中国科学技术大学：《操作系统原理与设计 Operating System》课程教学资源（PPT课件讲稿）02 OS Structure

outline 操作系统的组成、服务、特征 ● System components oOS Services oSystem Calls Types o system programs 操作系统的特征 操作系统的抽象模型和体系结构 ·进程模型 ●线程模型 ● OS structure Virtual Machine ·系统设计与实现 小结 口1⊙生年12月00 陈适兰xlanchen@ustc.edu.cn http:/staf.u01174O1:Operating System操作系统原理 March28,20193/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . outline 1 操作系统的组成、服务、特征 System components OS Services System Calls & Types system programs 操作系统的特征 2 操作系统的抽象模型和体系结构 进程模型 线程模型 OS structure Virtual Machine 系统设计与实现 3 小结 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 3 / 73

System components System components Process Management,,进程管理 ②Main Memory Management,内存管理 ol/O System Management,l/o管理 File Management,文件管理 Secondary-Storage Management,,辅存/外存管理 Command-Interpreter System,命令解释系统 Protection System,保护 Networking,网络 口1回年走1,2月Q0 陈话兰xlanchen@ustc.edu:cn http:/staff.u0117401.Operating System操作系统原理 March28,20195/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . System components System components 1 Process Management, 进程管理 2 Main Memory Management, 内存管理 3 I/O System Management, I/O管理 4 File Management, 文件管理 5 Secondary-Storage Management, 辅存/外存管理 6 Command-Interpreter System, 命令解释系统 7 Protection System, 保护 8 Networking, 网络 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 5 / 73

1 process(or processor)management ·多道环境下，处理器的运行及分配都以进程(process)为单位， 因此处理器管理可归结为进程管理(process management)。 (1)process control o create/destroy a process; suspend(挂起)/resume(恢复)a process o process state(进程状态)transfering 。一般由process control primitives(进程控制原语)完成 口1回年走1,2月Q0 东香兰xlanchen@ustc,edu.cn http:/staff..u011740i:Operating System操作系统原理 March28,20196/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 process(or processor) management 多道环境下，处理器的运行及分配都以进程（process）为单位， 因此处理器管理可归结为进程管理（process management）。 (1) process control create/destroy a process； suspend(挂起)/resume(恢复) a process process state(进程状态) transfering 一般由process control primitives(进程控制原语)完成 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 6 / 73

1 process(or processor)management (2)process synchronization(同步) 。为使多个进程有条不紊地运行，应建立synchronization mechanism(同步机制)。 o including process mutual exclution,/synchronization(进程互斥/同步)； dead-lock avoidance,prevention,detection and resolution (死锁避免、预防、检测和消除) 口G，4老年年2年走刀Q0 东香兰xlanchen@ustc,edu.cn http:/staff..u011740i:Operating System操作系统原理 March28,20196/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 process(or processor) management (2) process synchronization(同步) 为使多个进程有条不紊地运行，应建立synchronization mechanism(同步机制)。 including process mutual exclution/synchronization(进程互斥/同步)； dead-lock avoidance, prevention, detection and resolution (死锁避免、预防、检测和消除) 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 6 / 73

1 process(or processor)management (3)Process communication 0 源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程相互间 有信息传递 。类型： directly(直接通信)： Pa发msg,PB收msg PA ms Pa indirectly(间接通信： Pa发msg到中间实体（如mailbox),P从中间实体收msg PAs MailBox Ps 陈话兰xlanchen@ustc.edu:cn http:/staff.u0117401.Operating System操作系统原理 March28,20196/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 process(or processor) management (3) Process communication 源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程相互间 有信息传递 类型： ▶ directly(直接通信)： PA发msg，PB收msg PA msg −→ PB ▶ indirectly(间接通信)： PA发msg到中间实体(如mailbox)，PB从中间实体收msg PA msg −→ MailBox msg −→ PB 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 6 / 73

1 process(or processor)management (4)Job scheduling and process scheduling o Job scheduling: 为作业分配必要资源，调入内存建立进程，并使之进入就绪队列。 o Process scheduling: 从就绪队列中选出进程，分配CPU,使之运行。 o Schedule algorithms: FCFS、优先权等 口⊙生年12月0C 东香兰xlanchen@ustc,edu.cn http:/staff..u011740i:Operating System操作系统原理 March28,20196/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 process(or processor) management (4) Job scheduling and process scheduling Job scheduling： 为作业分配必要资源，调入内存建立进程，并使之进入就绪队列。 Process scheduling： 从就绪队列中选出进程，分配CPU，使之运行。 Schedule algorithms： FCFS、优先权等 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 6 / 73

