2-2009-系统机制 操作系统高级 教学课件
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高级操作系统课件
2019年7月19
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3
4.2分布式处理机分配算法
处理机分配的基本模型、假定和目标： 1）关于处理器：
l 假定所有的机器都是相同的，至少是代码兼容的， 不同的只是运行速度。
l 有些还假定系统具有多个互不相关的处理机池，每 一个处理机池都是相同的。
2019年7月19
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4
4.2分布式处理机分配算法
2019年7月19感谢你的观看324.2分布式处理机分配算法
l 不管是过载者启动的算法还是欠载者启动的算法，不 同的算法要采用不同的策略来决定谁收集信息、收集 时间多长以及如何处理收集的信息。
l 通常，所有的算法都假定每一台机器都知道它自己的 负载，也就是说，它可以判断自己是超载还是欠载， 并且能够告诉其它机器自己的负载。
务在同一个PE 上时的通信开销和在 不同PE 上时的通信开销。
2019年7月19
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48
4.2分布式处理机分配算法
任务划分的粒度： 一个给定任务划分的粒度定义是任务分解中影响
通信开销的所有单元的平均尺度。根据数据单元的大 小，算法可以分成。
l 细粒度：数据单元小
l 粗粒度：数据单元大
l 中粒度：介于上述两者之间
2019年7月19
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4.2分布式处理机分配算法
然而，Eager 等人在1986年所做的研究使追求低 复杂和最优的人们看到了希望。他们研究了三个算法。 在这三个算法中，所有的机器都测量自己的负载以判 断它是否超载。当一个新进程创建时，创建该进程的 机器就会检查自己是否超载，如果是，则它就寻找一 台欠载的远程机器去运行该进程。这三个算法的不同 之处在于寻找远程机器的方法。
《高级操作系统》课件
高级操作系统
本课程介绍高级操作系统的各个方面，包括操作系统的类型、组成和管理， 并探讨未来发展趋势和与云计算的关系。
什么是高级操作系统
高级操作系统是一种更复杂和功能更强大的操作系统，它具备更强的并发性、 更高的性能和更好的安全性等特性。
操作系统的发展历程
1
单任序。
2 内存保护
防止进程或线程越界访问其他进程或操作系统的内存。
3 内存回收
及时回收不再使用的内存，提供给其他进程使用。
文件系统
文件系统负责管理存储设备上的文件，提供文件的创建、读取、修改和删除 等操作。
2
多任务操作系统
出现了可以同时运行多个程序的操作系统。
3
分布式操作系统
支持多台计算机协同工作的操作系统。
操作系统的类型及区别
单用户操作系统
只能同时为一个用户提供服务。
多用户操作系统
可以同时为多个用户提供服务。
实时操作系统
能够及时响应对外部事件的请求。
操作系统的基本组成
操作系统由内核和外壳组成。内核负责管理硬件资源和提供基本的功能，外壳提供用户界面和应用程序接口。
进程管理
进程调度
进程通信
操作系统负责按照一定的策略和 算法，合理调度进程的执行顺序。
不同进程之间进行信息交换和共 享。
进程同步
保证多个进程之间的操作按照一 定的顺序进行。
线程管理
线程是进程的执行单元，操作系统负责管理线程的创建、调度和销毁，并提供线程间的通信和同步机制。
内存管理
1 内存分配
操作系统负责将内存分配给进程或线程，并管理内存的使用情况。
本课程介绍高级操作系统的各个方面，包括操作系统的类型、组成和管理， 并探讨未来发展趋势和与云计算的关系。
什么是高级操作系统
高级操作系统是一种更复杂和功能更强大的操作系统，它具备更强的并发性、 更高的性能和更好的安全性等特性。
操作系统的发展历程
1
单任序。
2 内存保护
防止进程或线程越界访问其他进程或操作系统的内存。
3 内存回收
及时回收不再使用的内存，提供给其他进程使用。
文件系统
文件系统负责管理存储设备上的文件，提供文件的创建、读取、修改和删除 等操作。
2
多任务操作系统
出现了可以同时运行多个程序的操作系统。
3
分布式操作系统
支持多台计算机协同工作的操作系统。
操作系统的类型及区别
单用户操作系统
只能同时为一个用户提供服务。
多用户操作系统
可以同时为多个用户提供服务。
实时操作系统
能够及时响应对外部事件的请求。
操作系统的基本组成
操作系统由内核和外壳组成。内核负责管理硬件资源和提供基本的功能，外壳提供用户界面和应用程序接口。
进程管理
进程调度
进程通信
操作系统负责按照一定的策略和 算法，合理调度进程的执行顺序。
不同进程之间进行信息交换和共 享。
进程同步
保证多个进程之间的操作按照一 定的顺序进行。
线程管理
线程是进程的执行单元，操作系统负责管理线程的创建、调度和销毁，并提供线程间的通信和同步机制。
内存管理
1 内存分配
操作系统负责将内存分配给进程或线程，并管理内存的使用情况。
《操作系统第二章》PPT课件
文件的逻辑结构与物理结构
文件的逻辑结构
从用户观点出发所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立 于文件的物理特性，又称为文件组织。
文件的物理结构
