VFP第10章软件技术基础-操作系统.ppt

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1、一.操作系统概述 一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。软件系统由系统软件和应用软件构成，其中，操作系统是最重要的系统软件。,操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充，其他软件都必须要在操作系统的支撑下才能工作。操作系统是硬件与所有其他软件的接口，是整个计算机系统的控制和管理中心。,1.操作系统的发展随着计算机硬件发展与应用领域的不断扩大，从50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。手工操作阶段；批量处理阶段；操作系统形成阶段；操作系统的标准化阶段,50年代末期前的第一代计算机，尚未出现操作系统，程序员必须手动操作计算机：如装入卡片或纸

2、带，按电钮，查看存储单元等。手工操作阶段最突出的缺点：当一个用户开始操作后，全部计算机资源都归他占用，直到下机时才把这些资源转让给下一用户；操作是联机的，输入输出也是联机的，因此从上机到下机的时间很长。,为了减少用户从上机到下机的时间，开始出现了批量处理，其特点是：用户不用与计算机直接打交道，而是通过专门的操作员来完成作业的输入和输出。随着外围设备的迅速发展，又出现脱机批量处理，即主机直接与磁盘通信。,多道程序和分时系统，标志着操作系统的形成。多道程序设计：指同时把若干个作业存放在内存中，并且同时处于执行过程中。但在某时刻只能有一个程序占用CPU执行。如，有A和B两个作业，A在占用CPU时，若

3、发生中断，则可以让B占用CPU。分时系统：是在一台计算机上，连接若干个终端，用户通过这些联机终端设备采用交互方式把程序和数据输入到计算机中，并同时控制程序的执行。,计算机硬件的发展带动了软件的发展，进入20世纪80年代以后，操作系统的发展归结为以下三方面：微机操作系统，如WINDOWS 2000，WINDOWS XP等并行操作系统，如美国的多机操作系统Mach。操作系统标准化，70年代止今是操作系统向标准化发展的时期。,2.操作系统的基本特征 并发性：指多个事件同时发生。在多道程序系统中，多道程序同时驻留内存，它们轮流交替被CPU所调用，从宏观上看，它们“同时”处于运行状态，称为多道程序并发执

4、行。因此，并发性是一种宏观上的“同时”概念。共享性：指多道程序或多个用户共同使用有限的资源。共享性是现代操作系统最大特点，操作系统的主要职能之一就是组织好资源的共享，使系统资源得到高效利用。,共享的两种方式：互斥共享(顺序共享)，在一段时间内只允许一个进程访问某种资源，只有当访问结束、资源释放后，才允许另一个进程访问。并发访问(同时访问)，在一段时间内允许有多个进程同时使用某种资源，但在某一时刻该资源只能被一个进程访问，即多个进程对该资源的访问是交替进行的。并发与共享是操作系统两个最基本特征，资源共享是程序并发执行的必然结果，只有有效管理资源共享，才能实现和保证程序的并发执行。,虚拟性：虚拟的

5、含义是把物理设备的一个变为逻辑上的多个。例如，将一个物理CPU，虚拟为多个CPU；将一个统一编址的物理存储器变为多个逻辑上独立编址的虚拟存储器等。不确定性：由于操作系统内部各种的活动错综复杂，如中断发生的随机性，系统故障发生的随机性等。这些随机事件都将造成操作系统的不确定性。操作系统的不确定性是并发与共享的必然结果。,3.操作系统的分类批处理操作系统 批处理工作方式指多个用户作业首先排列成一个队列，作业调度程序从该队列中选取一个或多个作业装入内存运行。具有资源利用率高，系统吞吐量大的优点。缺点是系统交互性差，修改调试困难。,批处理单道操作系统 每次只有一个作业装入计算机系统的主存运行。批处理多

6、道操作系统 允许多个作业同时装入主存，充分利用计算机的系统资源，缩短了作业的执行时间，提高了系统的吞吐率。多道批处理的运行特点：多道：内存中同时存放几个作业；宏观上并行：都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行：各作业交替使用CPU。,分时操作系统 分时工作方式指多个用户对系统资源进行时间上的分享，即允许多个用户同时联机与计算机系统进行一系列的交互。分时系统特点：多路性 系统采用“时间片轮转法”分配计算机的CPU，所有终端用户轮流享用一个时间片的CPU时间。(一个CPU时间，以毫秒计)，每个作业一次只在CPU上执行一个时间片。,交互性 每个用户都可以在终端上交互请求系统服务，等待计算机的处理结

