计算机操作系统教学课件复习v

1、西安电子科技大学计算机操作系统概论Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平Email: XTel: 88204244主讲：王亚平1主要内容一、操作系统基本概念二、作业与用户接口三、进程管理四、存储管理五、文件管理六、设备管理2Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念1.操作系统的概念、特征、功能和提供的服务2.操作系统的发展与分类3.操作系统的运行环境3Xd University School of Software Engineering 2009

2、 王亚平第一章基本概念1.操作系统的概念操作系统（Operating System，OS）是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的程序与数据的集合。4Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念为屏蔽计算机硬件的异构性，发展了操作系统。操作系统 Windows / OS2Linux / UNIX5Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念为屏蔽计算机硬件的异构性，发展了操作系统.NET/COMWeb ServicesJ2EE/EJBWindo

3、ws操作系统LinuxC/C+语言支撑软件中间件为屏蔽操作系统和编程语言的异构性，发展了支撑软件和中间件Fortran语言为了弥补应用软件与开发平台之间的距离，发展了软件框架、设计模式等技术应用系统体系结构 软件框架 设计模式为屏蔽中间件的多样性和异构性，发展了Web技术 实质上，软件技术发展是解决概念和处理逻辑之间的映射问题软件技术的发展不断产生更新的、更复杂的异构性问题，如流程、安全、事务等方面的异构性，要求软件能够适应外部环境，从而促进软件技术的不断发展Java语言UNIX6Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基

4、本概念2.操作系统的发展形成了五大类型操作系统的五大类型是批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统。（1）多通道批处理操作系统多道程序设计：即在系统内（内存）同时存放并运行几道相互独立的程序。多道程序设计的基础：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。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。多道批处理系统 = 批处理系统+多道程序设计技术7Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念（2）分时与实时操作系统分时操作系统：把CPU的时间分成很短

5、的时间片（例如，几十至几百毫秒）进行工作。实时操作系统：是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出快速反应。实时系统分为两类：实时过程控制：工业控制，军事控制，.实时信息处理：电讯(自动交换)，银行，订票，股市行情，.8Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念分时与实时操作系统区别1)系统的设计目标：分时系统的设计目标是多个用户的通用操作系统；而实时系统大多是专用系统。2)交互性的强弱：分时系统交互性强；而实时系统交互性弱。3)响应时间的敏感程度：分时系统对响应时间的敏感性弱

6、，而实时系统对响应时间敏感性强。9Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念（3）网络操作系统与分布式操作系统网络操作系统是服务于计算机网络，按照网络体系结构的各种协议来完成网络的通信、资源共享、网络管理和安全管理的系统软件。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的操作系统。 最大的差别：网络操作系统的工作，用户必须知道网址，而分布式系统用户则不必知道计算机的确切地址。10Xd University School of Software Engineering 20

7、09 王亚平11第一章基本概念(4)嵌入式操作系统嵌入式操作系统是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。主要特点： 完成某一项或有限项功能而非通用型的 在性能和实时性方面有严格的限制 影响设计的重要因素：能源、成本和可靠性 占有资源少、易于连接 系统功能可针对需求进行裁剪11Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平12第一章基本概念(5)智能卡操作系统IC卡发展：从简单的 EPROM卡内带微处理器的智能卡(又称CPU卡)智能卡操作系统发展：由于

8、IC卡所需要的各种管理工作越来越复杂 应用于智能卡内部的操作系统。12Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念3. 操作系统的五大功能作业管理：包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等；进程管理：实质上是对处理机执行“时间”的管理，即如何将CPU真正合理地分配给每个任务。存储管理：实质是对主存储“空间”的管理；文件管理：实质是对存储在磁盘上的信息进行管理，文件管理又称为信息管理；设备管理：实质是对硬件设备的管理，其中包括对输入输出设备的分配、启动、完成和回收；4.表征操作系统的属性主要有：响应系

