操作系统课件第四版第八章
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计算机操作系统教程(第四版)PPT课件：第9章 设备管理
–当输入完成时，I/O控制器通过中断请求线向CPU发出中断信号。 CPU在接收到中断信号之后，转向预先设计好的中断处理程序对数据
传送工作进行相应的处理。
–在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求并得到了数据的进程 ，该进程从约定的内存特定单元中取出数据继续工作。
中断控制方式的处理过程可由图9.4表示。
–其次，现代计算机系统通常配置有各种各样的外围设备。如果这些设 备通过中断处理方式进行并行操作，则由于中断次数的急剧增加而造
成CPU无法响应中断和出现数据丢失现象。
–再次，在中断控制方式时，我们都是假定外围设备的速度非常低，而 CPU处理速度非常高。也就是说，当设备把数据放入数据缓冲寄存器 并发出中断信号之后，CPU有足够的时间在下一个(组)数据进入数据缓 冲寄存器之前取走这些数据。如果外围设备的速度也非常高，则可能 造成数据缓冲寄存器的数据由于CPU来不及取走而丢失。DMA方式和
当用户进程需要数据时，它通过CPU发出启动设备准备数据的启动命令 “Start”，然后，用户进程进入测试等待状态。在等待时间内，CPU不断 地用一条测试指令检查描述外围设备的工作状态的控制状态寄存器。而外
围设备只有将数据传送的准备工作作好之后，才将该寄存器置为完成状态。 从而，当CPU检测到控制状态寄存器为完成状态，也就是该寄存器发出 “Done”信号之后，设备开始往内存或CPU传送数据。反之，当用户进程 需要向设备输出数据时，也必须同样发启动命令启动设备和等待设备准备 好之后才能输出数据。除了控制状态寄存器之外，在I/O控制器中还有一
图9.4 中断控制方式的处理过程
由图9.4可以看出，当CPU发出启动设备和允许中断指令之后， 它没有像程序直接控制方式那样循环测试状态控制寄存器的 状态是否已处于“Done”。反之，CPU已被调度程序分配给其 他进程在另外的进程上下文中执行。当设备将数据送入缓冲 寄存器并发出中断信号之后，CPU接收中断信号进行中断处 理。显然，CPU在另外的进程上下文中执行时，也可以发启 动不同设备的启动指令和允许中断指令，从而做到设备与设
传送工作进行相应的处理。
–在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求并得到了数据的进程 ，该进程从约定的内存特定单元中取出数据继续工作。
中断控制方式的处理过程可由图9.4表示。
–其次，现代计算机系统通常配置有各种各样的外围设备。如果这些设 备通过中断处理方式进行并行操作，则由于中断次数的急剧增加而造
成CPU无法响应中断和出现数据丢失现象。
–再次，在中断控制方式时，我们都是假定外围设备的速度非常低，而 CPU处理速度非常高。也就是说，当设备把数据放入数据缓冲寄存器 并发出中断信号之后，CPU有足够的时间在下一个(组)数据进入数据缓 冲寄存器之前取走这些数据。如果外围设备的速度也非常高，则可能 造成数据缓冲寄存器的数据由于CPU来不及取走而丢失。DMA方式和
当用户进程需要数据时，它通过CPU发出启动设备准备数据的启动命令 “Start”，然后，用户进程进入测试等待状态。在等待时间内，CPU不断 地用一条测试指令检查描述外围设备的工作状态的控制状态寄存器。而外
围设备只有将数据传送的准备工作作好之后，才将该寄存器置为完成状态。 从而，当CPU检测到控制状态寄存器为完成状态，也就是该寄存器发出 “Done”信号之后，设备开始往内存或CPU传送数据。反之，当用户进程 需要向设备输出数据时，也必须同样发启动命令启动设备和等待设备准备 好之后才能输出数据。除了控制状态寄存器之外，在I/O控制器中还有一
图9.4 中断控制方式的处理过程
由图9.4可以看出，当CPU发出启动设备和允许中断指令之后， 它没有像程序直接控制方式那样循环测试状态控制寄存器的 状态是否已处于“Done”。反之，CPU已被调度程序分配给其 他进程在另外的进程上下文中执行。当设备将数据送入缓冲 寄存器并发出中断信号之后，CPU接收中断信号进行中断处 理。显然，CPU在另外的进程上下文中执行时，也可以发启 动不同设备的启动指令和允许中断指令，从而做到设备与设
汤小丹计算机操作系统官方通用课件第四版计算机操作系统 通用课件
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避免死锁、检测并恢复 死锁、预防死锁。