7、果并决定下一步的处理。交互性是分时系统的主要特性。独立性 用户在各自的终端上工作互不干扰，由于“时间片”很短，使得每个用户感到自己独占一台支持自己请求服务的计算机系统。响应时间：指用户发出终端命令到系统响应所需时间，它是衡量分时系统性能的主要指标。,实时操作系统 实时即立即、及时，指系统能及时响应随机发生的外部事件，并以足够快的响应速度完成对该事件的处理。实时系统特点:及时响应。实时系统主要特点是“及时响应”，它能及时地响应外部文件的请求，并在严格规定的时间内完成对该文件的处理。,高可靠性。为了提高实时系统的可靠性，软硬件都必须采取相应的措施加以保证。实时系统的控制处理对象往往是重要的经济或军

8、事目标，一旦发生错误或信息丢失，会造成重大经济损失或导至灾难性后果。较强的过载防护能力。在支持多任务的实时系统中，当实时任务启动的数目在某些时刻超出系统的处理能力时，系统要通过相应的措施(比如延迟或丢弃不重要的任务)来保证实时性强的重要任务能及时处理。,网络操作系统 计算机网络是通过通信设施将若干本地或远程的独立的计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、互操作与协作处理的系统。网络系统主要具有两大功能：提供高效、可靠的网络通信功能。由于网络上计算机(或计算机系统)的特性不同，数据表示格式及其他方面的要求不同，在相互通信时的约定，称为通信协议或规程。,提供多种网络服务功能。如远程作业录入并进

9、行处理的服务功能；文件传输服务功能；电子邮件服务功能；远程打印服务功能等。网络操作系统分类：从网络地理范围上，可分为广域网操作系统和局域网操作系统；从提供的服务方式或控制方式，可分为客户机/服务器结构的网络操作系统和对等结构的网络操作系统。,分布式操作系统 分布式系统指多个处理机通过通信线路互连而构成的系统，系统的处理和控制功能分布在各个处理机上。,4.操作系统的功能 提供用户与计算机的接口，有效地控制和管理计算机的软、硬件资源，合理地调度计算机的工作流程，改善计算机系统的性能。从资源管理观点出发，操作系统功能分为：处理器管理 存储器管理 设备管理文件管理,处理机管理(进程管理)由于处理器管理

10、复杂，可分为静态管理和动态管理，一般将中央处理器管理又分为作业管理和进程管理两个部分。处理机管理，实质上是对处理机执行“时间片”的管理，即如何将CPU合理地分配给每个任务。,进程的概念：进程的定义：进程是一个可调度的指令集合，是系统进行资源分配和调度的一个独立的基本单位和实体，是执行一个映象程序的总体环境。它描述了系统内部状态，描述多个程序同时活动规律，是可并发执行程序在给定的数据集合上的执行过程。,进程的基本特征进程由进程控制块(PCB)、程序和数据集合三部分组成。动态性 进程是程序的一次执行过程、具有生命期，它在执行过程中可能由于某种原因而被暂时挂起，当条件满足时又可继续执行，直至完成而被

11、撤消，因此进程是动态的。,并发性 进程是可并发运行的单位，一个进程的第一个动作可以在另一个进程的动作结束之前开始。各个进程以“走走停停”的状态执行。独立性 进程是程序和数据集合的实体，是能被处理机调度运行的基本单位，各进程之间相对独立。异步性 各进程按照各自独立地，以不可预知的速度异步向前推进。,进程与程序既有区别又有联系：程序是一组有序指令，是指令集合及相关数据的静态描述；进程描述的是程序的动态行为。进程是程序的运行活动，当程序未被执行时，程序是存在的，而无进程而言。一个进程可以对应一个或多个程序(如：多道系统)，一个程序也可以对应一个或多个进程(如：并发执行程序)。程序可以脱离机器，作为一

