第4章操作系统剖析

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1、第4章 操作系统,4.1 操作系统概述 4.2 操作系统的功能 4.3 典型操作系统,OS屏蔽了计算机中几乎所有物理设备的技术细节，为使用、开发和运行其他软件提供了一个高效、可靠的平台。 OS非常庞大和复杂，它由许多程序模块组成,没有安装任何软件的计算机称为裸机, 裸机是无法使用的 操作系统是最重要的一种系统软件，所有计算机都要安装OS。,为什么需要操作系统？,为什么需要操作系统？,控制基本的输入/输出操作,分配系统中的资源,管理存储器空间,监测计算机运行和故障,维护计算机安全,手工操作阶段（没有操作系统的世界，第一代计算机 ） 资源独占、操作困难、人机矛盾严重 管理程序阶段 （第二代计算机）

2、 计算机自我管理、半自动化 操作系统阶段 （第三代计算机以后） - 自动化管理,4.1 操作系统概述,一、操作系统的形成,操作系统的概念： 管理和控制计算机软硬件资源的系统软件。,直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。 如同“计算机中的管家”,二、操作系统的概念与作用,操作系统是用户和计算机的接口。 操作系统是计算机硬件和其它软件的接口。,作用：,1、管理计算机系统中的各种资源,资源包括硬件和软件资源，操作系统承担系统资源管理的任务，负责对系统中的各类资源进行合理调度和分配，以提高各类资源的利用率。,2、为用户提供各种界面服务,操作系统提供了各种

3、形式的用户界面，使用户有一个好的工作环境。 为其它软件的开发提供必要的服务和相应的接口。,三、操作系统的分类,按硬件平台系统结构分类 单机OS、多机OS 按功能特征分类 批处理、分时、实时、个人、网络、分布式、嵌入式操作系统 按处理的任务数分类 单任务、多任务操作系统 按可同时使用OS的用户数分类 单用户、多用户操作系统 按用户界面分类 字符界面、图形界面,操作系统的分类体系,1.批处理系统 2.分时处理系统 3.实时系统 4.个人计算机操作系统 5.网络操作系统 6.分布式操作系统 7.嵌入式操作系统,三、操作系统的分类,1.批处理系统 （Batch Processing System）,功

4、能：操作人员将待处理的计算任务（作业）成批地装入计算机，由操作系统将作业按规定的格式组织好存入磁盘的指定区域，然后按照某种调度策略选择一个或几个搭配得当的作业调入内存加以处理。,目的： 提高系统资源利用率 增大作业吞吐量 实现作业流程的自动化,特点：“批量处理”,2.分时处理系统 （Time-sharing Processing System）,功能：允许多个用户同时联机使用计算机。 操作系统接收每个用户的命令，采用 “时间片轮转”的方式处理用户的服务 请求，使每个用户得以完成自己的任务。,特点：“时间片轮转”,时间片轮转,目的：多个用户同时联机使用计算机。,3.实时系统（Real Time

5、System）,功能：实时操作系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在规定的时间范围内完成对该事件的处理。 应用： 实时控制系统 实时信息处理系统,特点：实时响应,4.个人计算机操作系统 （PC-Operating System）,功能：此类系统采用有效的方法把相关文件组织成目录和文件。文件的传送、复制、删除，重命名等操作都很方便。,特点：为个人计算机安装的操作系统是一种联机交互的单用户操作系统。,单用户单任务 单用户多任务,5.网络操作系统 （Network Operating System）,功能：在传统的计算机操作系统上，按照网络体系结构协议标准扩充其功能，包括网络管理、通信、资源共享、

6、系统安全和多种网络应用服务等。 网络操作系统一般包括两个部分： 服务器部分 客户机部分,特点：管理网络资源。,6.分布式操作系统 （Distributed Operating System）,功能： 分布式操作系统是建立在网络操作系统之上，对用户屏蔽了系统资源的分布而形成的一个逻辑整体系统。 它负责分布式系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输，控制协调等工作，并为用户提供一个统一的操作界面，以便使用系统资源。 用户操作被指定在哪一台计算机上执行或使用哪一台计算机的资源，则是由操作系统完成的。,特点：用来管理分布式系统中的所有资源。,适用于分布式计算和处理。,7.嵌入式操作系统 （Embedd

