【正文】 程序系統(tǒng) 負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)的全部軟、硬件資源的管理 即： 資源的調(diào)度和分配 控制和協(xié)調(diào)并發(fā)的活動(dòng) 實(shí)現(xiàn)信息的存取和保護(hù) 問題： 操作系統(tǒng)是如何對(duì) 資源 進(jìn)行管理的呢？ ★ 為用戶使用計(jì)算機(jī)提供接口 使用戶獲得一個(gè)良好的工作環(huán)境 操作系統(tǒng)的概念 29 三、 操作系統(tǒng)的 資源管理功能 系統(tǒng)資 源分類 處理機(jī) 主 存 I/O 設(shè)備 軟件 資源 操作系統(tǒng) 功能模塊 處理機(jī) 管 理 存儲(chǔ) 管 理 設(shè)備 管 理 文件 系 統(tǒng) ★ OS的特性及應(yīng)解決的問題 一、特性 并發(fā) 共享 不確定性 二、應(yīng)解決的基本問題 １、提出資源分配的策略 要考慮： 利用率、公平 、資源的特性 ★ ２、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)的關(guān)系 原因：并發(fā)活動(dòng)也存在直接、間接的制約 多個(gè)獨(dú)立的程序，進(jìn)行合作的要求 ３、保證數(shù)據(jù)的 一致性 保證系統(tǒng)及用戶的程序、數(shù)據(jù)不被破壞 避免 與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤 ４、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取控制 ★ 操作系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)可從三個(gè)方面來描述 (1)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)功能的 分組 、及如何 交互 (2) 接口：是 用戶 、及 用戶程序 使用系統(tǒng)的手段 (3) 運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)：定義了系統(tǒng)運(yùn)行過程中 存在的實(shí)體類型、及調(diào)用方式 操作系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu) 一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化組織 操作系統(tǒng)是一組軟件模塊的集合。 優(yōu)點(diǎn)： 易于擴(kuò)充、可靠性增強(qiáng)、相當(dāng)于多層虛擬機(jī) 問題１： 難于確定 功能的劃分 、 各層的內(nèi)容 和 調(diào)用順序 問題２： 系統(tǒng)過于龐大，存在大量 冗余 ★ 第５層 用戶程序 第４層 輸入／輸出管理 第３層 操作員管理臺(tái) 第２層 存儲(chǔ)管理 第１層 CPU調(diào)度和信號(hào)量 第０層 硬件 應(yīng)用： 在一些操作系統(tǒng)中 只是作為設(shè)計(jì)的一種指導(dǎo)性原則 (盡可能 ) 經(jīng)典案例： Dijkstr的 THE 系統(tǒng) 意義： 通過它探索了怎樣 構(gòu)造一個(gè)能證明其正確性的，操作系統(tǒng)的方法 結(jié)論： 由于分層結(jié)構(gòu)的限制過于嚴(yán)格 還沒有一個(gè)現(xiàn)代操作系統(tǒng) 完全 按此方法構(gòu)造 ★ ２ .3 基本的硬件結(jié)構(gòu) 指令預(yù)取 指令譯碼 指令執(zhí)行 地址生成 回寫內(nèi)存 內(nèi) 存 U 指 令 流 水 V 指 令 流 水 指令預(yù)取 指令譯碼 指令執(zhí)行 地址生成 回寫內(nèi)存 I－ 1 I+1 I+２ I+３ I ★ 一、 微機(jī) CPU的結(jié)構(gòu)及指令的執(zhí)行 指 令CACHE 數(shù) 據(jù)CACHE 關(guān)鍵問題： 預(yù)取指令的命中率 指 令CACHE 數(shù) 據(jù)CACHE 內(nèi) 存 二、微機(jī)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu) 外 存 CPU 速度快 成本高 容量小 ★ CASH與內(nèi)存的 分組 數(shù)據(jù)交換 CPU 512B 512B …… 512B 0 1 31 塊號(hào) 512B 512B …… 512B 512B 512B 512B CACHE 內(nèi) 存 3. 處理機(jī)狀態(tài)的分類 (1) 管態(tài) (Supervisor mode，或 系統(tǒng)態(tài) ) 操作系統(tǒng)的程序執(zhí)行時(shí)，處理機(jī)所處的狀態(tài) 在此狀態(tài)下運(yùn)行的程序： 可執(zhí)行全部指令 (包括一組所謂的 特權(quán)指令 ) 可使用系統(tǒng)的全部資源 (包括整個(gè)存儲(chǔ)區(qū) ) ★ 說明 ： 有的系統(tǒng)又將 系統(tǒng)態(tài) 進(jìn)一步細(xì)分為： ● 核態(tài)： 操作系統(tǒng)的 內(nèi)核 執(zhí)行時(shí)，處理機(jī)所處 的狀態(tài)。 ★ (2) 用戶態(tài) (User mode) 用戶程序執(zhí)行時(shí) ， 機(jī)器所處的狀態(tài) 。 (2)內(nèi)中斷 (俘獲 ) 由處理機(jī)內(nèi)部事件引起的中斷稱為內(nèi)中斷，又稱為俘獲 (或陷阱、陷入： Trap)。 稱為恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。 為什么？ ★ (1) 什么是中斷響應(yīng) 中斷響應(yīng)是指： 當(dāng)中央處理機(jī)發(fā)現(xiàn)已有中斷請(qǐng)求時(shí)， 中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，并自動(dòng)引出中斷處理程序的過程。 從而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔后 ， 能再次中斷處理機(jī) 。 (如從鍵盤輸入大量的數(shù)據(jù) ) ★ 統(tǒng)計(jì)程序執(zhí)行的頻度 用程序統(tǒng)計(jì)直方圖來描述： 某個(gè)程序執(zhí)行時(shí)，該程序的 各個(gè)部分 在內(nèi)存中被訪問的頻度 計(jì)算進(jìn)程的優(yōu)先數(shù) 用于調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先數(shù)的有關(guān)參數(shù) 計(jì)算某些進(jìn)程的優(yōu)先數(shù) (每秒鐘 ) ★ UNIX的中斷處理過程 中斷的 總控程序 當(dāng)出現(xiàn)中斷后 ， 系統(tǒng)轉(zhuǎn)到中斷的 總控程序 統(tǒng)一進(jìn)行處理 。 問題： 不同的 用戶環(huán)境，是如何產(chǎn)生的呢？ ★ 67 二、 系統(tǒng)生成 系統(tǒng)生成現(xiàn)在也稱為安裝。即： 操作系統(tǒng) 把自己裝入內(nèi)存 (DOS如何實(shí)現(xiàn)的？ ) (2) 核心 初始化 建立系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ，執(zhí)行系統(tǒng)的 常駐程序 等 (3) 系統(tǒng) 初始化 執(zhí)行 命令處理程序 ，使系統(tǒng)處于命令接受狀態(tài) ★ 70 ３ .２ 操作系統(tǒng)的用戶界面 一、操作系統(tǒng)的 用戶界面 1. 什么是操作系統(tǒng)的用戶界面 操作系統(tǒng)的用戶界面 (或稱接口 ) ，是操作系統(tǒng)提供的，用戶與計(jì)算機(jī)打交道的 外部機(jī)制 。如： 批處理操作系統(tǒng) ? 鍵盤命令： 用于 交互式 操作。 其內(nèi)容包括： 對(duì)作業(yè)進(jìn)行處理的 操作命令 對(duì)資源的 請(qǐng)求命令 對(duì)上機(jī)過程進(jìn)行組織、控制的 語句 ★ 76 (2) 批處理系統(tǒng)中作業(yè)的組成 ? 作業(yè)申請(qǐng) ，內(nèi)容包括： 作業(yè)名 需用 CPU時(shí)間 最遲完成時(shí)間 資源請(qǐng)求 (如：主存、外設(shè) ) ．．．等 ? 操作說明書 用 作業(yè)控制語言 編寫的 命令程序 。用于： 驗(yàn)證用戶的合法性、建立用戶所需要的環(huán)境 (b) 通信 用戶與計(jì)算機(jī)之間的 交互操作 。 $ man date 例 2：顯示系統(tǒng)中的所有命令。如 DOS中： 功能號(hào) ＝＞ 寄存器 ah int 21 3. 調(diào)用方式 (3) 在 C語言中：既可隱式調(diào)用、又可顯式調(diào)用 Unix中每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都有一個(gè) C的函數(shù)形式 如： trap 3 read ( ) (2) 在一般高級(jí)語言中：隱式調(diào)用。 