shè)內(nèi)存中有3個進程A、B、C，他們的程序代碼已全部裝入內(nèi)存。若A、C兩進程需要執(zhí)行12條指令，B進程需要執(zhí)行4條指令，且B進程執(zhí)行到第4條指令處必須等待I/O2.2.2 兩狀態(tài)進程模型 在兩狀態(tài)模型中進程可能處于如下兩種狀態(tài)中：執(zhí)行 (Running ）非執(zhí)行（ Not-running ）兩狀態(tài)隊列模型進程的創(chuàng)建事 件說 明新的批作業(yè)通常位于磁帶或磁盤中的批作業(yè)控制流被提供給操作系統(tǒng)。當操作系統(tǒng)準備接納新工作時。它將讀取下一個作業(yè)控制命令交互登錄 終端用戶登錄到系統(tǒng)操作系統(tǒng)因為提供一項服務(wù)而創(chuàng)建操作系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個進程，代表用戶程序執(zhí)行一個功能，使用戶無需等待（如控制打印的進

40、程）由現(xiàn)有的進程生成基于模塊化的考慮，或者為了開發(fā)并行性，用戶程序可以規(guī)定許多進程的創(chuàng)建進程的終止 事件說明正常完成進程自行執(zhí)行一個操作系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用，表示它已經(jīng)結(jié)束運行超過時限進程運行時間超過規(guī)定的時限?？梢詼y量很多種類型的時間，包括總的運行時間（“掛鐘時間”）?；ㄙM在執(zhí)行上的時間以及對于交互進程從上一次用戶輸入到當前時刻的時間總量無可用存儲器系統(tǒng)無法滿足進程需要的存儲器空間越界 進程試圖訪問不允許訪問的存儲器單元保護錯誤進程試圖使用不允許使用的資源或文件，或者試圖以一種不正確的方式使用，如往只讀文件中寫算術(shù)錯誤進程試圖進行被禁止的計算，如除以零或者存儲器大于硬件可以接納的數(shù)字 接上表事件說明

41、時間超出進程等待某一事件發(fā)生的時間超過了規(guī)定的最大值I/O失敗在輸入或輸出期間發(fā)生錯誤，如找不到文件、在超過規(guī)定的最多努力次數(shù)后仍然讀寫失敗（例如當遇到了磁帶上的一個壞區(qū)時）或者無效操作（如從行式打印機中讀）無效指令進程試圖執(zhí)行一個不存在的指令（通常是由于轉(zhuǎn)移到了數(shù)據(jù)區(qū)并企圖執(zhí)行數(shù)據(jù)）特權(quán)指令進程試圖使用為操作系統(tǒng)保留的指令數(shù)據(jù)誤用錯誤類型或未初始化的一塊數(shù)據(jù)操作員或操作系統(tǒng)干涉由于某些原因，操作員或操作系統(tǒng)終止進程（例如，如果存在死鎖）父進程終止當父進程終止時，操作系統(tǒng)可能會自動終止該進程的所有后代進程父進程請求父進程通常具有終止其任何后代進程的權(quán)力導(dǎo)致進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件2.2.3 五狀態(tài)進

42、程模型Running：占用處理機（單處理機環(huán)境中，某一時刻僅一個進程占用處理機）Ready：準備執(zhí)行Blocked：等待某事件發(fā)生才能執(zhí)行，如等待I/O完成等New：進程已經(jīng)創(chuàng)建，但未被OS接納為可執(zhí)行進程，并且程序還在輔存，PCB在內(nèi)存Exit：因停止或取消，被OS從執(zhí)行狀態(tài)釋放 Null New：新創(chuàng)建進程首先處于新狀態(tài)事 件說 明新的批作業(yè)通常位于磁帶或磁盤中的批作業(yè)控制流被提供給操作系統(tǒng)。當操作系統(tǒng)準備接納新工作時。它將讀取下一個作業(yè)控制命令交互登錄 終端用戶登錄到系統(tǒng)操作系統(tǒng)因為提供一項服務(wù)而創(chuàng)建操作系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個進程，代表用戶程序執(zhí)行一個功能，使用戶無需等待（如控制打印的進程）由

