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1、1,第4章 操作系统基础,4.1 操作系统概述 一.基本概念计算机系统=硬件+软件硬件:构成计算机系统的物理部件和设备的总称。软件:程序及文档资料的总称。核心是系统软件；系统软件的核心是操作系统。,2,操作系统的两大基本职能,（1）面向机器 管理和控制计算机全部资源；目的：提高系统效率。（2）面向用户 提供人机界面 目的：提供便捷的操作环境,3,2.操作系统的五大功能,文件管理,进程管理,存储器管理,作业管理,设备管理,操作系统,4,3。操作系统的发展,1）早期阶段 无操作系统的裸机2）第2阶段-第1代操作系统程序员和操作员有了分工；摆脱手工操作方式，有批处理服务3）第3阶段-第二代操作系统新
2、技术的使用：多道程序，并行处理，通道技术、缓冲技术、中断技术等4）第4阶段-第三代操作系统 综合资源管理,5,4.常用的OS,(1)MS-DOS 字符界面、命令行方式(2)UNIX 中、小型机的OS(3)WINDOWS 多任务、图形界面的OS(4)WINDOWS NT 网络操作系统,6,5.操作系统的分类,1、按处理器特点 分时 分配CPU时间片，为多个用户服务 实时 在较短时间内响应用户要求2、按适用面分:专用OS和通用OS 3、按用户数量分：单用户和多用户 4、按任务处理方式分：交互式 和批处理 5、按硬件环境和控制方式分：集中式和分布式,7,二.CPU及进程管理,1、程序的有关概念程序
3、为解决某个问题用程序设计语言 编写的一系列指令的有序集合。程序的顺序执行 一个程序通常分为若干个具有一定独立性的程序段，这些程序段是按逻辑步骤编排的，只有当当前程序段执行完成后，才将控制权转交到下一个程序段。,8,程序顺序执行举例一,设有一个程序有三个程序段，分别执行 I（输入）、C（计算）和P（输出）操作。执行顺序为：I C P 逻辑顺序不能随意改变。,结果,数据,9,程序顺序执行举例二,假设有n个作业，每个作业都由三个程序段：输入段Ii、计算段Ci、输出段Pi。在早期单道程序系统中，作业执行流为：作业1 I1 C1 P1 作业2 I2 C2 P2 作业n In Cn Pn,作业执行顺序,1
4、0,（1）单道程序处理,一次只处理一个程序，该程序独享系统资源。特性 1、顺序性 按规定的顺序执行。2、封闭性 程序在执行过程中独享系统资源，不受外界因素的干扰和影响。3、可再现性 只要初始条件相同，无论以何种方式、速度、重复执行多少次，结果是相同的。,11,（2）多道程序处理,同时将多个程序装入内存并同时处理。特点:并发性设有三个程序，它们的执行步骤和顺序相同，都是输入Ii、计算Ci、输出Pi。1）当第1个程序的输入操作I1执行完、执行C1时，输入空闲，这时可执行第2个程序的输入I2；时间上，操作C1和I2重叠。2）当C1执行完、执行P1时，处理机空闲，若这时I2已完成，就可以执行C2，与此
5、同时，输入机又空闲，可以执行第3个程序的I3。这样，P1、C2和I3重叠。,12,程序并发执行举例,程序1：I1 C1 P1程序2：I2 C2 P2程序3：I3 C3 P3 图中，C1和I2、P1、C2和I3、P2和C3在时间上都是重叠的。,T,t1,t3,t2,13,单道和多道程序处理的区别,单道：各逻辑步骤之间的关系是确定的、不受外界影响。多道：并发处理存在直接或间接的相互依赖和相互制约的关系，从而使被处理的多道程序失去了程序固有的特性：封闭性、可再现性。,14,2、进程的概念,处理机管理 主要完成作业调度，进程调度和进程控制，实质是进程管理。进程的几种不同定义 进程是程序的一次执行；进程
6、是一个程序在给定活动空间和初始环境下，在一个处理机上的执行过程；进程是程序在一个数据集合上运行的过程。进程的生命周期 由“创建”而产生，由“调度”而执行，因得不到资源而“暂停”执行，最后由“撤消”而消亡,15,进程的性质,1）动态性 描述程序在执行过程中的全部活动；2）并发性 同时接受和处理多个进程；3）异步性 不同进程在逻辑上相互独立，有各自的运行“轨迹”；4）制约性 由于计算机资源是有限的，不同进程共享CPU和I/O通道及设备，因此相互制约,16,进程的状态,1）三种基本状态就绪 已经获得投入运行所必需的一切资源，一旦分配到CPU，就可以立即执行。运行 进程获得了CPU及其它一切所需资源，