又称文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式。这不仅与存储介质的存储性能 有关，而且与所采用的外存分配方式有关。
文件的逻辑结构与物理结构之间的关系
实时操作系统
是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理， 其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出 快速响应，并控制所有实时任务协调一致地运行。
操作系统的分类与特点
网络操作系统
是基于计算机网络的，是在各种计算 机操作系统上按网络体系结构协议标 准开发的软件，包括网络管理、通信 、安全、资源共享和各种网络应用。
设备分配算法
常用的有先来先服务（FCFS）、优先级高者优先（HPF）等算法 ，根据实际需求选择合适的算法进行设备分配。
设备回收机制
在用户进程使用完设备后，及时回收设备资源，以便其他进程使用 。
设备驱动程序与中断处理
设备驱动程序
与硬件直接交互的软件模块，提供对 设备的控制和管理功能。驱动程序需 要处理设备的初始化、数据传输、错 误处理等问题。
构。
PCB中包含了进程标识符、处理 器状态信息、进程调度信息、进
程控制信息等。
操作系统通过PCB对进程实施管 理和控制，如进程的创建、撤销 、阻塞、唤醒等操作都需要修改
PCB中的信息。
进程调度算法
01
进程调度算法是操作系统用来确定处理器分配给哪个进程使 用的策略和方法。
02
常见的进程调度算法包括：先来先服务FCFS、短作业优先 SJF、优先级调度算法PSA、时间片轮转RR等。
操作系统二章课件ppt课件
文件目录管理
文件控制块（FCB）：为了能对一个 文件进行正确的存取，必须为文件设 置用于描述和控制文件的数据结构， 称之为“文件控制块（FCB）”。文 件管理程序可借助于文件控制块中的 信息对文件进行各种操作。
索引结点：在检索目录文件的过程中 ，只用到了文件名，仅当找到一个目 录项（查找文件名与目录项中文件名 匹配）时，才需要从该目录项中读出 该文件的物理地址。也就是说，在检 索目录时不需要用到其他那些对该文 件进行描述的信息，而只有在检索到 某一目录项时，系统才需要从该目录 项中读出该文件的物理地址和文件的 属性。
链接分配
这是按单个物理块逐个进行的。每个物理块中（一般是最后一个单元）设有一个指针，指 向其后续连接的下一个物理块的地址，从而使得存放同一文件的物理块链接成一个链表。
索引分配
这是另一种对文件存储不连续分配的方法。系统为每个文件建立一张索引表，索引表中的 每一表项指出文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号。
多处理器操作系统与并行计算
多处理器操作系统的基本 概念
并行计算的基本概念和技 术
多处理器操作系统的调度 和同步
并行算法的设计和实现
THANKS。
设备控制器向CPU发出中断请求
中断响应
CPU响应中断，保存现场，转入中断处理程序
中断处理与设备驱动程序
中断处理
处理中断事件，如读/写数据、状态处理等
中断返回
恢复现场，继续执行原程序
中断处理与设备驱动程序
设备驱动程序的功能
对设备控制器进行编程，实现I/O操作
设备驱动程序的层次结构
与设备无关的操作系统软件、设备驱动程序接口、设备驱动程序实现
微内核与宏内核的比较
微内核操作系统的优点 和缺点
5-2009-死锁 操作系统高级 教学课件
2020/9/17
死锁预防
破坏“请求和保持”条件 要求每个进程在运行前必须一次性申请 它所要求的所有资源，且仅当该进程 所要资源均可满足时才给予一次性分 配
问题：资源利用率低；”饥饿”现象
2020/9/17
死锁预防
破坏“循环等待”条件 采用资源有序分配法： 把系统中所有资源编号，进程在申请资 源时必须严格按资源编号的递增次序进 行，否则操作系统不予分配
2020/9/17
死锁预防
破坏“不可剥夺”条件
实施方案1：在允许进程动态申请资源前提下规 定，一个进程在申请新的资源不能立即得到满 足而变为等待状态之前，必须释放已占有的全 部资源，若需要再重新申请
实施方案2：当一个进程申请的资源被其他进程 占用时，可以通过操作系统抢占这一资源 （适用于状态易于保存和恢复的资源）
永久性资源：可以被多个进程多次使用（ 可再用资源）
* 可抢占资源与不可抢占资源
临时性资源：只可使用一次的资源；如信 号量,中断信号，同步信号等（可消耗性 资源）
2020/9/17
3. 产生死锁的四个必要条件
➢ 互斥使用（资源独占） 一个资源每次只能给一个进程使用
➢ 不可强占（不可剥夺） 资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源，资 源只能由占有者自愿释放
O
X
2020/9/17
A
M
用户甲
M
用户乙
X1为当前分配给用户甲的资源数量
O1 Y1为当前分配给用户乙的资源数量
B
无论用户甲还是用户乙
剩余资源总数
O2 都能满足用户对资源的
Y
需求
Y1
O
2020/9/17
X1 X
A
M
死锁预防
破坏“请求和保持”条件 要求每个进程在运行前必须一次性申请 它所要求的所有资源，且仅当该进程 所要资源均可满足时才给予一次性分 配
问题：资源利用率低；”饥饿”现象
2020/9/17
死锁预防
破坏“循环等待”条件 采用资源有序分配法： 把系统中所有资源编号，进程在申请资 源时必须严格按资源编号的递增次序进 行，否则操作系统不予分配
2020/9/17
死锁预防
破坏“不可剥夺”条件
实施方案1：在允许进程动态申请资源前提下规 定，一个进程在申请新的资源不能立即得到满 足而变为等待状态之前，必须释放已占有的全 部资源，若需要再重新申请