43、現(xiàn)有的進程生成基于模塊化的考慮，或者為了開發(fā)并行性，用戶程序可以規(guī)定許多進程的創(chuàng)建NewReady：OS接納新狀態(tài)進程為就緒進程Ready Running：OS只能從就緒進程中選一個進程執(zhí)行Running Exit：執(zhí)行狀態(tài)的進程執(zhí)行完畢，或被取消，則轉(zhuǎn)換為退出狀態(tài)RunningReady：分時系統(tǒng)中，時間片用完，或優(yōu)先級高的進程到來，將終止優(yōu)先級低的進程的執(zhí)行Running Blocked：執(zhí)行進程需要等待某事件發(fā)生。通常因進程需要的系統(tǒng)調(diào)用不能立即完成，而阻塞Blocked Ready：當阻塞進程等待的事件發(fā)生，就轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)Ready Exit：某些系統(tǒng)允許父進程在任何情況下終止其子進

44、程。若一個父進程終止，其子孫進程都必須終止。Blocked Exit：因為它自身退出了，或者是因為某種原因被取消。 Using Two Queues2.2.4 進程的掛起狀態(tài)這個問題的出現(xiàn)是由于進程優(yōu)先級的引入，一些低優(yōu)先級進程可能等待較長時間，從而被對換至外存。這樣做的目的是：提高處理機效率：就緒進程表為空時，要提交新進程，以提高處理機效率；為運行進程提供足夠內(nèi)存：資源緊張時，暫停某些進程，如：CPU繁忙（或?qū)崟r任務(wù)執(zhí)行），內(nèi)存緊張；被掛起進程的原因用于調(diào)試：在調(diào)試時，掛起被調(diào)試進程（從而對其地址空間進行讀寫）；操作系統(tǒng)的需要：操作系統(tǒng)可能掛起后臺進程或一些服務(wù)進程，或某些可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的

45、進程；父進程的需求：父進程可能掛起子進程。被掛起進程的特征不能被調(diào)度執(zhí)行?？赡苁堑却呈录l(fā)生，若是，則阻塞條件獨立于掛起條件，即使阻塞事件發(fā)生，該進程也不能執(zhí)行。為了阻止進程執(zhí)行，可以通過代理使進程掛起。代理可以是進程自身或父進程、或OS。只有實施掛起操作的進程才能使之由掛起狀態(tài)轉(zhuǎn)換為其他狀態(tài)。One Suspend State一個掛起Two Suspend States具有掛起狀態(tài)的進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換BlockedBlocked/Suspend ：OS通常將阻塞進程換出，以騰出內(nèi)存空間Blocked/SuspendReady/Suspend: 當Blocked/Suspend進程等待的事件發(fā)生時

46、，可以將其轉(zhuǎn)換為Ready/suspendReady/SuspendReady：OS需要調(diào)入一個進程執(zhí)行時ReadyReady/Suspend ：掛起就緒進程，釋放足夠的內(nèi)存空間New Ready/suspend（NewReady）： 新進程創(chuàng)建后，可以插入到就緒隊列或Ready/suspend隊列。若無足夠的內(nèi)存分配給新進程，則需要New Ready/Suspend 具有掛起狀態(tài)的進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換（續(xù)）Blocked/SuspendBlocked：當Blocked/Suspend隊列中有一個進程的阻塞事件可能會很快發(fā)生，則可將一個Blocked/Suspend進程換入內(nèi)存，變?yōu)锽lockedRu

47、nningReady/Suspend ：當執(zhí)行進程的時間片用完時，會轉(zhuǎn)換為Ready。或，一個高優(yōu)先級的Blocked/Suspend進程正好變?yōu)榉亲枞麪顟B(tài)，OS可以將執(zhí)行進程轉(zhuǎn)換為Ready/Suspend狀態(tài)AllExit：通常，Running Exit。但某些OS中，父進程可以終止其子進程，使任何狀態(tài)的進程都可轉(zhuǎn)換為退出狀態(tài)2.3 進程的控制 2.3.1 執(zhí)行模式 處理機有核心態(tài)和用戶態(tài)兩種執(zhí)行狀態(tài) 核心態(tài)：由設(shè)備中斷、異常、自陷、信號（即軟中斷）等進入，這種狀態(tài)具有較高的特權(quán)，允許使用全部機器資源與機器指令，是操作系統(tǒng)程序執(zhí)行時的狀態(tài)。 用戶態(tài)：處理機在這種狀態(tài)下只能使用指定的機器指令

