【正文】 或完成截止時(shí)間來(lái)確定的。一般為秒級(jí)、百毫秒級(jí)直至毫秒級(jí)，甚至有的要低于100微秒。 （ 4）交互性： 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的交互性僅限于訪問(wèn)系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序，不象分時(shí)系統(tǒng)那樣能向終端用戶提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)、資源共享等服務(wù)。 （ 5） 可靠性 ： 實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求系統(tǒng)高度可靠，往往采用多級(jí)容錯(cuò)措施來(lái)保證系統(tǒng)的安全性及數(shù)據(jù)的安全性。 35 微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展 1．單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng) 1) CP/M 上世紀(jì) 70年代 (8位機(jī) ) 2) MSDOS 上世紀(jì) 80年代 (16位機(jī) /32位機(jī) ) 2．單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng) Windows 95 Windows 98 Windows XP Windows NT 兼容 16位應(yīng)用程序的 32位操作系統(tǒng) 36 3．多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng) UNIX OS(ATamp。T的 Bell實(shí)驗(yàn)室 ) Solaris OS(SUN公司 ) Linux OS(UNIX重要變種，芬蘭學(xué)生；集體開(kāi)發(fā) ) 37 操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源 ， 合理地對(duì)各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度 ， 以及方便用戶使用的程序的集合 。 無(wú)統(tǒng)一的定義 38 操作系統(tǒng)的基本特征 并發(fā) （ Concurrence） OS最重要的特征，其它三個(gè)特征都以并發(fā)為前提的。 并行與并發(fā)： 并行性 ——兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。 并發(fā)性 ——兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。 在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)，宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻卻只能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行。若計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)處理機(jī)，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序可被分配到多個(gè)處理機(jī)上，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行。 39 與并發(fā)緊密相連的概念 ——進(jìn)程 通常的程序是靜態(tài)實(shí)體，它是不能并發(fā)執(zhí)行的。為了使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)必須分別為每個(gè)程序建立 進(jìn)程 （ Process）。 進(jìn)程 是指在系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機(jī)器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成的，是一個(gè)活動(dòng)實(shí)體。 多個(gè)進(jìn)程之間可以 并發(fā)執(zhí)行 和交換信息。 40 ? 在 OS中引入進(jìn)程的目的 ， 是使多個(gè)程序能并發(fā)執(zhí)行 。 ? 進(jìn)程和并發(fā)是現(xiàn)代 OS中最重要的基本概念 ， 也是 OS運(yùn)行的基礎(chǔ) 。 ? 直到 80年代中期 ， 人們才提出了比進(jìn)程更小的單位 ——線程 （ Threads） 。 ? 一個(gè)進(jìn)程通常包含若干線程 。 ? 近年來(lái)推出的 OS 都引入了線程 。 關(guān)于 進(jìn)程 、 線程 的初步概念： 41 共享 （ sharing） 共享 是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程（線程）共同使用。 目前主要有以下兩種資源共享方式： （ 1） 互斥共享方式 對(duì)于 臨界資源 ，要求被互斥地共享。 什么叫臨界資源？ 臨界資源例子。 （ 2） 同時(shí)訪問(wèn)方式 對(duì)于 共享資源 允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程 “ 同時(shí) ” 對(duì)它進(jìn)行訪問(wèn)。這里所說(shuō)的 “ 同時(shí) ” 往往是宏觀上的，而微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對(duì)該資源進(jìn)行訪問(wèn)。 