第1章操作系统引论

1、第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标l有效性有效性（系统管理者的观点）：管理和分配硬件、（系统管理者的观点）：管理和分配硬件、软件资源，合理地

2、组织计算机的工作流程。软件资源，合理地组织计算机的工作流程。l方便性方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别。户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别。l可扩充性可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模、（开放的观点）：硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作。的资源共享和互操作。l开放性开放性（开放的观点）：应用程序的可移植性和（开放的观点）：应用程序的可移植性和互操作性。互操作性。1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.1.一般用户角度：

3、一般用户角度：O OS S作为用户与计算机硬作为用户与计算机硬件系统之间的接口件系统之间的接口l命令方式（命令行、命令脚本式）；命令方式（命令行、命令脚本式）；l系统调用（形式上类似于过程调用，在系统调用（形式上类似于过程调用，在应用程序编程中使用）。应用程序编程中使用）。l图形、窗口方式（图形用户接口图形、窗口方式（图形用户接口GUIGUI）2.2.资源管理角度：资源管理角度： O OS S作为计算机系统资源作为计算机系统资源 的管理者的管理者l管理对象包括：管理对象包括：CPUCPU、存储器、外部设备、存储器、外部设备、 信息（数据和程序）；信息（数据和程序）；l管理的内容：资源的当前状态

4、（数量和使管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。相应管理策略（包括用户权限）。1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用3.O3.OS S产生的角度：产生的角度：O OS S实现了对计算机资源实现了对计算机资源的抽象的抽象。l在裸机上添加：设备管理、文件管理、存在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对（针对CPUCPU）。）。l扩充机器或虚机器。扩充机器或虚机器。1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.1.3 推动操

5、作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力“需求推动发展需求推动发展” l(1) (1) 提高资源的利用率和系统性能：计提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算。（多道批处理系统）作集中计算。（多道批处理系统）l(2) (2) 方便用户：改善用户上机、调试程方便用户：改善用户上机、调试程序时的环境，成为继续推动序时的环境，成为继续推动OSOS发展的主发展的主要因素。（分时系统或多用户系统）要因素。（分时系统或多用户系统）l(3) (3) 器件的发展：器件的发展：CPUCPU的位宽度（指令和的位宽度（指令和数据）、快速外存。

6、数据）、快速外存。l(4) (4) 体系结构的发展：体系结构的发展： 单处理机系统单处理机系统多处理机系统多处理机系统网络网络 单处理机单处理机OS OS 多处理机多处理机OS OS 网络网络OSOS1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.2.1 无操作系统时的计算机系统无操作系统时的计算机系统1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 实时系统实时系统1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展1.2.1 无操作系统时的计算机系统无操作系统时

7、的计算机系统 1946 1946 5050年代中（电子管），集中计算年代中（电子管），集中计算1.1.手工操作方式：手工操作方式：输入设备输入设备 主机主机 磁带磁带 控制控制台台 卡片阅读机卡片阅读机纸带输入机纸带输入机 辅存辅存 远控部件远控部件 内存内存 纸带打孔机纸带打孔机 打印机打印机 早期计算机系统早期计算机系统 输出设备输出设备 1.2.1 无操作系统时的计算机系统无操作系统时的计算机系统l工作方式工作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户：用户既是程序员，又是操作员； 编程语言：机器语言；编程语言：机器语言； 输入输出：纸带或卡片；输入输出：纸带或卡片；l计算机的工作特点

8、计算机的工作特点用户独占全机：不出现资源被其他用户占用的情况，用户独占全机：不出现资源被其他用户占用的情况，资源利用率低；资源利用率低；CPUCPU等待人工操作：计算前，手工装入纸带或卡片；等待人工操作：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPUCPU利用率低；利用率低；1.2.1 无操作系统时的计算机系统无操作系统时的计算机系统l主要矛盾主要矛盾 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；浪费）； 用户独占全机的所有资源；用户独占全机的所有资源；l此外，此外，CPU与与I/O设备之间

