Transcript 处理机管理的主要功能
第一章 引论 1.1操作系统的概念 计算机系统： 计算机硬件 计算机软件 计算机硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备和 输出设备 2002年8月25日，中科院计算所公布，我国自主研发的CPU芯片，经测 试成功，相当于PⅢ水平 编译程序 操作系统 系统软件 语言处理系统 常用的例行程序 计算机软件 解释程序 汇编程序 库连接程序等 连接编译程序 诊断排错程序 应用软件 ：火车售票系统、超市管理系统 硬件和软件的关系 裸机：没有配置任何软件的计算机 软件是在硬件基础之上对硬件的性能加以扩充和完善 有定点运算 功能的计算机 ＋ 浮点运算软件 可以进行浮点运算 虚拟机：一个裸机在每加上一层软件后，就变成了一 个功能更强的机器，我们把这种“功能更强 的 机器”称之为“虚拟机” 如果是多用户的操作系统，那么经过扩充后，一 个实际的处理器就可以扩充成多个虚拟机，使得每 一个用户都拥有一个处理机 应用程序 调试程序 调试程序 调试程序 编译程序 汇编程序 解释程序 操作系统 裸机 操作系统的层次模型 操作系统： 操作系统是计算机的第一个软件，管理和控 制计算机系统中的硬件及软件资源、合理地组 织计算机工作流程，以便有效利用这个资源为 用户提供一个功能强大、使用方便和可扩充的 工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口 作用。 1.2操作系统的形成和发展 计算机发展分为四个阶段： 1946～50年代末：第一代，电子管时代 50年代末～60年代中：第二代，晶体管时代 60年代中～70年代中：第三代：集成电路时代 70年代中期～至今：第四代：大规模、超大规模集成 电路时代 手工操作阶段（第一代电子计算机） 计算速度慢（几千次每秒），没有操作系统甚至没有任何软件 用户独占计算机，完全手工操作 2002年8月30日，我国联想集团退出“深腾”超级计算机，运算速度可达1.027 万亿次，达到目前500名超级计算机排行榜中的第24位 纸带（卡片） 输入机 计算机 打印输出结果 取走纸带 就在前一周，日本研制成功演算速度每秒85.1万亿次杜超级计算机，称为目前 1个程序 计算机（一千次/秒） 30分钟完成 手工卸下3分钟 世界上最快的计算机。 计算机（一万次/秒） 3分钟完成 手工卸下3分钟 于是出现了“早期的批处理”系统 早起批处理系统（第二代计算机） 把若干个作业合成一批，调入计算机执行，完成后再调入下一 批作业 早期的批处理： 联机批处理 脱机批处理 操作系统的特征 并发：指两个或两个以上事件在同一时 间间隔内发生。（与“并行”的区别） 共享：指系统中硬件和软件资源可为多 个用户同时使用（互斥共享、同时访问） 虚拟：指物理上的一个实体变成逻辑上 的多个对应物。 异步性：指内存中的多个进程均按照各 自独立的、不可预知的速度向前推进。 微机操作系统 单用户单任务OS：只允许一个用户上机、且 只允许用户程序作为一个任务运行。最具代表 性的是CP/M和MS-DOS。 单用户多任务OS：只允许一个用户上机、但 允许将一个用户程序分为若干个任务，使它们 并 发 执 行 。 最 具 代 表 性 的 是 OS/2 和 MSWINDOWS。 多用户多任务OS：允许多个用户通过各自的 终端使用同一台主机，共享主机的各类资源， 同时用户程序又可进一步分成几个任务，使它 们并发执行。最具代表性的是UNIX OS。 1.4 操作系统功能 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 用户接口 处理机管理 主要任务：是对处理机进行分配，并对其运行进行有效控制和管 理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本 单位。 进程控制：多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一 个或几个进程，并给它分配必要的资源。进程结束的时候要立即 撤消这个进程，以便收回该进程所占用的各类资源，进程控制的 主要任务就是为作业创建进程，撤销已结束的进程以及控制进程 在运行中的状态转换 进程同步。进程是以异步方式进行的，运行的速度不定。进程同 步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。 进程互斥方式 进程同步方式 进程通信：多道程序环境下，可由系统为应用程序建立多个进程。 这些进程相互合作共同完成同一任务，在这些相互合作的进程之 间需要交换信息。例如：三个相互合作的进程：输入进程、计算 进程、打印进程。 调度：从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一进程，把处 理机分配给它。 存储管理 主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，提高 存储器的利用率 内存分配：为每道程序分配内存空间，减少不可用的内存 空间。 