实施方案2：当一个进程申请的资源被其他进程 占用时，可以通过操作系统抢占这一资源 （适用于状态易于保存和恢复的资源）
永久性资源：可以被多个进程多次使用（ 可再用资源）
* 可抢占资源与不可抢占资源
临时性资源：只可使用一次的资源；如信 号量,中断信号，同步信号等（可消耗性 资源）
2020/9/17
3. 产生死锁的四个必要条件
➢ 互斥使用（资源独占） 一个资源每次只能给一个进程使用
➢ 不可强占（不可剥夺） 资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源，资 源只能由占有者自愿释放
O
X
2020/9/17
A
M
用户甲
M
用户乙
X1为当前分配给用户甲的资源数量
O1 Y1为当前分配给用户乙的资源数量
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无论用户甲还是用户乙
剩余资源总数
O2 都能满足用户对资源的
Y
需求
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O
2020/9/17
X1 X
A
M
《高级操作系统》课件
访问控制与权限管理
访问控制
访问控制是操作系统安全机制的核心，它通过控制用户对系统资源（如文件、网络资源等）的访问权限，防止未 授权的访问和数据泄露。
权限管理
权限管理是对用户和应用程序访问系统资源的权限进行管理的机制，通过设置不同的权限级别，确保只有经过授 权的用户和应用程序才能执行相应的操作。
数据加密与解密技术
《高级操作系统》 ppt课件
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
目录CONTENTS
• 操作系统概述 • 进程管理 • 内存管理 • 文件系统 • 设备管理 • 安全与保护机制
01
操作系统概述
操作系统的定义与功能
总结词
操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机硬件和应用程序的资源，提 供用户与计算机交互的界面。
进程的同步与通信
总结词
同步机制与通信方式
VS
详细描述
进程同步是协调并发进程的行为，保证它 们能够正确地共享资源。常见的同步机制 包括信号量、消息队列和条件变量等。进 程间通信（IPC）是实现进程间信息交换 和协同工作的手段，包括管道、消息传递 、共享内存和远程过程调用等方式。
进程的调度与死锁
总结词
标识
为每种设备分配唯一的标识符，以便在系统中进行识 别和管理。
设备的驱动程序与I/O控制方式
要点一
驱动程序
要点二
I/O控制方式
操作系统为每种设备提供相应的驱动程序，以实现设备的 控制和数据传输。
根据设备的特性和需求，选择合适的I/O控制方式，如轮询 、中断、DMA等。
设备的分配与回收
分配
根据用户需求和系统资源情况，合理分配设备资源， 确保用户请求得到及时响应和处理。
教学课件 计算机操作系统原理(第2版)-王万森
操作系统 计算机硬件（裸机）
1.1.2 操作系统的资源管理观点
在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起 来可将资源分为四类：处理器、存储器、 I/O设备以及信息（数据和程 序）。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即： 处理机管理， 用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分 配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文 件的存取、共享和保护。可见，OS确是计算机系统资源的管理者。
2. 网络操作系统
网络操作系统是配置在计算机网络系统上操作系统。 网络操作系统是使网络上各计算机能方便而有效地共享 网络资源，并为网络用户提供所需的各种服务的软件和 有关规程的集合。
网络操作系统应具有通用操作系统所具有的处理及 管理、存储管理、设备管理和文件管理外，还应具有高 效可靠的网络通信能力和各种有效的网络服务。
(1) 及时接收。 (2) 及时处理。
3. 分时系统的特征
(1) 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。
1.3.3 实时系统
所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能 及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控 制所有实时任务协调一致地运行。
在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发 执行的方法，来分时使用一台处理机的。此时， 虽然只有一台处理机， 但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个CPU在专 门为他服务。亦即， 利用多道程序设计技术，把一台物理上的CPU虚拟 为多台逻辑上的CPU，也称为虚拟处理机，我们把用户所感觉到的CPU 称为虚拟处理器。
操作系统课件第二章
4．设备管理系统调用
申请设备、释放设备、设备I/O和重定向、获得和设置 设备属性、逻辑上连接和释放设备。 申请内存和释放内存；虚拟存储器的管理。
建立和断开通信连接、发送和接收消息、传送状态信 息、联接和断开远程设备。
