操作系统基础知识

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1、第三章 操作系统基础知识,吉林大学公共计算机教学与研究中心,2,概 念,操作系统OS(Operation System)是计算机系统中重要系统软件，其功能是管理和控制计算机软件和硬件资源，使计算机各部分协调工作；合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供友好的人机接口，方便用户使用计算机系统。,3,第一节 操作系统简介,计算机系统层次结构可以分为四部分:硬件、操作系统、其他系统程序和应用程序。硬件是所有软件运行的物质基础；操作系统位于硬件之上，是与硬件关系最密切的系统软件，是对硬件功能的首次扩充。,应用程序,操作系统,其他系统程序,硬件,计算机系统的层次结构:,裸机,4,3.1.1 操作系统

2、发展历程,1.手工操作阶段 计算机诞生初期根本没有操作系统。那是一个机器码时代,人们把这个时期称为“手工操作阶段”。顾名思义,人们当时使用计算机需要大量的人工控制，只有通晓计算机硬件的专业人员才能使用计算机。,手工操作阶段典型的作业处理步骤:,用户用机器语言编写程序,将程序和数据通过手工 操作记录在穿孔纸带上,将纸带装入纸带输入机 启动纸带输入机 将程序和数据读入计算机,计算机处理作业后 用户拿走打印结果,5,特点: 用户独占全机 CPU等待人工操作 独占性 串行性,缺点: 计算机的有效机时严重浪费 效率低,为了解决人机矛盾,20世纪50年代末出现了脱机输入输出技术。在主机与输入输出设备之间设

3、一台外围控制机，由它完成输入输出任务。,6,读卡机,打印机,外围控制机,输入磁带,输出磁带,主机,监督程序,用 户,结 果,单道批处理系统,2.批处理阶段,7,假脱机技术 通道也称为输入输出(I/O)处理机，它可以与CPU并行工作,专门用于控制输入输出设备。I/O处理机输入输出结束时向CPU发出中断请求，CPU通过响应中断获取I/O处理机状态。在CPU控制下, 作业输入或输出数据由I/O处理机完成,I/O处理机取代了外围控制机。这项技术被称为假脱机技术。通道和中断技术的应用使CPU与I/O设备并行工作，避开了CPU和I/O设备速度匹配问题，同时为分时操作系统的诞生奠定了硬件基础。,8,多道批处

4、理系统,批处理系统,+,多道程序设计技术,多道批处理操作系统,输出机,输入机,作业,结果,磁盘或磁鼓上的区域,内存+ CPU,后备队列,9,为了使多道程序间能够协调工作，监督程序需要解决下系列管理问题： 作业调度：合理调度作业，使系统中硬件资源有效利用； CPU管理：多个作业交替运行，需要合理安排处理机时间； 内存管理：为每道程序分配必要的内存空间； I/O设备管理：为多道程序分配输入输出设备。,作业即用户要求计算机系统为其完成的信息处理任务的集合。,10,3. 操作系统的完善 为了满足用户需求，实现人机交互，必须改变批处理系统中作业处理方式。基本思想是：将CPU时间分成若干个时间片，在一个时

5、间片运行一个作业，在下一个时间片运行另一个作业，在短时间内所有作业都能得到轮流执行。从整体上看每个作业都在运行，用户请求可以得到及时响应，这就是计算机的分时操作系统。分时系统的出现标志着操作系统进入完善阶段。,11,3.1.2 常见操作系统简介,1. DOS操作系统 DOS是磁盘操作系统(Disk Operation System)，是一种单用户、单任务的微型机操作系统。 DOS主要功能是命令处理、文件管理和设备管理。它采用汇编语言编写, 系统开销小,运行效率高, 但资源管理功能简单,字符型用户界面, 操作不太方便。随着Microsoft图形用户界面操作系统Windows的逐步实用化, 人们逐

6、渐地放弃了DOS。,12,2. Windows操作系统 从1985年11月到现在，Windows操作系统的优良性能奠定了微软在操作系统上的垄断地位。 优点： 直观、易用的面向对象图形界面 用户界面统一 丰富的与设备无关的图形操作 多任务 先进的内存管理 提供各种系统管理工具 内置的网络通信功能 出色的多媒体功能,13,3. UNIX操作系统家族 UNIX操作系统是一个通用的、交互式分时网络操作系统。 4. Linux操作系统 Linux是芬兰籍科学家Linus Torvalds于1991年编写的一种操作系统，具有UNIX的全部功能。 优点：源代码开放,免费；系统稳定可靠；速度快，效率高；功能完