2 Main Memory Management(存储管理里) o Main Memory,MM: a large array of words or bytes,each with its own address A repository of quickly accessible data shared by CPU and I/O devices A volatile storage device Maybe the most architecture-specified component of OS o Activities Keeping track of memory usage Deciding which processes to load Allocating and deallocating memory space 口18走卡1，月00 陈香兰xlanchen@ustc.edu.cn http:/staf仟.u011740i:Operating System操作系统原理 March28,20197/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Main Memory Management(存储管理) Main Memory, MM: ▶ a large array of words or bytes, each with its own address ▶ A repository of quickly accessible data shared by CPU and I/O devices ▶ A volatile storage device ▶ Maybe the most architecture-specified component of OS Activities 1 Keeping track of memory usage 2 Deciding which processes to load 3 Allocating and deallocating memory space 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 7 / 73

2 Main Memory Management(存储管理里) GOAL:方便用户使用，且提高存贮器利用率 (1)Memory allocation (3)Memory mapping,内存 静态分配： 映射 动态分配：作业在内存中可 。地址范围地址 移动 ·逻辑空间逻辑地址（相对地址） 需内存分配的数据结构及内存分 。物理空间物理地址（绝对地址） 配和回收功能 (4)Memory expansion, (2)Memory protection 存扩充 例：设置上、下界寄存器， 。利用虚存技术，从逻辑上护 充内存容量 每条指令进行越界检查（一 般是硬件实现) ●系统应有：请求调入/置换 功能以支持虚存技术 0Q0 陈适兰xlanchen@ustc.edu:cn http/staff..u01174O1:Operating System操作系统原理 March28,20198/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Main Memory Management(存储管理) GOAL：方便用户使用，且提高存贮器利用率 (1) Memory allocation 静态分配： 动态分配：作业在内存中可 移动 需内存分配的数据结构及内存分 配和回收功能 (2) Memory protection 例：设置上、下界寄存器， 每条指令进行越界检查（一 般是硬件实现） (3) Memory mapping, 内存 映射 地址范围:地址 逻辑空间:逻辑地址(相对地址) 物理空间:物理地址(绝对地址) (4) Memory expansion, 内 存扩充 利用虚存技术，从逻辑上扩 充内存容量 系统应有：请求调入/置换 功能以支持虚存技术 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 8 / 73

3 1/O system management ●l/O subsystem(l/O子系统) To hide the peculiarities of specific hardware devices from the user Maybe the most complicate component and has largest line of code (LOC) Various device ●Consists of Buffering,caching,and spooling A general device-driver interface Drivers(g驱a动)for specific hardware device 口18，走卡11月00 陈话兰xlanchen@ustc.edu:cn http/staff.u0117401 Operating System操作系统原理斐 March28,20199/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 I/O system management I/O subsystem(I/O子系统) ▶ To hide the peculiarities of specific hardware devices from the user Maybe the most complicate component and has largest line of code (LOC) ▶ Various device Consists of 1 Buffering, caching, and spooling 2 A general device-driver interface 3 Drivers(驱动) for specific hardware device 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 9 / 73

3 I/O system management GOAL:提高/O利用率和速度，方便用户 (1)缓冲管理 Buffer(缓冲区)：用来解决CPU-l/O矛盾，如：CPU快则应多创建缓冲 区。 (2)device allocation(设备分配) 包括：设备，设备控制器，/O通道的分配和回收 (3)Drivers 。控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。 ·设备处理/驱动程序应能根据用户/O请求，自动地构成通道程序。 东香兰xlanchen@ustc,edu.cn http:/staff..u011740i:Operating System操作系统原理 March28,201910/73

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 I/O system management GOAL: 提高I/O利用率和速度，方便用户 (1) 缓冲管理 Buffer(缓冲区)：用来解决CPU-I/O矛盾，如: CPU快则应多创建缓冲 区。 (2) device allocation(设备分配) 包括：设备，设备控制器，I/O通道的分配和回收 (3) Drivers 控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。 设备处理/驱动程序应能根据用户I/O请求，自动地构成通道程序。 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen (Computer Application Laboratory, CS, USTC @ Hefei Embedded System Laboratory, CS, USTC @ Suzhou) 0117401: Operating System 操作系统原理与设计 March 28, 2019 10 / 73