按顺序申请资源、请求 和持有、预先分配、静 态重分配。
检测死锁、停止进程、 撤销进程、恢复进程。
避免“请求和持有”、 避免“不剥夺”。
03
内存管理
内存的基本概念
内存
01
计算机中重要的硬件资源之一，用于存储运行中的程
序和数据。
内存种类
02 RAM、ROM、Cache等。
设备管理主要是对计算机设备进行管理，包括设备的分配、使 用、维护等。
02
进程管理
进程的基本概念
1 2
进程
程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系 统进行资源分配和调度的基本单位。
进程的特征
独立性、并发性、异步性、结构特征。
3
进程的状态
就绪状态、等待状态、运行状态、结束状态。
进程的创建和终止
进程的创建
内存共享
02
03
内存锁定
多个程序可以共享一些公共的内 存区域，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实现数据交换和协作 。
一些关键数据和代码可以被锁定 在内存中，防止被其他程序修改 或破坏。
04
文件系统
文件的基本概念
文件
文件是计算机中存储信息的单位，由数据项、 数据格式和数据结构组成。
文件类型
根据使用需求和存储内容，文件可分为文本文 件、二进制文件、图像文件等。
01
02
03
虚拟内存
通过将内存分为多个逻辑 分区，实现了一种类似于 硬盘的内存管理方式。
页面置换算法
当内存空间不足时，操作 系统会将一些不常用的页 面置换到硬盘上，以释放 内存空间。
页面调度
《操作系统教程(第四版)》课后习题答案
答；设每个进程等待I/O的百分比为P,则n个进程同时等待I/O的概率是P",当n个 进程同时等待I/O期间CPU是空闲的，故CPU的利用率为1J11・由题意可知，除 去操作系统,内存还能容纳4个用户进程，由于每个用户进程等待I/O的时间为80%,故：
CPU利用率=1-(80%)4=0.59
若再增加1MB内存，系统中可同时运行9个用户进程，此时：
时间0303132 7172 939495 105106 124125127129 139 168169 189单位1ms
4在单CPU和两台1/0(11,12)设备的多道程序设计环境下，同时投入三个作业运行•它 们的执行轨迹如下：
Jobl：I2(30ms)、CPU(lOms)、Il(30ms)、CPU(lOms)、I2(20ms)
CPU利用率=1-(80%)9=0.87
故增加1MB内存使CPU的利用率提高了47%；
87%-r59%= 147%
147%-100%=47%
2一个计算机系统，有一台输入机和一台打印机，现有两道程序投入运行，且程序A先开始做，程序B后开始运行.程序A的运行轨迹为：计算50ms、打印100ms、再计算50ms、打印100ms,结束。程序B的运行轨迹为：计算50ms、输入80ms、再计算100ms,结束.试说明⑴两道程序运行时，CPU有无空闲等待？若有，在哪 段时间内等待？为什么会等待？(2)程序A、B有无等待CPU的情况？若有，指出发 生等待的时刻。
I/O j、1121I121||32j
CPC i C111C21 | Clb C21；C31；~C33l
抢占式共用去190ms,单道完成需耍260ms＞节省70ms・
非抢占式共用去180ms,单道完成需要260ms,节省80ms•
CPU利用率=1-(80%)4=0.59
若再增加1MB内存，系统中可同时运行9个用户进程，此时：
时间0303132 7172 939495 105106 124125127129 139 168169 189单位1ms
4在单CPU和两台1/0(11,12)设备的多道程序设计环境下，同时投入三个作业运行•它 们的执行轨迹如下：
Jobl：I2(30ms)、CPU(lOms)、Il(30ms)、CPU(lOms)、I2(20ms)
CPU利用率=1-(80%)9=0.87
故增加1MB内存使CPU的利用率提高了47%；
87%-r59%= 147%
147%-100%=47%
2一个计算机系统，有一台输入机和一台打印机，现有两道程序投入运行，且程序A先开始做，程序B后开始运行.程序A的运行轨迹为：计算50ms、打印100ms、再计算50ms、打印100ms,结束。程序B的运行轨迹为：计算50ms、输入80ms、再计算100ms,结束.试说明⑴两道程序运行时，CPU有无空闲等待？若有，在哪 段时间内等待？为什么会等待？(2)程序A、B有无等待CPU的情况？若有，指出发 生等待的时刻。