12、种资源以文件的形式长期保存，而进程只是在机器运行中作为一次执行过程，进程具有生命期(创建，撤消)。,进程状态运行中的进程可以有三种基本状态：就绪状态、执行状态和等待状态。就绪状态(Ready)：处于就绪状态的进程已经获得除CPU以外的其他所需要资源，具备执行条件，但由于CPU被其他进程占用而暂时不能执行。通常系统中处于就绪状态的进程可以有多个。,执行状态(Executing)：当前进程占有CPU，并正在执行所属程序。在单CPU系统中最多只有一个进程处于执行状态。等待状态(Wait)：又称为“阻塞状态”，指进程由于等待某个事件(条件)的发生而暂时不能运行的状态。如内存等待，I/O等待，文件等待等

13、。系统中常常有多个等待进程。,进程状态转换 进程状态反映了进程执行过程的变化。进程在运行过程中，由于进展情况及外界条件的改变，三种基本状态会自动转化。如图三种基本状态间转换及转换原因。,具备执行条件并处于就绪状态的进程排在就绪队列中，等待处理机调度。当进程被处理机调度便处于执行状态；在执行过程中，若进程因请求I/O或其他服务则转入等待状态(阻塞状态)。另外，处于执行状态的进程用完了所分配的时间片，而未完成执行任务则从运行状态转变为就绪状态，等待处理机的下一次调度。,进程互斥与同步 进程互斥 指由多个进程竞争同一共享资源而产生的相互制约的关系。例如A，B两进程共享一台打印机，若A进程在打印过程中

14、，B进程又插进来打印，将会出现将A、B两进程的打印结果混杂在一起的错误。因此打印机这种共享资源，只能为一个进程所独用，只有当该进程打印结束并释放打印机后，其他进程才能使用。这种因共享资源而产生的间接制约关系称为“进程的互斥”。,进程同步 指进程之间通过执行时序上的某种限制而达到相互合作。例如A、B两个进程，A进程负责从键盘读数据到缓冲区，B进程负责从缓冲区读数据进行计算。显然，B进程只有等待A进程把数据送到缓冲区后才能计算，而A进程只有等待B进程发出取走缓冲区中数据的信息后才能继续从键盘向缓冲区中送数据。只有A、B两进程协同才能完成读数据及计算的工作。这种因相互合作而产生的直接制约关系称为“进

15、程的同步”。,进程死锁 进程死锁，指多个进程循环等待其它进程占有的资源而无限期地僵持下去的局面。在多个进程并发执行的情况下，如果对资源的管理使用不当，就会导致出现进程被阻塞的现象。致使若干进程彼此互相等待对方所拥有且又不放的资源，其结果是谁也无法得到继续运行所需的全部资源，因而永远等待下去。,产生死锁的原因：竞争资源引起的死锁：资源有限且系统对资源分配管理不当而引起死锁；进程推进顺序不合理：由于进程推进顺序不合理而引发死锁。产生死锁的必要条件：如果在计算机系统中同时具备下面4个必要条件时，就会发生死锁。换句话说，只要下面4个条件有一个不具备，系统就不会出现死锁。,互斥条件。某个资源在一段时间内

16、只能由一个进程占有，不能同时被两个或两个以上的进程占有。这种独占资源必须在占有该资源的进程主动释放它之后，其它进程才能占有该资源。不可抢占条件。进程所获得的资源在未使用完毕之前，资源申请者不能强行地从资源占有者手中夺取资源，而只能由该资源的占有者进程主动释放占有资源。,占有且申请条件。一个进程至少已占有一个资源，又申请另一新的资源；由于该资源已被另外进程占有，因此该进程阻塞。循环等待条件。一个进程等待序列P1等待P2所占有的某资源，P2等待P3所占有的某源，Pn等待P1所占有的的某资源，形成一个进程循环等待环。这四个条件在死锁时会同时发生。也就是说，只要有一个必要条件不满足，则死锁就可以排除。