9、数，并发性，信息的共享、保密与保护，可扩充性、可移植性、可读性、可生成性，安全可靠性，可测试性等。 13Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第一章基本概念5.操作系统的运行环境主要包括：计算机系统的硬件环境由其它系统软件组成的软件环境操作系统和使用它的人之间的关系。14Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平举例用连线把下面左右两列词连起来形成最恰当的五对。 左列 右列 (1) Linux (1) 面向对象(2) Unix (2) 网络操作系统(3) Wind

10、ows NT (3) 微核(4) Mach 3.0 (4) 自由软件(5) OS/2 (5) C语言15Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平举例16Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第二章作业与用户接口1. 作业、作业步、作业流所谓作业就是用户一次请求计算机系统为它完成任务所进行的工作总和。一般来说为了完成其任务，可以将作业细分成若干个作业步。作业步就是处理作业的各个独立的子任务，系统可以创建若干进程完成各作业步的计算，所以说一个作业是由若干作业步组成的

11、。作业输入计算机构成的输入流称为作业流 17Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第二章作业与用户接口作业由程序、数据和作业控制信息（如作业说明书）三部分组成。作业说明书：说明用户对作业控制的意图，包括：1)作业基本情况2)作业控制3)作业资源要求的描述作业控制块（JCB）是一个作业存在的唯一标志，是系统为管理作业所设置的一个数据结构 。18Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第二章作业与用户接口作业的调度状态19Xd University School o

12、f Software Engineering 2009 王亚平第二章作业与用户接口 作业调度算法1）先来先服务（FCFS） 作业平均周转时间=（作业完成时刻i作业提交时刻i）/n2）最短作业优先：在作业内容参差很不均衡时有合理性3）最高响应比优先 响应比作业响应时间（等待运行）/作业运行时间4）优先数法：急事先办的原则5）事件驱动法：MS-Windows采用此算法20Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平调度算法的评价指标 1）CPU利用率 ：一般 CPU的利用率从 40（轻负荷系统）至 90（重负荷系统）。通常，在一定的I/

13、O等待时间的百分比之下，运行程序道数越多，CPU空闲时间的百分比越低。 2）吞吐量：它表示单位时间内CPU完成作业的数量。3）周转时间：通常把周转时间或周转系数作为评价批处理系统的性能指标。完成时间提交时间平均周转时间周转时间21Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平调度算法的评价指标 4）周转系数：周转系数周转时间/执行时间=1假设J1周转时间=3，J2周转时间=2 。你能否确定J1 J2那个等待时间短？(即用户更满意)为什么要引入周转系数？如果用户作业在提交后能立即执行，其作业的周转时间最短，即周转时间等于作业执行时间运行

14、时间作业的周转系数平均周转系数22Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平FCFS和SJF调度算法的性能图FCFS和SJF调度算法的性能 23Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第三章进程管理1. 进程与线程的基本概念2. 处理机(进程)调度3. 进程通信(同步与互斥)4. 死锁24Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第三章进程管理1.进程的引入进程:是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据

15、集合的一次运行活动。引入进程的意义是描述多道程序设计系统中程序的动态执行过程。在一些操作系统中，一个作业从提交到完成需要经过高级、中级和低级三级调度。进程调度属于低级调度，确定哪个进程将获得CPU；对换调度属于中级调度，确定哪个进程暂时放入对换区；作业调度属于高级调度，确定哪些作业将有资格获得CPU。25Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第三章进程管理2.进程的基本特征：动态性、并发性、独立性、制约性、结构性.3.进程与线程：传统进程的两个属性：资源的拥有者和CPU调度单位。线程：是CPU调度单位，也称轻量级进程，进程中的

16、一个运行实体。进程：是资源的拥有者26Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第三章进程管理4、进程调度（1）进程的三个基本状态及转换三个基本状态是等待、执行和就绪，在一定的条件下，进程的状态将发生转换。（2）进程调度算法先来先服务（FCFS）时间片轮转法优先数法（3）进程控制块（PCB） 是进程存在的唯一标志，它描述了进程的动态性。27Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第三章进程管理5、进程通信（1）进程的同步与互斥进程的同步与互斥是指进程在推进时的相互制