48、，不能使用如I/O、改變機器狀態(tài)、修改存儲保護等指令，并且只允許訪問用戶自己的存儲區(qū)，是用戶程序執(zhí)行時的狀態(tài)。2.3.2 操作系統(tǒng)內(nèi)核 沒有配置任何軟件的計算機稱為裸機，操作系統(tǒng)是在裸機上添加多層軟件形成的。通常將與硬件緊密相關(guān)的部分，如中斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動程序及進程從創(chuàng)建到撤消包括進程狀態(tài)變遷中用到的公共操作等集中在一起，常駐內(nèi)存，作為裸機上添加的第一層軟件，叫做內(nèi)核。操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能 運行頻率高的功能模塊大都放在操作系統(tǒng)的內(nèi)核來實現(xiàn)。1、資源管理的功能 * 進程管理 進程的創(chuàng)建和終止、進程調(diào)度、進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進程之間的同步和通信、以及PCB管理等等。 * 存儲管理 為進程分配空間、實現(xiàn)

49、內(nèi)存保護和對換功能、對內(nèi)存進行分段和分頁管理的等等。 * I/O設(shè)備管理 I/O緩沖區(qū)管理、為進程分配I/O通道和設(shè)備等等2、支持功能 * I/O中斷處理 中斷 處理功能既是內(nèi)核的最基本功能，也是整個操作系統(tǒng)賴以活動的基礎(chǔ)，即操作系統(tǒng)的一切重要活動都最終依賴于中斷。 * 原語操作 操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能大都通過執(zhí)行各種原語來實現(xiàn)的。 原語：是機器指令的延伸，是由若干條機器指令構(gòu)成的、完成特定功能的一個過程。 原子操作：指一個操作中的所有動作，要么全做，要么全不做，即原子操作是一個不可分割的操作。 在單處理機中，操作的原子性可以通過屏蔽中斷來實現(xiàn)。時鐘管理 時鐘就是操作系統(tǒng)運行的脈搏。2.3.3 進

50、程控制1、進程的創(chuàng)建和撤消 進程的創(chuàng)建 進程的撤消2、進程的阻塞和喚醒 阻塞是進程自己通過調(diào)用阻塞原語自己阻塞自己，而喚醒操作則由操作系統(tǒng)或其它相關(guān)進程調(diào)用喚醒原語來喚醒，進程自己無法自己喚醒自己。 進程阻塞的原因： * 進程請求I/O服務(wù)，無論獲得I/O服務(wù)與否，通常都要暫時放棄CPU； * 某些原語操作，如P操作等可能引起進程阻塞； * 某些系統(tǒng)進程工作時占用CPU，無事可做時，則調(diào)用阻塞原語將自己阻塞。 進程的阻塞進程喚醒的原因： * 進程請求的I/O操作完成； * 某些原語操作，如V操作等可以解封阻塞進程； * 某些系統(tǒng)進程有事可做時，用喚醒原語將其喚醒。 進程的喚醒3、進程的掛起與激

51、活 根據(jù)進程所處狀態(tài)，掛起原語可以有三種處理： * 完成進程從活動就緒狀態(tài)到靜止就緒狀態(tài)的轉(zhuǎn)變; * 完成進程從活動阻塞狀態(tài)到靜止阻塞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變; * 若進程是執(zhí)行狀態(tài)，則轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止就緒狀態(tài)。掛起對象： * 進程請求掛起自身； * 父進程掛起子進程。掛起方式如下： * 掛起一個具有指定標識符的進程； * 掛起某個進程及其所有子孫進程。采用這種掛起方式可以避免進程被掛起而其子孫進程仍在活動而帶來的問題。 進程掛起 進程的激活4、進程切換進程切換的大致的兩個步驟： * 保護被切換進程的現(xiàn)場； * 恢復(fù)投入運行的現(xiàn)場。2.4 進程調(diào)度2.4.1 進程調(diào)度的目標、原則和方式 1. 交通控制程序 交通控

52、制程序(Traffic Controller)是J.H.Saltzer于 1966 年起的名字。他把操作系統(tǒng)中指揮各個進程的工作比作一個交通警察， 而把各個進程比作車輛。 它們之間有時要競爭，有時要合作， 交通警察就要保證它們協(xié)調(diào)一致，互不沖突。在操作系統(tǒng)中，交通控制程序的主要職能是管理進程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變和協(xié)調(diào)進程間的通訊。2. 進程調(diào)度程序 在進程狀態(tài)的變化中，從就緒到運行的轉(zhuǎn)變是由一個專門的程序來完成的，該程序稱為進程調(diào)度程序。進程調(diào)度稱為“低級”調(diào)度，是相對作業(yè)調(diào)度而言的。進程調(diào)度程序所要完成的是把一臺物理的CPU轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗯_虛擬的CPU或者多臺邏輯的CPU。 3. 引起進程調(diào)度的原因 *

