《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課件-計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第六章

第六章操作系統(tǒng)6.1操作系統(tǒng)概述6.2操作系統(tǒng)的功能6.3常用操作系統(tǒng)介紹

6.1操作系統(tǒng)概述6.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史

6.1操作系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件層次結(jié)構(gòu)，如圖6.1所示。操作系統(tǒng)是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對硬件系統(tǒng)的首次擴(kuò)充。操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)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程序的集合。6.1操作系統(tǒng)概述6.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用

1.操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）有效性。（2）方便性。（3）可擴(kuò)充性。（4）開放性。（5）安全性。2．操作系統(tǒng)的作用（1）操作系統(tǒng)作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口。（2）操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。

（3）操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對計(jì)算機(jī)資源的抽象。6.1操作系統(tǒng)概述3．推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的推動(dòng)力推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ切枨?，具體可歸結(jié)為以下四個(gè)方面：

（1）提高資源利用率的需求。

（2）方便用戶的需求。

（3）硬件的更新?lián)Q代。

（4）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展。6.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用6.1操作系統(tǒng)概述6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史

1.無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（1）人工操作方式

從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到20世紀(jì)50年代中期的計(jì)算機(jī)，屬于第一代計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)操作是由用戶(即程序員)采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，即由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(jī)(或卡片輸入機(jī))，再啟動(dòng)它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果之后，才讓下一個(gè)用戶上機(jī)。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn)：一是用戶獨(dú)占全機(jī)，即計(jì)算機(jī)及其全部資源只能由上機(jī)用戶獨(dú)占，二是CPU等待人工操作。當(dāng)用戶進(jìn)行裝帶(卡)、卸帶(卡)等人工操作時(shí)，CPU及內(nèi)存等資源是空閑的。6.1操作系統(tǒng)概述6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史

1.無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（2）脫機(jī)輸入/輸出方式這種脫機(jī)I/O方式的主要優(yōu)點(diǎn)如下：減少了CPU的空閑時(shí)間。提高了I/O速度。為了解決人機(jī)矛盾及CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了脫機(jī)輸入/輸出((Off-LineI/O)技術(shù)。該技術(shù)是事先將裝有用戶程序和數(shù)據(jù)的紙帶(或卡片)裝入紙帶輸入機(jī)(或卡片機(jī))，在一臺(tái)外圍機(jī)的控制下，把紙帶(卡片)上的數(shù)據(jù)(程序)輸入到磁帶上。當(dāng)CPU需要這些程序和數(shù)據(jù)時(shí)，再從磁帶上將其高速地調(diào)入內(nèi)存。圖6.4表示的就是脫機(jī)輸入/輸出過程。6.1操作系統(tǒng)概述6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史

2.單道批處理系統(tǒng)

（1）單道批處理系統(tǒng)的處理過程

（2）單道批處理系統(tǒng)的特征自動(dòng)性。在順利情況下，在磁帶上的一批作業(yè)能自動(dòng)地逐個(gè)地依次運(yùn)行，而無需人工干預(yù)。順序性。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)存的順序，在正常情況下應(yīng)完全相同，亦即先調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)先完成。單道性。內(nèi)存中僅有一道程序運(yùn)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)存運(yùn)行，當(dāng)該程序完成或發(fā)生異常情況時(shí)，才換入其后繼程序進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行。通常是把一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序(Monitor)，在它的控制下使這批作業(yè)能一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)處理。由于系統(tǒng)對作業(yè)的處理都是成批地進(jìn)行的，且在內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)，故稱此系統(tǒng)為單道批處理系統(tǒng)(SimpleBatchProcessingSystem)。6.1操作系統(tǒng)概述6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史

3.多道批處理系統(tǒng)（1）多道程序設(shè)計(jì)的基本概念

在該系統(tǒng)中，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個(gè)隊(duì)列，稱為“后備隊(duì)列”；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)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。具體地說，在操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可帶來以下好處：提高了CPU的利用率。提高了內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。增加了系統(tǒng)吞吐量。6.1操作系統(tǒng)概述（2）多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)資源利用率高。由于在內(nèi)存中駐留了多道程序，它們共享資源，可保持資源處于忙碌狀態(tài)，從而使各種資源得以充分利用。系統(tǒng)吞吐量大。系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的總工作量。能提高系統(tǒng)吞吐量的主要原因可歸結(jié)為：第一，CPU和其它資源保持“忙碌”狀態(tài)；第二，僅當(dāng)作業(yè)完成時(shí)或運(yùn)行不下去時(shí)才進(jìn)行切換，系統(tǒng)開銷小。平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長。作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開始，直至其完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。在批處理系統(tǒng)中，由于作業(yè)要排隊(duì)，依次進(jìn)行處理，因而作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間較長，通常需幾個(gè)小時(shí)，甚至幾天。無交互能力。用戶一旦把作業(yè)提交給系統(tǒng)后，直至作業(yè)完成，用戶都不能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，這對修改和調(diào)試程序是極不方便的。