7、善；具有网络支持优势等。,14,3.1.3 操作系统分类,1. 批处理系统(Batch Processing) 主要特征是多道性、成批性。多道性是指在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，有效地提高系统资源利用率和吞吐量。成批性是指作业成批进入系统，成批处理。 批处理系统缺点是缺乏人机交互性，因此这种操作系统适用于成熟程序，尤其是运行时间长，数据运算量大的程序。,15,2. 分时操作系统 分时操作系统(Time-Sharing Operating System)的特征是多路性、交互性、独占性和及时性。,分时操作系统,硬件层,.,把CPU时间分成小的 时间片处理终端请求,每个终端独立使用

8、自己的时间片,16,3. 实时系统 特征是实时性、高可靠性。实时性是指计算机能及时响应外部事件请求，在规定时间内完成事件的处理任务。在此种系统中，软硬件任何故障都可能给系统带来严重后果。因此实时系统更加注重稳定性和可靠性。 实时操作系统可分为实时控制系统和实时信息处理系统两大类。,17,4. 网络操作系统 网络操作系统(Network Operating System)基于计算机网络。除具备普通操作系统所具备的功能外，还具有网络管理模块、通信、安全和资源共享等模块。,打印机,18,分布式操作系统(Distributed Operating System)是网络操作系统的更高级形式，它建立在计算

9、机网络基础之上，有效地解决了地域分布很广的若干台计算机之间资源共享、并行处理等问题。特征是统一性、共享性、可靠性和透明性。,统一性,作业可迁移至其他主机上处理, 实现处理机资源的共享,系统中的多台主机处于同等地位,没有主从关系, 没有地理位置上的差异.,可靠性,透明性,5. 分布式操作系统,19,6. 个人计算机操作系统 个人计算机(PC)操作系统是一种单用户多任务操作系统，主要设计目标是易用性、响应性。随着个人计算机的飞速发展，虚拟内存和多任务处理成为个人计算机操作系统新特征。目前有Windows和OS/2等。,20,7. 多处理机操作系统 具有公共内存和时钟的多CPU系统称为多处理机系统,

10、它们共享计算机总线和外部设备。建立在多处理机系统上的操作系统称为多处理机操作系统，也称为并行操作系统或紧耦合系统。 如果各个CPU之间没有主从关系，则称为对称多处理系统(SMP)。,CPU,内 存,CPU,CPU,21,8. 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统(Embedded Operating System)是一种支持嵌入式计算机的软件，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要定制的系统模块组成，能运行在各种不同硬件平台上，提供基本的程序运行环境和接口。 嵌入式操作系统的特点是实时性、多任务、对硬件依赖性、软件固化和专用性等。,22,第二节 操作系统的作用及特征,3.2.1 操作系统的作用 管理

11、系统中软件硬件资源 CPU 内存 设备 文件 为用户(应用程序)提供良好的界面 命令接口 程序接口,23,3.2.2 操作系统功能,5. 文件管理 文件管理主要负责软件资源管理，包括文件 存储空间管理、目录管理、文件存取控制、文件 共享与保护。,4. 设备管理 设备管理是指对计算机外部设备(打印机、显 示器等)进行分配、控制和管理，使用户不必过多 了解接口技术而方便地使用外部设备。设备管理 主要功能有缓冲区管理、设备分配和设备控制。,3. 存储管理 存储器管理是指对内存资源进行管理, 主要 任务是为多道程序运行提供良好环境，方便用户 使用存储器，提高内存利用率。存储管理主要包 括存储分配、存储

