第4章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)-PPT課件

1、第4章 操作系統(tǒng)基礎(chǔ)4.1 操作系統(tǒng)概述 一. 基本概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng) = 硬件 + 軟件硬件: 構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理部件和設(shè)備的總稱。軟件: 程序及文檔資料的總稱。核心是系統(tǒng)軟件；系統(tǒng)軟件的核心是操作系統(tǒng)。1操作系統(tǒng)的兩大基本職能（1）面向機(jī)器 管理和控制計(jì)算機(jī)全部資源； 目的：提高系統(tǒng)效率。（2）面向用戶 提供人機(jī)界面 目的：提供便捷的操作環(huán)境 22. 操作系統(tǒng)的五大功能 文件管理進(jìn)程管理存儲(chǔ)器管理作業(yè)管理設(shè)備管理操作系統(tǒng)33。操作系統(tǒng)的發(fā)展1）早期階段 無(wú)操作系統(tǒng)的裸機(jī)2） 第2階段-第1代操作系統(tǒng)程序員和操作員有了分工；擺脫手工操作方式，有批處理服務(wù)3） 第3階段-第二代操作系統(tǒng)新技術(shù)的使

2、用：多道程序，并行處理，通道技術(shù)、緩沖技術(shù)、中斷技術(shù)等4）第4階段-第三代操作系統(tǒng) 綜合資源管理44. 常用的OS(1) MS-DOS 字符界面、 命令行方式(2) UNIX 中、小型機(jī)的OS(3) WINDOWS 多任務(wù)、圖形界面的OS (4) WINDOWS NT 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)55. 操作系統(tǒng)的分類1、按處理器特點(diǎn) 分時(shí) 分配CPU時(shí)間片，為多個(gè)用戶服務(wù) 實(shí)時(shí) 在較短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)用戶要求2、按適用面分: 專用OS和通用OS 3、按用戶數(shù)量分：?jiǎn)斡脩艉投嘤脩?4、按任務(wù)處理方式分：交互式 和批處理 5、按硬件環(huán)境和控制方式分：集中式和分布式6二. CPU及進(jìn)程管理1、程序的有關(guān)概念程序 為解決

3、某個(gè)問題用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 編寫的一系列指令的有序集合。程序的順序執(zhí)行 一個(gè)程序通常分為若干個(gè)具有一定獨(dú)立性的程序段，這些程序段是按邏輯步驟編排的，只有當(dāng)當(dāng)前程序段執(zhí)行完成后，才將控制權(quán)轉(zhuǎn)交到下一個(gè)程序段。7程序順序執(zhí)行舉例一設(shè)有一個(gè)程序有三個(gè)程序段，分別執(zhí)行 I（輸入）、C（計(jì)算）和P（輸出）操作。執(zhí)行順序?yàn)椋?I C P 邏輯順序不能隨意改變。 結(jié)果 數(shù)據(jù)8 程序順序執(zhí)行舉例二 假設(shè)有n個(gè)作業(yè)，每個(gè)作業(yè)都由三個(gè)程序段：輸入段Ii、計(jì)算段Ci、輸出段Pi。 在早期單道程序系統(tǒng)中，作業(yè)執(zhí)行流為： 作業(yè)1 I1 C1 P1 作業(yè)2 I2 C2 P2 作業(yè)n In Cn Pn作業(yè)執(zhí)行順序9（1）單道程

4、序處理一次只處理一個(gè)程序，該程序獨(dú)享系統(tǒng)資源。特性 1、順序性 按規(guī)定的順序執(zhí)行。2、封閉性 程序在執(zhí)行過(guò)程中獨(dú)享系統(tǒng)資源，不受外界因素的干擾和影響。3、可再現(xiàn)性 只要初始條件相同，無(wú)論以何種方式、速度、重復(fù)執(zhí)行多少次，結(jié)果是相同的。10（2）多道程序處理同時(shí)將多個(gè)程序裝入內(nèi)存并同時(shí)處理。特點(diǎn): 并發(fā)性設(shè)有三個(gè)程序，它們的執(zhí)行步驟和順序相同，都是輸入Ii 、計(jì)算Ci 、輸出Pi。 1）當(dāng)?shù)?個(gè)程序的輸入操作I1執(zhí)行完、執(zhí)行C1時(shí)，輸入空閑，這時(shí)可執(zhí)行第2個(gè)程序的輸入I2；時(shí)間上，操作C1和I2重疊。 2）當(dāng)C1執(zhí)行完、執(zhí)行P1時(shí)，處理機(jī)空閑，若這時(shí)I2已完成，就可以執(zhí)行C2，與此同時(shí)，輸入機(jī)又

