3.3 分时多任务操作系统与IO处理
贝加莱-无线数据传输和运动控制试验平台
贝加莱(B&R)无线数据传输和运动控制试验平台一、试验平台建设的目的：该实验平台应满足西南石油大学对自动化专业本科学生教学、科研、实践的多种需求，能让学生综合应用电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术专业知识，并获得工程师的基本训练，具有系统分析、设计、开发与研究的基本能力。
特别是熟悉并应用在石油化工过程控制中广泛采用的工业现场总线控制技术。
包括现场网络接口与通讯、现场总线网络控制、PLC/PCC控制网络、SCADA监控采集软硬件平台、无线通讯系统、系统综合信息管理系统以及运动控制系统等。
使学生能在工业过程控制、运动控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术、无线通讯技术、信息处理、管理与决策等多个领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开发及研究等方面工作。
二、实验平台的系统拓扑与构成：该平台包括如下技术包：1、无线数据采集与传输2、SCADA监控采集软硬件平台3、基于分时多任务操作系统的PLC/PCC控制器4、全集成的仿真调试软件工具和硬件平台5、现场总线网络接口、通讯与控制6、紧密运动控制系统7、嵌入式工业计算机第 1 页共19 页ZigBee终端监控级现场显示控制器监控计算机显示器站控PLC1站控PLC2工业以太网仿真器RS232现场显示控制器仿真器现场显示控制器仿真器CAN总线ZigBee终端现场显示控制器仿真器站控级CAN总线现场级现场显示控制器仿真器现场显示控制器仿真器RS232驱动器电机Powe rlink总线驱动器电机站控PLC3站控PLC4工业以太网第 2 页共19 页三、实验平台的详细技术要求：3.1基于分时多任务操作系统的PLC/PCC控制器第 3 页共19 页第 4 页共19 页第 5 页共19 页第 6 页共19 页3.2现场总线网络接口、通讯与控制第7 页共19 页第8 页共19 页第9 页共19 页第10 页共19 页3.4全集成的仿真调试软件工具和硬件平台第11 页共19 页3.5，SCADA系统上位软件平台第12 页共19 页3.6 上位监控主机第13 页共19 页3.7 其他技术要求：第14 页共19 页第15 页共19 页3.8，无线传输技术要求采用ZigBee适配器构建整个数据采集和监视控制系统（及SCADA系统）的无线通信网络，本系统采用Mesh网状网构建，在站点终端PCC部署ZigBee终端，再在需要绕开障碍物和增加通信距离的地点部署中继点，中心站点PCC与ZigBee终端连接，通过ZigBee无线网状网可以与下位任意PCC通信。
计算机操作系统课后习题答案第四版
计算机操作系统课后习题答案第四版计算机操作系统课后习题答案（第四版）计算机操作系统是计算机系统中至关重要的组成部分，它负责管理和控制计算机的硬件和软件资源，为用户提供一个方便、高效、可靠的工作环境。
下面是对计算机操作系统第四版课后习题的答案解析。
一、操作系统的概念1、什么是操作系统？它的主要功能有哪些？操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石。
它的主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口管理等。
处理机管理负责合理分配和调度 CPU 资源，提高 CPU 利用率；存储器管理负责管理内存空间的分配、回收和保护；设备管理负责对外部设备进行有效管理和控制；文件管理负责对文件的存储、检索、共享和保护；用户接口管理则为用户提供了方便的操作界面。
2、操作系统有哪些分类？操作系统可以按照不同的标准进行分类。
按照用户数量，可分为单用户操作系统和多用户操作系统；按照任务数，可分为单任务操作系统和多任务操作系统；按照系统功能，可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。
1、什么是进程？进程和程序有什么区别？进程是程序在一个数据集合上的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。
进程与程序的区别在于：程序是静态的指令集合，而进程是动态的执行过程；程序可以长期保存，进程具有生命周期；进程具有并发性，而程序没有；进程由程序、数据和进程控制块（PCB）组成。
2、进程的三种基本状态是什么？它们之间是如何转换的？进程的三种基本状态是就绪状态、执行状态和阻塞状态。
当进程已获得除CPU 以外的所有必要资源，只要再获得CPU 便可立即执行时，处于就绪状态；当进程正在 CPU 上运行时，处于执行状态；当进程因等待某一事件而暂时无法继续执行时，处于阻塞状态。
就绪状态到执行状态是通过进程调度实现的；执行状态到就绪状态是时间片用完或出现更高优先级的进程；执行状态到阻塞状态是进程因等待某事件而主动放弃 CPU；阻塞状态到就绪状态是等待的事件发生。
【自考】《操作系统》复习资料大全
【自考】《操作系统》复习资料大全自考操作系统复习资料大全一、操作系统概述操作系统是一种系统软件，它作为计算机的核心组成部分，直接管理着计算机的硬件和软件资源。
本节将从操作系统的定义、分类、功能和特点等方面给出一个概览。
