哈工大张英涛操作系统视频对应课件31-41(全)
哈工大操作系统第39讲
哈尔滨工业大学远程教育课程操作系统第39讲主讲人：张英涛第六章文件管理l信息是计算机系统中的重要资源。
操作系统中的一个重要组成部分，文件系统，就负责信息的组织、存储和访问。
l文件系统的功能就是提供高效、快速和方便的信息存储和访问功能。
本章的主要内容就是信息的组织。
基本概念n文件体：文件本身的信息；n 文件说明：文件存储和管理信息；如：文件名、文件内部标识、文件存储地址、访问权限、访问时间等；1. 文件文件是具有符号名的数据项的集合。
文件名是文件的标识符号。
文件包括两部分：2. 文件系统文件系统是操作系统中管理文件的机构，提供文件存储和访问功能。
3. 目录目录是由文件说明索引组成的用于文件检索的特殊文件。
文件、记录和数据项之间的层次关系2. 文件管理的服务功能元素(文件系统向上层用户提供的服务)n文件访问：文件的创建、打开和关闭，文件的读写；n目录管理：用于文件访问和控制的信息，不包括文件内容n文件结构管理：划分记录，顺序，索引n访问控制：并发访问和用户权限n限额：限制每个用户能够建立的文件数目、占用外存空间大小等n审计：记录对指定文件的使用信息（如访问时间和用户等），保存在日志中3. 文件系统的实现功能元素(文件系统要实现的功能模块)l文件的分块存储：与外存的存储块相配合l I/O缓冲和调度：性能优化l文件定位：在外存上查找文件的各个存储块l外存存储空间管理：如分配和释放。
主要针对可改写的外存如磁盘。
l外存设备访问和控制：包括由设备驱动程序支持的各种基本文件系统如硬盘，软盘，CD ROM等文件的组织文件组织讨论文件的内部逻辑结构，主要考虑因素是文件存储性能和访问性能。
文件的组织n 文件逻辑结构的设计要求：•访问性能：便于检索；便于修改•存储性能：向物理存储转换方便，节省空间n 文件的不同组织层次：域、记录、文件文件的组织是指从用户观点出发讨论文件内部的逻辑结构或用户访问模式；它可以独立于在外存上的物理存储。
哈工大大学计算机基础课件4.操作系统
操作系统的作用(3/3)
作用3 操作系统是计算机系统的资源管理者。 • 在计算机系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设 施的总称称为资源。 那么，操作系统是如何进行资源管理的？
• 对资源进行抽象研究 • 有序地管理计算机中的硬件、软件资源 • 跟踪资源的使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求， • 协调各程序对资源的使用冲突 • 研究使用资源的统一方法，为用户提供简单、有效的资源使用手段， • 最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率
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分布式操作系统
输入 计算 输出
特点：在分布式 •处理器 系统中管理、控制和 •存储器 分配资源，将任务均 分给多个处理机共同 完成。 •处理器 •存储器 •处理器 •存储器 •处理器 •存储器
•处理器 •存储器
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嵌入式操作系统
• 嵌入式系统是指操作系统和功能 软件集成于计算机硬件系统之中。 简单的说就是系统的应用软件与 系统的硬件一体化，类似与BIOS 的工作方式。 面向特定应用 具有软件代码小，高度自动化， 响应速度快等特点。特别适合于 要求实时的和多任务的体系。可 靠性、实时性 为了提高执行速度和系统可靠性， 嵌入式系统中的软件一般都固化 在存储器芯片或单片机中，而不 是存贮于磁盘等载体中。
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文件的扩展名与文件类型
文件扩展名表示文件的类型. 扩展名一般是由建立文件的程序自动加入的;
扩展名
.COM .EXE .BAT .BAS .C .OBL .MP3
类型
可执行的命令文件 可执行的程序文件 可执行的批处理文件 BASIC语言源程序 C语言源程序 源程序中间代码文件 音频文件
扩展名
操作系统在计算机系统中的地位
其它软件 操作系统
操作系统课件
Operating System
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哈工大计算机科学与技术学院
进程状态转换
在进程执行过程中，其状态会不断变化
运行
一个CPU上正 在执行的进程
就绪
准备运行的进程
Harbin Institute of Technology
Operating System
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哈工大计算机科学与技术学院
进程状态转换
(1) 就绪 (2) 运行 运行: 该进程被配遣(Dispatch) 就绪: 运行并中断，如时间片用完
将其它资源加以限制后分配给不同的进程