I/O j、1121I121||32j
CPC i C111C21 | Clb C21；C31；~C33l
抢占式共用去190ms,单道完成需耍260ms＞节省70ms・
非抢占式共用去180ms,单道完成需要260ms,节省80ms•
操作系统课件第八章
Low resource utilization; starvation possible.
Operating System Concepts
7.15
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Deadlock Prevention (Cont.)
No Preemption –
Operating System Concepts
7.3
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
The Deadlock Problem
A set of blocesource and waiting to
If a process that is holding some resources requests another resource that cannot be immediately allocated to it, then all resources currently being held are released. Preempted resources are added to the list of resources for which the process is waiting. Process will be restarted only when it can regain its old resources, as well as the new ones that it is requesting.
System Model
Resource types R1, R2, . . ., Rm
CPU cycles, memory space, I/O devices
Operating System Concepts
7.15
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Deadlock Prevention (Cont.)
No Preemption –
Operating System Concepts
7.3
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
The Deadlock Problem
A set of blocesource and waiting to
If a process that is holding some resources requests another resource that cannot be immediately allocated to it, then all resources currently being held are released. Preempted resources are added to the list of resources for which the process is waiting. Process will be restarted only when it can regain its old resources, as well as the new ones that it is requesting.
System Model
Resource types R1, R2, . . ., Rm
CPU cycles, memory space, I/O devices
计算机操作系统（第四版）课后习题答案（完整版）
计算机操作系统（第四版）课后习题答案（完整版）第⼀章1．设计现代OS的主要⽬标是什么？答：（1）有效性（2）⽅便性（3）可扩充性（4）开放性2．OS的作⽤可表现在哪⼏个⽅⾯？答：（1）OS作为⽤户与计算机硬件系统之间的接⼝（2）OS作为计算机系统资源的管理者（3）OS实现了对计算机资源的抽象3．为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？答：OS⾸先在裸机上覆盖⼀层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第⼀层次抽象；在第⼀层软件上再覆盖⽂件管理软件，实现了对硬件资源操作的第⼆层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4．试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动⼒是什么？答：主要动⼒来源于四个⽅⾯的社会需求与技术发展：（1）不断提⾼计算机资源的利⽤率；（2）⽅便⽤户；（3）器件的不断更新换代；（4）计算机体系结构的不断发展。
