操作系统功能.ppt

操 作 系 统 功 能主要功能简要介绍主要功能简要介绍总述 在多道程序环境下，系统通常无法同时满足所有作业的资源要求，为使多道程序能有条不紊地运行，操作系统应具有这样几方面的功能，以实现对资源的管理：处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理功能和作业管理功能。此外，为了方便用户使用操作系统，还须向用户提供一个使用方便的用户接口。用户接口用户接口（命令接口，程序接口，图形用户接口）（命令接口，程序接口，图形用户接口）对对象操纵和管理的软件集合（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件、文件管理软件）操作系统对象（处理机、存储器、设备、文件和作业）核心存储器管理的功能 存储器管理的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。为此，存储器管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等。存储器管理的功能一、内存分配 内存分配的主要任务，是为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”，提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间，允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。OS在实现内存分配时，可采取以下两种方式：1.静态分配：每个作业的内存空间是在作业装入时确定的。2.动态分配：每个作业所要求的基本内存空间，是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中，继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中的“移动”。为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有以下结构和功能：1.内存分配数据结构：该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。2.内存分配功能：系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。3.内存回收功能：系统对用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。存储器管理的功能二、内存保护 内存保护的主要任务，是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。进一步说，绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据；也不允许转移到非共享的其它用户程序中去执行。一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统需要对每条指令所访问的地址进行越界检查，发果发生越界，便发出越界中断请求，以停止该程序的执行。如果这种检查完全用软件实现，则每执行一条指令，便需要增加若干条指令去进行越界检查，这将显著地降低程序的运行速度。因此，越界检查都由硬件实现。当然，对发生越界后的处理，还须与软件配合来完成。存储器管理的功能三、地址映射 一个应用程序（源程序）经编译后，通常会形成若干个目标程序；这些目标程序再经过链接而形成可装入程序。这些程序的地址都是从“0”开始的，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的；由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”；其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”；其中的地址称为“物理地址”。在多道程序环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的。因此，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与这对应的物理地址。该功能同样应在硬件的支持下完成。存储器管理的功能四、内存扩充 由于物理内存的容量有限，因而难于满足用户的需要，势必影响到系统的性能。在存储器管理中的内在扩充任务，并非是去增加物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。为了能从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述功能：1.1.请求调入功能。请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下，启动该程序运行。在运行过程中当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，可向OS发出请求，由OS将所需部分调入内存，以便继续运行。2.2.置换功能。置换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时，系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将所需部分调入内存。处理机管理的功能 处理机管理的主要任务，是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为进程的管理。它包括以下几个方面：（一）进程控制（二）进程同步（三）进程通信（四）调度处理机管理的功能（一）进程控制 在多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。进行运行结束时，要立即撤消该进程，以便及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要任务，便是为作业创建进程，撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。在OS中通常是利用若干条进程控制原语或系统调用，来实现进程控制。所谓“原语”，是指用以完成特定功能的，具有“原子性”的一段程序。“原子性”是指在程序中的一组动作，要么全做，要么全不做，是不可分割的。在进程控制中所使用的最基本的原语有：用于创建一个新进程的创建进程原语。用于撤消一个已结束的进程的撤消进程原语。处理机管理的功能（二）进程同步 进程是以异步方式运行的，并以人们不可预知的速度向前推进。为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。有两种协调方式：1.进程互斥方式。这是指诸进程在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式。最简单的用于实现进程互斥的机制，是为每一种临界资源配置一把锁w，并为该锁设置一对关锁原语Lock(w)和开锁原语Unlock(w)。当锁已打开时，进程可以对临界资源进行访问；而关上时，则禁止进程访问该临界资源。2.进程同步方式。指在相互合作完成共同任务的进程间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。处理机管理的功能（三）进程通信 在多道程序环境下，可由系统为一个应用程序建立多个进程。这些进程相互合作去完成一个共同任务，而在这些相互合作的进程之间，往往需要交换信息。进程通信的任务，就是用来实现在相互合作进程之间的信息交换。当相互合作的进程处于同一计算机系统时，通常是采用直接通信方式直接通信方式。即由源进程利用发送命令直接将消息(message)挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。