9、速度不匹配的矛盾。设备之间速度不匹配的矛盾。l解决矛盾的途径解决矛盾的途径 通道技术通道技术 缓冲技术缓冲技术“人机矛盾人机矛盾”脱机输入输出方式脱机输入输出方式2.2.脱机输入输出脱机输入输出(Off-Line I/O)方式：方式：1.2.1 无操作系统时的计算机系统无操作系统时的计算机系统输入设备输入设备外围机外围机 磁盘磁盘 主机主机 外围机外围机 磁盘磁盘 输出设备输出设备 脱机脱机I/O示意图示意图 脱机输入输出方式的优点：脱机输入输出方式的优点：u 减少了减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。u 提高提高I/OI/O速度。速度。1.2.1 无操作系统时的计算机系统无操作系统时的

10、计算机系统1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 50年代中年代中 60年代中（晶体管）年代中（晶体管）l设计思想：设计思想： 把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序，在它的控制下使这批并在系统中配上监督程序，在它的控制下使这批作业能一个接一个地连续处理。可使用汇编语言作业能一个接一个地连续处理。可使用汇编语言开发。开发。1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统开始开始还有下还有下一一 个作业？个作业？把下一个作业把下一个作业的源程序转换的源程序转换为目标程序为目标程序否否停止停止源程序源程序有错吗？有错吗？是是否否装配目标程序装配

11、目标程序运行目标程序运行目标程序是是单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统l批处理中的作业的组成：批处理中的作业的组成：用户程序用户程序数据数据作业说明书（作业控制语言）作业说明书（作业控制语言）l批：批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件。相同的系统软件。l单道批处理系统的特征：单道批处理系统的特征：自动性：无须人工干预。自动性：无须人工干预。顺序性：作业进入内存顺序与完成顺顺序性：作业进入内存顺序与完成顺 序一致。序一致。单道性：内存

12、中仅有一道程序运行。单道性：内存中仅有一道程序运行。1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统l单道批处理的主要问题：单道批处理的主要问题： CPUCPU和和I/OI/O设备使用忙闲不均（取决于当前设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。作业的特性）。对计算为主的作业，外设空闲；对计算为主的作业，外设空闲；对对I/OI/O为主的作业，为主的作业，CPUCPU空闲；空闲；l多道程序设计：多道程序设计：即在系统内（内存）同时存放即在系统内（内存）同时存放并运行几道相互独立的程序。并运行几道相互独立的程序。l多道程序设计的基础：多道程序设计的基础：是将运行过程

13、进一步细是将运行过程进一步细化成几个小的步骤，从而实现宏观上的并行。化成几个小的步骤，从而实现宏观上的并行。但从微观上看，内存中的多道程序轮流地或分但从微观上看，内存中的多道程序轮流地或分时地占用处理机，交替执行。时地占用处理机，交替执行。1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统60年代中年代中 70年代中年代中（集成电路），利用多道批集成电路），利用多道批处处理提高资源的利用率。理提高资源的利用率。多道程序设计技术的优点：多道程序设计技术的优点：提高提高CPU的利用率的利用率提高内存和提高内存和I/O设备利用率设备利用率增加系统吞吐量增加系统吞吐量1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统吞吐

14、量：吞吐量：单位时间内系统所完成的总工作量。单位时间内系统所完成的总工作量。多道批处理操作系统多道批处理操作系统= =批处理系统批处理系统+ +多道程序多道程序设计技术设计技术l多道批处理系统的特征：多道批处理系统的特征： 多道性：内存可同时驻留多道程序。多道性：内存可同时驻留多道程序。 无序性：作业进入内存顺序与完成顺无序性：作业进入内存顺序与完成顺 序无对应关系。序无对应关系。 调度性：作业经过两次调度。调度性：作业经过两次调度。1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统l多道批处理系统的优点：多道批处理系统的优点： 资源利用率高：资源利用率高：多道程序搭配运行，尽多道程序搭配运行，尽可能使