如内存映射: Give each process their own address space 内核/用户模式: Arbitrary multiplexing of I/O through system calls
Harbin Institute of Technology
Harbin Institute of Technology
Operating System
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哈工大计算机科学与技术学院
进程 vs. 程序
程序: 代码 + 数据
是静态的
int c; int main() { printf(“hello”); }
进程是程序关于某数据集 stack 上的一次运行活动
Harbin Institute of Technology
Operating System
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哈工大计算机科学与技术学院
并发引出的问题
多个用户对资源的共享
单一的CPU,单一的DRAM,单一的I/O设如何分配 如何让用户(程序员)感觉到是独占机器
操作系统需要协调所有的活动
哈工大英才学院计算机组成原理 第2章PPT教学课件
2020/12/11
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2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 2 计算机体系结构、 计算机体系结构是指程序员所看到的机器 的属性，即机器的概念性结构和功能表 现。 这里，程序员主要是指汇编程序员。
2020/12/11
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由于“计算机体系结构”概念的提出，又派 生出两个新的重要概念
计算机组成和计算机实现
2020/12/11
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2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成
3.硬件
硬件指构成电子计算机的物理实体，如处理
器、存储器（内存）、输入/输出控制器（接口电
路）等芯片及其集成这些芯片的印制线路板——
主板，外设等。其中存储器包括：可以被处理器
直接访问的主存储器（简称主存或内存）和不可
2020/12/11
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2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
冯·诺依曼算机模型 的改进：（现代计算机） 以存储器为中心连接在一起
2020/12/11
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2 . 2 电子计算机的组成结构
2. 2. 1 电子计算机的基本组成 1.概述
从组成的角度看，电子计算机由控制单元、 运算单元、存储器、输入单元和输出单元组成。 在具体实现时，通常将控制单元和运算单元集成 在一起，构成处理单元（Processing Unit，PU）。 处理单元也称处理器（Processor）。
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2 . 1 冯·诺依曼计算机模型
冯·诺依曼计算机模型 的特点
1. 计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和 控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。
2. 存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元 组成，每个存储单元的位数是相等且固定的， 存储单元按地址访问。
哈工大操作系统课件11-20(全)
解： （2）mutex：用于互斥的信号量，初 值为1。 各进程代码如下：
进程A： ... P（mutex） 申请打印机 使用打印机
进程B： ... P（mutex） 申请打印机 使用打印机
V（mutex）
...
V（mutex）
...
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操作系统 第12讲
张英涛
哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学远程教育课程
程 放弃 处理机。
解答题
进程和程序的主要区 别是什么？
答：进程是动态的，程序是静态的；进程 具有并发性，而程序具有顺序性；进程具有 独立性，是资源分配和调度的基本单位，而
程序无此特性；进程和程序间没有一一对应
关系；进程异步运行，会相互制约，程序不 具备此特性。
有两个用户进程 A 和 B ，在运行过程中都
课 堂 练 习 1
操作系统是 控制和管理计算机系统内各