17、约关系。一般来说同步反映了进程之间的协作性质，往往指有几个进程共同完成一个任务时在时间次序上的某种限制，进程相互之间各自的存在及作用，通过交换信息完成通信。如接力比赛中一组队员使用接力棒等。进程互斥体现了进程之间对资源的竞争关系，这时进程相互之间不一定清楚其它进程情况，往往指多个任务多个进程间的通讯制约，因而使用更广泛。如打篮球时双方挣抢篮板球等。（2）临界区一次仅允许一个进程使用的共享资源称为临界资源，每个进程中访问临界资源的程序段称为临界区。28Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第三章进程管理（3）原语 原语是不可中断

18、的过程，即原语在执行期间是不可分割的。原语主要有：加锁/开锁（LOCK/UNLOCK）原语信号量（Semaphore）及PV操作消息缓冲通信原语高级通信原语，用于一组信息发送（Send）与读取（Read）。29Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第三章进程管理6.死锁死锁是两个或两个以上的进程中的每一个都在等待其中另一个进程释放资源而被封锁，它们都无法向前推进，称这种现象为死锁。产生死锁的原因是共享资源有限，多个进程对共享资源的竞争，而且操作不当。产生死锁的四个必要条件 资源互斥使用、保持和等待、非剥夺性、循环等待。解决死锁

19、的方法死锁的预防：即破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或多个，使系统绝不会进入死锁状态；死锁的避免：即在资源动态分配的过程中使用某种办法防止系统进人死锁状态；死锁的解除：允许系统产生死锁，然后使用检测算法及时地发现并解除它。30Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平试题举例 某系统的进程状态转换如下图所示，图中1、2、3和4分别表示引起状态转换时的不同原因，原因4是由于 （1） ；当一个进程由于某种原因状态转换会引起另一个进程状态转换的是 （2） 。（1）A. 就绪进程被调度 B. 运行进程执行了P操作 C. 阻塞进程等待的事

20、件发生了 D. 运行进程时间片到了（2）A. 12 B. 21C. 32D. 24 31Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理概念：存储管理目的、功能、地址重定位、覆盖与交换知识点：固定分区分配、动态分区分配实现原理；可变式分区分配的数据结构和分配回收算法；动态重定位分区分配实现原理和分配算法。分页原理、 地址变换机构、页面置换算法、两级页表机制分段存储管理原理，与分页的区别段页式存储管理原理32Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平存储管理目的

21、充分利用内存：为多道程序并发执行提供存储基础方便用户使用：自动装入用户程序，用户程序中不必考虑硬件细节扩充内存：系统能够解决程序空间比实际内存空间大的问题存储保护与安全：多道程序并发执行的保护与安全共享与通信33Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理1.存储管理的基本概念逻辑地址（相对地址） 用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码通常采用相对地址的形式，其首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址而编址。不能用逻辑地址在内存中读取信息。物理地址（绝对地址，实地址） 内存中存储单元的地址，可直接寻址。地址

22、映射：为了保证CPU执行指令时可正确访问存储单元，需将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址，这一过程称为地址映射。三级存储器结构 辅存主存高速缓存为三级存储器结构。34Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理地址重定位静态重定位：用户程序装入内存时已完成逻辑地址到物理地址的转换 动态重定位：在程序运行过程中实现地址变换（即在逐条指令执行时完成地址映射。一般为了提高效率，此工作由硬件地址映射机制来完成。）35Xd University School of Software Engineering

23、2009 王亚平Load A data1data1 3456源程序编译连接Load A 200 34560100200逻辑地址空间地址映射Load A 1200 3456 。 。1200物理地址空间BA=1000 静态重定位：用户程序装入内存时已完成逻辑地址到物理地址的转换 1.存储管理的基本概念36Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平0.100200300.LOAD A 2003456逻辑地址空间03456.LOAD A 200.110012001300物理地址空间VR2001000BR+动态重定位：在程序运行过程中实现地

24、址变换（即在逐条指令执行时完成地址映射。一般为了提高效率，此工作由硬件地址映射机制来完成。）37Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理2.分区分配存储管理方案：固定分区、可变分区、可重定位分区。算法：最先、最佳、循环首次、最差适应内存“扩充”技术有交换：由操作系统做，用户不知道。覆盖：由用户控制，操作系统提供覆盖机制。38Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理3.请求页式存储管理1)页式存储管理实现原理基于程序在运行时不需要一开始都