5．内存管理系统调用
6．信息维护系统调用
2.3.2 系统调用的实现
在操作系统中，实现系统调用功能的机制
作系统的必要部分装入内存并使系统运行， 最终使系统处于命令接收状态 。 系统引导分为3个阶段。
①初始引导：把系统核心装入内存中的指定位 置，并在指定地址启动。 ②核心初始化：执行系统核心的初启子程序， 初始化系统核心数据。 ③系统初始化：为用户使用系统做准备。
（1）初始引导
初始引导也叫自举。自举的含义是操作系
（3）删除子目录命令
（4）显示目录结构命令
（5）改变当前目录命令
5．其他命令 （1）输入/输出重定向命令
如果在命令中设置输出重定向“＞”符，其后接文件 名或设备名，表示将命令的输出改向，送到指定文件 或设备上。 类似地，若在命令中设置输入重定向“＜”符，则不 再是从键盘而是从重定向符左边参数所指定的文件或 设备上，取得输入信息。
图2-1 作业处理的4个步骤
①
编辑（修改）：建立一个新文件，或对 已有的文件中的错误进行修改。 ② 编译：将源程序翻译成目标代码。完成 这一步工作需要有相应语言的编译器。 ③ 连接：将主程序和其他所需要的子程序 和例行程序连接装配在一起，使之成为一 个可执行的、完整的内存映像文件。 ④ 运行：将内存映像文件调入内存，并启 动运行，最后得出计算结果。
计算机体系结构第2版课件第4章 第5讲
第一种商用LIW机器是AP-120B，由Floating Point Systems开发
FPS-164是较新的机器，它的每个指令字含有 对应于10个不同功能单元的10条指令
VLIW基本机构
VLIW采用多个独立的功能单元，多个不同 的操作封装在一条长指令字中，每个功能单 元在VLIW指令中都有一定的对应区域
在超标量流水线上对上述代码进行调度，以 获取更多地指令机并行度
Loop:
整数指令
LD LD LD LD LD SD SD SD SD SUBI BNEZ SD
F0(R1) F6,-8(R1) F10,-16(R1) F14,-24(R1) F18,-32(R1) 0(R1),F4 -8(R1),F8 -16(R1),F12 -24(R1),F16 R1,R1,#40 R1,Loop -32(R1),F20
Mem Ref2 L.D F6,-8(R1)
FP1
ADD.D F4,F0,F2 ADD.D F12,F10,F2
FP2 ADD.D F8,F6,F2
S.D F4,24(R1) S.D F12,8(R1)
S.D F8,16(R1)
Int/branch
DADDUI R1,R1,#-24 BNE R1,R2,Loop
一般每个功能单元占用16-24位 例如：2个整数、2个浮点、2个访存、1个分支
，则该指令的长度为112-168位
VLIW硬件只是简单地将指令字中对应的部 分送给各个功能单元，功能单元在哪一个时 钟周期执行什么操作由编译器来确定
如果某个功能单元在某个周期没有任务，则执行 NOP指令
VLIW例子
Int/branch DADDUI R1,R1,#-80 BNE R1,R2,Loop
FPS-164是较新的机器，它的每个指令字含有 对应于10个不同功能单元的10条指令
VLIW基本机构
VLIW采用多个独立的功能单元，多个不同 的操作封装在一条长指令字中，每个功能单 元在VLIW指令中都有一定的对应区域
在超标量流水线上对上述代码进行调度，以 获取更多地指令机并行度
Loop:
整数指令
LD LD LD LD LD SD SD SD SD SUBI BNEZ SD
F0(R1) F6,-8(R1) F10,-16(R1) F14,-24(R1) F18,-32(R1) 0(R1),F4 -8(R1),F8 -16(R1),F12 -24(R1),F16 R1,R1,#40 R1,Loop -32(R1),F20
Mem Ref2 L.D F6,-8(R1)
FP1
ADD.D F4,F0,F2 ADD.D F12,F10,F2
FP2 ADD.D F8,F6,F2
S.D F4,24(R1) S.D F12,8(R1)
S.D F8,16(R1)
Int/branch
DADDUI R1,R1,#-24 BNE R1,R2,Loop
一般每个功能单元占用16-24位 例如：2个整数、2个浮点、2个访存、1个分支
，则该指令的长度为112-168位
VLIW硬件只是简单地将指令字中对应的部 分送给各个功能单元，功能单元在哪一个时 钟周期执行什么操作由编译器来确定
如果某个功能单元在某个周期没有任务，则执行 NOP指令
VLIW例子
Int/branch DADDUI R1,R1,#-80 BNE R1,R2,Loop
计算机体系结构第2版课件第4章 第1讲
每遍循环时间下降为14个时钟节拍
每个元素平均使用3.5个时钟节拍
比较
循环展开，没有指令调度
每个元素7拍
没有循环展开，有指令调度
每个元素6拍
循环展开总结
对指令进行移动是有效的 展开是有用的 用不同的寄存器
换名 更多的寄存器
消除额外的测试开销 在循环展开时分析LOAD/STORE指令进行
有14个指令流出节拍
每遍循环7个时钟节拍 共计使用9个寄存器
循环展开+指令调度
1. Loop: 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
L.D L.D L.D L.D ADD.D ADD.D ADD.D ADD.D S.D S.D DADDUI S.D BNE S.D
节拍有效比率50% 1拍空转 (占17%) 2拍循环控制 (占33%)
如何进一步减少空转和循环控制占用的比率?