1.1 操作系统的定义操作系统是一种控制和管理计算机硬件与软件资源的系统软件，它为计算机应用程序提供了一个运行环境。
1.2 操作系统的分类操作系统根据不同的标准可以进行不同的分类。
根据使用范围可以分为通用操作系统和嵌入式操作系统；根据处理方式可以分为批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统等。
1.3 操作系统的功能操作系统具有五大基本功能，包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理和用户界面管理等。
这些功能紧密合作，共同保证计算机系统的正常运行。
1.4 操作系统的特点操作系统具有并发性、共享性、异步性和虚拟性等特点。
并发性指多个程序同时执行；共享性指多个程序共享资源；异步性指程序执行的先后顺序不确定；虚拟性指将物理资源抽象为逻辑资源，提供给用户使用。
二、操作系统原理本节将深入讨论操作系统的核心原理，包括进程管理、内存管理、文件系统管理和设备管理等。
2.1 进程管理进程是一个正在执行的程序的实例。
操作系统通过进程管理来分配和控制计算机系统的资源，保证进程的正常运行。
进程管理包括创建、撤销、调度和同步等操作。
2.2 内存管理内存管理是操作系统管理计算机内存的过程。
它负责分配和回收内存空间，保证多个进程能够有效地共享内存资源，并提供地址映射和内存保护等功能。
2.3 文件系统管理文件系统是操作系统中用来管理文件和目录的机制。
操作系统通过文件系统管理来实现文件的存储、读写和共享等操作，保证数据的安全和可靠性。
2.4 设备管理设备管理是操作系统管理计算机硬件设备的过程。
它负责对输入和输出设备进行分配、控制和调度，保证它们能够与计算机系统协调工作。
三、操作系统的实践应用本节将介绍操作系统在实践中的应用，包括主流操作系统的特点和应用领域。
操作系统分类有几种
操作系统分类有几种操作系统是计算机系统中的关键组成部分，它负责管理计算机的硬件和软件资源，为用户提供良好的使用环境。
根据功能和特点的不同，操作系统可以被分为多种不同的类别。
本文将介绍常见的操作系统分类，并对每种分类进行简要的说明。
1. 单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统是最简单的操作系统类型，如早期的微型计算机系统。
它们只能同时运行一个程序，并且没有多任务处理能力。
当一个程序运行时，其他程序必须等待。
2. 单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统允许用户同时运行多个程序，这些程序可以通过分时机制或轮询方式来进行切换。
用户可以在同时运行的程序之间快速切换，但每次只能使用一个程序。
3. 多用户操作系统多用户操作系统允许多个用户同时使用计算机系统。
每个用户都可以独立地运行多个程序，并可以同时与其他用户进行交互。
这些操作系统通常具有强大的安全性和权限管理功能，以确保各用户的数据和程序之间的隔离。
4. 分时操作系统分时操作系统允许多个用户通过终端或远程连接同时访问计算机系统。
它通过时间片轮转的方式为每个用户分配计算资源，用户之间通过交替地使用处理器时间来实现同时执行多个任务的效果。
5. 实时操作系统实时操作系统要求系统能够在规定的时间范围内对外部事件做出及时响应。
这种操作系统广泛应用于需要高度可靠和时间敏感的领域，如航空航天、核电站等。
实时操作系统分为硬实时操作系统（硬件保证任务截止时间）和软实时操作系统（通过优化算法尽量满足分析任务截止时间）。
6. 网络操作系统网络操作系统是一种允许多台计算机通过网络进行通信和资源共享的操作系统。
它提供了网络通信和协作的基本功能，包括文件共享、远程登录和分布式处理等。
7. 分布式操作系统分布式操作系统是一种运行在多台计算机之间的操作系统。
它将计算机资源组织成一个分布式系统，使得用户可以透明地访问分布在不同计算机上的资源，并提供高可用性和容错性。
8. 嵌入式操作系统嵌入式操作系统是专门设计用于嵌入式系统的操作系统。
分时操作系统
多级反馈队列调度是一种灵活的分时调度算法，将进程按照优先级分成多个级别。
每个级别都有一组进程队列，当一个进程执行完成后，它会根据其优先级被分配到相应级别的队列中。
高优先级的进程会先于低优先级的进程得到执行，同时考虑到低优先级进程也需要得到执行，因此这些进程会按照FCFS（先进先出）的方式进行调度。
分时操作系统通过同时处理多个用户或任务的请求，使得每个用户或任务都能够得到及时响应和处理，从而实现多用户多任务的目标。
02
分时操作系统的原理和机制
时间片轮转调度
时间片轮转调度是一种简单的调度算法，每个进程被分配一个固定长度的时间片（quantum），在时间片内执行。
当一个进程的时间片用完时，调度程序将切换到下一个进程，每个进程都有机会在时间片内执行，使得所有进程都能得到执行。
分时操作系统与其他技术的结合应用
05
分时操作系统与实时操作系统的比较
实时操作系统是指能够及时响应外部事件并执行相应的任务，以达到实时控制的计算机操作系统。
实时操作系统具有任务调度、资源管理、同步与异步工作机制、任务间的通信以及系统配置等基本要素。
实时操作系统的基本概念和特点
分时操作系统是通过对计算机系统的资源进行时间上的分割，同时响应多个用户请求，实现多个用户共享计算机系统资源的目的。