5．何谓脱机I/O和联机I/O？答：脱机I/O 是指事先将装有⽤户程序和数据的纸带或卡⽚装⼊纸带输⼊机或卡⽚机，在外围机的控制下，把纸带或卡⽚上的数据或程序输⼊到磁带上。
该⽅式下的输⼊输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进⾏的。
⽽联机I/O⽅式是指程序和数据的输⼊输出都是在主机的直接控制下进⾏的。
6．试说明推动分时系统形成和发展的主要动⼒是什么？答：推动分时系统形成和发展的主要动⼒是更好地满⾜⽤户的需要。
主要表现在：CPU 的分时使⽤缩短了作业的平均周转时间；⼈机交互能⼒使⽤户能直接控制⾃⼰的作业；主机的共享使多⽤户能同时使⽤同⼀台计算机，独⽴地处理⾃⼰的作业。
7．实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？答：关键问题是当⽤户在⾃⼰的终端上键⼊命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在⽤户能接受的时延内将结果返回给⽤户。
解决⽅法：针对及时接收问题，可以在系统中设置多路卡，使主机能同时接收⽤户从各个终端上输⼊的数据；为每个终端配置缓冲区，暂存⽤户键⼊的命令或数据。
操作系统教程第四版(孙钟秀)全部课件
4
计算机系统的层次结构(1)
用户1
用户2
用户3
用户4
… 用户n
财务系统 航空订票 上网浏览 电子商务 … 科学计算 (应用软件)
编译程序 汇编程序 数据库 … 实用程序 (支撑软件)
操作系统 (系统软件)
计操算作机系硬统件 (系统软件)
5
计算机系统的层次结构(2)
• 硬件层
提供基本的可计算性资源，如处理器、寄存器、存储器 及各种I/O设备。
设设 备备
时分复用共享 空分复用共享
物理计算机
17
1.1.3 操作系统的作用与功能
➢ 操作系统的作用：对内是“管理员”，对外是“ 服务员”：
OS作为用户接口和服务提供者 OS作为作为扩展机或虚拟机 OS作为资源管理者和控制者
18
OS作为用户接口和服务提供者
• 操作系统提供友善的人机接口，使得用户能够方 便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程 序；
数据卡或数据带 • 产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上
输出
38
人工操作阶段的缺点
• 用户上机独占全机资源，造成资源利用率不 高，系统效率低下
• 手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生 差错
• 数据的输入，程序的执行、结果的输出均联 机进行，从上机到下机的时间拉得非常长
39
1.2.2 管理程序阶段(1)
算机系统的主存储器并启动进行计算的方法
从宏观上看是并行的 从微观上看是串行的
• 引入多道程序设计技术的目的:可以提高CPU的利 用率，充分发挥计算机硬件的并行性。
44
多道程序设计例(1)
时间
78
130 150
操作系统中，能分配给用户使用的硬件和软件设施 总称为资源，包括两类：硬件资源和信息资源。
计算机系统的层次结构(1)
用户1
用户2
用户3
用户4
… 用户n
财务系统 航空订票 上网浏览 电子商务 … 科学计算 (应用软件)
编译程序 汇编程序 数据库 … 实用程序 (支撑软件)
操作系统 (系统软件)
计操算作机系硬统件 (系统软件)
5
计算机系统的层次结构(2)
• 硬件层
提供基本的可计算性资源，如处理器、寄存器、存储器 及各种I/O设备。
设设 备备
时分复用共享 空分复用共享
物理计算机
17
1.1.3 操作系统的作用与功能
➢ 操作系统的作用：对内是“管理员”，对外是“ 服务员”：
OS作为用户接口和服务提供者 OS作为作为扩展机或虚拟机 OS作为资源管理者和控制者
18
OS作为用户接口和服务提供者
• 操作系统提供友善的人机接口，使得用户能够方 便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程 序；