12、保护、虚拟内存和地址映射。,2. 作业管理 作业管理是为了合理组织工作流程，对作业 进行控制和管理。作业管理包括作业输入、作业 调度和作业控制。,1.进程管理 在计算机系统中，以进程为基本单位分配和 使用处理机，因此对处理机的管理最终归结为对 进程的管理。进程管理主要的功能是进程控制、 进程调度、进程同步及进程通信。,24,3.2.3 操作系统的特征,程序并发性是指在计算机系统中一段时间内多个程序在宏观上同时运行。,共享性,并发性,虚拟性,异步性,所谓共享，是指在操作系统控制下，多个程序，多个作业共同享有有限的系统资源。,虚拟是指操作系统通过某种技术将一个物理实体变成逻辑上的多个对应物，或将多

13、个物理实体变成逻辑上的一个对应物。,在多道程序环境下，进程以人们不可预知的速度向前推进。即多个作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的。,25,第三节 作业管理,3.3.1 基本概念 用户要求计算机系统为其完成的计算任务集合称为作业，操作系统以作业为单位管理用户任务。 作业由程序、数据和作业说明书三部分组成。作业说明书是描述批作业处理过程中控制意图的一种特殊程序。 处理一个作业通常经过若干个相对独立又相互关联的加工步骤, 一个相对独立的处理步骤称为一个作业步(Job Step)。,26,按照作业提交和处理的方式, 可以把用户作业分为两大类：批处理作业和交互式作业。 1. 批处理作业 批处理

14、作业以脱机处理为主要特征，因而特别适合于处理计算时间较长的任务。 2. 交互式作业 交互式作业又称为终端作业或会话式作业，主要通过直接命令方式提供用户作业。以联机操作为主要特征。,27,3.3.2 作业管理,作业管理的主要任务是作业控制和作业调度。 1.作业控制 功能包括控制作业输入、运行和计算结果的输出。为了对作业进行有效控制，操作系统为每个进入系统的作业建立一个作业控制块(JCB)，里面记录着系统对于作业管理所需要的全部信息。,作业标识 用户名称 用户帐号 调度信息 资源需求 作业状态 : :,28,2. 作业调度 操作系统按一定策略选取若干作业进入内存获得处理机运行，称为作业调度。常见的

15、批处理作业的作业调度算法有： 先来先服务算法 按照作业进入系统作业后备队列先后次序选择作业。这种算法容易实现，但效率低。 最短作业优先算法 系统选择估计计算时间最短的作业投入运行。这种算法使平均作业周转时间短，且易于实现，但效率不高。,29,第四节 进程管理,多道程序系统中，多个程序同时进入系统，一个程序的活动规律是 ： 推进，暂停，推进，暂停， 暂停时：保存现场(断点，寄存器） 推进时：恢复现场 暂停原因： 自身原因等待资源，启动IO 剥夺CPU给其它程序运行机会,30,3.4.1 进程定义,1. 进程定义 1978年在庐山召开的全国操作系统研讨会上给出进程的定义为：进程是具有一定独立功能的

16、程序段关于一个数据集合的一次运行活动。 定义强调两个方面：,动态性：,并发性：,执行中的程序,可与其他进程同时执行,31,2. 进程组成,程序块,数据块,进程控制块,由指令代码组成，代码必须是纯代码, 即在运行期间不修改自身。,进程执行时所需数据和工作单元(包括全局变量、局部变量和常量等)以及开辟的工作区。,标志进程存在的数据结构,其中保存系统管理进程所需的全部信息。,进程标识 所属用户 进程状态 调度参数 现场信息 进程长度 : :,32,程序、数据和进程控制块构成进程实体。程序和数据位于内存中用户空间，进程控制块位于系统空间。,33,3. 进程的基本特征,动态性：进程动态的产生、消亡，生存

17、期内动态变化；动态性是进程的基本特征。 并发性：进程可以并发执行。 独立性：进程在系统中能独立运行，独立分配资源和独立接受调度。进程是系统资源分配的基本单位。 异步性：每个进程以各自独立，不可预知的速度向前推进。 结构性：每个进程由程序块、数据块和进程控制块三部分组成。,34,4. 进程类型,从操作系统角度看, 进程可以分为系统进程和用户进程两类。系统进程运行操作系统程序, 完成操作系统功能, 可以执行包括特权指令在内的所有机器指令, 优先级高于用户进程。用户进程运行用户程序, 只能执行非特权指令。,系统进程-完成系统管理(服务)功能。 用户进程-运行用户(应用)程序，为用户服务。,35,5.

