【正文】 、 大幅度的提高 ， 使得此矛盾更為突出 ， 嚴(yán)重降低了 CPU的利用率 。 為實現(xiàn)上述任務(wù) ， 設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理 、 設(shè)備分配和設(shè)備處理 ， 以及虛擬設(shè)備等功能 。 (2) 置換功能。 這樣 ， 既滿足了用戶的需要 ， 改善了系統(tǒng)的性能 ， 又基本上不增加硬件投資 。 該功能應(yīng)在硬件的支持下完成 。 在多道程序環(huán)境下 ， 每道程序不可能都從 “ 0”地址開始裝入 (內(nèi)存 )， 這就致使地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不相一致 。這些程序的地址都是從 “ 0”開始的 ， 程序中的其它地址都是相對于起始地址計算的； 由這些地址所形成的地址范圍稱為 “ 地址空間 ” ， 其中的地址稱為 “ 邏輯地址 ” 或 “ 相對地址 ” 。 當(dāng)然 ， 對發(fā)生越界后的處理 ， 還須與軟件配合來完成 。 如果這種檢查完全用軟件實現(xiàn) ， 則每執(zhí)行一條指令 ， 便須增加若干條指令去進(jìn)行越界檢查 ， 這將顯著降低程序的運行速度 。 一種比較簡單的內(nèi)存保護機制 ， 是設(shè)置兩個界限寄存器 ， 分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 內(nèi)存保護的主要任務(wù) ， 是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運行 ， 彼此互不干擾 。在靜態(tài)分配方式中 ， 每個作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時確定的；在作業(yè)裝入后的整個運行期間 ， 不允許該作業(yè)再申請新的內(nèi)存空間 ， 也不允許作業(yè)在內(nèi)存中 “ 移動 ” ； 在動態(tài)分配方式中 ， 每個作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空間 ， 也是在裝入時確定的 ， 但允許作業(yè)在運行過程中 ， 繼續(xù)申請新的附加內(nèi)存空間 ， 以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動態(tài)增漲 ， 也允許作業(yè)在內(nèi)存中 “ 移動 ” 。 值得提出的是 ， 在多線程 OS中 ， 通常是把線程作為獨立運行和分配處理機的基本單位 ， 為此 ， 須把就緒線程排成一個隊列 ， 每次調(diào)度時 ， 是從就緒線程隊列中選出一個線程 ， 把處理機分配給它 。 在將它們調(diào)入內(nèi)存后 ， 便分別為它們建立進(jìn)程 ， 使它們都成為可能獲得處理機的就緒進(jìn)程 ， 并按照一定的算法將它們插入就緒隊列 。 在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中 ， 包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步 。 當(dāng)相互合作的進(jìn)程 (線程 )處于同一計算機系統(tǒng)時 ， 通常在它們之前是采用直接通信方式 ， 即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接將消息 (message)掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊列上 ， 以后由目標(biāo)進(jìn)程利用接收命令從其消息隊列中取出消息 。 輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)將所輸入的數(shù)據(jù)傳送給計算進(jìn)程；計算進(jìn)程利用輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計算 ， 并把計算結(jié)果傳送給打印進(jìn)程；最后 ， 由打印進(jìn)程把計算結(jié)果打印出來 。 而在這些進(jìn)程 (線程 )之間 ， 又往往需要交換信息 。 最簡單的用于實現(xiàn)進(jìn)程互斥的機制 ， 是為每一個臨界資源配置一把鎖 W， 當(dāng)鎖打開時 ， 進(jìn)程 (線程 )可以對該臨界資源進(jìn)行訪問；而當(dāng)鎖關(guān)上時 ， 則禁止進(jìn)程 (線程 )訪問該臨界資源 。 有兩種協(xié)調(diào)方式： ① 進(jìn)程互斥方式 ， 這是指諸進(jìn)程 (線程 )在對臨界資源進(jìn)行訪問時 ， 應(yīng)采用互斥方式； ② 進(jìn)程同步方式 ， 指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程(線程 )間 ， 由同步機構(gòu)對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào) 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 進(jìn)程同步 為使多個進(jìn)程能有條不紊地運行 ， 系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機制 。 進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程 、撤消已結(jié)束的進(jìn)程 ， 以及控制進(jìn)程在運行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 操作系統(tǒng)的主要功能 處理機管理功能 1. 在傳統(tǒng)的多道程序環(huán)境下 ， 要使作業(yè)運行 ， 必須先為它創(chuàng)建一個或幾個進(jìn)程 ， 并為之分配必要的資源 。 盡管如此 ，但只要運行環(huán)境相同 ， 作業(yè)經(jīng)多次運行 ， 都會獲得完全相同的結(jié)果 。 由于各用戶程序性能的不同 ， 比如 ，有的側(cè)重于計算而較少需要 I/O；而又有的程序其計算少而 I/O多 ， 這樣 ， 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 。 可見 ， 由于資源等因素的限制 ， 使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是 “ 一氣呵成 ” ，而是以 “ 停停走走 ” 的方式運行 。 