17、,存储器管理存储器管理主要涉及内存管理，只有被装入内存的程序才有可能去竞争中央处理机。因此，有效地利用内存，可以保证中央处理机的使用效率。另外，操作系统利用虚拟内存技术，把内、外存结合起来，共同管理。,存储器管理功能：内存分配与释放 为程序分配内存空间，使多道程序共享内存，并回收释放的内存空间。存储保护 防止程序的错误破坏系统程序，保证各道程序的运行互不干扰。地址映射 将逻辑地址转换为物理地址的过程。在程序装入内存前通常是逻辑地址，操作系统要为其分配一个合适的存储空间。,内存扩充 指利用虚拟技术为用户提供一个比实际内存空间要大得多的虚拟内存空间。虚拟存储管理技术的实现方法有：分区储存管理分页存

18、储管理分段存储管理段页式存储管理,分区存储管理 分区存储管理的基本思想是把内存划分成若干个大小不等的连续区域，称为分区。每个作业可占用一个或多个分区。固定分区 将内存区划分为若干个大小相等或不等的区域。固定分区一旦划分后，在整个执行过程中每个分区的长度和内存的总分区个数将保持不变。,可变分区 在存储分配的过程中按作业的大小来划分分区，使分区大小可随作业对内存的要求而改变，同时分区的个数也可改变，从而提高了内存的利用率。,分页存储管理 将一个进程的逻辑地址空间划分成若干个大小相等的块，称为“页面或页号”。将物理地址空间也分成与页面相同大小的若干个存储块，称为“内存块或页框”。把逻辑地址上连续的页

19、面，通过页面地址转换可以映射到不连续上内存块中。,段式存储管理 段式存储管理是将作业划分成若干个段，并按照段来分配内存，以段作为内外存交换的单位。段页式存储管理 将分页式存储管理和段式存储管理结合起来，引入了段页式存储管理。段页式存储管理中对用户作业的地址空间进行分段，对每个段再进行分页来分配和管理内存。,设备管理设备管理包括对输入输出设备的分配、启动、完成和回收。设备管理负责管理计算机系统中除了中央处理机和主存储器以外的其它硬件资源，是系统重要资源。设备管理的主要任务：向用户提供使用外设的方便接口，完成用户I/O请求。控制CPU与设备之间的操作，提高其并行工作程度，充分发挥设备的使用效率。,

20、外部设备分为存储设备和输入/输出设备：存储设备 也称为外存或辅助存储器，它们通常由存取控制和信息裁体两部分构成。在这类设备上存储的信息，在物理上往往按字符块来组织的，因此，这类设备也块设备。如磁盘、磁带等都属块设备。,输入/输出设备 用于接收来自计算机的外部信息和将计算机的内部信息向外传送。这类设备上的信息，往往是以字符为单位组织的，并以字符为单位存取，故称这类设备为字符设备。如键盘、终端，打印机等都是字符设备。,输入输出(I/O)的控制方式外设与主机的信息交换方式一般分为3种：查询方式、中断方式和直接内存存取(DMA)。查询方式：这种方式中CPU的绝大部分时间都处于等待I/O完成的循环测试之

21、中，对CPU的利用造成极大浪费。中断处理方式：引入中断后，每当设备完成I/O操作后，它便以中断请求方式主动向CPU汇报。即当CPU一旦启动I/O设备后便可转去处理其他程序，仅在接到I/O中断请求时才花极少时间去处理。,直接内存存取(DMA)方式：中断处理方式提高了主机的利用率，但每次中断都要进行保存现场信息，恢复现场信息等，仍要占用主机时间。在传送数据量大、速度快的情况下，普遍采用直接内存存取DMA方式。,根据设备的使用性质可将设备分成独占设备、共享设备和虚拟设备。独占分配技术 把独占设备固定地分配给一个进程，直至该进程完成I/O操作并释放它为止。共享分配技术 每个进程只用共享设备的某一部分，

22、系统保证对这些不同的部分可方便检索，而且又互不干扰。虚拟分配技术 利用共享设备去模拟独占设备，从而使独占设备成为可共享的、快速I/O的设备。,SPOOIING技术 是一种虚拟设备管理技术。SPOOIING的实现思想用常驻内存的进程去模拟一台外围机，即一台主机同时承担虚拟设备技术中的两台外围机和一台主机的工作这个技术称为同时的外围设备联机操作，简称 SPOOLing 技术或假脱机技术。,虚拟现实(Virtual Reality)简称VR技术虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理技术等最新发展成果，利用计算机生成高技术模拟系统，既一种人为虚拟环境。