15、资源处于忙碌状态。可能使资源处于忙碌状态。 系统吞吐量大系统吞吐量大1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统l多道批处理系统的缺点多道批处理系统的缺点:平均平均周转时间周转时间长：长：短作业周转时间显著增长；短作业周转时间显著增长； 作业的周转时间：指从作业进入系统开始，直作业的周转时间：指从作业进入系统开始，直至完成并退出系统为止所经历的时间。至完成并退出系统为止所经历的时间。无交互能力：无交互能力：整个作业完成后或中间出错时才整个作业完成后或中间出错时才与用户交互，不利于调试和修改；与用户交互，不利于调试和修改；1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统 多道程序技术提高了效率，但对每道程序

16、来说，多道程序技术提高了效率，但对每道程序来说，却延长了时间，所以提高资源利用率和系统吞吐量是却延长了时间，所以提高资源利用率和系统吞吐量是以牺牲用户响应时间为代价的。以牺牲用户响应时间为代价的。l多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题:处理机管理问题处理机管理问题内存管理问题内存管理问题I/O设备管理问题设备管理问题文件管理问题文件管理问题作业管理问题作业管理问题1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统操作系统定义：操作系统定义：l操作系统是计算机系统中的一个系统软操作系统是计算机系统中的一个系统软 件，是一些程序的集合件，是一些程序的集合 能控制和管理计算机系统内各种硬件

17、和软能控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，件资源，合理合理、有效有效地组织计算机系统的工作，地组织计算机系统的工作，为用户提供一个使用为用户提供一个使用方便、可扩展方便、可扩展的工作环境，的工作环境，从而起到连接计算机和用户的接口作用。从而起到连接计算机和用户的接口作用。1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统 70年代中期至今年代中期至今发展动力发展动力“用户需求用户需求”人人机交互机交互共享主机共享主机便于用户上机便于用户上机“分时分时”的含义是指多个用户分享使用同一台计的含义是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。1.

18、2.4 分时系统分时系统l分时系统实现中的关键问题：分时系统实现中的关键问题： 及时接收：及时接收：多路卡、缓冲区多路卡、缓冲区 及时处理：及时处理：作业直接进入内存；不允许一个作业直接进入内存；不允许一个作业长期占用处理机。作业长期占用处理机。在很短时间内，使所在很短时间内，使所有作业都执行一次。有作业都执行一次。 通常按通常按时间片时间片(time slice)(time slice)分配：各个程序在分配：各个程序在 CPUCPU上执行的轮换时间。上执行的轮换时间。 1.2.4 分时系统分时系统l分时系统的特征：分时系统的特征：多路性（同时性）多路性（同时性）独立性独立性及时性及时性交互性

19、交互性1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 实时系统实时系统l实时系统的引入：实时系统的引入：实时控制实时控制 导弹制导系统、飞机自动驾驶系统导弹制导系统、飞机自动驾驶系统实时信息处理实时信息处理 飞机订票系统、情报检索系统飞机订票系统、情报检索系统1.2.5 实时系统实时系统l所谓所谓“实时实时”，是表示，是表示“及时及时”。l实时系统：实时系统：系统能及时响应外部事件的请系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理，求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。并控制所有实时任务协调一致地运行。1.2.5 实时系统实时系统l实时任务的类型：实时任务

20、的类型：按任务执行时是否呈现周期性来划分按任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性、非周期性周期性、非周期性根据对截止时间的要求来划分根据对截止时间的要求来划分 硬实时任务、软实时任务硬实时任务、软实时任务l实时系统与分时系统的比较：实时系统与分时系统的比较： 多路性多路性 独立性独立性 及时性及时性 交互性交互性 可靠性可靠性1.2.5 实时系统实时系统 分时 实时l分时分时技术：把技术：把CPUCPU的时间分成的时间分成很短的时间片（例如，几十很短的时间片（例如，几十至几百毫秒）工作至几百毫秒）工作l多个用户终端多个用户终端l独占全机独占全机l人所接受的等待时间来确定人所接受的等待时间来确定