7、处在运行之中的状态。等待 由于资源得不到满足，进程运行受阻，处于暂停状态，也称为阻塞状态。2）进程在生命周期中，不断在这三种状态之间进行转换。,17,进程状态转换示意图,运行状态,等待状态,就绪状态,进程调度,等待资源,时间用完,获得资源,进程调度 程序,来自作业 调度,交作业 管理,18,3、进程管理,进程管理的核心是进程的控制和调度。进程控制 对系统中全部进程实行有效的管理；如创建新进程、撤消已结束进程。进程调度 在就绪队列中选择哪个进程投入运行。,19,4。进程控制块PCB,进程的组成 程序+数据集合+PCBPCB系统为创建的新进程建立一个PCB进程的唯一标识记录该进程的运行变化过程 系
8、统通过PCB对进程进行控制和管理。PCB的组成 1)进程标识符 2)进程现行状态、3)中断现场保护区 4)进程使用资源表 5)进程优先级 6)进程家族信息,20,PCB的组织形式,PCB是定长记录,在队列中采用两种组织方式。(1)线性表结构 1、简单、易实现 2、插入、删除操作费时(2)链表结构 1、插入、删除操作简单 2、需要额外的存储空间，实现较复杂,21,PCB线性表结构,PCB1,PCB2,PCB3,PCB4,PCBi,PCBi+1,PCBi+2,就绪表,等待表,就绪表起始地址,等待表起始地址,22,PCB链表结构,运行队列,就绪队列,等待队列,PCB,PCB,PCB,PCB,PCB,
9、PCB,PCB,23,5.进程调度的任务及功能,进程调度任务 按一定的算法，动态地将处理机分配给就绪队列中的某个进程，使之执行。进程调度功能记录系统中所有进程的状态、优先数和所用资源的情况。当CPU空闲时，按一定的算法将CPU分配给某一进程、并确定CPU时间片的长度。动态地调度进程、修改进程的状态、以及修改相应的排队队列。,24,进程调度方式,剥夺方式 当“重要“或”系统“的进程出现时，暂停正在执行的进程，立即将CPU分配给“重要”或”系统“的进程。非剥夺方式 让正在执行的进程继续执行，直到该进程完成或发生其它事件，而改变为其它状态后，才移交CPU控制权。,25,进程调度算法,调度算法的原则
10、1、较少CPU空闲时间,提高资源利用率；2、对一般作业采用较合理的平均响应时间；3、应避免有的作业长期得不到响应的情况。常用的算法 优先数法,时间片轮流法,分级调度法.确定优先数的方法 静态优先和动态优先,26,静态与动态优先数法,静态优先数法在系统创建进程时确定的，确定后在进程运行期间不再改变。动态优先数法 进程优先数在进程运行中，随进程特性的变化不断修改。DOS是单用户、单任务，进程独享系统资源，不需要复杂的调度管理和算法。,27,UNIX的进程管理,UNIX是多用户、多任务的OS。它将进程状态细分为六种。,运行状态1,暂停状态,运行状态2,终止状态,睡眠状态,高优先 低优先,等待状态,唤
11、醒,就绪状态,选中,落选,撤消,挂起,置运行,跟踪,28,WINDOWS98的进程管理,1)进程和线程相结合:每个进程至少包括一个线程，在执行时给每个线程分配时间片。2)多任务OS，采用抢占式的调度算法来实现多任务操作。3)两种调度程序 主调度程序:选择最高优先级的线程运行 时间片调度程序 依据线程的处理顺序及虚拟机的当前状态，分配一个时间片给被选线程，并执行。,29,三、内存管理,内存地址空间:物理地址空间不同系统下的寻址能力:系统 地址线 寻址能力8086/8088 20 220=1M 80286 24 16M 80386及以后 32 4G内存的分区；OS区和用户程序区。,30,1.内存管
12、理的主要功能,存储分配和释放 对用户程序区存储空间的扩充 用于所需存储空间大于可用主存容量，采用自动覆盖和虚拟存储地址变换 程序语言的符号地址空间(逻辑地址)到物理地址的转换,也称为重定位。存储保护 多道程序系统中，系统进程和用户进程间、用户和用户进程间的存储空间的保护,依靠硬件实现。,31,存储管理方法,单一连续区分配法 多连续区分配法 页式管理 段式管理,32,2.单一连续区分配法,分配方式 1)静态分配 在作业装入前，一次性将逻辑地址全部转换为绝对地址,执行过程中不再改变。特点:要求分配连续空间2)动态分配 在执行过程中，动态实现。通过硬件的地址变换机构实现,33,单一连续区分配法示意图