循环展开
如果将循环展开3次得到4个循环体(假设向量 包含了4的倍数的元素)
Loop:
L.D F0,0(R1) ADD.D F4,F0,F2 S.D 0(R1),F4 L.D F6,-8(R1) ADD.D F8,F6,F2 S.D -8(R1), F8 L.D F10,-16(R1) ADD.D F12,F10,F2 S.D -16(R1), F12 L.D F14,-24(R1) ADD.D F16,F14,F2 S.D -24(R1), F16 DADDUI R1,R1,#-32 BNE R1,R2,Loop
R1,R2,Loop
调度后 F0,0(R1) R1,R1,#-8 F4,F0,F2
R1,R2,Loop 8(R1),F4
如何进行调度
每个元素平均使用3.5个时钟节拍
比较
循环展开，没有指令调度
每个元素7拍
没有循环展开，有指令调度
每个元素6拍
循环展开总结
对指令进行移动是有效的 展开是有用的 用不同的寄存器
换名 更多的寄存器
消除额外的测试开销 在循环展开时分析LOAD/STORE指令进行
有14个指令流出节拍
每遍循环7个时钟节拍 共计使用9个寄存器
循环展开+指令调度
1. Loop: 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
L.D L.D L.D L.D ADD.D ADD.D ADD.D ADD.D S.D S.D DADDUI S.D BNE S.D
节拍有效比率50% 1拍空转 (占17%) 2拍循环控制 (占33%)
如何进一步减少空转和循环控制占用的比率?
循环展开
如果将循环展开3次得到4个循环体(假设向量 包含了4的倍数的元素)
Loop:
L.D F0,0(R1) ADD.D F4,F0,F2 S.D 0(R1),F4 L.D F6,-8(R1) ADD.D F8,F6,F2 S.D -8(R1), F8 L.D F10,-16(R1) ADD.D F12,F10,F2 S.D -16(R1), F12 L.D F14,-24(R1) ADD.D F16,F14,F2 S.D -24(R1), F16 DADDUI R1,R1,#-32 BNE R1,R2,Loop
R1,R2,Loop
调度后 F0,0(R1) R1,R1,#-8 F4,F0,F2
R1,R2,Loop 8(R1),F4
如何进行调度
操作系统第2章ppt课件
6
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
进
程
管
理
2.1.3 程序的并发执行及其特征
1. 程序的并发执行
程序并发执行可分为两种：
• 多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道程序的并发 执行
由于资源有限，多道程序的并发执行总是伴随着资源的共享与 竞争，制约了各道程序的执行速度。
14
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
进
程
管
理
例：若有两条语句c:＝a－b和w:＝c＋1，判断它们是否 可以并发执行？
解：它们的“读集”和“写集”分别为
R（c:＝a－b）＝{a，b}；R（w:＝c＋1）＝{c} W（c:＝a－b）＝{c} ； W（w:＝c＋1）＝{w} R（c:＝a－b）∩W（w:＝c＋1）={Φ} R（w:＝c＋1）∩W（c:＝a－b）={c} 所以：两条语句不能并发执行。
图 2-2 前趋图
5
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
进
程
管
理
注意，前趋图中必须不存在循环。
如在图2-2(b)中的前趋关系：
S2→S3, S3→S2
图 2-2 前趋图
显然这种前驱关系是不可能满足的，S3的执行要依赖于S2的 执行结果，S2的执行结果又要依赖于S3的执行结果，这种程 序是不可能执行下去的。
4
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
操作系统第2章PPT课件(2024)
02
控制I/O操作
03
提高设备利用率
04
方便用户使用
25
I/O控制方式
优点
实现简单
缺点
CPU利用率低，无法处理并发I/O请求
2024/1/28
26
I/O控制方式
2024/1/28
优点
提高了CPU利用率，可处理并发I/O 请求
缺点
每次数据传送仍需CPU介入，中断次 数多
27
I/O控制方式
优点
数据传输基本不需CPU介入，适用于块设备数据传
二级目录结构
在主目录下创建子目录， 将文件分类存放在不同的 子目录中。
多级目录结构
在二级目录结构的基础上 ，允许子目录嵌套，形成 多级目录结构。
19
文件存储空间管理
连续分配方式
为每个文件分配一块连续的存储空间 ，适用于固定大小的文件。
索引分配方式
为每个文件分配一个索引表，索引表 中记录文件所占用的各个磁盘块的地 址。
线性方式、链接方式、索引方式。
PCB的作用
作为独立运行基本单位的标志、能实现间断性运行方式、提供进程管理所需要 的信息、提供进程调度所依赖的信息、实现与其他进程的同步与通信。
2024/1/28
10
进程调度算法
先来先服务（FCFS）算法
按照进程到达的先后顺序进行调度。
短作业优先（SJF）算法
根据进程的运行时间长短进行调度，运行 时间短的优先调度。
功能
提供计算机运行的基本环境，管 理计算机资源，提供用户与计算 机之间的接口。
4
操作系统的历史与发展
第二代
批处理系统，实现内存管理、 外设管理、文件管理等。
第四代
5-2009-死锁 操作系统高级 教学课件
问题：？
（解决哲学家就餐问题）
2.死锁避免
M
用户乙
O1 B
Y2
O2 Y Y1
O
X1 X
X2
O3
A
M
用户甲
死锁避免
M
用户乙
O1 B
Y
O
X
A为用户甲总资源需求量
Y = M –A 一旦乙占用超过Y的资源， 甲将得不到足够的资源执行
乙的B和对应的X O2 与甲的A和对应的Y
意义和关系相似
A
M
用户甲
M
用户乙
P1： …
申请打印机 申请扫描仪
使用 释放打印机 释放扫描仪
…
P2： …
申请扫描仪 申请打印机
使用 释放打印机 释放扫描仪
…
产生死锁的例子