21、l交互性强交互性强l可靠可靠l特点是计算机规定人（用户特点是计算机规定人（用户）l实时实时是指计算机对于外来信息能够是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速控对象允许的时间范围内作出快速反应反应l对多路信息采集对多路信息采集l独立操作，互不干扰独立操作，互不干扰l开始开始/完成截止时间来确定完成截止时间来确定l交互作用能力较差，访问专用服务交互作用能力较差，访问专用服务 程序程序l高度可靠（多极容错措施）高度可靠（多极容错措施）l特点是人（用户）规定计算机特点是人（用户）规定计算机1 1单用户单任务操作系统单用户单任务

22、操作系统 单用户单任务操作系统的含义是，只单用户单任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，且只允许用户程序作允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。这是最简单的微机操作为一个任务运行。这是最简单的微机操作系统，最有代表性的单用户单任务微机操系统，最有代表性的单用户单任务微机操作系统是作系统是CP/MCP/M和和MS-DOSMS-DOS。1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展2 2单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统 单用户多任务操作系统的含义是，只允许单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分

23、为若干个一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。目前在统的性能。目前在3232位微机上配置的操作系统位微机上配置的操作系统基本都是单用户多任务操作系统，其中最有代基本都是单用户多任务操作系统，其中最有代表性的是微软公司的表性的是微软公司的WindowsWindows。1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展3 3多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统 多用户多任务操作系统的含义是，允许多多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享个用户通过各自的终端使用同一台机器

24、，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发执行，从而进一步分为几个任务，使它们并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。其中可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。其中最有代表性的是最有代表性的是UNIXUNIX。 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.3.1 并发性并发性1.3.2 共享性共享性1.3.2 虚拟技术虚拟技术1.3.2 异步性（随机性）异步性（随机性）l并发性并发性 并行性并行性：两个或多个事件在同一时刻发生。两个或多个事件在同一时刻发生。 并发性并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

25、两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 程序：程序：静态实体，不能和其它程序并发执行。静态实体，不能和其它程序并发执行。 进程：进程：活动实体，能独立运行，资源分配的基本单位。活动实体，能独立运行，资源分配的基本单位。 线程：线程：比进程粒度更小，一个进程可包含若干个线程，比进程粒度更小，一个进程可包含若干个线程，可利用进程所拥有的资源，进一步提高系统并发性。可利用进程所拥有的资源，进一步提高系统并发性。1.3.1 并发性并发性l共享共享 是指系统中的资源可供内存中多个并发执行是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。的进程（线程）共同使用。 两种资源共享方式：两种资源共享方

26、式： 互斥共享方式：互斥共享方式：如打印机，称临界（独占）资源。如打印机，称临界（独占）资源。 同时访问方式：同时访问方式：单处理机环境下，单处理机环境下，“同时同时”是宏是宏观上的；微观上，交替访问。如磁盘。观上的；微观上，交替访问。如磁盘。 1.3.2 共享性共享性l虚拟虚拟：通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。上的对应物。l例如：虚处理机、虚拟内存、虚拟设备、虚拟信道例如：虚处理机、虚拟内存、虚拟设备、虚拟信道 一个一个CPU CPU 多个逻辑上的多个逻辑上的CPUCPU实的，实的，实际存在的实际存在的虚的，虚的，用户感觉上的用户感

27、觉上的多道程序技术多道程序技术 1.3.3 虚拟技术虚拟技术l虚拟技术的实现虚拟技术的实现1.3.3 虚拟技术虚拟技术1时分复用技术时分复用技术时分复用，亦即分时使用方式，它最早用时分复用，亦即分时使用方式，它最早用于电信业中。在计算机领域中，广泛利用该技于电信业中。在计算机领域中，广泛利用该技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源的利用率。源的利用率。 l虚拟技术的实现虚拟技术的实现1.3.3 虚拟技术虚拟技术2空分复用技术空分复用技术 利用存储器的空闲空间来存放其它的程序。利用存储器的空闲空间来存放其它的程序。 例如：虚拟磁盘技术，虚拟存储器技术