23、虚拟环境通过计算机图形构成三维数字模型，生成一个以视觉感受为主，可以直接观察、操作、触摸的综合可感知的人工环境，给人一种“身临其境”的感觉。,缓冲技术 由于计算机外设的发展可能出现通道不足而产生“瓶颈”现象，使并行受到限制。为了缓和CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，减少I/O设备对CPU的中断次数及放宽对CPU的中断响应时间要求，引入了缓冲技术。缓冲技术的基本思想：在内存中开辟一个或多个专用区域(缓冲区)，读数据时，系统从数据文件中读取数据，存储到数据缓冲区中；写数据时，系统从缓冲区中取数据再写入数据文件。,文件管理文件管理，又称信息管理。将逻辑上有完整意义的信息资源(程序和数据)以文件

24、的形式存放在外存储器上的，并赋予一个名字，称为文件。文件管理是操作系统对计算机系统中软件资源的管理。通常由操作系统中的文件系统来完成这一功能。文件系统是由文件、管理文件的软件和相应的数据结构组成。,文件系统的功能：文件管理；目录管理；文件存储空间的管理；实现对文件的各种操作；文件的共享和保护；提供方便的接口。,文件组织形式通常用户对文件的认识是从文件的组织方式来看待文件组织形式的，称为文件的逻辑组织。文件的逻辑结构 分为无结构的流式文件和有结构的记录式文件。系统设计人员考虑的是文件在存储设备中如何放置、如何组织、如何存取等细节，称为文件的物理组织。文件的物理组织 分为连续文件，链接文件和索引文

25、件三种文件的物理组织方式。,连续文件所占盘块连续；链接文件所占盘块不连续，前后链接；索引文件所占盘块不连续，用表列出。链接文件和索引文件可以不连续存放。,文件目录 一本书如果没有目录，读者要查找某章节的内容就必须从头到尾地进行翻阅，这显然是一件非常麻烦的事。如果将大量的文件或不同用户的文件都存放在一张磁盘的同一个目录内的话，使用起来将十分不方便，而且非常不安全。引入目录及多级目录的概念，就是把磁盘文件分门别类地存放在磁盘的不同位置，并给它们标以文件名，对文件按名存取，提高文件查找效率。,文件目录是文件系统的关键数据结构，用来组织文件卷上的文件以及对文件进行检索。每个目录项是一个文件控制块(FC

26、B)，它记录了文件说明和控制信息。使用多级目录结构，即目录树有利于实现文件共享及缩短检索的路径，提高检索的速度。,目录的基本组织方式：单级目录结构 所有文件在一个目录下二级目录结构 一个主文件目录加上多个用户文件目录树形目录结构 多级目录结构的一种形式，形同一棵倒置的树非循环图目录结构 又称带链接的树形目录，访问同一文件(或目录)可以有多条路径。如，UNIX的文件系统就是带链接的树形结构。,树型目录结构像一棵倒置的树。在树形目录结构中，从根目录到末端的数据文件之间只有一条惟一的路径，可以惟一的表示一个文件。ROOT(根目录)是树型目录结构的最高级目录，某一级的上一级目录称为父目录，它的下一级目

27、录称为子目录。,路径名两种形式：绝对路径名(全路径名)：恒从根目录开始到达所要查找文件的路径名。例如：C:HXXlNJ1B.TXT系统约定：以“”打头的路径名表示绝对路径名。,相对路径名从当前目录开始向下顺次查找文件的路径名。例如：设当前目录是C:HXXlNJ，则有：C:HXXlNJ1B.TXT系统约定：不以“”打头的路径名表示相对路径名。,作业管理一个作业，是用户请求计算机系统执行的一次独立的上机任务。作业由作业控制块(JCB)、程序集及数据集三部分构成。作业有4种基本状态。1)进入状态(提交状态)：用户输入作业信息。2)后备状态：控制块JCB进入后备队列排队，等待被作业调度程序调度运行。,3)运行状态：作业被分配需要的资源，然后调入内存，开始运行，直至结束。4)完成状态：作业正常结束或非正常终止，系统释放它占用的所有资源，清除有关的PCB和JCB，作业消亡。,