18、 进程与程序的关系,程序与进程的本质区别在于程序是静态的,进程是动态的。 程序是指令及执行指令时所需数据的集合, 可以长期保存在存储介质上；进程具有创建性、运行性和消亡性。 进程和程序不是一一对应关系, 一个程序可以对应多个进程, 但一个进程只能对应一个程序。,36,6. 进程与作业的关系,作业是任务实体，进程是完成任务的执行实体; 作业进入内存后变为进程,一个作业通常与多个进程相对应; 没有作业任务就没有进程，反过来，没有进程，作业任务就不能完成。,37,3.4.2 进程的状态和转换,CPU是执行进程的必要资源，而系统资源是有限的。操作系统不会让一个进程一直占用CPU。因此一个进程不会一直处

19、于运行状态，进程可能有多种状态。 进程的三种基本状态为： 运行态(run):获得CPU资源，正在运行进程中指令。 就绪态(ready):进程本身具备运行条件,等待获得CPU资源 等待态(wait):进程本身不具备运行条件，正等待某一事件发生或释放某资源。,38,就绪,等待,运行,进程的三种基本状态转换图,39,3.4.3 进程调度,在多道程序环境下，进程数目往往多于处理机数目，致使它们争用处理机。这就要求系统能按某种算法，动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由进程调度程序完成的，所以进程调度也称为处理机调度。,40,常用的进程调度算法,1. 先到先服务算法(F

20、CFS) 按照进程到达先后顺序分配处理机。进程执行过程中操作系统不会强行抢占处理机。 特点：比较有利于计算时间长的进程，而短作业等待时间长。,等待时间:,0,27,30,到达顺序,执行顺序,41,2. 高优先级优先调度算法 在就绪队列中选取优先级最高的进程运行。,就绪队列,静态优先级：在进程创建时确定，进程运行期间保持固定不变。 动态优先级：是指在进程的生命期内，随着进程的运行情况而不断动态变化。,42,3. 时间片轮转法 系统将CPU时间分成固定大小的时间片，所有就绪进程按先来先服务原则分配处理机，一次使用一个时间片。 当时间片用完时，如果该进程既未结束也未因某种原因而等待，则剥夺其处理机，

21、将它送到就绪队列末尾，等待下一次调度。,43,以上关于进程调度的讨论都局限于单处理机情况，在目前的实际操作系统中，往往使用多种调度算法或某些算法的混合体。其中先到先服务算法和高优先级优先调度算法也适用于作业调度。,44,第五节 存储管理,存储管理既包括内存资源的管理，也包括用于实现分级存储体系的外存资源的管理。存储管理的目的是为多道程序运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器利用率，从逻辑上扩充存储容量。存储管理的优劣直接影响系统的性能。,3.5.1 存储管理的功能,存 储 分 配 存 储 共 享 地 址 映 射 存 储 保 护 存 储 扩 充,45,计算机内存被划分为许多单元，为了

22、区分各个不同的内存单元，把每个内存单元按顺序由零开始编号，这个编号称为物理地址。每个内存单元有一个唯一的物理地址，CPU通过指定物理地址读写内存单元。 2.逻辑地址 在多道程序系统中，由程序员编写的程序经过编译后所产生的地址称为逻辑地址，也叫相对地址或偏移地址。 逻辑地址通常从0开始，程序中的其他地址都相对于起始地址进行计算。,1.物理地址,46,操作系统在程序装入内存时，根据当时内存的使用情况确定程序在内存中的存放位置，进而将程序中的逻辑地址转换为存储空间的物理地址，这一转换过程称作地址映射或地址重定位。 静态重定位-在程序装入时完成地址转换。 动态重定位-将程序装入内存后并不立即进行地址转

23、换，而是当程序要执行时才进行地址转换。,3.地址映射,47,4.存储保护 在多道程序系统中，内存空间既有操作系统，又有许多用户进程。为了确保每道程序都只在自己的内存空间中运行，操作系统必须对代码和数据进行保护。 5.存储扩充 内存具有速度快但容量小的特点，外存具有容量大但速度慢的特点。存储扩充采用软件手段，将内存空间与外存空间有机地结合在一起，形成一个容量相当于外存，速度相当于内存的虚拟存储系统。,48,3.5.2 存储器连续分配方式,程序在装入内存之前,首先要为其分配存储区域,存储区域分配有多种方式。存储器连续分配方式是指一个用户程序占有内存当中多个相邻的区域。 1.单一连续分配存储区 这种