13、,已分配空间,OS区域,用户区域,自由空间,特点：定位容易，使用简单 但在多道程序处理 情况下，主存资源 利用率低,34,单一连续区分配法示意图,基地址=2000,CPU,+,操作系统,自由空间,用户区域,主存空间,定位寄存器,逻辑地址=1500,2000,3500绝对地址,绝对地址=基地址+逻辑地址,35,3.多连续区分配法,概念 把主存空间划分为若干个连续的区域,每个区域运行一个程序。硬件支持 增加边界寄存器LOW、UP，确定分块的上、下边界。方法 固定分区和变长分区,36,固定分区（多连续分区）,1)主存划分为几个固定大小的连续区域；2)建立分配表，记录每个分区的大小、区号、起始地址、及
14、占用标志等信息。3)作业调度时，根据作业表来确定程序的重定位地址。,37,固定分区示意图,区号,长度,起址,状态,1 8K 20K 已分2 14K 30K 已分,3 28K 50K 已分4 76K 80K 未分,分 区 表,操作系统,作业A,作业B,作业C,第1分区,第2分区,第3分区,未分区,20K30K50k80K,主存“碎片”,38,固定分区法特点,优点：管理调度简单、分区策略适合于工作负荷比较确定的系统。缺点：主存”碎片”太多。,39,变长分区（多连续分区）,概念 根据要装入作业的实际大小划分区域，且分区个数也可以调整；用两张表管理主存：已分配分区表P和未分配分区表F。优点：主存“碎片
15、”较小；缺点：1)选择剩下的空白区较小，无法使用；2)寻找一个较大的空白区费时 3)需归并主存“碎片”,移动信息,40,多连续区分配法示意图,已分配分区表P,未分配分区表 F,区号 长度 起始地址 状态,1 8K 20K 已分,2 16K 28K 已分,3-空表目,4 124K 108K 已分,区号 长度 起始地址 状态,1 64K 44K 可用,2 24K 232K 可用,3-空表目,4,5,操作系统,作业1,作业2,20K,28K,5,44K,可用分区1,108K,操作系统,可用分区1,作业3,可用分区2,232K,41,4.分页管理,页 作业地址空间划分的等长单位块 主存空间划分的等长的
16、单位页表 地址重定位表,记录页号与该页在主存中的块号的对应关系。分页管理 作业中的逻辑地址通过动态地址转换机制 转换为物理地址：页号，页内地址 块号，块内地址 特点:可以将作业分配在不连续的物理空间。,42,分页管理法示意图,作业号 页表长 页表起址 状态,2 3 1032 已分,1 3 1024 已分,3 2 1040 已分,4 空表目,作业表JT,作业A,作业B,作业C,页号 块号,页号 块号,页号 块号,0 4,1 5,2 6,0 7,1 10,0 2,1 3,2 8,43,动态地址变换示意图,控制寄存器,作业地址空间,作业页表,1 2 3 4,LOAD 1，2500,页表长度 页表始址
17、,有效地址,2 452,页号 块号,0 4,1 6,2 8,8 452,页号,逻辑地址=21024+452=2500,1 100 1K 2K 2500 3K,物理地址=81024+452=8644,块大小=1024,页大小=1024,44,5.分段管理,段 将程序划分为相互独立、具有一定逻辑功能的模块、且分别按名单独存放，这些模块称为段。段内地址(逻辑地址)由段号和段内偏移量确定段表 系统为每个作业建立的表格,一个表项由段号、段长度、段起始地址组成。,45,分段管理示意图,6,0 1K,0100500,0300,0200,LOAD 1，1|100,Y：12345,C：,0段,1段,2段,3段,
18、段号长度 起始地址,0 1K 6K,1 500 8K,2 300 4K,3 200 9200,分段地址空间,分段表,OS,DATA,LOAD1，1|100,主程序,SUB,WORK,12345,主存空间,46,分段管理特点,优点：便于模块化处理 便于动态连接 便于分段共享缺点：硬件成本高 地址转换花费时间兼有段式和页式优点可形成段页式存储管理,47,6.常用 OS的内存管理,(1)DOS采用单一连续分区的方法，但却综合运用了多连续分区的管理技术。(2)UNIX采用分段管理方法，存储分配采用优先适应算法,48,(3)Windows 98存储器管理,1)支持常规内存、扩展内存和扩充内存和虚拟内存管理（VM）。2)VM是是通过硬盘来完成与物理内存相关的功能；3)寻址4GB空间；4)虚拟内存管理的实现:换页进程:物理内存和硬盘之间移动数据 地址转换进程，将物理地址翻译成虚拟内存地址或映射文件,
