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操作系统

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第三章操作系统
3.1 操作系统导论
3.1.1 什么是操作系统所谓操作系统就是能有效地管理计算机系统中的各种软,硬件资源,合理地组织计算机的工作流程,为用户创造良好工作环境的系统软件.
设置操作系统的目的是:
1.有效地管理计算机的所有软,硬件资源,使计算机能够高效率地工作;
2.方便用户使用. 操作系统是运行在硬件上的最基本的系统软件.操作系统的形成
这工作方式有两个主要缺点:
(1)计算机的全部资源(CPU,内存,外部设备等)由一个用户独占.
(2)人工操作,CPU和输入输出设备的工作串行进行.整个操作过程非常繁琐,计算机工作效率很低.
(一)手工操作方式凿有高级语言编写的纸带
3.1.2 操作系统的分类
1,批处理操作系统
2,分时系统
3,实时系统单道批处理系统多道批处理系统批处理操作系统把作业控制命令穿插在用户的源程序中、通过它们把上机操作步骤和过程信息传递给系统.用户的作业成批输入到计算机系统中、由监督程序(实际就是操作系统的前身)逐个调入内存处理.
工作特点:用户一次可以提交多个作业,但系统一次只处理一个作业.处理完一个作业后,自动调入下一个作业进行处理.
减少人工干预,使计算机自动进行输入,编译和运行程序.比如,Fortran源程序的编译连接过程可用批处理来进行.标识一个作业开始调用装配程序调FORTORAN编译程序运行某个作业标识某个作业的结束功能命令一些典型的作业控制命令外设工作(CPU等待)CPU工作1ms2ms输入一个数据处理数据输出数据数据完结束YN5ms输入CPU输出串行工作方式运行中的作业进行输入输出操作时,处理机处于空闲等待状态、而输入输出操作速度很慢.处理机利用率很低.
中断机构和通道技术的出现,使得CPU与外设并行工作成为可能.控制信号数据设备1设备2设备3设备4设备8设备7设备5设备6通道1通道4通道2通道3主存
通道:用来控制外部设备与主存储器之间进行信息交换的部件CPU向通道发起动通道的命令.通道通知设备与主存传递数据,此时CPU也在进行其它计算工作(并行工作).
当设备与主存传递数据结束后,通道向CPU发信号(中断)、CPU停下计算工作,执行中断程序(中断处理程序比较简单).
中断:
中断是外界(如输入,输出设备,通道等)向主机报告信息的一种通信方式,是CPU对系统中随机事件的响应.
使用中断和通道技术后,实现外设与CPU并行工作示意图data1data2数据存储区处理上一个数据继续处理上一个数据data 5当CPU处理完上一个数据后,一方面启动输出设备输出结果,同时又启动输入设备进行操作,输入下一次要处理的数据,并且CPU也同时处理已输入并存储在计算机缓冲区中的数据.可以看出、外设与CPU的并行工作只需2ms.
上述系统由于一次只执行一个作业,所以系统内包含的各种资源不能被充分利用起来,解决的办法是让多道程序同时进入内存中多道批处理系统.
多道批处理系统示意图打印机作业2作业1OS作业3结果3结果2结果1用户作业用户提交图-21后备作业磁盘输入井磁盘输出井处理结果成批
3. 多道批处理系统和分时系统(如图-21,图-22)
多道批处理:
把内存分成若干部分,把属于同一批的若干个作业调入内存,存放在内存的不同部分.当一个作业由于等待输入输出操作而使处理机出现空闲时,系统自动进行切换,处理下一个作业.如果内存空间允许、可大大提高CPU的利用率.
提交系统磁盘输入磁盘输出批处理系统的作业以批量方式进行、用户不能进行任何干预.计算打印A(优先级高)C多道程序并行运行示意图C1 打印B3 打印A2 CPUBA1 输入程序A的优先级最高,C是最低,采用式的优先调度算法.A 程序B 程序C 程序操作系统A 输入请求B打印请求A输入结束B打印结束A结束B结束本图主要说明多道程序平行运行如何进行CPU管理, 因为A,B,C,OS都想抢占CPU.
通过分析多道程序设计工作原理来引出操作系统的功能:多道程序设计的主要思想是允许多个程序进入内存中、共享处理机和其他外部资源,同时处于运行状态.