24、分配方式适合于单用户、单任务操作系统。它将内存分为系统区和用户区两部分。 程序只能分配到一个连续的存储区域中，并且在执行期间不能移动；多采用静态重定位方式，由装入程序完成逻辑地址到物理地址的转换。,49,2. 固定分区管理 固定分区分配是多道程序系统中最简单的存储管理技术，它将用户内存空间划分为若干个连续区域，每个区域位置固定，大小可以相同也可以不同，每个分区中只装入一道程序。程序装入时地址转换可以采用静态也可以采用动态重定位方式。 缺点是同时在内存中运行的程序数量受到分区数目限制；小程序易造成内存资源严重浪费，而大程序可能又无法装入。,50,预先不划分分区的大小，在装入作业时按程序大小来划分

25、内存分区，使分配的分区正好适应程序需求。这种管理方式下，分区个数是可变的。,作业D,作业C,作业B,用 户 区,3. 可变分区管理,51,4. 可重定位分区分配 可重定位分区分配将内存中各个程序位置进行移动，将原来分散的小空闲分区拼接成一个大分区，用于新程序装入。 采用静态重定位方式装入程序的操作系统，它的程序就不能移动；只有采用动态重定位装入方式的系统才可以移动内存的程序。,52,第六节 文件管理,文件管理是操作系统主要功能之一。程序和数据是计算机软件资源，它们以文件形式存储在计算机外部存储器上。文件管理是对文件、目录和文件存储空间进行管理，为用户提供按名存取文件的手段，方便用户对文件进行存

26、取、保护和共享操作，充分利用存储器空间。,53,3.6.1 文件系统基础知识,文件与文件管理程序的集合称为文件系统。文件是具有符号名的相关信息集合。当进程创建文件时，必须给出文件名，其他进程只要给出文件名就可以使用这个文件，操作系统根据文件名对其进行控制和管理。 1.文件命名 通常，文件名是由字母、数字、分隔符组成的字符串，字母不区分大小写。,文件名中不能使用的符号有: / : * ? “ |,54,文件主名. 扩展名,在Windows2000/XP中，打开“资源管理器”中的“工具”菜单，单击“文件夹选项”，在“文件夹选项”对话框中，单击“文件类型”卡片，在其中可以观察到很多扩展名。,55,2

27、.文件分类,56,3.文件属性,文件基本属性包括文件名、文件长度、文件创建时间、修改时间、文件所有者。文件类型属性包括普通文件、目录文件、系统文件、隐含文件、设备文件等；文件保护属性包括可读、可写、可修改、可删除。,在Windows2000/XP中，右击鼠标，在弹出的文件快捷菜单中，单击“属性”选项，打开“属性”窗口，可以观察到可见的文件属性。,57,文件的组织又称文件的结构，其中涉及文件的逻辑结构和文件的物理结构。 4.文件逻辑结构 是指文件的外部结构，是用户所看到的文件组织形式，即用户存取、检索和管理信息时文件的组织形式。文件逻辑结构有两种形式：流式与记录式。,58,流式文件 由字符流构成

28、文件称为流式文件，其基本单位是字节，它是有序字符集合。流式文件无结构且管理简单。源程序、目标代码等文件属于流式文件。UNIX系统采用的是流式文件结构。 记录式文件 由一系列记录构成的文件称为记录式文件。记录是一个具有特定意义的信息单位，用户可以对记录进行追加、修改、查找和排序等管理工作。,59,5.文件物理结构 文件物理结构是指文件在物理存储设备上的存放方法。常用文件物理结构有顺序结构、链接结构和索引结构 顺序结构：逻辑上连续的文件信息依次存放在连续编号的物理块中。 链接结构：逻辑上连续的文件信息依次存放在若干不连续的物理块中，各个物理块以指针相连。 索引结构：逻辑上连续的文件信息依次存放在若