5、空閑，可以執(zhí)行第3個(gè)程序的I3。這樣，P1、C2和I3重疊。11 程序并發(fā)執(zhí)行舉例程序1： I1 C1 P1程序2： I2 C2 P2程序3： I3 C3 P3 圖中，C1和I2、P1、C2和I3、P2和C3在時(shí)間上都是重疊的。Tt1t3t212單道和多道程序處理的區(qū)別單道：各邏輯步驟之間的關(guān)系是確定的、不受外界影響。多道：并發(fā)處理存在直接或間接的相互依賴和相互制約的關(guān)系，從而使被處理的多道程序失去了程序固有的特性：封閉性、可再現(xiàn)性。 132、進(jìn)程的概念處理機(jī)管理 主要完成作業(yè)調(diào)度，進(jìn)程調(diào)度和進(jìn)程控制，實(shí)質(zhì)是進(jìn)程管理。進(jìn)程的幾種不同定義 進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行； 進(jìn)程是一個(gè)程序在給定活動(dòng)空間和初

6、始環(huán)境下，在一個(gè)處理機(jī)上的執(zhí)行過(guò)程； 進(jìn)程是程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過(guò)程。進(jìn)程的生命周期 由“創(chuàng)建”而產(chǎn)生，由“調(diào)度”而執(zhí)行，因得不到資源而“暫停”執(zhí)行，最后由“撤消”而消亡14進(jìn)程的性質(zhì)1）動(dòng)態(tài)性 描述程序在執(zhí)行過(guò)程中的全部活動(dòng)；2）并發(fā)性 同時(shí)接受和處理多個(gè)進(jìn)程；3）異步性 不同進(jìn)程在邏輯上相互獨(dú)立，有各自的運(yùn)行“軌跡”；4）制約性 由于計(jì)算機(jī)資源是有限的，不同進(jìn)程共享CPU和I/O通道及設(shè)備，因此相互制約15進(jìn)程的狀態(tài)1）三種基本狀態(tài)就緒 已經(jīng)獲得投入運(yùn)行所必需的一切資源，一旦分配到CPU，就可以立即執(zhí)行。運(yùn)行 進(jìn)程獲得了CPU及其它一切所需資源，處在運(yùn)行之中的狀態(tài)。等待 由于資源得不

7、到滿足，進(jìn)程運(yùn)行受阻，處于暫停狀態(tài)，也稱為阻塞狀態(tài)。2）進(jìn)程在生命周期中，不斷在這三種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。16進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖 運(yùn)行狀態(tài)等待狀態(tài) 就緒狀態(tài) 進(jìn)程調(diào)度 等待資源時(shí)間用完獲得資源 進(jìn)程調(diào)度 程序 來(lái)自作業(yè) 調(diào)度 交作業(yè) 管理173、進(jìn)程管理進(jìn)程管理的核心是進(jìn)程的控制和調(diào)度。進(jìn)程控制 對(duì)系統(tǒng)中全部進(jìn)程實(shí)行有效的管理；如創(chuàng)建新進(jìn)程、撤消已結(jié)束進(jìn)程。進(jìn)程調(diào)度 在就緒隊(duì)列中選擇哪個(gè)進(jìn)程投入運(yùn)行。184。進(jìn)程控制塊PCB進(jìn)程的組成 程序+數(shù)據(jù)集合+ PCBPCB系統(tǒng)為創(chuàng)建的新進(jìn)程建立一個(gè)PCB進(jìn)程的唯一標(biāo)識(shí)記錄該進(jìn)程的運(yùn)行變化過(guò)程 系統(tǒng)通過(guò)PCB對(duì)進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。PCB的組成 1) 進(jìn)程