28、例如：虚拟磁盘技术，虚拟存储器技术 1.3.4 异步性异步性l多道程序环境下，程序是并发执行的。多道程序环境下，程序是并发执行的。l进程进程走走停停。走走停停。l有可能先进入内存的作业后完成；而后进入内存有可能先进入内存的作业后完成；而后进入内存的作业先完成。的作业先完成。l进程是以人们不可预知的速度向前推进，这就是进程是以人们不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性（进程的异步性（Asynchronism）。）。1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.4.1 处理机管理功能处理机管理功能1.4.2 存储器管理功能存储器管理功能1.4.3 设备管理功能设备管理功能1.4.4 文件管理

29、功能文件管理功能1.4.5 操作系统与用户之间的接口操作系统与用户之间的接口一一. .进程控制：进程控制： 作业运行前必须为它创建进程；结束时作业运行前必须为它创建进程；结束时撤销。撤销。实现机制：实现机制：若干条进程控制原语或系统调用若干条进程控制原语或系统调用基本原语：基本原语：创建进程原语、撤销进程原语创建进程原语、撤销进程原语1.4.1 处理机管理的功能处理机管理的功能二二. .进程同步：进程同步： 对诸进程（含线程）的运行进行协调。对诸进程（含线程）的运行进行协调。协调方式协调方式: : 进程互斥方式：临界资源、进程互斥方式：临界资源、“锁锁” 进程同步方式：协调合作进程次序、进程同

30、步方式：协调合作进程次序、“信信 号量号量”机制机制1.4.1 处理机管理的功能处理机管理的功能三三. .进程通信：进程通信： 实现在相互合作的进程间的信息交换。实现在相互合作的进程间的信息交换。 直接通信方式：挂到消息队列上。直接通信方式：挂到消息队列上。 间接通信方式：消息中间体间接通信方式：消息中间体“邮箱邮箱”。1.4.1 处理机管理的功能处理机管理的功能四四. .调度：调度： 作业调度：后备队列（外存）作业调度：后备队列（外存）两级调度两级调度 进程调度：就绪队列（内存中进程调度：就绪队列（内存中) )调度算法：调度算法：先来先服务、优先权高者优先等先来先服务、优先权高者优先等1.4

31、.1 处理机管理的功能处理机管理的功能一一. .内存分配：内存分配： 静态分配方式：内存空间固定、不允许静态分配方式：内存空间固定、不允许 “ “移动移动” 动态分配：动态分配：“附加内存空间附加内存空间”、“移动移动” 内存分配数据结构内存分配数据结构 内存分配功能内存分配功能 内存回收功能内存回收功能1.4.2 存储器管理的功能存储器管理的功能二二. .内存保护：内存保护： 确保每道用户程序都在自己的内存空间确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。中运行，互不干扰。 内存保护机制：内存保护机制： 界限寄存器界限寄存器: :上界、下界、越界检查上界、下界、越界检查（硬件实现、软件

32、配合）（硬件实现、软件配合）1.4.2 存储器管理的功能存储器管理的功能三三. .地址映射：地址映射： “ “地址空间地址空间” “” “内存空间内存空间” 地址映射地址映射 “ “逻辑地址逻辑地址” “” “物理地址物理地址” （硬件支持下完成）（硬件支持下完成）1.4.2 存储器管理的功能存储器管理的功能四四. .内存扩充：内存扩充： 硬件资源宝贵，物理内存有限，大作业硬件资源宝贵，物理内存有限，大作业要求难以满足。要求难以满足。逻辑上扩充物理内存：逻辑上扩充物理内存：虚拟存储技术虚拟存储技术内存扩充机制：内存扩充机制：请求调入、置换请求调入、置换1.4.2 存储器管理的功能存储器管理的功