共享資源 42 ? 資源的共享是以進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問(wèn)題； ? 若系統(tǒng)不能對(duì)資源共享實(shí)施有效管理，協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無(wú)法并發(fā)執(zhí)行。 并發(fā) 和 共享 是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征 ， 它們是互為存在條件的 。 43 . 虛擬 （ Virtual） 虛擬 ——是指通過(guò)某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。 OS中利用了兩種方式實(shí)現(xiàn) 虛擬技術(shù) ， 即時(shí)分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù) ， 分別用來(lái)實(shí)現(xiàn) 虛擬處理機(jī) 、虛擬內(nèi)存 、 虛擬外部設(shè)備 和 虛擬信道 等 。 44 1. 時(shí)分復(fù)用技術(shù) 時(shí)分復(fù)用技術(shù)最早用于電信行業(yè) ， 它將一條物理信道虛擬為多條邏輯信道 ， 將每條邏輯信道供一對(duì)用戶通話 。操作系統(tǒng)中利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 虛擬處理機(jī) 、 虛擬設(shè)備 等 ， 以提高資源利用率 。 1) 虛擬處理機(jī)技術(shù) 利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) ， 為每道程序建立一個(gè)進(jìn)程 ， 讓多道程序并發(fā)地執(zhí)行 ， 以此來(lái)分時(shí)使用一臺(tái)處理機(jī) 。 此時(shí) ， 雖然系統(tǒng)中只有一臺(tái)處理機(jī) ， 但它能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù) ， 使每個(gè)終端用戶都認(rèn)為有一臺(tái)處理機(jī)在專門為他服務(wù) ， 亦即把一臺(tái)物理上的 CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU， 也稱為 虛擬處理機(jī) 。 45 通過(guò) 虛擬設(shè)備 技術(shù) ， 將一臺(tái)物理 I/O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的 I/O設(shè)備 ， 允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的 I/O設(shè)備 ， 這樣便可使原來(lái)在一段時(shí)間僅允許一個(gè)用戶訪問(wèn)的設(shè)備 （ 即臨界資源 ） ， 變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)的共享設(shè)備 。 例如 ，虛擬打印機(jī) 。 2) 虛擬設(shè)備技術(shù) 46 2. 空分復(fù)用技術(shù) 上世紀(jì)初，電信業(yè)中就利用頻分復(fù)用技術(shù)來(lái)提高信道的利用率。計(jì)算機(jī)中使用空分復(fù)用技術(shù)來(lái)提高存儲(chǔ)空間的利用率。 1) 虛擬磁盤技術(shù) 通過(guò)虛擬磁盤技術(shù)，將一臺(tái)硬盤虛擬成多臺(tái)虛擬磁盤，這樣使用起來(lái)方便、安全。虛擬磁盤技術(shù)采用了空分復(fù)用技術(shù)，它將硬盤劃分成幾個(gè)卷，再通過(guò)安裝程序?qū)⑺鼈兎謩e安裝在 C、 D、 E ...邏輯驅(qū)動(dòng)器上。 ——磁盤分區(qū) 47 2) 虛擬存儲(chǔ)器技術(shù) 在單道程序環(huán)境下，內(nèi)存會(huì)有很多空閑空間，空分復(fù)用則是利用存儲(chǔ)器的空閑空間來(lái)存放其它程序，以提高內(nèi)存利用率。 單純的空分復(fù)用存儲(chǔ)器只能提高內(nèi)存的利用率，不能實(shí)現(xiàn)在邏輯上擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量的功能，必須引入 虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 才能達(dá)到此目的 。 虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)在本質(zhì)上就是使內(nèi)存時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用。該技術(shù)將一道程序劃分成若干部分，物理內(nèi)存也劃分成多個(gè)部分，通過(guò)“請(qǐng)求調(diào)入功能”和“置換功能”，每次只把用戶程序的一部分調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行，這樣便實(shí)現(xiàn)了用戶程序各個(gè)部分分時(shí)進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行的功能，從而在邏輯上擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。 48 4 異步性 （ Asynchronism） ? 由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常不是“ 一氣呵成 ” ，而是以 “ 停停等等 ” 的方式運(yùn)行。 ? 內(nèi)存中的每個(gè)進(jìn)程在何時(shí)能獲得處理機(jī)運(yùn)行，何時(shí)又因提出某種資源請(qǐng)求而暫停，以及進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需要多少時(shí)間才能完成等等，都是不可預(yù)知的。很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成，而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成，或者說(shuō)，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。 49 操作系統(tǒng)的主要功能 ? 處理機(jī)管理功能 ? 存儲(chǔ)器管理功能 ? 設(shè)備管理功能 ? 文件管理功能 ? 用戶接口 50 1. 處理機(jī)管理功能 在傳統(tǒng)的多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中 ， 處理機(jī)的分配和運(yùn)行 ， 都是以進(jìn)為基本單位的 ， 因而對(duì)處理機(jī)的管理 ， 可以歸結(jié)為對(duì)進(jìn)程的管理 。 在引入線程的 OS中 ， 還包含對(duì) 線程 的管理 。 也可稱為 進(jìn)程管理 51 處理機(jī)管理的主要功能是： ?創(chuàng)建和撤消進(jìn)程（線程） ?對(duì)諸進(jìn)程（線程）的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào) ?實(shí)現(xiàn)進(jìn)程（線程）之間的信息交換 ?按照一定的算法把處理機(jī)分配給進(jìn)程（線程） 進(jìn)程控制 進(jìn)程同步 進(jìn)程通信 進(jìn)程調(diào)度 (處理機(jī)調(diào)度 ) 52 2. 存儲(chǔ)器管理 存儲(chǔ)器管理應(yīng)具有以下功能： ? 內(nèi)存分配 (靜態(tài) 、 動(dòng)態(tài)分配方式 ) ? 內(nèi)存保護(hù) (硬件檢查越界，軟件處理 ) ? 地址映射 (邏輯、物理地址，硬件支持 ) ? 內(nèi)存擴(kuò)充 (虛擬存儲(chǔ)技術(shù) ) 53 主要任務(wù)： ? 完成進(jìn)程提出的 I/O請(qǐng)求； ?為用戶進(jìn)程分配其所需的 I/O設(shè)備； ? 提高 CPU和 I/O設(shè)備的利用率； ? 提高 I/O速度； ?方便用戶使用 I/O設(shè)備 。 3. 設(shè)備管理功能 54 設(shè)備管理應(yīng)具有以下功能： 1. 緩沖管理 ——在設(shè)備和 CPU之間引入緩沖，可有效地緩和 CPU和 I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高 CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的吞吐量。 2. 設(shè)備分配 ——按某種策略將設(shè)備分配給用戶進(jìn)程。需設(shè)備控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 3. 設(shè)備處理 ——設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?；救蝿?wù)是實(shí)現(xiàn) CPU與設(shè)備控制器通信： CPU 發(fā) I/O命令； 設(shè)備控制器發(fā)中斷請(qǐng)求。 55 主要任務(wù) ： 對(duì)用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。 文件管理應(yīng)具有以下功能： 1．文件存儲(chǔ)空間的管理 2．目錄管理 3．文件的讀 /寫(xiě)管理和保護(hù) 4. 文件管理 56 ? 命令接口 (聯(lián)機(jī)命令、脫機(jī)命令 ) ? 程序接口 (系統(tǒng)調(diào)用 ) ? 圖形接口 (GUI) 5. 用戶接口 57 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) OS的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了四代變革： 第一代的 OS是無(wú)結(jié)構(gòu)的 第二代 OS采用了模塊式結(jié)構(gòu) 第三代 OS是層次式結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第四代 OS采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 20世紀(jì) 80年代后期 58 微內(nèi)核 OS結(jié)構(gòu) ——現(xiàn)代 OS結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)能有效地支持多處理機(jī)運(yùn)行 ， 故非常使用于分布式系統(tǒng)環(huán)境 。 Windows NT采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 在與微內(nèi)核技術(shù)發(fā)展的同時(shí) ， 客戶 /服務(wù)器技術(shù) 、面向?qū)ο蠹夹g(shù) 也在迅速發(fā)展 ， 把它們應(yīng)用到基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的 OS中 ， 便具有了以微內(nèi)核為 OS核心 ， 以客戶 /服務(wù)器為基礎(chǔ) ， 并且采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法的特征 。 