fork 創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程 exit 進(jìn)程終止 exec 執(zhí)行用戶程序 wait 等待子進(jìn)程終止 ★ UNIX的 系統(tǒng)調(diào)用 sleep 進(jìn)程睡眠 Wakeup 進(jìn)程喚醒 nice 設(shè)置進(jìn)程的優(yōu)先數(shù) ?? ★ open 打開文件 close 關(guān)閉文件 read 讀文件 write 寫文件 lseek 修改讀寫指針 link 連接文件（取別名） unlink 取消連接（及刪除文件） mount 安裝子文件系統(tǒng) unmount 拆卸子文件系統(tǒng) ………. ★ getuid 取 用戶號(hào) setuid 設(shè)置用戶號(hào) getgid 取 用戶組號(hào) setgid 設(shè)置用戶組號(hào) time 取日歷時(shí)間 stime 設(shè)置日歷時(shí)間 times 取進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間 …… ★ trap 指令 trap的機(jī)器指令，用八進(jìn)制表示為： 104400 — 104477 前 4位為指令碼，后 2位為系統(tǒng)調(diào)用 功能號(hào) (最多 64種 ) ★ 二、 系統(tǒng)調(diào)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn) UNIX中，系統(tǒng)調(diào)用是由自陷指令 trap來實(shí)現(xiàn)的 。 /* 參數(shù)的個(gè)數(shù) */ int (*call)( )。rexit, /* 1 = exit */ 0, amp。nosys, /* 63 = x */ }。 通過該文件， 集成 為一個(gè)邏輯整體 (應(yīng)用系統(tǒng) ) shell過程中，可包括的 程序設(shè)計(jì)元素 主要有： ★ 109 1. 變量 包括： ? 字符串變量 ? 輸入變量：用 read從鍵盤讀入其內(nèi)容 ? shell過程的位置參數(shù)： $0， $1，．．． $9 ? 環(huán)境變量 (用于獲得環(huán)境信息 )，包括： 用戶 注冊(cè)名 及 主目錄 (用戶的 根目錄 )名、 檢索存放信件的 文件路徑 、 檢查信件的 時(shí)間間隔 、 …….. 等等 ★ 110 2. 特殊符號(hào) ? 通配符： ＊、？ [符號(hào)列表 ] 、 [起始符 終止符 ] [！ …. ] ? 輸入輸出重定向符： 、 、 ? 管道： │ ? 后臺(tái)命令 符 ： amp。 Unix: 52 $ cc f2 amp。除一個(gè)結(jié)果正確外，其余的都 認(rèn)為 是錯(cuò)誤的。如： (3) 程序的并發(fā)執(zhí)行也存在著相互制約 ? 直接的 相互制約： 由程序的邏輯決定 ? 間接的 相互制約： 由共享資源而引起 歸納： 產(chǎn)生了新的問題 ， 有待解決 ★ 六、并發(fā)程序執(zhí)行中應(yīng)解決的問題 (1) 由于失去了可再現(xiàn)性，而帶來 與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤 (與 占有 CPU的 次序 有關(guān) ) (2) 由于程序與計(jì)算不再一一對(duì)應(yīng) 資源分配給誰 ? 因此，操作系統(tǒng)必須解決： (1) 如何描述每個(gè)程序，在內(nèi)存的 執(zhí)行過程 ？ (何時(shí)占有 CPU、何時(shí)沒有，怎么表示 ) (2) 資源分配的對(duì)象 是什么？ 已獲得的資源記錄在何處？ ★ 127 4. 2 進(jìn)程的概念 一 . 進(jìn)程定義 程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)，占有 CPU的活動(dòng)規(guī)律為： 執(zhí)行 暫停 執(zhí)行 ．．． 因此必須用一個(gè) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ，描述 程序 執(zhí)行時(shí)的 活動(dòng)規(guī)律 、以及對(duì) 資源的使用情況 將其 描述的對(duì)象稱為： Processing 1. 什么是 Processing (進(jìn)程 ) 所謂進(jìn)程，就是一個(gè) 程序 在給定活動(dòng)空間和初始環(huán)境下，在一個(gè)處理機(jī)上 的執(zhí)行過程 ★ 128 (1) 運(yùn)行狀態(tài) (running) 該進(jìn)程已獲得運(yùn)行所必需的一切資源 它的程序 正在處理機(jī)上執(zhí)行 二 . 進(jìn)程的狀態(tài)、及狀態(tài)變遷 1. 進(jìn)程的基本狀態(tài) 思考： 沒有運(yùn)行的進(jìn)程 根據(jù)其 原因 ，能否再作進(jìn)一步的區(qū)分呢 ? ★ 129 (3) 等待狀態(tài) (wait) 進(jìn)程正 等待 著某一 事件的發(fā)生 即使將 CPU的控制權(quán)給它，也 無法執(zhí)行 問題： 各種狀態(tài)是如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換的呢？ ★ (2) 就緒狀態(tài) (ready) 進(jìn)程已獲得除 CPU之外，運(yùn)行所必需的一切資源 一旦得到 CPU的控制權(quán) ，立即可以執(zhí)行 130 2. 進(jìn)程狀態(tài)的變遷 進(jìn)程的狀態(tài)，是隨著進(jìn)程自身的推進(jìn)和外界條件的變化，而發(fā)生