脱机技术
脱机技术的实质:卫星机与主机并行工作,使主机摆脱了慢速的输入,输出操作,即用快速的输入,输出设备(磁带)代替低速设备,减少了输入,输出操作对系统的影响、缓解了外设与主机运行速度不匹配的矛盾.
输入设备输出设备卫星机主机输入带输出带在多道批处理系统,用户无法干预自己程序的运行、缺乏参与感,于是分时系统应运而生.
终端1终端2终端3终端4分时系统工作示意图分时系统的特点
同时性:多个用户终端通过多路卡连接到一台主机.
独立性:每个用户通过一台终端使用系统,彼此独立操作.
及时性:终端用户的请求很快可获得响应.
交互性:用户可通过键盘输入命令.实时系统
1,实时过程控制系统
2,实时信息处理系统多道程序设计提高了计算机资源的利用率.但是,随之也带来一些问题:
例如:多道程序同时运行、处理机如何调度多道程序同时放在内存中、内存如何分配管理多道程序争夺IO设备,IO设备如何分配多道程序共享系统资源,如何有效地管理这些资源,使得计算机能够高效率的工作,这种重要的管理任务就是由操作系统来担当,那么操作系统的功能是什么
3.1.3 操作系统的功能
1,处理机管理
2,存储管理
3,设备管理
4,文件管理
1.处理机管理对处理机的分配、调度实施最有效的管理,以最大限度地提高处理机的处理能力.
2.存储器管理为每个进程分配内存.当进程被撤销时回收分配出去的内存.
3.设备管理计算机系统的输入,输出设备繁多.设备管理的主要任务是:根据一定的的分配原则对设备进行分配、调度为用户使用IO设备提供方便,易用,高效的操作界面.
4.文件管理计算机中的所有信息(可执行程序,文档,数据等)都是以文件的形式保存在外部存储介质上.操作系统提供一套高效,方便,易用的信息管理机制,称之为文件系统.其主要任务是:数据存储空间的分配、回收,文件的读写,查找为用户提供方便,易用,高效的服务接口,如文件的打开、关闭、读写以及文件的删除等.
3.1.4 操作系统的特征(1)互斥共享(2)同时访问
3,虚拟计算机系统中的硬件资源和软件资源为各用户所共同使用.再多任务操作系统中、并发是指宏观上在一段时间内多个进程同时运行.
3,虚拟性把一个物理实体,通过适当方法,变成为若干个逻辑上的对应物.物理实体是实际存在的,而逻辑实体是虚拟的,是人的一种看法和感觉.
3.2 典型操作系统简介DOSWindows xp
\Open Server
LINUX:免费的类UNIX的操作系统,公开源代码、内核小,硬件要求低,稳定可靠.
程序A・・・・・・程序B单道作业环境中程序顺序执行示意图
1,进程概念的引入
3.3 进程与处理机管理
3.3.1 进程的概念及定义进程是一种活动,它由一个动作系列组成,每个动作是在某个数据集上执行一段程序,整个活动的结果是提供一种系统或用户功能.
调C
3,进程与程序的区别(1) 进程是动态概念,程序是静止概念.
(2) 进程的存在是暂时的,程序的存在是永久的.
(3) 一个程序对应多个进程,而一个进程仅对应一个程序.
2,进程的定义(4) 进程在结构上是由程序,数据集,进程控制块(PCB)三部分组成的.
PCB程序数据(4)异步性
4,进程的特征(1)动态性程序运行时,始终处于停停走走的状态.
(2)并发性时间上重叠;内存中的程序交替占用CPU(3)独立性进程一个一个占用CPU进程按各自独立的,不可预知的速度向前推进.