33、能一一. .缓冲管理：缓冲管理：目的：目的：缓和缓和CPUCPU和和I/OI/O速度不匹配的矛盾，提速度不匹配的矛盾，提高高CPUCPU和和I/OI/O利用率，增加系统吞吐量。利用率，增加系统吞吐量。缓冲机制：缓冲机制：单缓冲、双缓冲单缓冲、双缓冲( (双向同时传输数双向同时传输数据）、公用缓冲池（多个设备同时使用）据）、公用缓冲池（多个设备同时使用）1.4.3 设备管理的功能设备管理的功能二二. .设备分配：设备分配： 根据用户的根据用户的I/OI/O要求，为之分配所需设备。要求，为之分配所需设备。 设备控制表设备控制表 数据结构数据结构 控制器控制表控制器控制表1.4.3 设备管理的功能设

34、备管理的功能三三. .设备处理：设备处理： 设备处理程序又称设备驱动程序，实现设备处理程序又称设备驱动程序，实现CPUCPU和控制器之间的通信。和控制器之间的通信。1.4.3 设备管理的功能设备管理的功能四四. .设备独立性和虚拟设备：设备独立性和虚拟设备：1.1.设备独立性：设备独立性：应用程序与具体使用的物理应用程序与具体使用的物理设备无关。设备无关。 优点：优点：提高用户程序的可适应性；易于实提高用户程序的可适应性；易于实 现输入、输出重定向。现输入、输出重定向。2.2.虚拟设备功能虚拟设备功能1.4.3 设备管理的功能设备管理的功能一一. .文件存储空间的管理：文件存储空间的管理： 为

35、每个文件分配必要的外存空间。为每个文件分配必要的外存空间。 “离散分配方式离散分配方式”：减少外存零头，盘：减少外存零头，盘块块二二. .目录管理：目录管理： 目录项、目录文件目录项、目录文件 “ “按名存取按名存取”、“文件共享文件共享”、“目录目录查询查询”1.4.4 文件管理的功能文件管理的功能三三. .文件的读、写管理和保护：文件的读、写管理和保护：1.1. 文件的读、写管理：文件的读、写管理：读指针、写指针读指针、写指针2.2. 文件保护：文件保护： 多级保护设施：多级保护设施：系统级、用户级、文件系统级、用户级、文件 级存取控制级存取控制 1.4.4 文件管理的功能文件管理的功能一

36、一. .用户接口：用户接口：联机用户接口：联机用户接口：键盘操作命令、命令解释程序键盘操作命令、命令解释程序脱机用户接口脱机用户接口：“批处理用户接口批处理用户接口”，JCLJCL图形用户接口：图形用户接口：特殊的联机用户接口特殊的联机用户接口二二. .程序接口：程序接口：由一组系统调用组成。由一组系统调用组成。 1.4.5 操作系统与用户之间的接口操作系统与用户之间的接口1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计1.5.1 传统的操作系统结构传统的操作系统结构1.5.2 客户客户/服务器模式服务器模式1.5.3 面向对象的程序设计面向对象的程序设计1.5.4 微内核微内核OS结构结构 软件

37、开发技术的不断发展，促进了软件开发技术的不断发展，促进了OS结构的更新结构的更新换代。早期的换代。早期的无结构无结构OS（第一代）、（第一代）、模块化结构的模块化结构的OS（第二代）和（第二代）和分层式结构的分层式结构的OS（第三代）统称为（第三代）统称为传统结构的传统结构的OS，把微内核结构的，把微内核结构的OS称为现代结构的称为现代结构的OS。 1.5.1 传统的操作系统结构传统的操作系统结构 1. 无结构操作系统无结构操作系统 早期开发操作系统时，早期开发操作系统时，OSOS是一组是一组过程过程的集合，各的集合，各过程间可相互调用，在过程间可相互调用，在OSOS内部不存在任何结构，因此，