种硬件和软件资源、有效地 组织多道程序运行的系统软 件(或程序集合),是用户与计算
机之间的接口。
操作系统的基本职能是（
A. 控制和管理系统内各种资源， 有效地组织多道程序的运行 B.提供用户界面，方便用户使用 C.提供方便的可视化编辑程序 D.提供功能强大的网络管理工具
平均周期时间：
T=1/n[∑ Ti]
i=1
n
带权周转时间:
W=T/Ts T：作业的周期时间 Ts：系统为提供为它提 供服务的时间（真正 运行时间）。
在CPU上执行的 时间，比周转时 间短或相等（理 想情况下）
平均带权周转时间 ：
W=1/n[∑ Ti/Tsi ]
i=1
越小越好
n
例:有如下三道作业。系统为它们服务的顺序 是：1、2、3。求平均周转时间和平均 带权周转时间。
哈工大操作系统实验一
哈尔滨工业大学远程教育课程操作系统实验一（选做）主讲人：张英涛背景知识n计算机执行的任何程序都必须首先读入内存，CPU 通过内存来访问程序，而安装操作系统实际上是把存放在光盘上的操作系统执行代码存入硬盘的过程•从硬盘上加载程序到内存很方便•操作系统中的文件系统主要是靠硬盘提供物理支持n安装操作系统到硬盘，实际上有两方面的作用•在硬盘上建立文件系统•把操作系统的全部内容事先存放在硬盘上以备使用•当使用计算机时，从硬盘上加载操作系统到内存，然后将机器控制权转给操作系统内核来执行背景知识n在本实验中，通过Windows 2000 Professional 的安装，来了解Windows操作系统的安装及配置，包括安装前的准备工作、驱动程序的配置以及系统的设定等内容n Windows 2000一共有四个版本，即Professional、Server、Advanced Server和Datacenter Server，它们的差别在于功能以及支持CPU、RAM数量上的不同背景知识n由于用户计算机环境的不同，需要的安装方式和内容也会有所不同。
•升级安装：保存计算机的现有文件及设置，并将原Windows系统升级为Windows 2000 Professional•全新安装：有助于提升系统性能。
但不保存计算机中原有的文件及设置，机器中的所有应用程序都要重新安装•多重开机安装：使计算机拥有多种操作系统，每次开机时，可以选择所要启动的系统背景知识n多重开机安装•Windows 2000 Professional的多重开机安装支持下列操作系统：Windows NT 3.51/4.0、Windows 9x、Windows 3.x和MS-DOS•采用多重开机安装方式，首先需要进行硬盘分区，因为每个操作系统都要求安装在不同的分区•此外，还提高了对硬件的需求，因为安装多个操作系统的硬盘空间用量非常大•各个操作系统的安装次序也要注意，原则上次序是MS-DOS、Windows 3.x、Windows 9x优先安装，然后是Windows NT，再安装Windows 2000实验目的n通过对Windows 2000 Professional的安装操作，了解操作系统应用环境建立的初步过程n掌握对Windows操作系统的基本系统设置n了解Windows多操作系统安装的方法工具/准备工作n Windows 2000对系统的要求比较高•CPU：Pentium 166MHz以上•内存：32MB，建议64MB以上•磁盘空间(可用空间/总空间) ：650MB/2GB，建议1.5GB/4GB•CD-ROM或DVD-ROM光驱•网卡和调制解调器•VGA显卡及显示器、键盘、鼠标实验内容与步骤n本实验以光盘启动为例n可以利用Windows 2000 Professional光盘来直接开机启动，开机后自动执行安装程序n安装过程可分为两个阶段•文字模式阶段：选择用来安装Windows 2000的硬盘。
哈工大张英涛操作系统视频对应课件第28,29讲(全)
逻辑地址结构
外层页号 外层页内地址 页内地址
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基本分段存储管理方式
分段存储的引入 分段系统的基本原理 信息共享 段页式存储管理方式
分段存储的引入
1）方便编程 2）信息共享 3）信息保护 4）动态增长 5）动态链接
分段
在分段存储管理方式中， 作业的地址空间被划分为若 干个段，每个段定义一组逻 辑信息。
进程1
页表
主存 0
ed1 … ed40 data1 … data10
进程2
21 60 61 … 70
页表
ed1 … ed40 data1 … data10
21 … 60 71 … 80
… ed1 ed2 … ed40 data1 … data10 data1 .. data10
21 22 60 61 70 71 80
快表通常只存放16~512个页表项 大型作业只能将其一部分页表项 放入其中 从快表能找到所需页表项的命中 率可达90%。
例：
检索联想存储器的时间为20ns，访问 内存的时间为100 ns。如果能在联想 存储器中检索出页号，则CPU存取数 t1＝120 ns。 据总共需要 如果不能在联想存储器中找到该页号， t2＝220 ns 则总共需要 。再假定访问 联想存储器的命中率分别为o％，5o％， 80％，90％，98％，计算有效访问 时间.