1,进程的状态及其变化就绪阻塞运行等待事件事件发生时间片完进程调度
3.3.2 进程状态及进程控制块
2,进程控制块进程名进程起始地址现行状态CPU状态保护区进程专用资源信息
3,进程控制块(PCB)的组织形式队列首地址
1,进程控制(管理)任务(1)__ 进程的建立(2)__ 进程的撤消(3)__ 进程的阻塞(4)__ 进程的唤醒
3.3.3 进程控制
2,进程控制原语(1)创建原语(2)挂起(阻塞)原语(3)唤醒原语(4)撤消原语
3.3.4 进程调度
1,进程调度任务
2,进程调度方式(1)_方式(2)非方式
3,调度算法(1)优先级调度策略A,静态优先数法B,动态优先数法(2) 时间片轮转法(3)多重时间片轮转法如图解所示一级轮转队列时间片0.02秒二级轮转队列时间片0.2秒三级轮转队列时间片2秒进程1进程2进程3进程4进程5IO2IO1程序Z程序Y程序X时间IOZZ剩10ms
30 Z剩10ms, Y剩10msX被IO1堵塞z剩10ms上例分析计算结果最早结束是Y , 最后结束是Z ;
X,Y,Z三程序到结束所用时间分别为250ms ,220ms ,310ms ;
CPU 的利用率为:
单道处理时CPU的利用率:
多道处理时CPU的利用率:
多道程序设计的优点:提高了系统的吞吐量;提高了CPU的利用率;提高了设备的利用率.
1,同步与互斥的概念
3.3.5 进程的同步与互斥
同步: 请看两个例子
互斥:请看两个例子
临界资源:一次仅允许一个进程使用的资源.
临界区:进程中使用临界资源的那段程序.例1电子邮件信箱发送进程A接收进程B当信箱满时,发送进程只有等待接收进程取走信件,当信箱空时,接收进程必须等待发送进程发送信件.
n
例2:计算fun1(y)进程p2算完fun2(Z)取用P2计算结果计算fun2(Z)设置计算完成标志终止进程P1进程P2两个协同工作进程的同步
例1:公共地段
交通十字路口的控制:公共地段互斥例临界区进程A进程B进程A与B对公共变量COUNT进行互斥操作,最终实现COUNT增加2.若A与B接下面顺序推进、结果COUNT只实现增加1.
1,进程的同步与互斥的实现方法利用P原语和V原语对信号量进行操作可实现进程的同步与互斥.根据信号量的用途不同、信号量分为公用信号量和私用信号量两类:
1.公用信号量:每个进程均可对他施加P操作和V操作的信号量.初值为1.通常作为互斥信号量.
2.私用信号量:允许一个进程对他施加P操作,其它进程只能对他进行V操作的信号量.初值为0或某个正整数n.通常作为同步信号量.
P原语操作过程:
P操作记为P(S),其中S为一信号量,其执行顺序完成以下两个动作:
(1)______ S=S 1,表示申请使用一个资源;
(2)______若S 0,表示系统中有资源可用,现进程可继续执行.
(3)______若S 0,表示系统中没有可用资源,则置该进程阻塞状态、到S信号量的队列中去等待、直到其他进程在S上执行V操作释放它为止.在信号量数据结构之上定义了两个原语、他们是P原语和V原语.V操作记为V(S),其中S为一信号量,其执行顺序完成以下两个动作:
(1)______ S=S1,表示释放一个资源;
(2)______若S 0,表示系统中没有等待该资源的进程,现进程可继续执行.
(3) 若S 0,表示系统中有等待该资源的进程,则唤醒S信号量队列中的第一个进程,使其插入到就绪队列,继续执行现进程.
V原语操作过程:同步条件同步点(1)实现进程同步
3,P-V操作的应用查询进程S把查询结果写到缓冲区打印进程P把缓冲区内容打印输出
S1:表示缓冲区中是否已有可供打印的查询结果,初值为S1=0
S2:表示缓冲区中的查询结果是否已被打印进程取走,初值为S1= 0进程A的临界区进程B的临界区初值S=1(2)实现进程互斥(3)实现进程同步与互斥生产者与消费者问题生产者与消费者问题是最著名的进程同步与互斥问题.他描述了一组生产者向一组消费者提供消息,他们共享一个有界缓冲池,生产者向其中投放消息,消费者从中取得消息.
生产者与消费者问题是许多相互合作进程的一种抽象.例如,在输入时,输入进程是生产者、计算进程是消费者.在输出时,计算进程是生产者、打印进程是消费者.
PmCn有界缓冲池生产者消费者
同步问题:
1.只要缓冲池未满,生产者便可将消息送入缓冲池,否则等待.
2.只要缓冲池未空、消费者便可从缓冲池中取走一个消息,否则等待.