29、干不连续的物理块中，文件系统为每个文件建立一张索引表。,60,6.文件存取,用户对文件的各种操作都离不了存取动作。文件存取方式由存储器物理特性和文件结构决定。 顺序存取：就是按从前到后的次序依次访问文件。对记录式文件按纪录排列顺序来存取；对流式文件则根据当前读写指针的指向存取。,61,直接存取：又称随机存取。只有记录式文件可以随机存取，用户可以根据记录键存取文件中任一记录。 索引存取：又称按键存取，是基于索引文件的存取方法。,62,3.6.3 文件目录,在一个计算机系统中保存了很多文件，用户在使用文件时给出要访问文件的名字，文件系统应该能够根据文件名字找到指定的文件，因此需要为系统中的文件建立

30、目录，称为文件目录。 文件目录也是一个文件，由目录项组成。一个文件信息构成一个目录项，目录项又称为文件控制块(FCB)。文件控制块是文件存在的标志，其中包含系统对于文件进行管理和控制所需要的全部信息。,63,目录项组织结构关系到文件系统的存取速度，关系到文件共享性和安全性。组织好文件目录是文件系统设计好坏的关键。常见目录结构有单级目录、二级目录和多级目录。 1.单级目录结构 在单级目录结构中，整个文件系统只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。这种目录结构可以实现文件系统基本功能“按名存取”，但是文件查找速度慢，不允许文件重名，而且很难实现文件共享。,64,2.二级目录结构 建立一个主目录文件

31、，再为每一个用户建立一个用户目录文件，在主目录文件中，为每一个用户建立一个用户目录文件的目录项，目录项包括用户名和用户目录文件指针。二级目录提高了目录检索速度，在不同用户目录中可以使用相同文件名，还可以使用不同文件名访问共享文件。,65,3.多级目录结构 多级目录结构又称为树型目录结构。根目录为主目录并且只有一个。在根目录中可以生成子目录，子目录文件作为树的结点，又可以包含自己的子目录，.。子目录文件的目录项可以是数据文件的文件控制块，也可以是下一级子目录文件的文件控制块。这种目录结构看似一颗倒挂的树，所以形象地称为数型目录结构。,66,从根目录到任何文件都只有一条通路，称为路径。将路径上的目

32、录名依次地用“”连接起来，称为该数据文件的路径名。从根目录开始的路径称为绝对路径(absolute path name)，从当前目录开始的路径称为相对路径(relative path name)。,D:Toolsoffice 2003完整安装程序setup.exe 若当前路径为D:Tools，金山词霸readme.txt,67,第七节 设备管理,冯.诺伊曼计算机模型中，除了运算器、控制器和存储器之外的设备，都归类于输入输出设备。操作系统设备管理就是管理和控制各种输入输出设备，为用户使用设备提供简单方便统一的接口形式，完成用户输入输出请求，提高设备使用效率。 设备管理包括缓冲管理、设备分配、设备

33、处理和虚拟设备等功能。,68,3.7.1 设备分类,1.按用途分类 可以分为输入输出型设备和存储型设备。 输入型设备将程序、数据、声音和图像等数据和控制信息输入到计算机系统中，如键盘、鼠标、扫描仪、网卡和Modem等。 输出型设备将信息处理结果以人可以识别的形式显示给用户，如显示器、打印机和音箱等。 存储型设备是指辅助存储器，如磁盘机、磁带机和光盘机等，用来长期保存信息，既可以输入又可以输出。,69,2.按信息交换基本单位分类 设备可以划分为字符型设备(character device)和块设备(block device)。 以字符为单位组织和处理信息的设备称为字符设备。通常输入型设备和输出型

34、设备(包括通讯设备)属于字符型设备。 以一定长度数据块为单位组织和处理信息的设备，称为块设备。一块的长度通常为2i。存储设备属于块设备。,70,3.按设备共享属性分类,独占型设备,共享型设备,独占型设备包括所有字符型设备和磁带机，这类设备在一段时间内只允许一个进程访问。,在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。除了磁带机之外所有块设备都属于共享型设备。,71,3.7.2 设备控制器,通常CPU并不是直接与设备进行通信，而是与设备控制器通信，通常将设备控制器称为适配器。设备控制器接收CPU发来的命令和数据，对命令进行译码产生控制信号，控制设备完成相关动作。 设备控制器还要负责完成CPU和控制器之

