操作系统导论课件.ppt
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1、1,第0章 操作系统导论,内容:操作系统简介行程管理处理机排班内存管理虚拟内存管理输入/输出装置管理文件系统管理,2,0-1操作系统简介,内容何谓操作系统计算机系统的架构操作系统的功能操作系统的种类,第0-1章 操作系统简介,3,操作系统简介(1),0-1-1何谓操作系统 ?用户与计算机硬件间的沟通桥梁,提供使用者个执行及操作程序的环境,让用户能够很方便且迅速的操作计算机主机与操作系统MS-DOS操作系统单一使用者/单一工作 的工作平台Windows操作系统Win95.98.Me是单一使用者/多工作 的平台WinNT开始 是多使用者/多工作 的平台Linux操作系统完全免费且于网络上公开原始码
2、的操作系统Fedora,4,主机与操作系统,5,计算机系统的架构,硬件(含韧体)硬件为计算机的实体装置,包含内存、磁盘驱动器、磁带机、屏幕、键盘、鼠标等设备;这些设备都需透过适当的驱动程序来操作般计算机都将管理程序刻录在主板上的EPROM,并保持随时可以启动,称之为【韧体】(Firmware)核心依照韧体提供的功能,编写一些较容易链接的函数,以供其他程序链接并透过它来存取接口设备,这些函数的整合体称为【核心】(Kernel)外壳编写可以存取核心的程序,好让般使用者操作,这就是【外壳】(Shell)应用程序用户利用核心与外壳的标准接口程序来编写应用软體(Application Program),
3、大部分情况与硬件无关,程序设计师可以完全不用理会周边硬件,6,计算机系统架构,7,系统程序与系统呼叫,我们会将硬件控制程序与最基本的计算机运作程序整合成一个称之为【系统程序】(System Program),该程序提供计算机最根本的运作平台,再由此平台扩充功能,整合个强大的【操作系统】系统程序提供许多关于外围设备的函数,一般称为【系统呼叫】(System call),藉由这些函数的呼叫,用户就可以轻易存取接口设备我们习惯将常驻于内存的库存函数称为核心,因为这些函数随时会被呼叫通常Unix/Linux的核心可让用户选择所欲加载的函数,这是Unix/Linux系统最引以为傲的地方,而widows就
4、望尘莫及,8,操作系统的功能,控制程序(Control program)OS提供控制所有接口设备的功能人机界面(User-machine interface)使用者透过OS所提供的人机接口工具方便的操作计算机此类型工具大多称之为【命令】(command)延伸机器(Extended machine)使用者不需利用0/1操作计算机,只要使用接近人类的语言就可以控制计算机,进一步让计算机更接近人类的逻辑思维来处理事务资源管理者(Resource manager)负责将CPU、内存空间、磁盘空间、打印机与数据等资源分配给用户程序,为了避免冲突发生,OS必须快速且合适地分配资源,9,操作系统的种类,批处
5、理系统(Batch processing system)早期计算机资源昂贵,多利用整批方式输入给系统一起处理多元处理系统(Multi-programming system)多个程序同时存在内存中,CPU以某选定策略轮流执行这些程序用户会感觉好像多个程序同时被执行(实际某时刻只有个程序执行)分时处理系统(Time-sharing system)将CPU运行时间平均分配给每一个用户,让多个程序可以共享CPU所以无论程序大小,只要小段的时间用完,而不论工作是否执行完毕,都必须要换下一个程序使用,10,操作系统的种类,多任务处理系统(Multi-task system)多处理机系统(Multi-pro
6、cessor system)部计算机中有多个CPU同时处理提供快速运算环境实时系统(Real-time system)每个程序都有其优先权(优先顺序),优先权高的工作有优先处理的特权必须在限定的时间内完成,否则逾时可能不具任何实质意义,11,行程管理(1),内容何谓行程 ?行程的生命周期行程的同步行程的死结行程的通讯,12,行程管理(2),何谓行程(Process)?行程-执行中的程序,属于主动组件程序属于被动组件行程在执行当中,会根据需要产生其他子行程(Child Process),交付给子行程所要执行的工作行程又可分为【操作系统行程】与【使用者行程】操作系统行程执行系统程序代码使用者行程执