8、標(biāo)識(shí)符 2) 進(jìn)程現(xiàn)行狀態(tài)、 3) 中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū) 4) 進(jìn)程使用資源表 5) 進(jìn)程優(yōu)先級(jí) 6) 進(jìn)程家族信息19PCB的組織形式PCB是定長(zhǎng)記錄, 在隊(duì)列中采用兩種組織方式。(1) 線性表結(jié)構(gòu) 1、簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn) 2、插入、刪除操作費(fèi)時(shí)(2) 鏈表結(jié)構(gòu) 1、插入、刪除操作簡(jiǎn)單 2、需要額外的存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜 20PCB線性表結(jié)構(gòu) PCB1PCB2PCB3PCB4PCBiPCBi+1PCBi+2 就緒表 等待表 就緒表起始地址等待表起始地址21PCB鏈表結(jié)構(gòu) 運(yùn)行隊(duì)列 就緒隊(duì)列 等待隊(duì)列PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB225. 進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)及功能進(jìn)程調(diào)度任務(wù) 按一定的算法，動(dòng)態(tài)地

9、將處理機(jī)分配給就緒隊(duì)列中的某個(gè)進(jìn)程，使之執(zhí)行。進(jìn)程調(diào)度功能記錄系統(tǒng)中所有進(jìn)程的狀態(tài)、優(yōu)先數(shù)和所用資源的情況。當(dāng)CPU空閑時(shí)，按一定的算法將CPU分配給某一進(jìn)程、并確定CPU時(shí)間片的長(zhǎng)度。動(dòng)態(tài)地調(diào)度進(jìn)程、修改進(jìn)程的狀態(tài)、以及修改相應(yīng)的排隊(duì)隊(duì)列。23進(jìn)程調(diào)度方式剝奪方式 當(dāng)“重要“或”系統(tǒng)“的進(jìn)程出現(xiàn)時(shí)，暫停正在執(zhí)行的進(jìn)程，立即將CPU分配給“重要”或”系統(tǒng)“的進(jìn)程。非剝奪方式 讓正在執(zhí)行的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，直到該進(jìn)程完成或發(fā)生其它事件，而改變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)后，才移交CPU控制權(quán)。 24進(jìn)程調(diào)度算法調(diào)度算法的原則 1、較少CPU空閑時(shí)間,提高資源利用率； 2、對(duì)一般作業(yè)采用較合理的平均響應(yīng)時(shí)間； 3、應(yīng)避

10、免有的作業(yè)長(zhǎng)期得不到響應(yīng)的情況。常用的算法 優(yōu)先數(shù)法,時(shí)間片輪流法,分級(jí)調(diào)度法.確定優(yōu)先數(shù)的方法 靜態(tài)優(yōu)先和動(dòng)態(tài)優(yōu)先25靜態(tài)與動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法靜態(tài)優(yōu)先數(shù)法在系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)確定的，確定后在進(jìn)程運(yùn)行期間不再改變。動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法 進(jìn)程優(yōu)先數(shù)在進(jìn)程運(yùn)行中，隨進(jìn)程特性的變化不斷修改。DOS是單用戶、單任務(wù)，進(jìn)程獨(dú)享系統(tǒng)資源，不需要復(fù)雜的調(diào)度管理和算法。26UNIX的進(jìn)程管理 UNIX是多用戶、多任務(wù)的OS。它將進(jìn)程狀態(tài)細(xì)分為六種。運(yùn)行狀態(tài)1暫停狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)2終止?fàn)顟B(tài)睡眠狀態(tài)高優(yōu)先 低優(yōu)先等待狀態(tài)喚醒就緒狀態(tài)選中落選撤消掛起置運(yùn)行跟蹤27WINDOWS98的進(jìn)程管理1) 進(jìn)程和線程相結(jié)合: 每個(gè)進(jìn)程至少包括一個(gè)