数据卡或数据带 • 产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上
输出
38
人工操作阶段的缺点
• 用户上机独占全机资源，造成资源利用率不 高，系统效率低下
• 手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生 差错
• 数据的输入，程序的执行、结果的输出均联 机进行，从上机到下机的时间拉得非常长
39
1.2.2 管理程序阶段(1)
算机系统的主存储器并启动进行计算的方法
从宏观上看是并行的 从微观上看是串行的
• 引入多道程序设计技术的目的:可以提高CPU的利 用率，充分发挥计算机硬件的并行性。
44
多道程序设计例(1)
时间
78
130 150
操作系统中，能分配给用户使用的硬件和软件设施 总称为资源，包括两类：硬件资源和信息资源。
操作系统原理课件(2024)
访问权限保护
通过设置内存页的访问权 限，防止程序对未授权内 存的访问。
内存加密保护
通过对内存数据进行加密 ，防止敏感数据被窃取或 篡改。
14
虚拟内存技术
虚拟内存概念
将内存和外存结合起来，为用户 提供一种比实际物理内存大得多
的逻辑内存空间。
2024/1/29
请求分页系统
将用户程序的逻辑地址空间划分为 若干个固定大小的页面，当页面被 访问时，才将其调入内存。
动态分配
在程序运行时动态申请 和释放内存，如可变分 区分配、页式分配和段 式分配。
回收策略
包括立即回收和延迟回 收两种策略，以及常用 的内存回收算法如引用 计数法、标记-清除法和 复制法等。
13
内存保护技术
界限寄存器保护
通过设置界限寄存器来限 制程序对内存的访问范围 ，防止越界访问。
2024/1/29
一定的算法或策略来分配设备的使用权。
设备分配策略的分类
根据设备分配方式和目标的不同，设备分配策略可分为独占分配、共享分配和虚拟分配 等。
2024/1/29
设备分配策略的实现
设备分配策略的实现需要考虑设备的状态、用户的需求和系统的性能等因素，通常包括 设备请求的处理、设备分配算法的选择和设备使用情况的记录等操作。
2024/1/29
18
文件目录结构
2024/1/29
目录的概念
目录是文件系统中存储文件信息的数据库，它记录了文件的名字、位置、大小、 创建时间等信息。
目录结构
常见的目录结构有单级目录结构、二级目录结构和多级目录结构。多级目录结构 又称为树形目录结构，它以根目录为起点，各级子目录为分支，构成一棵倒置的 树。
攻击。
计算机操作系统第四版课件
计算机操作系统第四版课件contents •计算机操作系统概述•进程管理•内存管理•文件系统•设备管理•操作系统安全与保护目录01计算机操作系统概述存储器管理处理机管理程控制、进程同步、进程通信和定义设备管理设备，包括设备驱动、设备无关性、缓冲管理和虚拟设备等。
文件管理早期操作系统批处理系统分时系统030201实时系统系统能及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。
网络操作系统和分布式操作系统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；分布式操作系统是管理分布式系统资源的软件，它负责分布式系统中全部软、硬件资源的分配与调度，保证系统高效、可靠地运行，并提供各种系统服务。
计算机硬件与软件的关系硬件是计算机系统的物质基础，软件是计算机系统的灵魂。
没有软件的计算机被称为“裸机”，裸机是无法工作的。
硬件和软件相互依存，缺一不可。
硬件和软件协同发展，共同推动计算机技术的进步。
随着半导体技术、集成电路技术和微处理器技术的发展，计算机硬件的性能不断提高，成本不断降低，使得计算机软件的开发和应用得以广泛普及。
同时，软件技术的不断发展也促进了硬件技术的不断进步，例如操作系统的发展推动了计算机体系结构的变革，数据库技术的发展促进了存储技术的进步等。
02进程管理进程的概念与特性010203进程的状态与转换进程的状态就绪状态、执行状态、阻塞状态。
进程的状态转换就绪->执行、执行->阻塞、阻塞->就绪。
进程状态转换的原因时间片到、等待事件发生、资源分配等。
进程控制块PCB PCB包含的信息PCB的作用1 2 3进程同步进程通信实现进程同步与通信的机制进程同步与通信03内存管理位于CPU 内部，速度最快，容量最小，用于存放指令和数据。
寄存器高速缓存（Cache ）主存（内存）磁盘（外存）位于CPU 和主存之间，速度较快，容量较小，用于存放CPU 近期可能用到的数据和指令。