38、内部不存在任何结构，因此，这种这种OSOS是是无结构无结构的，也称为的，也称为整体系统结构整体系统结构。1.5.1 传统的操作系统结构传统的操作系统结构 缺点：缺点：(1)(1)程序错误多，调试困难；程序错误多，调试困难；(2)(2)难以阅读和理解，增加维护负担。难以阅读和理解，增加维护负担。 2. 模块化结构模块化结构OS 1) 模块化程序设计技术的基本概念模块化程序设计技术的基本概念 模块化程序设计技术，是模块化程序设计技术，是20世纪世纪60年代出现的一种结年代出现的一种结构化程序设计技术，它基于构化程序设计技术，它基于“分解分解”和和“模块化模块化”原则来原则来控制大型软件的复杂度。为

39、使控制大型软件的复杂度。为使OS具有较清晰的结构，将其具有较清晰的结构，将其按功能划分为若干个具有一定独立性和大小并具有一定管按功能划分为若干个具有一定独立性和大小并具有一定管理功能的模块，并规定好各模块间的接口，使各模块之间理功能的模块，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过接口实现交互，然后再进一步将各模块细分为若干能通过接口实现交互，然后再进一步将各模块细分为若干个子模块，同样也要规定各子模块之间的接口。若子模块个子模块，同样也要规定各子模块之间的接口。若子模块较大时，再进一步将它细分。较大时，再进一步将它细分。模块模块-接口法接口法图图 1-6 模块化结构的操作系统模块化结构的操作

40、系统进程控制 进程调度内存分配内存保护磁盘管理目录管理进程管理存储器管理文件管理操作系统模块子模块2) 模块的独立性模块的独立性 在模块在模块- -接口法设计方法中，关键问题是模块的划接口法设计方法中，关键问题是模块的划分和规定好模块之间的接口。分和规定好模块之间的接口。 a.a.如果模块划分得如果模块划分得太小太小，虽然可以降低模块本身，虽然可以降低模块本身的复杂性，但会引起模块之间的联系过多，而会造成的复杂性，但会引起模块之间的联系过多，而会造成系统比较混乱；系统比较混乱； b.b.如果划分得如果划分得过大过大，又会增加模块内部的复杂性，又会增加模块内部的复杂性，使内部的联系增加。使内部的

41、联系增加。2) 模块的独立性模块的独立性 衡量模块独立性的标准：衡量模块独立性的标准： a.a.内聚性：内聚性：模块内部各部分间联系的紧密程度。内模块内部各部分间联系的紧密程度。内 聚性越聚性越高高，独立性越，独立性越强强。 b.b.耦合度：耦合度：模块间相互联系和相互影响的程度。耦合模块间相互联系和相互影响的程度。耦合度越度越低低，独立性越，独立性越强强。3) 模块接口法的优缺点模块接口法的优缺点优点优点: (1) 提高提高OS设计的正确性、设计的正确性、 可理解性和可维护性。可理解性和可维护性。 (2) 增强增强OS的可适应性。的可适应性。 (3) 加速加速OS的开发过程。的开发过程。 缺

42、点：缺点：(1)在设计在设计OS时，对各模块间的接口规定很难满足时，对各模块间的接口规定很难满足在模块完成后对接口的实际需求；在模块完成后对接口的实际需求；(2) 程序设计人员很难做到程序设计人员很难做到“设计中的每一步决定都是建设计中的每一步决定都是建立在可靠的基础上立在可靠的基础上”，模块，模块-接口法又被称为接口法又被称为“无序模块无序模块法法”。 3. 分层式结构分层式结构OS 1) 分层式结构的基本概念分层式结构的基本概念 从物理机器开始，在其上先添加一层具有一定功能的从物理机器开始，在其上先添加一层具有一定功能的软件软件A1, 由于由于A1是建立在完全确定的物理机器上的，在经是建立