互斥问题:
1.生产者与生产者之间,消费者与消费者之间互斥访问缓冲池.
2.生产者和消费者之间互斥访问缓冲池. 生产者与消费者之间的同步与互斥问题
公用信号量S:初值为1,表示没有进程进入临界区.
私用信号量S0:初值为0,表示产品数目.
私用信号量Sn:初值为n,表示缓冲区中空位置个数._为实现生产者与消费者的同步与互斥,设两个私用信号量和一个公用信号量:
同步互斥算法:生产者进程P1缓冲区产品消费者进程C1取产品公用信号量S=1,互斥信号量.私用信号量S0=0,表示产品数目.私用信号量Sn=n,表示缓冲区中空位置个数
采用时间片轮转法:Sn=n以此循环往复
3.2.6 进程通信(1)消息缓冲通信某进程发送消息某进程接受消息操作系统来管理,使发送与接受配合好发送原语Seng接受原语Receive缓冲区a发送区sendDReceive接收区PA 进程PB 进程PCBP B进程计算机进行消息缓冲通信的工作原理Hello
第一个消息<从消息队列中摘下一消息Buf.排入PB的消息队列发送原语Send(PB,a)申请一空退出消息buf接收原语P(ssm)把消息拷贝到接收区释放bufSendP(sml)申请格子把信件从信件发送区读到信箱格子中P(sm2)控制是否有信件把第一个格子中的信件读到信件接收区(2)信箱通信(2) 信箱通信发送进程接收进程信箱发送进程把消息发送到接收进程的信箱中.接收进程到自己的信箱中读取消息.
(3)基于共享数据结构或共享存储区通信从内存中划分出一段共享存储区、并由操作系统来管理.需要通讯的进程向操作系统申请共享存储区的一个分区.若申请成功,进程就可使用这一共享存储区进行读取信息或存储信息的操作.
_1.3_______ 操作系统虚拟机操作系统是计算机系统中最重要的系统软件,它是对计算机硬件的第一次软件扩充.
1.3.1 操作系统的形成操作系统是随着计算机硬件的发展而逐步形成的,多到程序系统和分时系统的出现标志着操作系统的形成.当然,操作系统也和其它计算机技术一样,也在不断发展.
操作系统的发展如图,多道程序系统和分时系统的出现标志着操作系统的形成.
(1 ) 减少人工干预,使计算机自动进行输入,编译和运行程序.
如图16所示、把作业控制命令穿插在用户的源程序中、通过它们把上机操作步骤和过程信息传递给系统.用户的作业成批输入到计算机系统中、由监督程序(实际就是操作系统的前身)逐个调入内存处理.
_(1)__________ 脱机技术上述系统虽然减少了人工操作时间,提高了作业的处理速度.但由于外设和主机的工作仍然是串行的,系统的工作效率显然受到输入,输出速度的严重限制,处理机资源没有被充分利用起来.为了解决这个问题,采用脱机技术.如图17.
主机所有的输入,输出操作都通过磁带进行、而外设的操作直接通过卫星机进行.
(1)__________ 中断和通道技术但上述系统没有从根本上发挥主机的效率,因为主机的运行和磁带机的输入,输出操作都是在程序的控制下串行进行的.当计算机与外设进行信息传输,外设正在执行操作时,CPU就不能再往下执行程序,而是等待输入,输出操作的完成.由于磁带机的工作速度远低于主机、所以,主机的大部分时间仍消耗在等待输入,输出上.
如图18.
中断:中断是外界(如输入,输出设备,通道等)向主机报告信息的一种通信方式,是CPU对系统中随机事件的响应.比如当外设完成数据的输入输出时,会向系统发出请求信号.这时CPU中断当前程序的执行、而转去处理该随机事件,比如启动下一批数据输入或启动下一批数据输出、直到处理完了之后,再回到原来程序的断点处继续执行程序.而并不等待输入输出的完成.在这种工作方式下,当主机与外设传输信息传输信息,外设具体执行操作时,CPU可以继续执行程序,而并不等待输入输出的完成.只有在外设完成输入输出操作时,CPU才中断当前程序的执行、转去做相应的处理.如图20显示出、当CPU处理完上一个数据后,一方面启动输出设备输出结果,同时又启动输入设备进行操作,输入下一次要处理的数据,并且CPU也同时处理已输入并存储在计算机缓冲区中的数据.可以看出、外设与CPU的并行工作只需2ms.