2.申请同类资源产生死锁（如内存）
设有资源R，R有m个分配单位，由n个进程 P1,P2,…,Pn（n > m）共享。假设每个进程对 R的申请和释放符合下列原则： * 一次只能申请一个单位 * 满足总申请后才能使用 * 使用完后一次性释放
(4) 若对所有i,Finish[i]=true,则系统 处于安全状态，否则处于不安全状 态
银行家算法
目前占有量 最大需求量 尚需要量
P1
1
P2
4
4
3
6
2Leabharlann P35系统剩余量
8
3
2
3.死锁的检测与解除
死锁检测： 允许死锁发生，操作系统不断监视系 统进展情况，判断死锁是否发生 一旦死锁发生则采取专门的措施，解 除死锁并以最小的代价恢复操作系统 运行
m=2，n=3
二、死锁的解决方案
• 不考虑此问题（鸵鸟政策） • 不让死锁发生
（解决哲学家就餐问题）
2.死锁避免
M
用户乙
O1 B
Y2
O2 Y Y1
O
X1 X
X2
O3
A
M
用户甲
死锁避免
M
用户乙
O1 B
Y
O
X
A为用户甲总资源需求量
Y = M –A 一旦乙占用超过Y的资源， 甲将得不到足够的资源执行
乙的B和对应的X O2 与甲的A和对应的Y
意义和关系相似
A
M
用户甲
M
用户乙
P1： …
申请打印机 申请扫描仪
使用 释放打印机 释放扫描仪
…
P2： …
申请扫描仪 申请打印机
使用 释放打印机 释放扫描仪
…
产生死锁的例子
2.申请同类资源产生死锁（如内存）
设有资源R，R有m个分配单位，由n个进程 P1,P2,…,Pn（n > m）共享。假设每个进程对 R的申请和释放符合下列原则： * 一次只能申请一个单位 * 满足总申请后才能使用 * 使用完后一次性释放
(4) 若对所有i,Finish[i]=true,则系统 处于安全状态，否则处于不安全状 态
银行家算法
目前占有量 最大需求量 尚需要量
P1
1
P2
4
4
3
6
2Leabharlann P35系统剩余量
8
3
2
3.死锁的检测与解除
死锁检测： 允许死锁发生，操作系统不断监视系 统进展情况，判断死锁是否发生 一旦死锁发生则采取专门的措施，解 除死锁并以最小的代价恢复操作系统 运行
m=2，n=3
二、死锁的解决方案
• 不考虑此问题（鸵鸟政策） • 不让死锁发生
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• 条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位 如算术运算产生的溢出、符号等等
2020/6/17
控制和状态寄存器
• 用于控制处理器的操作 • 大部分对于用户是不可见的 • 一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问
常见的控制和状态寄存器: • 程序计数器（PC：Program Counter），记录将要取出的
在下一条指令执行后引起自陷中断
2020/6/17
例:微处理器Pentium的FLAGS和描述 符
CF： 进位标志位 ZF： 结果为零标志位 SF： 符号标志位 OF： 溢出标志位
标准条件位： TF：陷阱标志位 IF：中断允许（中断屏蔽）标志位 VIF：虚拟中断标志位 VIP：虚拟中断待决标志位 IOPL：IO特权级别
是由“中断驱动”或者 “（中断）事件驱动”
• 及时处理设备的中断请求 • 它使得OS可以捕获用户程序发出的系统功能调用 • 防止用户程序中破坏性的活动 等等
2020/6/17
1.中断的概念
• CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应
• CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转 去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回 断点，继续执行被打断的程序
分为特权指令和非特权指令 • 特权指令一般引起处理器状态的切换
– 处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状 态（管态）
– 然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为 陷入
• CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用 软件？有赖于处理器状态的标识
2020/6/17
操作系统高级
Operating Systems Advanced Class
北京大学软件与微电子学院 2009春季
2020/6/17
1.CPU的构成与基本工作方式
处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以及 高速缓存构成
• 运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算 机计算的核心
• 控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令 、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等
• 条件码——反映指令执行后的结果特征 • 中断屏蔽码——指出是否允许中断
2020/6/17
例:微处理器M68000的程序状态
字
1 1 11 11 9876543210
543210
TS
I2 I1 I0
XNZVC
条件位： C： 进位标志位 Z： 结果为零标志位
V： 溢出标志位 N： 结果为负标志位
I0 – I2：三位中断屏蔽位 S：CPU状态标志位，为1处于管态，为0处于目态 T：陷阱（Trap）中断指示位为1，
3.处理器的状态
根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将 处理器设置为不同状态——程序状态字PSW
多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态
管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权 级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态