（3）多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題處理機(jī)管理問題。內(nèi)存管理問題。I/O設(shè)備管理問題。文件管理問題。作業(yè)管理問題。6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史6.1操作系統(tǒng)概述6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史4.分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)是指在一臺(tái)主機(jī)上連接了多個(gè)帶有顯示器和鍵盤的終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶通過自己的終端，以交互方式使用計(jì)算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。

（1）分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生分時(shí)系統(tǒng)被經(jīng)常應(yīng)用于查詢系統(tǒng)中，滿足許多查詢用戶的需要。用戶的需求具體表現(xiàn)在這幾個(gè)方面：人機(jī)交互、共享主機(jī)、便于用戶上機(jī)。（2）分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時(shí)接收及時(shí)處理。（3）分時(shí)系統(tǒng)的特征多路性。允許在一臺(tái)主機(jī)上同時(shí)聯(lián)接多臺(tái)聯(lián)機(jī)終端，系統(tǒng)按分時(shí)原則為每個(gè)用戶服務(wù)。獨(dú)立性。每個(gè)用戶各占一個(gè)終端，彼此獨(dú)立操作，互不干擾。及時(shí)性。用戶的請求能在很短的時(shí)間內(nèi)獲得響應(yīng)。交互性。用戶可通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的人機(jī)對話。6.1操作系統(tǒng)概述6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史5.實(shí)時(shí)系統(tǒng)

所謂“實(shí)時(shí)”，是表示“及時(shí)”，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RealTimeSystem)是指系統(tǒng)能及時(shí)(或即時(shí))響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。（1）應(yīng)用需求

雖然多道批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)已能獲得較為令人滿意的資源利用率和響應(yīng)時(shí)間，從而使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，但它們?nèi)匀徊荒軡M足以下某些應(yīng)用領(lǐng)域的需要。實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)信息處理。（2）實(shí)時(shí)任務(wù)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中必然存在著若干個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，這些任務(wù)通常與某些外部設(shè)備相關(guān)，能反應(yīng)或控制相應(yīng)的外部設(shè)備，因而帶有某種程度的緊迫性?？蓮牟煌慕嵌葘?shí)時(shí)任務(wù)加以分類。按任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否呈現(xiàn)周期性來劃分，可分為周期性實(shí)時(shí)任務(wù)和非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。根據(jù)對截止時(shí)間的要求來劃分，可分為硬實(shí)時(shí)任務(wù)(HardReal-TimeTask)和軟實(shí)時(shí)任務(wù)(SoftReal-TimeTask)。6.1操作系統(tǒng)概述6.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展史（3）實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較實(shí)時(shí)系統(tǒng)有著與分時(shí)系統(tǒng)相似但并不完全相同的特點(diǎn)，可從五個(gè)方面進(jìn)行比較：多路性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)也按分時(shí)原則為多個(gè)終端用戶服務(wù)。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的多路性則主要表現(xiàn)在系統(tǒng)周期性地對多路現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，以及對多個(gè)對象或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。而分時(shí)系統(tǒng)中的多路性則與用戶情況有關(guān)，時(shí)多時(shí)少。獨(dú)立性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有獨(dú)立性。每個(gè)終端用戶在向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)提出服務(wù)請求時(shí)，是彼此獨(dú)立的操作，互不干擾；而且在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中信息的采集和對對象的控制也是彼此互不干擾的。及時(shí)性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求與分時(shí)系統(tǒng)類似，都是以人所能接受的等待時(shí)間來確定的；而實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的及時(shí)性，則是以控制對象所要求的開始截止時(shí)間或完成截止時(shí)間來確定的，一般為秒級(jí)到毫秒級(jí)，甚至有的要低于100微秒。交互性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)雖然也具有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。它不像分時(shí)系統(tǒng)那樣能向終端用戶提供數(shù)據(jù)處理和資源共享等服務(wù)。可靠性。分時(shí)系統(tǒng)雖然也要求系統(tǒng)可靠，但相比之下，實(shí)時(shí)系統(tǒng)則要求系統(tǒng)具有高度的可靠性。因?yàn)槿魏尾铄e(cuò)都可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是無法預(yù)料的災(zāi)難性后果，所以在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，往往都采取了多級(jí)容錯(cuò)措施來保障系統(tǒng)的安全性及數(shù)據(jù)的安全性。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.1處理機(jī)管理功能6.2.2存儲(chǔ)器管理功能6.2.3設(shè)備管理功能6.2.4文件管理功能6.2.5操作系統(tǒng)與用戶之間的接口