53、 現(xiàn)運行進程運行結(jié)束或者因任務(wù)完成而正常結(jié)束，或者因出現(xiàn)錯誤而異常結(jié)束。 * 現(xiàn)運行進程因某種原因，比如I/O請求，從運行進入阻塞狀態(tài)。 * 現(xiàn)運行進程執(zhí)行某種原語操作，如P操作、阻塞原語等，進入阻塞狀態(tài)。 * 一個具有更高優(yōu)先級的進程要求使用處理機，即進入就緒隊列。 * 分配給該進程運行的時間片已用完。4. 進程調(diào)度程序的功能 * 記住系統(tǒng)中所有進程的狀態(tài)、 優(yōu)先數(shù)和資源需求情況。 對于動態(tài)優(yōu)先數(shù)，還須按一定算法定期地對它進行計算。 * 確定調(diào)度算法，決定把處理機分配給哪個進程和分配多長時間。 某個進程正在運行時，如果有優(yōu)先級更高的進程進入就緒隊列，是繼續(xù)運行原進程還是分配處理機給優(yōu)先級更高

54、的進程，由調(diào)度方式確定。 * 分配處理機給進程。5. 進程調(diào)度方式 所謂進程調(diào)度方式，是指當一個進程正在處理機上運行時，若有某個更為緊迫或更為重要的進程需要進行處理，或者說，如果有更高優(yōu)先級的進程進入就緒隊列時，如何分配處理機。 通常有兩種進程調(diào)度方式： 通常有兩種進程調(diào)度方式： * 非剝奪方式 進程一旦獲得CPU就一直執(zhí)行，直到完成或發(fā)生某事件（如請求I/O服務(wù)、P操作等）而阻塞，其它的進程方可運行。這種調(diào)度方式簡單，容易實現(xiàn)，但是一個進程的運行往往可能導(dǎo)致多數(shù)進程長期得不到服務(wù)，所以非搶占方式不適宜有多個競爭用戶的通用系統(tǒng)。 * 剝奪方式 允許在邏輯上可執(zhí)行的進程暫時放棄CPU。搶占方式的

55、調(diào)度策略（如時間片輪轉(zhuǎn)、優(yōu)先級等）允許非執(zhí)行進程在滿足某種條件時搶占執(zhí)行進程所占用的CPU。6. 進程調(diào)度的目標 進程調(diào)度要滿足兩個方面的目標： * 滿足用戶的需求 -交互式用戶對響應(yīng)時間的要求； -批處理系統(tǒng)用戶對作業(yè)周轉(zhuǎn)時間的要求； -實時系統(tǒng)對任務(wù)截止時間的要求。 * 滿足系統(tǒng)的需求 -系統(tǒng)吞吐量； -處理機利用率； -各類資源的平衡使用； -公平性； -優(yōu)先級。 7. 進程調(diào)度原則 A .面向用戶的原則 * 響應(yīng)時間 響應(yīng)時間：是指從用戶通過鍵盤提交一個請求開始，直到系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)為止的時間。常用于評價分時系統(tǒng)的性能。 響應(yīng)時間包括3個部分時間的總和： （1）從鍵盤輸入的請求信息傳送

56、到處理機的時間； （2）處理機對請求信息進行處理的時間； （3）將響應(yīng)結(jié)果發(fā)送到輸出終端的時間。 * 周轉(zhuǎn)時間 周轉(zhuǎn)時間：指從作業(yè)提交給系統(tǒng)開始，到作業(yè)完成為止的這段時間間隔，也叫作業(yè)周轉(zhuǎn)時間。常用于批處理系統(tǒng)的性能。 周轉(zhuǎn)時間包括4個部分時間的總和： （1）作業(yè)在外存排隊等待調(diào)度的時間； （2）進程在就緒隊列中等待調(diào)度的時間（可能多次等待）； （3）進程被處理機執(zhí)行的時間。 （4）等待I/O操作完成的時間。* 截止時間 截止時間：指實時系統(tǒng)中，某任務(wù)必須開始執(zhí)行的最遲時間，或必須完成的最遲時間。常用于評價實時系統(tǒng)的性能。B .面向系統(tǒng)的原則 * 系統(tǒng)吞吐量 系統(tǒng)吞吐量：指單位時間內(nèi)系統(tǒng)所完成