目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别， 又称为普通态（普态）、用户态
现有基于x86处理器的操作系统大都只用了R0和 R3两个特权级别(UNIX、Linux以及Windows系 列)
2020/6/17
4.程序状态字PSW (Program Status Word )
在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令 的权限而设置CPU状态
• CPU的工作状态码——指明管态还是目态，用来 说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用 户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其 他的特殊权力
用户可见寄存器
机器语言直接引用 包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器
• 数据寄存器（data register）又称通用寄存器 主要用于各种算术逻辑指令和访存指令
• 地址寄存器（address register）用于存储数据及 指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于 某 种 特 定 方 式 的 寻 址 。 如 index register 、 segment pointer、stack pointer
2020/6/17
CPU状态的转换
目态→管态 唯一途径 是 中断（广义）
管态→目态 设置PSW(修改程序状态字) 可实 现
一条特殊的指令：访管指令 供用户调用操作系统的功能（服务）
INT，TRAP，SYSCALL
2020/6/17
二、中断技术
中断对于操作系统的重要性 就像机器中的驱动齿轮一样
→→可以认为操作系统
具体处理器将CPU状态划分为两种、三种或四种
2020/6/17
实例：x86系列处理器
• 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别 特权环：R0、R1、R2和R3
• 从R0到R3特权能力依次降低：R0相当于双状态系统的 管态，R3相当于目态
四个级别运行不同类别的程序： • R0-运行操作系统核心代码 • R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程 • R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境 • R3-运行各种用户程序
事件： 异步/同步事件
2020/6/17
特点： 1) 中断是随机发生的 2) 中断是可恢复的 3) 中断是自动处理的
中断的概念（2/3）——中断与异常
中断的引入：为了开发CPU和通道(或设备)之间的并行 操作，当CPU启动通道(或设备)进行输入/输出后，通 道 (或设备)便可以独立工作，CPU转去处理与此次输 入/输出不相关的事情。当通道(或设备)完成输入/输 出后，通过向CPU发中断告诉CPU此次输入/输出结束， 使CPU继续处理输入/输出以后的事情
指令的地址 • 指令寄存器（IR：Instruction Register），包含最近取出的
指令 • 程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器
的运行模式信息等等
2020/6/17
2.特权指令和非特权指令
特权指令：只能由操作系统使用的指令 • 使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区
2020/6/17
处理器中的寄存器
• 寄存器提供了一定的存储能力 • 速度比主存快得ห้องสมุดไป่ตู้ • 造价高，容量一般都很小
两类寄存器： • 用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分
配并使用之，以减少程序访问内存次数 • 控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作
由OS的特权代码使用, 以控制其他程序的执行
2020/6/17
2020/6/17
控制和状态寄存器
• 用于控制处理器的操作 • 大部分对于用户是不可见的 • 一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问
常见的控制和状态寄存器: • 程序计数器（PC：Program Counter），记录将要取出的
在下一条指令执行后引起自陷中断
2020/6/17
例:微处理器Pentium的FLAGS和描述 符
CF： 进位标志位 ZF： 结果为零标志位 SF： 符号标志位 OF： 溢出标志位
标准条件位： TF：陷阱标志位 IF：中断允许（中断屏蔽）标志位 VIF：虚拟中断标志位 VIP：虚拟中断待决标志位 IOPL：IO特权级别
是由“中断驱动”或者 “（中断）事件驱动”
• 及时处理设备的中断请求 • 它使得OS可以捕获用户程序发出的系统功能调用 • 防止用户程序中破坏性的活动 等等
2020/6/17
1.中断的概念
• CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应
• CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转 去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回 断点，继续执行被打断的程序
分为特权指令和非特权指令 • 特权指令一般引起处理器状态的切换
– 处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状 态（管态）
– 然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为 陷入
• CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用 软件？有赖于处理器状态的标识
2020/6/17
操作系统高级
Operating Systems Advanced Class
北京大学软件与微电子学院 2009春季
2020/6/17
1.CPU的构成与基本工作方式
处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以及 高速缓存构成
• 运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算 机计算的核心
• 控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令 、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等
• 条件码——反映指令执行后的结果特征 • 中断屏蔽码——指出是否允许中断
2020/6/17
例:微处理器M68000的程序状态
字
1 1 11 11 9876543210
543210
TS
I2 I1 I0
XNZVC
条件位： C： 进位标志位 Z： 结果为零标志位
V： 溢出标志位 N： 结果为负标志位
I0 – I2：三位中断屏蔽位 S：CPU状态标志位，为1处于管态，为0处于目态 T：陷阱（Trap）中断指示位为1，
3.处理器的状态
根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将 处理器设置为不同状态——程序状态字PSW
多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态
管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权 级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态
目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别， 又称为普通态（普态）、用户态
现有基于x86处理器的操作系统大都只用了R0和 R3两个特权级别(UNIX、Linux以及Windows系 列)
2020/6/17
4.程序状态字PSW (Program Status Word )
在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令 的权限而设置CPU状态
• CPU的工作状态码——指明管态还是目态，用来 说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用 户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其 他的特殊权力
用户可见寄存器
机器语言直接引用 包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器
• 数据寄存器（data register）又称通用寄存器 主要用于各种算术逻辑指令和访存指令
• 地址寄存器（address register）用于存储数据及 指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于 某 种 特 定 方 式 的 寻 址 。 如 index register 、 segment pointer、stack pointer
2020/6/17
CPU状态的转换
目态→管态 唯一途径 是 中断（广义）
管态→目态 设置PSW(修改程序状态字) 可实 现
一条特殊的指令：访管指令 供用户调用操作系统的功能（服务）
INT，TRAP，SYSCALL
2020/6/17
二、中断技术
中断对于操作系统的重要性 就像机器中的驱动齿轮一样
→→可以认为操作系统
具体处理器将CPU状态划分为两种、三种或四种
2020/6/17
实例：x86系列处理器
• 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别 特权环：R0、R1、R2和R3
• 从R0到R3特权能力依次降低：R0相当于双状态系统的 管态，R3相当于目态
四个级别运行不同类别的程序： • R0-运行操作系统核心代码 • R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程 • R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境 • R3-运行各种用户程序
事件： 异步/同步事件
2020/6/17
特点： 1) 中断是随机发生的 2) 中断是可恢复的 3) 中断是自动处理的
中断的概念（2/3）——中断与异常
中断的引入：为了开发CPU和通道(或设备)之间的并行 操作，当CPU启动通道(或设备)进行输入/输出后，通 道 (或设备)便可以独立工作，CPU转去处理与此次输 入/输出不相关的事情。当通道(或设备)完成输入/输 出后，通过向CPU发中断告诉CPU此次输入/输出结束， 使CPU继续处理输入/输出以后的事情
指令的地址 • 指令寄存器（IR：Instruction Register），包含最近取出的
指令 • 程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器
的运行模式信息等等
2020/6/17
2.特权指令和非特权指令
特权指令：只能由操作系统使用的指令 • 使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区
2020/6/17
处理器中的寄存器
• 寄存器提供了一定的存储能力 • 速度比主存快得ห้องสมุดไป่ตู้ • 造价高，容量一般都很小
两类寄存器： • 用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分
配并使用之，以减少程序访问内存次数 • 控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作
由OS的特权代码使用, 以控制其他程序的执行
2020/6/17