内存保护：确保每道用户程序都在自己的内存空间中运 行，互不干扰。（设置两个界限寄存器。存放正在之行程 序的上界和下界。） 地址映射：在多道环境下，地址空间中的逻辑地址和内存 空间中的物理地址是不可能一致的。地址映射实现它们之 间的转换。 内存扩充：借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容 量。若内存中已没有足够的空间来装入调入程序的时候， 系统能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调道磁盘 上，腾出更多的内存空间。 设备管理 主要任务：完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O 设备，提高CPU和I/O设备的利用率。 缓冲管理：管理好各类型的缓冲区，以缓和CPU和I/O 设备速度不匹配的矛盾 设备分配：根据用户的I/O请求，为之分配其所需的设 备。 设备处理：基本任务是实现CPU和设备之间的通信。 虚拟设备：把每次只允许一个进程使用的物理设备变 换为多个对应的逻辑设备，提高了设备的利用率，使 每个用户感觉自己在独占该设备。 文件管理 主要任务：是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户的 使用。 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间，提 高外存的利用率。（一般以盘块为基本分配单位，通常512字 节～4K字节） 目录管理：系统为每个文件建立一个目录项，目录项包含文 件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置。用户只需要提 供文件名，对文件进行存取。 文件的读、写管理：进行读写文件时，系统根据用户给出的 文件名去减缩文件目录，从中获得文件在外存中的位置，然 后利用文件读写指针，对文件进行读写，一旦读写完成便修 改读写指针，为下一次读写做准备。 文件的存取控制： 防止未经核准的用户存取文件 防止冒名顶替存取文件 防止以不正确的方式使用文件 用户接口 命令接口 联机命令接口：是为联机用户提供的，由一组键盘 命令和命令解释程序组成。 脱机命令接口：为批处理作业的用户提供的，由一 组作业控制语言JCL(job control language)组成。 程序接口 是为用户程序在运行过程中访问系统资源而设定的， 也是用户取得操作系统服务的唯一途径，由一组系统 调用组成。 图形接口 采用了图形化的操作界面，用图标将系统的各项功 能，，文件直观逼真的表示出来，通过鼠标、菜单 和对话框图来完成相应的操作 计算机的硬件简介 计算机基本的硬件元素 处理器、存储器、输入输出控制、总线、外部设备 处理器 单个处理器，称之为单机系统 多个处理器，称之为多机系统 特权指令：只能由操作系统使用的指令，如果允许 用户随便是用，有可能使系统系统陷入混乱 非特权指令：用户只能使用非特权指令 处理器状态 多数系统将处理器状态简单的划分为 管态：（管理态）操作系统管理程序运行的状 态 目态：（问题态）用户程序运行的状态 与操作系统有关的几种寄存器 用户可编程存器 控制与状态寄存器：被用来对处理机的优先级、 保护模式或用户程序执行时的调用关系等进行 控制和操作 典型的用户可编程寄存器包括以下几种 数据寄存器 地址寄存器 条件码寄存器 程序计数器PC 指令寄存器 程序状态字PSW 中断现场保护寄存器 过程调用堆栈 存储器 内存 外存：光盘、磁盘、硬盘 高速缓存（cache） 输入输出控制器与缓冲 主要用来控制和暂时存储外部设备与计算机内存之间 交换的数据和程序。 外部设备 是获取和输出数据程序的基本单位，包括数字设备 和模拟设备。 总线 总线是连接计算机各部件的通信线路 单总线：处理机、外设、存储器都连接在一起 多总线：CPU与内存分开连接分开连接外设与外存也 分开连接 P16页 指令的执行与中断 算法的描述 本书中的描述算法的一些关键词介绍如下： Begin End Repeat 操作 While 条件 do Until 条件 操作 od P18 巡回置换算法 P18研究操作系统的几种观点 If 条件 Then 操作 Else 操作 fi 作业 习题1.5 下面8个系统中，必须是实时操作系统的有—— 1 计算机辅助设计系统；2 航空定票系统；3 过程控 制系统；4 机器翻译系统； 5 办公自动化系统；6 计算机激光照排系统；7情报 检索系统；8导弹的制导系统 OS/2操作系统是由__⑴__开发的，它属于 __⑵__类操作系统；UNIX操作系统是由 __⑶__推出的，它属于__⑷__类操作系统。 ⑴、⑶：A.IBM公司 B.Microsoft公司 C.Microsoft和IBM联合 D. Bell实验室 ⑵、⑷：A.单用户单任务 B.单用户多任务 C.多处理机 D.多用户多任务 在操作系统中实现虚拟的关键技术是什么？并 加以说明