(三) 多道批处理系统和分时系统上述系统由于一次只执行一个作业,所以系统内包含的各种资源不能被充分利用起来,解决的办法是让多道程序同时进入内存中.由于多道作业共享系统资源,系统要承担资源管理的任务.比如,CPU管理,解决多个并行运行的程序之间分配处理机的问题;内存管理,主要解决多道作业如何合理分配内存空间,以保证存储器上各个作业互不冲突;作业管理,主要解决如何从外存中的多道作业中挑选某些作业调入内存;设备管理,主要实现外设和CPU 并行工作等等.如图多道系统工作示意图21.
在多道批处理系统,用户无法干预自己程序的运行、缺乏参与感,于是分时系统应运而生.如图22.
操作系统也和其它计算机技术一样在不断地发展,随着计算机技术的应用的日益广泛和深入,对操作系统的要求也越来越高,出现了不同类型的操作系统,比如实时控制系统,网络操作系统,分布式操作系统等.
本图主要说明多道程序平行运行如何进行CPU管理.因为A,B,C,OS都想抢占CPU.程序A的优先级最高,C是最低,采用式的优先调度算法通过分析多道程序设计工作原理来引出操作系统的功能:多道程序设计的主要思想是允许多个程序进入内存中、共通过分析多道程序设计工作原理来引出操作系统的功能:多道程序设计的主要思想是允许多个程序进入内存中、共享处理机和其他外部资源,同时处于运行状态.
_(1)_ 脱机技术卫星机通常是简单的计算机.卫星机将数据传到磁带上,人工将磁带装入输入机、计算机从输入机的磁带上读取数据.
本图强调程序运行过程与程序的规定发生了变化.
比如:B程序,程序计算过程分成了两块.又如A程序,当输入完毕后,理应马上接着计算,但实际上CPU被B占有、所以A只能等待、使得A的执行过程由计算机分成几片(人不可知).
在单道程序设计系统中、只有一道作业在内存中、程序的运行严格按照程序的规定顺序运行.程序与它的运行过程一一对应起来.为了提高计算机的工作效率,操作系统多采用多道程序设计技术.在多道程序设计系统中、程序的运行发生了变化,不再是顺序执行完一个程序的每一个操作后,再取执行第二个程序,而是若干个程序同时进行、系统资源是有多个程序共享、这样可能会造成几个程序因竞争同一资源而相互制约:获得资源者便能继续运行、未获得资源的只能等待.由于这种制约关系,各个程序在系统中所处的状态将不断改变,时而在CPU上运行、时而因等待某事件的发生而无法运行.由于程序有了并行、制约和动态变化的特点、所以原有的程序这一概念已不能深刻地描述它们的活动联系及其状态变化.我们必须从动态的角度分析研究这些可并发执行的程序段,因而引入了进程的概念.
(3)对应图A,程序A与程序C是两个并发程序,程序C对应两个进程CA和CB .
CA是A中调用C的运行过程.CC是B中调用C的运行过程.)进程是看得见摸得着的,由程序-PCB-数据三部分组成.PCB的展开图是右边的表.
表中的现行状态:指程序运行的状态、比如打印,还是占用CPU.
CPU状态保护区:记录断点的各种各样的信息,比如位置,参数值.
发送进程A:送信次序为
接收进程B:收信次序为同步的含义为、当信箱满时,必须在接受进程B取走信后,A才能发信.
Fun1和fun2是两个复杂函数.假设计算机中有两个CPU,则CPU1计算完fun1后,要等待CPU2是否计算完.若CPU2还没计算完、则CPU1必须等待.
只能一个进程占有公共地段,不能有几个进程同时占有.Count是公共变量,在临界区、只有当进程A执行完后,进程B才能进行.
注意:s有一定的物理意义.为管理的某类资源,值是多少,比如前面的信号中的格子是s,有5各格子,s=5.
若执行从进程B开始,则A,B可以同时.
若执行从进程A开始,当A到达C:处,A只能等B,当B释放出资源后,A,B同时往下进行.
申请格子是由信箱信号量sm1来控制,可以设初值n, sm2来控制信箱内是否有信件,可以设初值为0

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