25、装入内存（局部性原理），更不应该把最近较长一段时间内不用的程序装入内存。2)页表的作用是将逻辑页号转换为物理块号。3)页面淘汰算法先进先出算法(FIFO)、循环检测法、最近最少使用页面先淘汰（LRU）、最不经常使用的页面先淘汰（LFU）、最近没有使用页面先淘汰（NUR）、最优淘汰算法（OPT）等。 39Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理分页存储管理的地址变换机构6624624640Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理4.段式存

26、储管理段表：它记录了段号，段的首（地）址和长度之间的关系每一个程序设置一个段表，放在内存属于进程的现场信息空闲块管理：记录了空闲区起始地址和长度内存的分配算法：首先适配；最佳适配；最坏适配41Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理页式和段式存储管理的比较：42Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章存储管理页式和段式存储管理的比较：43Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第

27、四章存储管理5.段页式存储管理特点：作业分段，段内再分页。有段式和页式管理的优点，但系统复杂和开销增大，一般在大型机器上才使用。 管理：用分段方法分配管理作业，用分页方法分配管理内存。系统需要如下表格：段表：每一个作业对应一张页表：每一段对应一张存储管理表：系统对应一张44Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四部分 文件系统 (File System )文件概念文件结构目录结构文件共享文件的保护45Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章文件管理1.文

28、件管理的任务与功能任务：把存储、检索、共享和保护文件的手段，提供给操作系统本身和用户，以达到方便用户和提高资源利用率的目的。功能：分配与管理外存，实现按名存取提供合适的存储方法文件共享、保护，解决命名冲突，控制存取权限文件的组织结构：文件、文件元素、文件系统，其中文件系统包含文件管理程序（文件和目录的集合）和所管理的全部文件。46Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章文件管理计算机为什么需要文件？数量原因内存无法保存大量信息时间原因内存无法永久保存信息应用原因内存无法方便实现共享文件系统的作用为应用程序提供逻辑抽象（虚拟

29、机）为磁盘空间提供管理机制（资源管理器）47Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章文件管理文件系统服务器文件结构定义文件访问控制 安全、保护磁盘空间分配磁盘数据存取 磁盘设备防护数据文件磁盘空间映 射应用层观点：逻辑抽象物理层观点：空间管理48Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章文件管理2. 文件的分类性质和用途：系统文件、用户文件、库文件信息保存的期限：临时文件、永久文件、档案文件保护方式：只读文件、读写文件、可执行文件文件逻辑结构：流式文件、

30、记录式文件、结构化文件文件物理结构：顺序文件、链接文件、索引文件Unix：普通文件、目录文件、特殊文件(设备文件)49Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第四章文件管理3.文件结构逻辑结构和物理结构的差别逻辑结构：内容的组织形式物理结构：数据的存储形式逻辑结构1字节流最简单、最原始的逻辑结构最大缺点：增删改查困难逻辑结构2记录序列结构化的文件内容组织曾经流行一时，已经落伍逻辑结构3树形组织最灵活的逻辑结构便于增量存储和各种操作50Xd University School of Software Engineering 200

31、9 王亚平4.目录结构文件控制块FCB：也称文件目录项，是操作系统描述和控制文件的数据结构。文件目录：是所有FCB的有序集合。FCB包含三类信息：基本信息：文件名、文件的物理地址存取控制信息：文件的存取权限使用信息：建立日期、修改日期、访问日期；打开文件的进程数，等待文件的队列指针等。51Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平4.目录结构目录结构的组织关系到文件系统的存取速度，关系到文件共享性和安全性。文件的目录结构分为：一级目录结构二级目录结构多级目录结构52Xd University School of Software