调度策略
处理机调度程序按照一定的流程，根据调度策略选择一个程序执行，并在适当的时候进行上下文切换。
调度流程
处理机调度
内存管理
分时操作系统将内存分成多个区域，每个区域存放一个程序。
内存分区
分时操作系统通过内存保护技术，防止一个程序的错误操作影响其他程序的运行。
关于操作系统中多任务处理的叙述
关于操作系统中多任务处理的叙述操作系统是一种管理计算机硬件和软件资源的软件系统。
多任务处理是操作系统的核心功能之一，它使计算机能够同时执行多个任务，并合理地分配系统资源，提高计算机的效率和性能。
多任务处理的出现可以追溯到计算机技术的发展。
在早期的计算机系统中，只能运行一个程序，用户需要按照一定的顺序来进行计算，这种方式效率低下且不灵活。
随着计算机的发展和需求的增加，人们开始意识到需要一种能够同时处理多个任务的系统。
实现多任务处理的关键是操作系统能够将计算机的处理能力合理分配给不同的任务。
在操作系统的控制下，计算机可以将处理能力划分为多个时间片，每个时间片分配给不同的任务进行执行。
这样，多个任务就可以交替执行，在人类的感知中，这些任务似乎是同时进行的。
多任务处理为用户提供了更好的用户体验。
例如在一台计算机上，用户可以同时进行多个任务，比如同时听音乐、上网浏览新闻、办公文件处理等。
这大大提高了用户的工作效率和娱乐体验。
除了提高用户体验外，多任务处理还能提高计算机的整体效率。
通过合理地利用计算机的处理能力，操作系统可以充分利用计算机的每一个资源，高效地完成各种任务。
这样，计算机的计算速度和响应速度都能得到有效的提升。
然而，多任务处理也面临着一些挑战。
由于计算机资源的有限性，当同时运行的任务过多时，可能会导致系统资源的过度占用，进而影响系统的性能。
为了解决这个问题，操作系统通常会采取一些策略，如优先级调度、进程挂起等。
这些策略有利于提高系统的整体性能，但也需要操作系统的良好设计和实现。
综上所述，多任务处理是现代操作系统中的重要功能之一。
它使计算机能够同时执行多个任务，并合理地分配系统资源，提高计算机的效率和性能。
多任务处理不仅提高了用户的体验，也提高了计算机的整体效率。
然而，多任务处理也面临着挑战，需要操作系统的良好设计和实现。
因此，对于操作系统的开发者和使用者来说，了解和掌握多任务处理的原理和方法，将有助于更好地利用操作系统的功能，提高计算机的性能和效率。
操作系统的发展历程与趋势
操作系统的发展历程与趋势操作系统作为一种核心软件，负责管理计算机的硬件和软件资源，并提供用户与计算机系统之间的接口。
随着计算机技术的不断发展，操作系统也经历了多个阶段的演进和改进。
本文将简要介绍操作系统的发展历程，并探讨未来的趋势。
一、单任务系统时代早期的操作系统被称为单任务系统，因其只能运行一个程序而得名。
这种操作系统以批处理形式工作，用户提交的任务会按照一定的顺序依次执行。
然而，由于无法同时处理多个任务，效率较低，并且用户体验不佳。
二、多任务系统的崛起为了提高计算机的资源利用率和用户体验，多任务操作系统应运而生。
多任务操作系统可以同时运行多个程序，每个程序独立占用一部分处理器时间，利用时间分片技术实现快速切换。
其中，分时操作系统（Time-sharing System）是在多用户环境下运行的操作系统。
通过将处理器时间划分为若干时间片，并为每个用户分配时间片，实现多个用户同时使用计算机系统。
这种操作系统大大提高了用户的并发性和交互性，成为主流操作系统的基础。
另外，实时操作系统（Real-time System）适用于对时间要求严格的任务，如工业自动化、交通控制等领域。
实时操作系统能够在规定的时间内及时响应外部事件，确保任务的可靠性和可预测性。
三、分布式系统的发展随着计算机网络技术的迅猛发展，分布式系统逐渐崭露头角。
分布式系统是由多台计算机组成的系统，这些计算机通过网络互联，以共享资源和协同工作。
分布式操作系统充分利用了多台计算机的计算和存储能力，将任务分配给不同的计算节点进行并行处理。
这样可以充分发挥系统的整体性能，并提高系统的可靠性和可扩展性。
此外，分布式系统还能够灵活应对硬件故障或网络故障，保证服务的连续性。
云计算平台和大数据分析系统等都是基于分布式系统开发的。
四、面向对象的操作系统随着面向对象编程思想的兴起，操作系统也逐渐采用了这种思想。
面向对象的操作系统将系统和应用程序组织为对象，通过对象之间的消息传递和方法调用来实现系统功能。
操作系统分类
操作系统分类操作系统分类1：单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统是最简单的操作系统类型，只能同时执行一个任务。
这种操作系统通常用于早期的个人计算机和嵌入式系统，如微控制器等。
2：单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统允许多个任务同时运行，但每次只能有一个任务处于活动状态。
操作系统会在任务之间进行切换，使得它们看起来是同时执行的。
这种操作系统常见于个人计算机和移动设备等。
2.1 批处理操作系统批处理操作系统是一种单用户多任务操作系统，它按照预定的顺序执行一系列批处理作业。
用户将一组任务提交给操作系统，然后系统按照指定的顺序执行任务。
2.2 时间片轮转操作系统时间片轮转操作系统是一种单用户多任务操作系统，采用固定时间片的方式将CPU时间切分给各个任务。