7、行使用者程序代码,13,行程的特性与现象,行程的特性行程序一个动态的概念行程是程序与数据的结合体行程可并行处理CPU速度够快,可视为所有行程都正在执行中行程的现象以象棋为范例行程间会互相竞争因为CPU次仅能执行一个行程,所以系统中的行程可能需要经过竞争,才能得到CPU资源,所以会涉及行程的排班问题,14,行程生命周期,因为同时间仅有一个行程被选入执行,所以一个行程从产生到执行完毕通常需要几回合的执行周期才可以完成。执行状态(Running state)行程执行中预备状态(Ready state)行程已经取得所需的资源,正准备进入CPU执行等待状态(Wait state)在执行当中可能因为无法获
8、得某些资源或者逾时退出执行,就会进入等待停止状态(Stop state)行程执行完毕,等待被注销死结状态(Deadlock state)行程可能在等待一个永远无法获得的资源,并继续无止境等待,15,行程生命周期,16,行程生命周期,挂起等待状态(Suspend waited state)当CPU工作负荷过重且难以承受时,会选择某些行程将其挂起,并进入挂起等待状态。甚至行程的程序与数据可能会被置换出去到外部辅助内存(Swap out)挂起预备状态(Suspend ready state)被挂起的行程欲再次进入运行时间,须先到挂起预备状态,然后等待进入预备状态。,17,行程的命令,建立(fork)
9、Fork系统呼叫会产生一个子行程(Child Process),产生行程者称为父行程停止(stop)撤销(destroy)无论行程是正常停止或非正常停止,都需藉由撤销命令释回行程所占用的内存空间与相关资源阻断(block)行程从执行状态 等待状态唤醒(wakeup)行程从等待状態预备状态挂起(suspend)激活(activate)藉由激活让系统重新配置内存空间以执行该行程,18,行程生命周期,19,临界区间(Critical Section),临界区间就是指共享区域以交通系统为例,临界区间就是交叉入口以程序而言,临界区间就是整体变量(Global Variable)Ex.SUM变量次只能允许
10、个行程执行,否则会有竞争条件(Race Condition)出现测试与设定(Test-And-Set, TAS)K=flag;If (flag = 0) flag = 1;/flag =表示该资源已经被取用,20,行程同步,号志与P/V操作(Semaphore)多重资源S:可使用资源数量P(S):取得共享资源if S 0 then S = S-1else Waiting .V(S):释放共享资源S = S +1 wakeup process,21,行程的死结预防,互斥(mutual exclusion)除非资源取之不尽用之不竭,否则不可能达到资源互斥的需求占用与等候(hold and wait
11、)行程占用一个资源,而另个行程在等待被占用的资源有可能发生【饥饿现象】不可抢先(no pre-emption)循环式等候(circular wait)个行程等个行程,22,行程的通讯,阻断传送(Blocking Send)传送端一直等到接收端接收讯息为止无阻断传送 (Nonblocking send)传送端送出讯息,无须等待接收端接收,马上可以重新操作阻断接收(Blocking Receive)接收端一直等到有讯息出现无阻断接收(nonblocking Receive)接收端收到讯息或指示无有效数据Send (A, message)Receive (B, message),23,讯息缓冲通讯,
12、讯息缓冲通讯分时系统的任一时间只有一个行程会被启动,欲达到两个行程直接通讯是不可能的。可以将传送行程欲传送给接收行程的讯息直接投入信箱内,接收行程再由信箱读取信息,所谓信箱就是主存储器的某区块空间,又称为【讯息缓冲器】Send (A, message)Receive (A, message),24,管道通讯,管道通讯(Pipe)主要缺点是容量有所限制,针对大量传输往往会发生缓冲器空间不足的问题。原则上共享档案只允许相互通讯的两行程使用,并不分享给其他行程,25,0-3处理机排班(1),内容何谓处理机排班?先到先服务排班最短工作优先排班最高等级优先排班循环点名排班多层次队列排班多层次反馈队列排班
13、,26,处理机排班,何谓处理机排班一部主机系统可以有很多个行程同时处于执行状态,但是CPU在任一时间内仅能处理一个行程,所以CPU如何由多个行程中选择一个行程执行排班的重要因素CPU使用率(Utilization)CPU的等待是资源浪费,所以使用率越高越好输出量(Throughput)回复时间(Turnaround time)行程工作进入计算机系统到执行完毕离开计算机这一段时间称之等候时间(Waiting time)般行程备CPU执行的时间不会太长,大部分都是花在排班等候CPU,27,处理机排班,先到先服务排班(First Come First Served, FCFS)最基本也是最简单的排班
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