35、间、控制器和设备之间的数据传送。一个设备控制器可以连接多个设备。设备控制器卡通常通过一条电缆与设备连接。,设备控制器,CPU,通 道,72,3.7.3 I/O控制方式,1.查询方式(polling) 也称为程序控制方式，这种方式下CPU直接管理外设。,取外设状态,准备好?,缺点: CPU浪费大量时间用于查询外设状态,大大降低了CPU使用效率。,传送数据,传送完?,Y,Y,N,N,结束,73,2.中断驱动方式 处理机在运行过程中, 出现了某一紧急事件,必须中止正在运行的程序，转去处理这个事件，然后再返回原来运行的程序，这一过程称为中断。 引起中断的事件称为中断源，分为内部中断源和外部中断源。中断

36、源向CPU发出的请求信号称为中断请求；处理中断事件的程序称为中断处理程序；发生中断时CPU正在执行的程序暂停点叫做断点。,74,强迫性中断是正在运行程序所不期望的，它们何时发生无法预知。 自愿性中断是正在运行的程序有意安排的，通常是编程时有意使用访管指令或系统调用而导致的中断。所以这类中断常被称为访管中断，中断发生的时间及中断的位置是确定的。 中断引入之后，设备控制器和通道就具有了中断CPU的能力，使设备与CPU可以并行工作。字符型设备每传输一个字节产生一次中断，块设备每传输一块产生一次中断。,75,在查询方式和中断方式中，CPU都直接参与了数据输入输出操作。因此，这两种方式又被称为程序控制输

37、入输出方式(PIO)。 中断机制是操作系统极为重要的一部分。中断是实现多道程序系统的基础。操作系统通过中断获得处理机，使操作系统程序得以运行，实施对计算机软硬件资源的管理工作。所以操作系统常被称为是由中断驱动的。,76,3.7.4 缓冲技术,处理数据到达与离开速度不一致所采用的技术称为缓冲技术。为了缓解CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾，降低设备对CPU的中断频率，提高CPU和I/O设备并行性，操作系统设置了输入输出缓冲区，暂存程序输入输出数据。,将多个缓冲区链接起来统一管理，称为缓冲池。,77,3.7.5 设备分配与调度,从资源分配角度，外部设备可以分为独占型设备和共享型设备。相应地设备分

38、配和去配分为独占型设备分配与去配，共享型设备分配与去配。为了实现I/O设备分配，系统中有一张系统设备表(SDT)，其中记录了系统中全部设备的情况。每个设备占一个表目，配备一个设备控制块(UCB)，用于标明设备标识符、设备状态、占用设备的进程等，它是设备资源存在的标志。,78,1.独占型设备分配与去配 独占型设备在一段时间内只能由一个进程所占有。当某进程提出I/O请求后，操作系统根据所需设备的类别，在相应类别的设备中选择一空闲设备，动态分配给进程。当设备使用完毕，系统收回该设备。 2.共享型设备分配与去配 共享设备一般不必进行分配。操作系统中，对I/O设备的调度算法常用的有：先请求先服务、优先级

39、高者先服务等算法。,79,3.7.6 设备驱动,设备驱动程序又称为设备处理程序，主要功能是将I/O请求转换为设备能够识别的、可操作的具体要求并传送给设备控制器；通过设备控制器读取设备状态。在设备控制器的控制下设备完成相应动作，并将I/O操作的完成情况传送给请求进程。,驱动程序,用户 请求,设备控制器,外围设备,80,3.7.7 虚拟设备,用户使用独占型设备活动为： 申请，使用，使用，使用，释放 缺点： 速度：CPU与设备速度不匹配。 设备利用率：占有期间不一定一直使用 解决方法： 在进程与独占型设备之间增加共享设备缓冲。,进程独占此设备,81,通过多道程序设计技术利用共享型设备实现的数量较多、速度较快的独占型设备, 称为虚拟设备,这也是操作系统虚拟性特征之一。,虚拟 设备,虚拟 设备,虚拟 设备,独占设备,间断传输,连续传输,