43、在完全确定的物理机器上的，在经过精心设计和测试后，可以认为过精心设计和测试后，可以认为A1是正确的；然后再在是正确的；然后再在A1上添加一层新软件上添加一层新软件A2，如此一层一层地自，如此一层一层地自底向上底向上增添软件层，每一层都实现若干功能，最后总能构成一个增添软件层，每一层都实现若干功能，最后总能构成一个能满足需要的能满足需要的OS。有序分层法有序分层法 分层式结构设计的基本原则是：每一步设计都是建立在分层式结构设计的基本原则是：每一步设计都是建立在可靠的基础上。可靠的基础上。2) 分层结构的优缺点分层结构的优缺点 优点：优点： (1) 易保证系统的正确性。易保证系统的正确性。 (2)

44、 易扩充和易维护性易扩充和易维护性。 缺点：缺点：层次结构分层单向依赖，所以必须在相邻层次结构分层单向依赖，所以必须在相邻层之间建立层次间的通信机制，导致系统效率降低。层之间建立层次间的通信机制，导致系统效率降低。 1. 客户客户/服务器模式服务器模式(Client-Server Model)的组成的组成 由由客户机、服务器客户机、服务器和和网络系统网络系统三个部分组成。三个部分组成。(1) (1) 客户机：客户机：在一个在一个LANLAN网络上连接有多台网络工作网络上连接有多台网络工作站站( (简称客户机简称客户机) )，每台都是一个自主计算机，有一定，每台都是一个自主计算机，有一定处理能力

45、，平时处理一些本地业务，也可发送消息给处理能力，平时处理一些本地业务，也可发送消息给服务器，以请求某项服务。服务器，以请求某项服务。 1.5.2 客户客户/ /服务器模式服务器模式 (2) (2) 服务器：服务器：一台规模较大的机器，其上驻留有网络一台规模较大的机器，其上驻留有网络文件系统或数据库系统等，能为网上所有的用户提供文件系统或数据库系统等，能为网上所有的用户提供一种或多种服务。平时一直处于工作状态，被动地等一种或多种服务。平时一直处于工作状态，被动地等待来自客户机的请求。待来自客户机的请求。 (3) (3) 网络系统：网络系统：用于连接所有客户机和服务器，实现用于连接所有客户机和服务

46、器，实现它们之间通信和网络资源共享的系统。它们之间通信和网络资源共享的系统。 1.5.2 客户客户/服务器模式服务器模式 2. 客户客户/服务器之间的交互服务器之间的交互(1) 客户发送请求消息。客户发送请求消息。 (2) 服务器接收消息。服务器接收消息。(3) 服务器回送消息。服务器回送消息。 (4) 客户机接收消息。客户机接收消息。1.5.2 客户客户/ /服务器模式服务器模式 3. 客户客户/服务器模式的优点服务器模式的优点(1) 数据的分布处理和存储。数据的分布处理和存储。 (2) 便于集中管理。便于集中管理。(3) 灵活性和可扩充性。灵活性和可扩充性。 (4) 易于改编客户机应用软件

47、。易于改编客户机应用软件。1.5.2 客户客户/ /服务器模式服务器模式 4. 客户客户/服务器模式的缺点服务器模式的缺点(1) 系统仅有一个服务器时，不可靠性。系统仅有一个服务器时，不可靠性。 (2) 服务器重负荷工作，瓶颈问题。服务器重负荷工作，瓶颈问题。1.5.3 面向对象的程序设计技术面向对象的程序设计技术 1. 面向对象技术的基本概念面向对象技术的基本概念 面向对象技术是面向对象技术是20世纪世纪80年代初提出的。基于年代初提出的。基于“抽象抽象”和和“隐蔽隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度。原则来控制大型软件的复杂度。 基本概念：基本概念：对象、类、继承等对象、类、继承等 2. 面向对象技术的优点面向对象技术的优点 (1) 通过通过“重用重用”提高产品质量和生产率。提高产品质量和生产率。 (2) 使系统具有更好的易修改性和易扩展性。使系统具有更好的易修改性和易扩展性。 。 (3) 更易于保证系统的更易于保证系统的“正确性正确性”和和“可靠性可靠性”。由。由于对象是构成操作系统的基本单元，可以独立地对它进于对象是构成操作系统的基本单元，可以独立地对它进行测试。行测试。1.5.3 面向对象