32、Engineering 2009 王亚平多级目录结构采用多级目录结构访问一个文件：路径名文件名。 MSDOS和UNIX等操作系统都采用多级目录结构。路径名从根目录开始到该文件的通路上所有各级目录名拼起来得到，各目录名之间与文件名之间可用分隔符隔开。在MS-DOS中分隔符为“”，在UNIX中分隔符为“/”。重名问题：在多级目录中存取一个文件需要用文件全名，这就允许用户在自己的目录中使用与其它用户文件相同的文件名，由于各用户使用不同的目录，虽二者使用了相同的文件名，但它们的文件全名仍不相同，这就解决了重名问题。 53Xd University School of Software Engineer

33、ing 2009 王亚平一、文件系统的基础5.文件的保护影响文件系统安全性的主要因素系统漏洞提高设计水平进行规避操作失误建立防护机制进行保护恶意攻击实施安全策略进行遏制保护域的概念对不同类型的文件，进行分类、分级管理实现方法：保护域矩阵和存取控制表隐藏通道系统实现加噪信息传输，防止恶意攻击54Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平试题举例1. 一个已经打开的连续文件，要读取该文件的第10号数据块，则需要进行_次I/O操作；对于链式文件需要进行_次I/O操作。 2次：1次读目录，得起始块号+偏移 1次读物理块55Xd Unive

34、rsity School of Software Engineering 2009 王亚平试题举例1. 一个已经打开的连续文件，要读取该文件的第10号数据块，则需要进行_次I/O操作；对于链式文件需要进行_次I/O操作。 11次：1次读目录 9次读物理块，得下一个地址 1次读文件的第10号物理块56Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平试题举例2. 设某个文件为链式文件，由5个逻辑记录组成，每个逻辑记录的大小与磁盘块大小相等，均为512字节，并依次存放在50、121、75、80、63号磁盘块上。若要访问文件的第1569逻辑字节

35、处的信息，则要读取第_号磁盘块。 50盘块存放： 0 511字节121盘块存放： 512 1023字节 75盘块存放：1024 1535字节 80盘块存放：1536 2047字节 63盘块存放：2048 2559字节 57Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平试题举例3. 某文件系统采用多级索引结构，设块长为512字节，每个块号占3字节。如果不考虑逻辑块号在物理块中所占的位置，那么根索引采用二级索引时的文件最大长度为 (1) K字节；采用三级索引时的文件最大长度为 (2) K字节。解：一个物理块可存放512/3=170个块号，

36、一级索引表文件最大长度为170块；(1)二级索引块)， 289005121450K字节(2)三级索引：1701701704913000 (块) ， 4913000 5122456500K字节58Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平试题举例59Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第五章文件管理6.磁盘调度当多个访盘请求在等待时，采用一定的策略，对这些请求的服务顺序调整安排，旨在降低平均磁盘服务时间，达到公平、高效。公平：一个I/O请

37、求在有限时间内满足高效：减少设备机械运动所带来的时间浪费磁盘调度考虑的问题：一次访盘时间=寻道时间+旋转延迟时间+存取时间 (1) 减少寻道时间 (2) 减少延迟时间60Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第五章文件管理磁盘调度分：移臂调度和旋转调度原则：先进行移臂调度，然后再进行旋转调度1)常用的移臂调度算法：先来先服务最短寻道时间优先扫描算法（电梯算法）单向扫描调度算法61Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平2)旋转调度算法根据延迟时间来决定执行次序的

38、调度分析：若干等待访问者请求访问同一磁道上的不同扇区 若干等待访问者请求访问不同磁道上的不同编号的扇区 若干等待访问者请求访问不同磁道上具有相同的扇区 解决方案： 对于前两种情况：总是让首先到达读写磁头位置下的扇区先进行传送操作对于第三种情况：这些扇区同时到达读写磁头位置下，可任意选择一个读写磁头进行传送操作 请求顺序 柱面号 磁头号 扇区号 5 4 1 5 1 5 5 4 5 5 2 862Xd University School of Software Engineering 2009 王亚平第六章设备管理1.设备管理的任务和功能设备管理的任务（1）按用户需求提出的要求接入外部设备，系统按一定算法分配和管理控制，而用户不必关心设备的实际地址和控制指令；（2）尽量提高输入输出设备的利用率，例如发挥主机与外设以及外设与外设之间的真