快表引入原因
CPU存取一个数据时要两次访问内
存， 第一次是访问页表， 找到指定页的物理块号，再将块号 与页内偏移量W拼接形成物理地址。 第二次访问内存是从所得地址中获 得所需数据（或向此地址中写入数 据）。
为提高地址变换速度：
哈工大张英涛操作系统视频对应课件第56讲
I/O请求
释放
活动 阻塞
执行
挂起 调度
活动 就绪
激活
挂起
挂起 激活
静止 就绪
释 放
静止 阻塞
进程控制块
进程结构
PCB
进程控制块
程序段 数据段
Process Control Block
进程控制块
PCB是OS中最重要的记录型结构。 OS用PCB对并发进程进行管理和控制。 PCB是进程存在的唯一标志。 PCB常驻内存。 OS专门开辟PCB区将所有的PCB组
进程的创建
原语CREAT（）按下述步骤创建一个新进 程:
（1） 申请空白PCB。 （2） 为新进程分配资源。 （3） 初始化进程控制块。 （4） 将新进程插入就绪队列 。
PCB的初始化
①初始化标识信息。 ②初始化处理机状态信息。 ③初始化处理机控制信息。
引 正常结束 起 进 程 终 异常结束 止
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操作系统 第6讲
哈尔滨工业大学 张英涛
醒 原
入口
语
从等待队列中摘下被唤醒进程
置该进程为就绪 态
WAKEUP
进入就绪队列
完 成
转进程调度或返回
注意
BLOCK和WAKEUP是一队作用相反的原语。 如果在某进程中调用了阻塞原语，则必须
在与之相合作的另一进程中或其他相关的 进程中，安排唤醒原语，以能唤醒阻塞进 程；否则，被阻塞进程将会因不能被唤醒 而长久地处于阻塞状态，从而再无机会继 续运行。
一个地址。
PCB的组织方式
（1）链接方式 把统一状态的PCB，用其中的链接字链接成 一个队列。如：就绪队列、阻塞队列（根 据不同阻塞原因）、空白队列。 （2）索引方式 建立就绪索引表、阻塞索引表等。把索引表 在内存的首地址放在内存的专用单元中。
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页面调入过程
程序发出缺页中断，中断处理程序保留
cpu环境，转入缺页中断处理程序。 查页表．求该页的外存物理块号。 如果内存未满，则调入内存修改页表。 如果内存已满，则按照某种置换算 法．从内存中选出一页换出；如果此页 已被修改．则必须将它重新写回磁盘。 将缺页调入内存．并修改相应页表项， 将其存在位置为1，再将此页表项写入 快表中。
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最佳置换算法发生6次页面置换
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操作系统 第32讲
哈尔滨工业大学 张英涛
哈尔滨工业大学远程教育课程
操作系统
第 33讲
主讲人：张英涛
先进先出页面置换算法
淘汰最先进入内存的页面，即 选择在内存中驻留时间最久的 页面予以淘汰。 该算法实现简单
能保证进程正常运行所需的最少物 理块数。若系统为进程所分配的物 理块数少于此值时进程将无法运行。 最少物理块数与计算机的硬件结构 有关．取决于指令的格式、功能和 寻址方式。
物理块的分配策略
1）固定分配局部置换 2）可变分配全局置换 3）可变分配局部置换
固定分配局部置换
为每个进程分配一固定页数的内存空 间．在整个远行期间都不改变。 如果缺页．则只能从该进程的页面中选 出 一页换出，再调入一页。保证进程在运行期间页 数不改变 困难：应为每个进程分配多少个面的内 存难以确定，若太少会频繁地出现缺页 中断降低吞吐量；太多，又使内存中进 程数减少．进而可能造成CPU或其它资 源空闲，而且进程对换时会花费更多的 时间。
缺页中断机构
请求分页系统中每当所要访问的页面 不在内存时，便要产生缺页中断、请 求将所缺之页调人内存。 与一般中断的区别： （1）在指令执行期间产生和处理中断信 号。 （2）一条指令在执行期间，可能产生多 次缺页中断。
内存分配的三个问题
最小物理块数 物理块的分配策略 物理块的分配算法
最小物理块数
请求分段的硬件支持
（1）请求分段的段表机制。 （2）缺段中断机制。 （3）地址变换机制。
虚拟存储器特征
1．多次性 2．对换性 3．虚拟性
把一个进程用到的数据多次从外存中调入