7、ed Operating System）,功能：嵌入式操作系统是一种运行在嵌入式系统环境中的操作系统，它对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件、装置等资源进行协调、调度、指挥和控制。 应用： 工业控制、军事及民用设施。,特点：运行在嵌入式系统环境中。,嵌入式系统： 嵌入式系统用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源（如处理器、存储器等）非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。,如： 手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3 、数字相机、数字摄像机、 机顶盒、高清电视、游戏机、智能玩具、 交换机、路由器、数控设备或仪表、 汽车电子、家电控制系统、医疗仪器

8、、 航天航空设备等。,嵌入式系统应用：,4.2 操作系统的功能,操作系统的主要功能是有效地管理计算机系统资源，主要包括：,处理器管理,设备管理,作业管理,存储管理,文件管理,其他功能：,网络与通信 安全机制与设施资源 多媒体资源,一.处理器管理,实质上是对处理器执行“时间”的管理，即如何将CPU合理地分配给每个任务。 处理器管理是操作系统中最重要的管理功能。,在多道程序环境下，处理器的分配和运行都是以进程为基本单位的，因此对处理器的管理可以归结为对进程的管理。,一.处理器管理,WHT NOT：以程序为基本单位？,CPU,CPU,单道程序系统中程序的执行,多道程序系统中程序的执行,单道程序系统与

9、多道程序系统,操作系统引入进程的目的是为了描述和实现多道程序的并发执行。,P1,I1,C1,作业1,t1,t2,t3,t4,t5,t6,作业1,作业2,作业3,顺序 执行,并发 执行,宏观上同时执行,微观上交替执行,定义：进程是程序的执行活动。 进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程，可以申请和拥有系统资源。 进程是个可以独立调度的基本单位。 进程是一个动态的概念，是活动的，有产生、运行、消亡的过程。 程序和进程不是一一对应。 一个程序可以对应一个进程，也可以对应多个进程。反之，一个进程可以对应一个程序，也可以对应一个程序的一部分。,1.进程的概念,WHT NOT：以程序为基本单位？

10、,菜谱,做菜,程序,CPU呢？ 其他资源呢？,进程,静态,动态,执行,执行,厨师呢？ 材料呢？,2. 进程的基本特征,动态性 最基本的特征,并发性 最重要的特征,独立性,异步性,计算机中进程是什么样子？ 程序区（代码区） 数据区：包含进程执行时所需要的数据集和 工作区。 进程控制块PCB： 包括当前的活动状态,包括进程的名字、进程当前状态、进程优先级、CPU状态信息、程序地址和数据地址、资源信息、通信信息、链接指针等。,3.进程的组成,进程的执行过程是间歇性的，所以进程的状态也是不断变化的，一般来说进程有以下三个基本状态： (1)就绪状态 (2)执行状态 (3)等待状态,4.进程的状态,进程的

11、基本状态转换图,主要包括： 进程控制 进程同步 进程通信 进程调度,5.进程管理,（1）进程控制,进程控制的基本功能是创建和撤消进程以及控制进程状态的转换。 进程状态：就绪、运行、等待,（2）进程同步,进程同步是指对系统并发执行的进程进行协调。,（3）进程通信,进程间所进行的信息交换。,（4）进程调度,按照一定的算法从进程就绪队列中选出一个进程，把处理器分配给它，并使之运行。,6、线程,在任务管理器中可以观察各个进程的线程数。,为了更好地实现并发处理和共享资源， 提高CPU的利用率，目前许多操作系统对进程进行“细分”，一个进程可再分为多个线程。 目的： 实现并发处理和共享资源，提高CPU的利用