59 ? 微內(nèi)核技術(shù) 微內(nèi)核技術(shù) ——是指精心設(shè)計(jì)的 、 能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代 OS核心功能的小型內(nèi)核 。 OS的變龐大 ， 使對(duì) OS的開(kāi)發(fā) 、 維護(hù)和移植變得十分困難 。 為了減少 OS的復(fù)雜性 ， 增加 OS的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性而產(chǎn)生了微內(nèi)核技術(shù) 。 產(chǎn)生背景 60 1. 微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念 1）足夠小的內(nèi)核 微內(nèi)核是指精心設(shè)計(jì)的 、 能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代 OS最基本的核心功能的部分 。 2） 基于客戶 /服務(wù)器模式 把 OS的最基本部分放在內(nèi)核中，把 OS的絕大部分功能放在內(nèi)核外面的一組服務(wù)器 (進(jìn)程 )中實(shí)現(xiàn)。 61 作業(yè)管理 文件管理 設(shè)備管理 內(nèi)存管理 進(jìn)程管理 硬件 內(nèi)核模式 (a)分層結(jié)構(gòu)內(nèi)核 (b) 微內(nèi)核 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 客戶進(jìn)程 文件服務(wù)器 虛存管理器 安全服務(wù) 微內(nèi)核 硬件 用戶模式 圖 14 分層結(jié)構(gòu)內(nèi)核和微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 62 3）應(yīng)用“機(jī)制與策略分離”原理 ? 所謂 機(jī)制 ， 是指實(shí)現(xiàn)某一功能的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。 ? 策略 是在機(jī)制基礎(chǔ)上 ， 借助于某些參數(shù)和算法來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能的優(yōu)化 ， 或達(dá)到不同的功能目標(biāo) 。 ? 機(jī)制處于系統(tǒng)的低層 ， 而策略處于系統(tǒng)的高層 。 ? 傳統(tǒng) OS將機(jī)制放在內(nèi)核低層 ， 策略放在內(nèi)核高層 。 ? 微內(nèi)核 OS將機(jī)制放在微內(nèi)核中 ， 策略放在微內(nèi)核外 。 4）采用面向?qū)ο蠹夹g(shù) 63 2. 微內(nèi)核的基本功能 1）進(jìn)程（線程）管理 進(jìn)程隊(duì)列屬于調(diào)度功能的機(jī)制部分，放在微內(nèi)核中；確定、修改優(yōu)先級(jí)，屬于策略問(wèn)題，放在進(jìn)程管理服務(wù)器中。 進(jìn)程 (線程 )通信、進(jìn)程切換、線程調(diào)度、多處理機(jī)之間的同步等功能也放在微內(nèi)核中。 2）低級(jí)存儲(chǔ)管理 頁(yè)表機(jī)制和地址變換機(jī)制在微內(nèi)核中；實(shí)現(xiàn)虛存的策略，包括頁(yè)面置換算法、內(nèi)存分配回收策略等放在存儲(chǔ)器服務(wù)器中。 64 3）中斷和陷入處理 大多數(shù)微內(nèi)核操作系統(tǒng)都將與硬件緊密相關(guān)的一小部分放入問(wèn)內(nèi)核中處理。此時(shí)，微內(nèi)核的主要功能，是捕獲所發(fā)生的中斷和陷入事件，并進(jìn)行相應(yīng)的 前期處理 。如進(jìn)行中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，識(shí)別中斷或陷入類型，然后將有關(guān)事件的信息轉(zhuǎn)換成消息后，發(fā)送給相應(yīng)的服務(wù)器作中斷后期處理。 65 3. 微內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn) 1）提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 2）增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性 3）可移植性 4）提供了對(duì)分布式系統(tǒng)的支持 5）融入了面向?qū)ο蠹夹g(shù) 66 4. 微內(nèi)核操作系統(tǒng)存在的問(wèn)題 微內(nèi)核 OS的運(yùn)行效率有所降低 。 原因是：在完成一次客戶對(duì) OS提出的服務(wù)請(qǐng)求時(shí) ， 需要利用消息實(shí)現(xiàn)多次交互和進(jìn)行用戶 /內(nèi)核模式及上下文的多次切換 。 解決的辦法： 重新將一些常用的操作系統(tǒng)基本功能 ， 有服務(wù)器移入微內(nèi)核中 。 67 第 1章復(fù)習(xí)題 1．計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能是 。 A. 把源程序代碼轉(zhuǎn)換為目標(biāo)代碼 B. 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)用戶之間的相互交流 C. 完成計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的轉(zhuǎn)