6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.1處理機(jī)管理功能

處理機(jī)管理的主要功能是創(chuàng)建和撤消進(jìn)程(線程)，對多進(jìn)程(線程)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程(線程)之間的信息交換，以及按照一定的算法把處理機(jī)分配給進(jìn)程(線程)。1.進(jìn)程控制進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程，撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。進(jìn)程執(zhí)行時(shí)的間斷性，決定了進(jìn)程可能具有多種狀態(tài)，進(jìn)程的運(yùn)行情況如圖6.7所示。運(yùn)行中的進(jìn)程可能具有以下三種基本狀態(tài)。（1）就緒狀態(tài)（Ready）。進(jìn)程已獲得除處理器外的所需資源，等待分配處理器資源；只要分配了處理器進(jìn)程就可執(zhí)行。就緒進(jìn)程可以按多個(gè)優(yōu)先級(jí)來劃分隊(duì)列。（2）運(yùn)行狀態(tài)(Running)。進(jìn)程占用處理器資源；處于此狀態(tài)的進(jìn)程的數(shù)目小于等于處理器的數(shù)目。在沒有其他進(jìn)程可以執(zhí)行時(shí)(如所有進(jìn)程都在阻塞狀態(tài))，通常會(huì)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的空閑進(jìn)程。（3）阻塞狀態(tài)(Blocked)。由于進(jìn)程等待某種條件（如I/O操作或進(jìn)程同步），在條件滿足之前無法繼續(xù)執(zhí)行。該事件發(fā)生前即使把處理器資源分配給該進(jìn)程，也無法運(yùn)行。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.1處理機(jī)管理功能

2.進(jìn)程同步進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個(gè)進(jìn)程(含線程)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。有兩種協(xié)調(diào)方式：進(jìn)程互斥方式。多進(jìn)程(線程)在對臨界資源進(jìn)行訪問時(shí)，應(yīng)采用互斥方式，避免死鎖的產(chǎn)生，如圖6.8所示；進(jìn)程同步方式。這是指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程(線程)問，由同步機(jī)構(gòu)對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.1處理機(jī)管理功能

3.進(jìn)程通信

進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來實(shí)現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息交換。根據(jù)交換信息量的多少和效率的高低，進(jìn)程通信分為如下低級(jí)通信和高級(jí)通信。由于進(jìn)程的互斥和同步，需要在進(jìn)程間交換一定的信息，故不少學(xué)者將它們也歸為進(jìn)程通信，即低級(jí)通信。低級(jí)通信的特點(diǎn)是傳送信息量小、效率低、每次通信傳遞的信息量固定，若傳遞較多信息則需要進(jìn)行多次通信。高級(jí)通信可以提高信號(hào)通信的效率，傳遞大量數(shù)據(jù)，減輕程序編制的復(fù)雜度。高級(jí)通信有三種方式：共享內(nèi)存模式、消息傳遞模式和共享文件模式。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.1處理機(jī)管理功能

4.調(diào)度

在后備隊(duì)列上等待的每個(gè)作業(yè)都需經(jīng)過調(diào)度才能執(zhí)行。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步。作業(yè)調(diào)度。作業(yè)調(diào)度的基本任務(wù)是從后備隊(duì)列中按照一定的算法，選擇出若干個(gè)作業(yè)，為它們分配運(yùn)行所需的資源(首先是分配內(nèi)存)。在將它們調(diào)入內(nèi)存后，便分別為它們建立進(jìn)程，使它們都成為可能獲得處理機(jī)的就緒進(jìn)程，并按照一定的算法將它們插入就緒隊(duì)列。進(jìn)程調(diào)度。進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)是從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中，按照一定的算法選出一個(gè)進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，并為它設(shè)置運(yùn)行現(xiàn)場，使進(jìn)程投入執(zhí)行。值得提出的是，在多線程操作系統(tǒng)中，通常是把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和分配處理機(jī)的基本單位，為此，須把就緒線程排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，是從就緒線程隊(duì)列中選出一個(gè)線程，把處理機(jī)分配給它。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.2存儲(chǔ)器管理功能