12、率。 UNIX：进程是CPU的分配单位 Windows：线程是CPU的分配单位,7. Windows的多任务处理,Windows系统采用“并发式多任务”方式支持多个应用程序的执行。 并发式多任务： 宏观上多任务同时执行 微观上CPU轮流处理多个任务,实例,Windows中的处理器管理,目的：让CPU轮流为所有任务服务 原则：公平性；优先级；负载均衡 方法： 按时间片轮转 （10-20ms为1个时间片 ） 按优先级调度,7.Windows的多任务处理,Windows任务栏：通常用户启动一个应用程序，就会在任务栏显示相应的任务按钮。 前台任务：当前接受用户输入的 Windows所对应的任务 后台任

13、务: 除前台任务外的其他任务,Windows的任务管理器： Ctrl+Alt+Del,系统中的任务和进程运行情况,在任务管理器中观察各个进程的线程数,二、存储管理,实质上是对存储空间的管理，主要是对内存的管理。提高内存的利用率和从逻辑上扩充内存。 主要包括以下四个方面的功能： （1）内存分配 （2）内存保护 （3）地址映射 （4）内存扩充,（1）内存分配,为每道程序分配足够完整运行的内存空间，而且要提高存储器的利用率。,内存分配机制应具备以下功能： 内存分配数据结构 内存分配功能 内存回收功能,（2）内存保护,保证各道程序都能在自己的内存空间运行而互不干扰，尤其防止用户程序侵犯操作系统的内存区

14、。,（3）地址映射,地址映射可使用户不必关心物理存储空间的分配细节，从而为用户编程提供方便。,将程序地址空间中的逻辑地址转换为 物理地址。,int a; float b; char c;,符号名空间,源程序,（4）内存扩充,利用虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使系统能够运行对内存需求量远比物理内存大的多的作业,机器只给了我们2G的内存 而我们却要用它去控制4G的地址空间,虚拟存储基本思想：,硬盘,利用硬盘上的一部分空间模拟内存，为用户提供一个比实际内存大得多的内存空间。,（4）内存扩充,虚拟存储器工作原理,磁盘中的虚拟内存: 硬盘中专门划出一个“交换区”，作为物理内存的补充，称为“虚拟内存

15、”,虚拟内存最大容量： 与CPU的寻址能力有关。如32位地址线，虚拟内存可达到4GB。 （232B）,页面文件：虚拟内存在indows中 称为页面文件。 （pagefile.sys),虚拟内存设置： 计算机+属性+高级系统设置+高级+性能,设备管理解决什么问题？ 对系统中的各种输入输出设备进行管理 处理用户（或应用程序）的输入/输出请求，方便、有效、安全地完成输入/输出操作,三、设备管理,对计算机系统中除了CPU和内存以外的所有I/O设备的管理。,三、设备管理,设备管理主要包括以下四个方面的功能：,（1）缓冲管理,（2）设备分配,（3）设备处理,（4）虚拟设备,（1）缓冲管理,外围设备和主机交

16、换信息时，要用缓冲来解决速度不匹配的矛盾，因此有必要对各种类型的缓冲进行管理。,CPU,内存,系统总线,I/O控制器,外存储器,输出设备,输入设备,I/O控制器,I/O控制器,主机,外设,缓冲,（1）缓冲管理,缓冲区是一个介于两个设备或设备与应用程序之间传递数据的存储区域。主要作用是提供给不同速度的设备之间传递数据。,（2）设备分配,对用户请求的设备按某种分配策略 进行分配； 将未获得所需设备的进程放进相应 设备的等待队列； 使用完的设备回收。,（3）设备处理,由设备处理程序完成，又称设备驱动程序，其基本任务是： 实现CPU和设备控制器之间的通信，由CPU向设备控制器发送I/O指令，启动指定的I/O设备； 完成用户规定的I/O操作； 及时响应设备发来的中断请求，并根据中断类型进行相应处理。,（4）虚拟设备,与独占设备相对 使某设备成为被多个用户共享的设备，使每个用户都感觉到自己在独占该设备，提高设备利用率。,Windows的设备管理器：计算机+属性,四、文件管理,1.什么