操作系统原理ppt课件
单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲 池等。
03
02
缓冲区的作用
缓解CPU与外设之间速度不匹配的 矛盾，提高数据传输效率。
缓冲区的管理策略
缓冲区分配、缓冲区回收、缓冲区 满和空的处理等。
04
06
现代操作系统技术
微内核操作系统
微内核架构
微内核仅包含最基本的 功能，如进程调度、内 存管理和进程间通信等 ，其他服务以用户态进 程形式存在。
操作系统的分类与发展
分类
根据使用环境和应用需求，操作系统 可分为批处理系统、分时系统、实时 系统、网络操作系统等。
发展
随着计算机技术的飞速发展，操作系 统也在不断演进，从早期的简单批处 理系统发展到现代的多用户、多任务 、多媒体操作系统。
操作系统的基本特征
并发性
共享性
操作系统可以同时处理多个任务或事件。
I/O控制方式
程序直接控制方式
CPU直接控制外设，进行数据 的输入输出操作。
中断控制方式
外设准备就绪后，向CPU发出 中断请求，CPU响应中断后进 行数据传输。
DMA控制方式
在外设和内存之间开辟直接的 数据交换通道，减少CPU的干 预。
通道控制方式
CPU通过通道来控制外设，实 现更高效的数据传输。
请求分段存储管理
在段式存储管理的基础上，增加请求调段和段置换功能。
请求分页存储管理
在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换功能 。
虚拟存储的优缺点
扩大内存容量、提高内存利用率、方便用户编程等；但需 要额外的软硬件支持、可能增加系统开销等。
04
文件管理
文件与文件系统
文件的概念
文件是存储在外部介质上的数据集合，是操作系统进行管理和操作 的基本单位。
03
02
缓冲区的作用
缓解CPU与外设之间速度不匹配的 矛盾，提高数据传输效率。
缓冲区的管理策略
缓冲区分配、缓冲区回收、缓冲区 满和空的处理等。
04
06
现代操作系统技术
微内核操作系统
微内核架构
微内核仅包含最基本的 功能，如进程调度、内 存管理和进程间通信等 ，其他服务以用户态进 程形式存在。
操作系统的分类与发展
分类
根据使用环境和应用需求，操作系统 可分为批处理系统、分时系统、实时 系统、网络操作系统等。
发展
随着计算机技术的飞速发展，操作系 统也在不断演进，从早期的简单批处 理系统发展到现代的多用户、多任务 、多媒体操作系统。
操作系统的基本特征
并发性
共享性
操作系统可以同时处理多个任务或事件。
I/O控制方式
程序直接控制方式
CPU直接控制外设，进行数据 的输入输出操作。
中断控制方式
外设准备就绪后，向CPU发出 中断请求，CPU响应中断后进 行数据传输。
DMA控制方式
在外设和内存之间开辟直接的 数据交换通道，减少CPU的干 预。
通道控制方式
CPU通过通道来控制外设，实 现更高效的数据传输。
请求分段存储管理
在段式存储管理的基础上，增加请求调段和段置换功能。
请求分页存储管理
在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换功能 。
虚拟存储的优缺点
扩大内存容量、提高内存利用率、方便用户编程等；但需 要额外的软硬件支持、可能增加系统开销等。
04
文件管理
文件与文件系统
文件的概念
文件是存储在外部介质上的数据集合，是操作系统进行管理和操作 的基本单位。
计算机操作系统第四版 汤小丹 教案 PPT
图1-3 脱机I/O示意图
1.2.2 单道批处理系统 1. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)
的处理过程 为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方
式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)，在它 的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。
1.3.3 虚拟(Virtual) 1. 时分复用技术 (1) 虚拟处理机技术。 (2) 虚拟设备技术。
2. 空分复用技术 20世纪初，电信业中就已使用频分复用技术来提高信 道的利用率。它是指将一个频率范围比较宽的信道划分成 多个频率范围较窄的信道(称为频带)，其中的任何一个频带 都仅供一对用户通话。早期的频分复用技术只能将一条物 理信道划分为几条到几十条话路，后来又很快发展到成千 上万条话路，每条话路供一对用户通话。再后来在计算机 中也把空分复用技术用于对存储空间的管理，用以提高存 储空间的利用率。