57、的作業(yè)數(shù)。常用于評價批處理系統(tǒng)的性能。 * 處理機利用率 處理機利用率：指處理機被使用的頻率。對于衡量大中型機的多用戶系統(tǒng)是一個重要的指標。對于但用戶微機或某些實時系統(tǒng)，則并非很重要。* 各種資源的平衡使用 多道程序系統(tǒng)的目標之一就是提高系統(tǒng)資源的利用率，因此，調(diào)度算法有責任是系統(tǒng)中的各種資源都盡量處于忙碌狀態(tài)。該原則同時適合中級調(diào)度和高級調(diào)度。* 公平性 調(diào)度算法應(yīng)該對所有進程公平，而不偏袒任何進程。* 優(yōu)先權(quán) 優(yōu)先權(quán)是調(diào)度算法需要考慮的一個重要因素。優(yōu)先權(quán)高的進程應(yīng)該優(yōu)先調(diào)度。 確定優(yōu)先權(quán)的高低的方式： * 靜態(tài)優(yōu)先權(quán) * 動態(tài)優(yōu)先權(quán)2.4.2 進程調(diào)度的類型 按照算法所運行的系統(tǒng)類型，可

58、以分為： * 批處理調(diào)度 * 分時調(diào)度 * 實時調(diào)度 * 多處理機調(diào)度按照調(diào)度的層次，可以分為： * 高級調(diào)度（長程調(diào)度） * 低級調(diào)度（短程調(diào)度） * 中級調(diào)度（中程調(diào)度） * 高級調(diào)度 即作業(yè)調(diào)度或宏觀調(diào)度。其任務(wù)是對那些提交給系統(tǒng)后被收容的作業(yè), 按照一定策略選擇出某些作業(yè), 為其分配內(nèi)存等必要的資源, 建立與之對應(yīng)的進程, 并將進程的PCB表放入就緒隊列中, 使其具備參與競爭使用CPU的權(quán)利。作業(yè)調(diào)度高級調(diào)度要考慮的兩個問題： * 選擇多少個作業(yè)進入內(nèi)存，為之創(chuàng)建進程， 這取決于多道程序度。 * 選擇哪些作業(yè)，這取決于高級調(diào)度算法。 可用的高級調(diào)度算法有： -先來先服務(wù) -短作業(yè)優(yōu)先

59、-基于優(yōu)先級調(diào)度 -響應(yīng)比高者優(yōu)先 注意：如果系統(tǒng)不支持作業(yè)處理功能，也就 不會有高級調(diào)度。 *低級調(diào)度 即進程調(diào)度或微觀調(diào)度。其任務(wù)是在進入內(nèi)存并處于就緒隊列的進程中, 確定哪個進程真正獲得CPU及其使用CPU的時間。用執(zhí)行指針指向選中進程的PCB表，將它從就緒隊列移出并重布現(xiàn)場，使其運行?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)都支持低級調(diào)度。進程調(diào)度 *中級調(diào)度 將就緒狀態(tài)細化為內(nèi)存就緒和外存就緒狀態(tài)，阻塞狀態(tài)細化為內(nèi)存阻塞和外存阻塞狀態(tài)后，中級調(diào)度完成進程在內(nèi)存與外存之間的對換。其任務(wù)是周期性地將那些在內(nèi)存中暫時不用的進程換出并放到外存，而將那些在外存上需要運行的進程換入到內(nèi)存。中級調(diào)度處理機的三級調(diào)度2.4.3

60、 進程調(diào)度算法 下面是幾項主要的評估標準： （） 平均周轉(zhuǎn)時間 作業(yè)從提交時刻is到完成時刻ic所經(jīng)歷的時間稱為該作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間，即icis；進程從進入就緒隊列的時刻ir到執(zhí)行完本次周期的時刻ic稱為該進程的周轉(zhuǎn)時間i，即iicir。于是，個作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時間或個進程的平均周轉(zhuǎn)時間為： （） 平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間 作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間Ti與其實際運行時間i之比 稱為該作業(yè)的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間，即 ，同樣，進程的周轉(zhuǎn)時間與其本次周期的時值之比 稱為該進程的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間。于是，個作業(yè)或個進程的平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間為： （）平均等待時間 進程從進入就緒隊列那一時刻ir到獲得的那一時刻ip所經(jīng)歷的時間稱為它的等待時間i，