当相互合作的进程处于不同的系统中时，常采用间接通信方式间接通信方式，即由源进程利用发送命令将消息送入一个存放消息的中间实体中，以后由目标进程利用接收命令从中间实体中取走消息。该中间实体通常称为邮箱，相应的通信系统称为电子邮件系统。处理机管理的功能（四）调度 等待在后备队列上的每个作业，通常要经过调度，包括作业调度和进程调度两步，才能执行。作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配必要的资源（首先是分配内存）。在将它们调入内存后，便为它们建立进程，使之成为可能获得处理机的就绪进程；并将它们按一定算法插入就绪队列。进程调度的任务，则是从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入运行。设备管理的功能 设备管理的主要任务，是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；以及方便用户使用I/O设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。设备管理的功能（一）缓冲管理 缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲区，如字符缓冲区和字符块缓冲区，以缓和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPU和I/O设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。在不少系统中，还通过增加缓冲存储容量的办法，来改善文件系统的性能。对于不同的系统，可以采用不同类型的缓冲区机制。最常见的缓冲区机制有单缓冲机制，能实现双向同时传送数据的双缓冲机制，以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。设备管理的功能（二）设备分配 设备分配的基本任务，是根据用户的I/O请求，为之分配其所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间还存在着设备控制器和I/O通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。在进行设备分配时，应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式。对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全。设备用完后，还应立即加以回收。设备管理的功能（三）设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务通常是实现CPU和设备控制器之间的通信。即由CPU向设备控制器发出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作；并能接收由设备控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。处理过程是：设备处理程序首先检查I/O请求的合法性、了解设备的状态是否空闲、了解有关传递参数以及设置设备的工作方式。然后，便向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备去完成指定的I/O操作。最后是及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型，调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统，设备处理程序还应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。设备管理的功能（四）设备独立性和虚拟设备1.设备独立性：基本含义是指应用程序独立于物理设备，以使用户编制的程序与实际使用物理设备无关。这种独立性不仅能提高用户程序的可适应性，使程序不局限于某具体的物理设备，而且易于实现输入、输出的重定向。即，在I/O操作中所使用的设备可方便地重新指定，而无须改变原有程序。2.虚拟设备功能：可把每次仅允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的设备。或者说，它能把一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备，以使一个物理设备能供多个用户共享。这样，不仅提高 了设备的利用率，而且还加速了程序的运行，使每个用户都感到自己在独占该设备。文件管理的功能 在现代计算机系统中，总是把程序和数据以文件的形式存储在磁盘上，供所有的或指定的用户使用。文件管理的主要任务，是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。为此，文件管理应具有对文件存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理以及文件的共享与保护等功能。文件管理的功能（一）文件存储空间的管理 其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的工作速度。为了提高存储空间的利用率，对存储空间的分配通常是采用离散分配方式，以减少外存零头，并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为512字节至4K字节。文件管理的功能（二）目录管理 为了使用户能方便地在外存上找到他所需的文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包含文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又可构成一个目录文件。目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取。其次，目录管理还应能实现文件共享，这样，只需在外存上保留一份该共享文件的副本。此外，还应能提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。文件管理的功能（三）文件的读、写管理和存取控制1.文件的读、写管理 读、写管理是最基本的功能。这是根据用户的请求，从外存中读取数据；或将数据写入外存。在进行文件读（写）时，系统先根据用户给出的文件名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读（写）指针，对文件进行读（写）。一旦读（写）完成，便修改读（写）指针，为下一次读（写）做好准备。由于读和写操作不会同时进行，故可以合用一个读/写指针。文件管理的功能（三）文件的读、写管理和存取控制2.文件的存取控制为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，在文件系统中必须提供有效的存取控制功能，以实现下述目标：（1）防止未经核准的用户存取文件；（2）防止冒名顶替存取文件；（3）防止以不正确的方式使用文件。多级保护设施来达到这一目标：第一是进行系统级存取控制，这通常是以使用口令并对口令加密的方法，来防止非法用户进入系统，从而不可能进行文件访问。第二是用户级存取控制，这常常是通过对用户进行分类和为用户分配适当的“文件存取权限”等方法来实现。第三是文件级存取控制，这是通过设置文件属性（如只读、只执行、读/写等属性）来控制对文件的存取。作业上作业本子：1.内存管理有哪些主要功能？它们的主要任务是什么？2.处理机管理具有哪些主要功能？它们的主要任务是什么？3.设备管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？4.文件管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？