存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)是為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)器的利用率以及能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。為此，存儲(chǔ)器管理應(yīng)具有內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射和內(nèi)存擴(kuò)充等功能。內(nèi)存分配

內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配內(nèi)存空間，使它們“各得其所”；提高存儲(chǔ)器的利用

率，以減少不可用的內(nèi)存空間；允許正在運(yùn)行的程序申請附加的內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)增長的需要。為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，在內(nèi)存分配的機(jī)制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能：內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)存分配功能。內(nèi)存回收功能。

操作系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配時(shí)，可采取靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配兩種方式。在靜態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時(shí)確定的；在作業(yè)裝入后的整個(gè)運(yùn)行期間，不允許該作業(yè)再申請新的內(nèi)存空間，也不允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動(dòng)”。在動(dòng)態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)所要求的基本內(nèi)空間也是在裝入時(shí)確定的，但允許作業(yè)在運(yùn)行過程中繼續(xù)申請新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)增長，也允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動(dòng)”。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.2存儲(chǔ)器管理功能

2.內(nèi)存保護(hù)

內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行，彼此互不干擾；絕不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)；也不允許用戶程序轉(zhuǎn)移到非共享的其它用戶程序中去執(zhí)行。

為了確保每道程序都只在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行，必須設(shè)置內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。一種比較簡單的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制是設(shè)置兩個(gè)界限寄存器，分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界。系統(tǒng)須對每條指令所要訪問的地址進(jìn)行檢查，如果發(fā)生越界，便發(fā)出越界中斷請求，以停止該程序的執(zhí)行。如果這種檢查完全用軟件實(shí)現(xiàn)，則每執(zhí)行一條指令，便須增加若干條指令去進(jìn)行越界檢查，這將顯著降低程序的運(yùn)行速度。因此，越界檢查都由硬件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，對發(fā)生越界后的處理，還須與軟件配合來完成。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.2存儲(chǔ)器管理功能

3.地址映射

一個(gè)應(yīng)用程序(源程序)經(jīng)編譯后，通常會(huì)形成若干個(gè)目標(biāo)程序；這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接便形成了可裝入程序。這些程序的地址都是從“0”開始的，程序中的其它地址都是相對于起始地址計(jì)算的。由這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間”，其中的地址稱為“邏輯地址”或“相對地址”。此外，由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內(nèi)存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從“0”地址開始裝入內(nèi)存，這就導(dǎo)致地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不一致。為使程序能正確運(yùn)行，存儲(chǔ)器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址。該功能同樣應(yīng)在硬件的支持下完成，如圖6.9所示。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.2存儲(chǔ)器管理功能

4.內(nèi)存擴(kuò)充

存儲(chǔ)器管理中的內(nèi)存擴(kuò)充任務(wù)并非是去擴(kuò)大物理內(nèi)存的容量，而是借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多，以便讓更多的用戶程序并發(fā)運(yùn)行。這樣，既滿足了用戶的需要，又改善了系統(tǒng)的性能。因此，只需增加少量的硬件。為了能在邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存，操作系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制，用于實(shí)現(xiàn)下述的功能：請求調(diào)入功能。允許在裝入一部分用戶程序和數(shù)據(jù)的情況下，便能啟動(dòng)該程序運(yùn)行。在程序運(yùn)行過程中，若發(fā)現(xiàn)要繼續(xù)運(yùn)行時(shí)所需的程序和數(shù)據(jù)尚未裝入內(nèi)存，可向操作系統(tǒng)發(fā)出請求，由操作系統(tǒng)從磁盤中將所需部分調(diào)入內(nèi)存，以便繼續(xù)運(yùn)行。置換功能。若發(fā)現(xiàn)在內(nèi)存中已無足夠的空間來裝入需要調(diào)入的程序和數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能將內(nèi)存中的一部分暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)調(diào)至盤上，以騰出內(nèi)存空間，然后再將所需調(diào)入的部分裝入內(nèi)存。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.3設(shè)備管理功能