当一个任务的时间片用完时，操作系统会暂停该任务并将CPU时间切换到下一个任务。
2.3 多道程序设计操作系统多道程序设计操作系统是一种单用户多任务操作系统，允许多个程序同时驻留在内存中，并从一个程序切换到另一个程序。
这样可以提高系统资源的利用率和用户的响应时间。
3：多用户操作系统多用户操作系统允许多个用户同时访问操作系统和其资源。
每个用户可以同时运行多个任务，并与其他用户共享系统资源。
这种操作系统常用于服务器、主机系统和超级计算机等。
4：分时操作系统分时操作系统是一种多用户操作系统，它将CPU时间分成一小段一小段的时间片，并依次分配给所有用户。
用户通过终端与操作系统交互，在一段时间内共享CPU的使用权。
5：实时操作系统实时操作系统是一种具备严格时限的操作系统，它需要在特定的时间内完成任务，并对任务的响应时间有着严格的要求。
实时操作系统常用于控制系统、航空航天系统等领域。
5.1 硬实时操作系统硬实时操作系统对任务的响应时间要求非常严格，必须在指定的时间内完成任务，否则可能导致系统故障。
5.2 软实时操作系统软实时操作系统对任务的响应时间有一定的宽松要求，即使任务不能在精确的时间内完成，系统也可以继续工作，只是可能影响任务的效果。
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缩写
Cyclic #1
Cyclicபைடு நூலகம்#2
Cyclic #3
Cyclic #4
循环时间（默 冗余时间 认值）
10 ms
20ms
50 ms
50ms
100 ms
100ms
10 ms
30000ms
处理器
B&R 2010 B&R2005 B&R2003
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
I/O处理
数据输入与输出处理即I/O状态刷新
分时多任务操作系统的支持
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
PCC 便是配有 分时多任务操作系统的典型代表
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
多任务操作系统分为几个管任理务层 层
现场层
控制层
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
多任务操作系统的优点：
• ① 模块化的应用软件； • ② 用最适合的编程语言创建任务； • ③ 任务维护非常简单； • ④ 模块化的编程和测试工具。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
存储器的分割
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
PCC系统结构
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
一个PCC系统有两 个不同的内存区
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
全局变量和局部变量的区别
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
PCC系统的存储器可粗分为：
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
数据传送结构
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
•输入状态在采样时刷新。
•输出状态根据用户程序扫描 执行，逐个更新。
3．多任务操作系统组成
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
PCC专用 软件包
标准任务 高速任务 通信软件 功能库 系统任务 例外任务
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
应用程序
循环任务 非循环任务
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
• 循环任务（PCC任务）是标准的PCC应 用程序，在每一个设定的循环时间内 被准确地执行一次。
• 典型的非循环任务是一些完成统计 任务的程序，例如，打印一个报表。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
循环时间、运行时间、闲置时间的关系
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
循环时间超时现象
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
循环任务的优先级比非循环任务高 循环任务可以中断非循环任务
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
RAM 和 ROM
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
RAM
主要存储执行程序的数据，只在 存储器带电时才能保存数据