11、線程，在執(zhí)行時(shí)給每個(gè)線程分配時(shí)間片。2) 多任務(wù)OS，采用搶占式的調(diào)度算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作。3) 兩種調(diào)度程序 主調(diào)度程序: 選擇最高優(yōu)先級(jí)的線程運(yùn)行 時(shí)間片調(diào)度程序 依據(jù)線程的處理順序及虛擬機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，分配一個(gè)時(shí)間片給被選線程，并執(zhí)行。28三、內(nèi)存管理內(nèi)存地址空間: 物理地址空間不同系統(tǒng)下的尋址能力: 系統(tǒng) 地址線 尋址能力8086/8088 20 220=1M 80286 24 16M 80386及以后 32 4G內(nèi)存的分區(qū)；OS區(qū)和用戶程序區(qū)。291. 內(nèi)存管理的主要功能存儲(chǔ)分配和釋放 對(duì)用戶程序區(qū)存儲(chǔ)空間的擴(kuò)充 用于所需存儲(chǔ)空間大于可用主存容量， 采用自動(dòng)覆蓋和虛擬存儲(chǔ)地址變換 程序

12、語(yǔ)言的符號(hào)地址空間(邏輯地址)到物理地址的轉(zhuǎn)換,也稱為重定位。存儲(chǔ)保護(hù) 多道程序系統(tǒng)中，系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程間、用戶和用戶進(jìn)程間的存儲(chǔ)空間的保護(hù),依靠硬件實(shí)現(xiàn)。30存儲(chǔ)管理方法 單一連續(xù)區(qū)分配法 多連續(xù)區(qū)分配法 頁(yè)式管理 段式管理312. 單一連續(xù)區(qū)分配法分配方式 1) 靜態(tài)分配 在作業(yè)裝入前，一次性將邏輯地址全部轉(zhuǎn)換為絕對(duì)地址,執(zhí)行過(guò)程中不再改變。 特點(diǎn): 要求分配連續(xù)空間2) 動(dòng)態(tài)分配 在執(zhí)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)硬件的地址變換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)32單一連續(xù)區(qū)分配法示意圖 已分配空間OS區(qū)域用戶區(qū)域自由空間 特點(diǎn)： 定位容易，使用簡(jiǎn)單 但在多道程序處理 情況下，主存資源 利用率低33單一連續(xù)區(qū)分配法示

13、意圖 基地址=2000CPU+操作系統(tǒng) 自由空間用戶區(qū)域主存空間定位寄存器邏輯地址=1500 2000 3500絕對(duì)地址絕對(duì)地址=基地址+邏輯地址343. 多連續(xù)區(qū)分配法概念 把主存空間劃分為若干個(gè)連續(xù)的區(qū)域,每個(gè)區(qū)域運(yùn)行一個(gè)程序。硬件支持 增加邊界寄存器LOW、UP，確定分塊的上、下邊界。方法 固定分區(qū)和變長(zhǎng)分區(qū)35固定分區(qū)（多連續(xù)分區(qū)）1) 主存劃分為幾個(gè)固定大小的連續(xù)區(qū)域；2) 建立分配表，記錄每個(gè)分區(qū)的大小、區(qū)號(hào)、起始地址、及占用標(biāo)志等信息。 3) 作業(yè)調(diào)度時(shí)，根據(jù)作業(yè)表來(lái)確定程序的重定位地址。36固定分區(qū)示意圖 區(qū)號(hào)長(zhǎng)度 起址狀態(tài)1 8K 20K 已分2 14K 30K 已分3 28