設(shè)備管理是指管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備(圖6.10)，其目的是完成用戶進(jìn)程提出的I/O請求，為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備，提高CPU和I/O設(shè)備的利用率，提高I/O速度，以及方便用戶使用I/O設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理、設(shè)備分配和設(shè)備處理等功能。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.3設(shè)備管理功能

1.緩沖管理CPU運(yùn)行的高速性和I/O低速性之間的矛盾自計(jì)算機(jī)誕生時(shí)起便已存在了。而隨著CPU速度迅速提高，使得此矛盾更為突出，嚴(yán)重的降低了CPU的利用率。如果在I/O設(shè)備和CPU之間引入緩沖，則可有效地緩和CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量。因此，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，都無一例外地在內(nèi)存中設(shè)置了緩沖區(qū)，而且還可通過增加緩沖區(qū)容量的方法來改善系統(tǒng)的性能。

對于不同的系統(tǒng)，可以采用不同的緩沖區(qū)機(jī)制。最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制、能實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制，以及能供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩沖池機(jī)制。上述這些緩沖區(qū)都將由操作系統(tǒng)中的緩沖管理機(jī)制來管理。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.3設(shè)備管理功能

2.設(shè)備分配設(shè)備分配的基本任務(wù)是根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O請求、系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況以及按照某種設(shè)備的分配策略，為之分配其所需的設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間還存在著設(shè)備控制器和I/O通道時(shí)，還須為分配出去的設(shè)備分配相應(yīng)的控制器和通道。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配，系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置設(shè)備控制表、控制器控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄設(shè)備及控制器的標(biāo)識(shí)符和狀態(tài)。根據(jù)這些表格可以了解指定設(shè)備當(dāng)前是否可用，是否忙碌，以供進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)參考。在進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)，應(yīng)針對不同的設(shè)備類型而采用不同的設(shè)備分配方式。對于獨(dú)占設(shè)備(臨界資源)的分配，還應(yīng)考慮到該設(shè)備被分配出去后系統(tǒng)是否安全。在設(shè)備使用完后，應(yīng)立即由系統(tǒng)回收。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.3設(shè)備管理功能

3.設(shè)備處理

設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其基本任務(wù)是用于實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，即由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之，由CPU接收從控制器發(fā)來的中斷請求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。

處理過程是：設(shè)備處理程序首先檢查I/O請求的合法性，了解設(shè)備狀態(tài)是否是空閑的，了解有關(guān)的傳遞參數(shù)及設(shè)置設(shè)備的工作方式。然后，便向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)由控制器發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)該中斷請求的類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。對于設(shè)置了通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，設(shè)備處理程序還應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.4文件管理功能

文件管理的主要任務(wù)是對用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。為此，文件管理應(yīng)具有對文件存儲(chǔ)空間的管理、目錄管理、文件的讀/寫管理和文件保護(hù)等功能。1.文件存儲(chǔ)空間的管理

為了方便用戶的使用，對于一些當(dāng)前需要使用的系統(tǒng)文件和用戶文件，都必須放在可隨機(jī)存取的磁盤上。在多用戶環(huán)境下，若由用戶自己對文件的存儲(chǔ)進(jìn)行管理，不僅非常困難，而且也必然是十分低效的。因而，需要由文件系統(tǒng)對諸多文件及文件的存儲(chǔ)空間實(shí)施統(tǒng)一的管理。其主要任務(wù)是為每個(gè)文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的存、取速度。

為此，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄文件存儲(chǔ)空間的使用情況，以供分配存儲(chǔ)空間時(shí)參考；系統(tǒng)還應(yīng)具有對存儲(chǔ)空間進(jìn)行分配和回收的功能。為了提高存儲(chǔ)空間的利用率，對存儲(chǔ)空間的分配，通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭，并以盤塊為基本分配單位。盤塊的大小通常為1~8KB。6.2操作系統(tǒng)的功能6.2.4文件管理功能

2.目錄管理

為了使用戶能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)目錄項(xiàng)。目錄項(xiàng)包括文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等。由若干個(gè)目錄項(xiàng)又可構(gòu)成一個(gè)目錄文件。目錄管理的主要任務(wù)是為每個(gè)文件建立其目錄項(xiàng)，并對眾多的目錄項(xiàng)加以有效的組織，以實(shí)現(xiàn)方便的按名存取，即用戶只須提供文件名便可對該文件進(jìn)行存取。其次，目錄管理還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)文件共享，這樣，只須在外存上保留一份該共享文件的副本。此外，還應(yīng)能提供快速的目錄查詢手段，以提高對文件的檢索速