在單處理機環(huán)境下 ，由于系統(tǒng)中只有一個處理機 ， 因而每次只允許一個進(jìn)程執(zhí)行 ， 其余進(jìn)程只能等待 。 顯然 ， 如果 n是某物理設(shè)備所對應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù) ， 則虛擬設(shè)備的平均速度必然是物理設(shè)備速度的 1/n 。 此外 ， 也可以把一條物理信道虛擬為多條邏輯信道 (虛信道 )。 第一章 操作系統(tǒng)引論 我們還可以通過虛擬設(shè)備技術(shù) ， 將一臺物理 I/O設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的 I/O設(shè)備 ， 并允許每個用戶占用一臺邏輯上的 I/O設(shè)備 ， 這樣便可使原來僅允許在一段時間內(nèi)由一個用戶訪問的設(shè)備 (即臨界資源 )， 變?yōu)樵谝欢螘r間內(nèi)允許多個用戶同時訪問的共享設(shè)備 。 當(dāng)然這時用戶所感覺到的內(nèi)存容量是虛的 。 此時 ， 雖然物理內(nèi)存的容量可能不大 (如 32 MB)， 但它可以運行比它大得多的用戶程序 (如 128 MB)。 亦即 ， 利用多道程序設(shè)計技術(shù) ， 把一臺物理上的 CPU虛擬為多臺邏輯上的 CPU， 也稱為虛擬處理機 ， 我們把用戶所感覺到的 CPU稱為虛擬處理器 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 在虛擬處理機技術(shù)中 ， 是通過多道程序設(shè)計技術(shù) ，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法 ， 來分時使用一臺處理機的 。 相應(yīng)地 ， 用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù) ， 稱為虛擬技術(shù) 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 虛擬 (Virtual) 操作系統(tǒng)中的所謂 “ 虛擬 ” ， 是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物 。 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征 ， 它們又是互為存在的條件 。 這里所謂的 “ 同時 ” 往往是宏觀上的 ， 而在微觀上 ， 這些進(jìn)程可能是交替地對該資源進(jìn)行訪問 。 計算機系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備 ， 以及某些軟件中所用的棧 、 變量和表格 ， 都屬于臨界資源 ， 它們要求被互斥地共享 。 僅當(dāng) A進(jìn)程訪問完并釋放該資源后 ， 才允許另一進(jìn)程對該資源進(jìn)行訪問 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1. 互斥共享方式 系統(tǒng)中的某些資源 ， 如打印機 、 磁帶機 ， 雖然它們可以提供給多個進(jìn)程 (線程 )使用 ， 但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆 ， 應(yīng)規(guī)定在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程 (線程 )訪問該資源 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 共享 (Sharing) 在操作系統(tǒng)環(huán)境下 ， 所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程 (線程 )共同使用 。 在多道程序環(huán)境下 ， 并發(fā)性是指在一段時間內(nèi) ， 宏觀上有多個程序在同時運行 ， 但在單處理機系統(tǒng)中 ， 每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行 ， 故微觀上這些程序只能是分時地交替執(zhí)行 。 (5) 可靠性。 (3) 及時性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較 (1) 多路性。 (2) 軟實時任務(wù) (Soft realtime task)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2) (1) 硬實時任務(wù) (hard realtime task)。 外部設(shè)備所發(fā)出的激勵信號并無明顯的周期性 ，但都必須聯(lián)系著一個截止時間 (Deadline)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 實時任務(wù) 1) (1) 周期性實時任務(wù)。 1. 應(yīng)用需求 (1) 實時控制。 (4) 交互性。 (2) 獨立性。 (2) 及時處理。 此后 ， 用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令 ， 此即人 —機交互 。 (3) 便于用戶上機。 用戶的需求具體表 (1) 人 — 機交互。 或者說 ， 分時系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型 OS。 (5) 作業(yè)管理問題。 (3) I/O設(shè)備管理問題。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題 (1) 處理機管理問題。 (3) 平均周轉(zhuǎn)時間長。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點 (1) 資源利用率高。 (2) 無序性。 在保持 CPU、 I/O設(shè)備不斷忙碌的同時 ， 也必然會大幅度地提高系統(tǒng)的吞吐量 ， 從而降低作業(yè)加工所需的費用 。 如果允許在內(nèi)存中裝入多道程序 ， 并允許它們并發(fā)執(zhí)行 ， 則無疑會大大提高內(nèi)存和 I/O設(shè)備的利用率 。 為了能運行較大的作業(yè) ， 通常內(nèi)存都具有較大容量 ， 但由于 80%以上的作業(yè)都屬于中小型 ， 因此在單道程序環(huán)境下 ， 也必定造成內(nèi)存的浪費 。 在引入多道程序設(shè)計技術(shù)后 ， 由于同時在內(nèi)存中裝有若干道程序 ， 并使它們交替地運行 ， 這樣 ， 當(dāng)正在運行的程序因