14、K 50K 已分4 76K 80K 未分分 區(qū) 表操作系統(tǒng)作業(yè)A作業(yè)B作業(yè)C第1分區(qū)第2分區(qū)第3分區(qū)未分區(qū)20K30K50k80K主存“碎片”37固定分區(qū)法特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 管理調(diào)度簡(jiǎn)單、分區(qū)策略適合于工作負(fù)荷比較確定的系統(tǒng)。 缺點(diǎn)： 主存”碎片”太多。38變長(zhǎng)分區(qū)（多連續(xù)分區(qū)）概念 根據(jù)要裝入作業(yè)的實(shí)際大小劃分區(qū)域，且分區(qū)個(gè)數(shù)也可以調(diào)整；用兩張表管理主存：已分配分區(qū)表P和未分配分區(qū)表F。優(yōu)點(diǎn)：主存“碎片”較小；缺點(diǎn)： 1) 選擇剩下的空白區(qū)較小，無(wú)法使用； 2) 尋找一個(gè)較大的空白區(qū)費(fèi)時(shí) 3) 需歸并主存“碎片”,移動(dòng)信息39多連續(xù)區(qū)分配法示意圖 已分配分區(qū)表P未分配分區(qū)表 F區(qū)號(hào) 長(zhǎng)度 起始地址

15、 狀態(tài) 1 8K 20K 已分 2 16K 28K 已分 3 - 空表目 4 124K 108K 已分區(qū)號(hào) 長(zhǎng)度 起始地址 狀態(tài) 1 64K 44K 可用 2 24K 232K 可用 3 - 空表目 4 5 操作系統(tǒng) 作業(yè)1 作業(yè)220K28K 5 44K 可用分區(qū)1108K 操作系統(tǒng) 可用分區(qū)1 作業(yè)3 可用分區(qū)2232K404. 分頁(yè)管理頁(yè) 作業(yè)地址空間劃分的等長(zhǎng)單位塊 主存空間劃分的等長(zhǎng)的單位頁(yè)表 地址重定位表, 記錄頁(yè)號(hào)與該頁(yè)在主存中的塊號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。分頁(yè)管理 作業(yè)中的邏輯地址通過(guò)動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換機(jī)制 轉(zhuǎn)換為物理地址： 頁(yè)號(hào)，頁(yè)內(nèi)地址 塊號(hào)，塊內(nèi)地址 特點(diǎn): 可以將作業(yè)分配在不連續(xù)的物理空

16、間。 41分頁(yè)管理法示意圖 作業(yè)號(hào) 頁(yè)表長(zhǎng) 頁(yè)表起址 狀態(tài) 2 3 1032 已分 1 3 1024 已分 3 2 1040 已分 4 空表目 作業(yè)表JT作業(yè)A作業(yè)B作業(yè)C頁(yè)號(hào) 塊號(hào)頁(yè)號(hào) 塊號(hào)頁(yè)號(hào) 塊號(hào)0 4 1 5 2 60 71 100 2 1 3 2 8 42動(dòng)態(tài)地址變換示意圖 控制寄存器 作業(yè)地址空間 作業(yè)頁(yè)表1 2 3 4LOAD 1，2500頁(yè)表長(zhǎng)度 頁(yè)表始址有效地址 2 452頁(yè)號(hào) 塊號(hào)0 41 62 8 8 452頁(yè)號(hào)邏輯地址=21024+452 =2500 1 100 1K 2K 2500 3K物理地址= 81024+452=8644 塊大小=1024 頁(yè)大小=1024 43

17、5. 分段管理段 將程序劃分為相互獨(dú)立、具有一定邏輯功能的模塊、且分別按名單獨(dú)存放，這些模塊稱為段。段內(nèi)地址(邏輯地址) 由段號(hào)和段內(nèi)偏移量確定段表 系統(tǒng)為每個(gè)作業(yè)建立的表格,一個(gè)表項(xiàng)由段號(hào)、段長(zhǎng)度、段起始地址組成。44分段管理示意圖6 0 1K 0100500 0300 0200LOAD 1，1|100 Y：12345C：0段1段2段3段段號(hào)長(zhǎng)度 起始地址 0 1K 6K 1 500 8K 2 300 4K 3 200 9200分段地址空間分段表OSDATALOAD1，1| 100主程序SUBWORK12345主存空間45分段管理特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 便于模塊化處理 便于動(dòng)態(tài)連接 便于分段共享缺點(diǎn)：