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
ROM
掉电时内容不会丢失，操作系 统、控制器程序、重要数据都存储 在这里。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
计算机集散控制系统（DCS）的 PLC 群：
• 分别完成管理、控制、现场的数据采集与 处理
• 各控制站之间的通信等功能 • 扩容：系统硬件以模块方式添加扩展，新
的软件以模块方式添入
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
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现代工业控制任务 需要
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
多任务操作系统的功能要求：
• ① 并行处理几个控制任务； • ② 确定多个任务的处理时间； • ③ 监控任务时灵活设定循环时间； • ④ 每个任务级别分配一致的I/O映像。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
• 1．多任务操作系统的性能 • 2．PCC的内存区 • 3．B&R多任务操作系统组成 • 4．多任务
结构化的优点
每个任务用最合适的编程语 言来建立，单个的功能容易编写， 并且使功能模块化，单个任务故障 处理简单。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
用户可以按需要设定每个应用 任务的循环时间。
特殊任务的响应时间不受完整 程序循环时间的限制 。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
2．PCC的内存区
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
任务层的优先级
优先级 高
低
任务层
Timer #1 Timer #2 Timer #3 Timer #4 Cyclic #1 Cyclic #2 Cyclic #3 Cyclic #4
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
标准任务层的默认循环时间表
任务层
标准任务 层1 标准任务 层2 标准任务 层3 标准任务 层4
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
B&R 2000 操作系统的优点
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
一个完整的复杂项目可以 分成多个独立的任务来完成。
每个任务都是独立的程序部分， 它可以完成许多不同的功能。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
应用项目结构化
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
• 重要的任务放置在具有较短循环时间 的任务层中，它们执行得更及时。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
紧迫任务 A （1ms) 紧迫任务 B （2ms)
一般任务C (5ms) 非循环任务D (2ms)
20ms
5ms
0
5
10
15
20
25 (ms)
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
• 非循环任务（空闲时间任务）利用 的空闲时间被执行 。
4.多任务
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
如果将大量的任务放置在一个 任务等级中，由于这些任务必须在 相应的短时间内完成，会引起系统 过载。
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
这个问题可以通过选择 合适的任务等级及正确地设 置任务循环时间来解决
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3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
操作站
WAN
LAN
防火墙
控制总线 (TCP/IP, Ethernet)
冗余服务器
工程服务器
处理总线 (TCP/IP, Ethernet)
CPU 冗余
冗余总线 (Powerlink)
现场设备
I/O 控制器
电机
三级系统
设备
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
PCC 的I/O管理器 要求尽可能快的将I/O状态 传送给I/O终端
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
输入映像
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
输出映像
3.3 分时多任务操作系统与I/O处理
I/O数据传送（主站与从站）