把要用到的数据从外存中调入，没用到的数 据从内存中调出
请求分页存储管理方式
请求分页中的硬件支持
内存分配策略和分配算法
调页策略
先放到物理块中
根据最佳置换算法原理置换
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2），若其页 面不再内存，立即提出请求，os调入。
从何处调入页面
可分成三种情况： （1）有足够对换区空间。可全部从对换区 调入所需页面。因此进程运行前，便将与 该进程有关的文件，从文件区拷贝到对换 区。 （2）无足够对换区空间。不会被修改的文 件从文件区调入；会被修改的文件从对换 区调入。 （3）UNIX方式。未运行过的页面，从文 件区调入。运行过被换出的页面从对换区 调入。
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发生11次页面置换
最近最久未使用置换算法
页面置换算法
很重要
进程访问的页面不在内存而内存巳
无空闲空间时，系统必须从内存中 调出一页送磁盘的对换区中。 把选择换出页面的算法称为页面置 换算法 应将那些以后不再会访问的页面或 在较长时间内不会再访问的页面调 出。
抖动
要避免
刚被换出的页很快又被访问， 需重新调入，又需再选一页调 出，如此频繁地更换页面的现 象称为抖动． 抖动导致进程在运行中，把大 部分时间花费在页面置换上。
0A5C(H)： 0000 1010 0101 1100 2 查表得： 11 0010 11
拼接得： 0010 1110 0101 1100
2E5C(H)
请求分段系统
对 换
在分段系统的基础上，增加了请求调段 及分段置换功能后，所形成的段式虚拟 存储系统。 它允许只装人若干段(而非所有的段)的用 户程序和数据，即可启动运行。 再通过调段功能和段的置换功能，将暂 不运行的段调出，同时调入即将运行的 段，置换是以段为单位进行的。
根据页面调入内存后的使用情况进 行决策。 由于无法预测各页面将来的使用情 况，只能利用“最近的过去”作为 “最近的将来”的近似，选择最近 最久未使用的页面予以淘汰。
该算法赋予每个页面一个访问字 段，用来记录一个页面自上次被访 问以来所经历的时间T，当须淘汰 一个页面时，选择现有页面中其T 值最大的，即最近最久未使用的页 面予以淘汰。
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可变分配全局置换
先为每个进程分配一定数目的物理块。
os保持一个空闲物理块队列。 缺页时．系统从空闲物理块队列中，取 出一个物理块分配给该进程．并将欲调 入的缺页装入其中。 当空闲物理块队列空时从内存中选择一 页调出。 最易实现
可变分配局部置换
基于进程的类型或程序员的要求．为
每个进程分配一定数目的物理块。 缺页时从该进程的页面中选出一页换 出。 不明白 如果进程频繁地发生缺页中断，则再 为该进程分配附加的物理块。 若一个进程的缺页率特别低，则可适 当减少该进程的物理块．
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假定某进程有8个页面，系统为 分配了三个物理块．并考虑有以 下的页面号引用串：7，0，1，2， 0，3，0，4，2，3，0，3，2， 1，2，0，1，7，0，1使用最近 最久未使用算法发生几次页面置 换？
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最佳置换算法
选择被淘汰页是永不使用的、或者是 在最长时间内不再被访问的页面。 采用最佳置换算法可保证获得最低的 缺页率。但由于无法预知哪一个页面 是未来最长时间内不再被访问的，因 而该算法是无法实现的。理论值 可利用该算法去评价其它算法。
假定某进程有8个页面，系统为 分配了三个物理块．并考虑有以 下的页面号引用串：7，0，1，2， 0，3，0，4，2，3，0，3，2， 1，2，0，1，7，0，1使用最佳 置换算法发生几次页面置换？
假定某进程有8个页面，系统为 分配了三个物理块．并考虑有以 下的页面号引用串：7，0，1，2， 0，3，0，4，2，3，0，3，2， 1，2，0，1，7，0，1使用先进 先出页面置换算法发生几次页面置 换？
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