第一章 操作系统引论
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
10
图1-2 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节
1.1.3 推动操作系统发展的主要动力 1．不断提高计算机资源利用率 2. 方便用户 3. 器件的不断更新换代 4. 计算机体系结构的不断发展 5. 不断提出新的应用需求
1.2.5 实时系统(Real Time System) 1. 实时系统的类型 随着计算机应用的普及，实时系统的类型也相应增多，
下面列出当前常见的几种： (1) 工业(武器)控制系统。 (2) 信息查询系统。 (3) 多媒体系统。 (4) 嵌入式系统。
2. 实时任务的类型 (1) 周期性实时任务和非周期性实时任务。 (2) 硬实时任务和软实时任务。
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连续组织方式 ； 链接组织方式 ；索引组织方式 过去在一个系统中，仅采用其中的一种方法来为 文件分配外存空间。在现代 OS 中，对文件可采取多种 类型的组织形式。
一、连续组织方式
又称连续分配方式，要求为每一个文件分配一组
相邻接的盘块。一组盘块的地址定义了磁盘上的一段
线性地址。例如，第一个盘块的地址为b，则第二个盘
1. FAT12
早期 MS-DOS 操作系统所使用的是 FAT12 文件系统。
FCB A
FAT 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
4 6 EOF 11
图 8 4 MS-DOS
FCB B
9
10 5 EOF
的 文 件 物 理 结 构
早期 FAT12文件系统以盘块作为基本分配单位时， 其所能管理的磁盘最大容量仅为８ MB。为了适应磁盘 容量不断增加的需要，后来在进行盘块分配时，不再 以盘块而是以簇为基本单位。 簇是一组连续的扇区，一个簇应包含扇区的数量 与磁盘容量的大小直接有关。
二、链接组织方式
一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中 , 各 块之间通过指针链接，由此所形成的物理文件称为链接 文件。 提高了磁盘空间利用率 , 不存在外部碎片问题，有 利于文件插入和删除，有利于文件动态扩充。
1.隐式链接
在文件每个目录项中，都含有指向链接文件第一个 盘块和最后一个盘块的指针。 问题：只适合于顺序访问 , 随机访问效率低，可靠 性较差, 只要其中的任何一个指针出现问题，都会导致 整个链的断开。
(1) 运行速度比 FAT16来自式要慢；(2) 有最一、一、的限制；
(3) 单个文件的长度不能大于4GB；
(4) 不能保持向下兼容。
四、NTFS 的文件组织方式
NTFS是一个专门为Windows NT开发的、全新的文 件系统。 NTFS 也是以簇作为磁盘空间分配和回收的基本单 位。通过簇来间接管理磁盘，使 NTFS 具有了与磁盘物 理扇区大小无关的独立性。 在 NTFS 中，以卷为单位，将一个卷中的所有文件 信息、目录信息以及可用的未分配空间信息，都以文 件记录的方式记录在一张主控文件表 MFT中。卷中的每 个文件作为一条记录，在MFT表中占有一行。每行大小 固定为1KB，每行称为该行所对应的文件元数据。
空闲盘块号 栈
100 400 399
100
99 0 7999 …
301 S.free 0 1 100 300 299
…
7901
300
400
7900
… 299
…
98 99
202 201
399
…
7899
…
7999
…
… 201 301 7801 7901
图8-11 空闲盘块的成组链接法
8.2 文件存储空间的管理
在为文件分配磁盘时，除了需要文件分配表，还需 要设置一个磁盘分配表，用于记住可供分配的存储空间 情况。存储空间的基本分配单位是磁盘块而非字节。
一、空闲表法和空闲链表法
1. 空闲表法（属于连续分配方式）
1）空闲表 将外存中的所有空闲块记录在一个表中，即空闲表， 每个空闲区对应于一个空闲表项，共中包括表项序号、 该空闲区的第一个盘块号、该区的空闲块数等信息。再 将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。
2 3 4 5
图 8-3 显式链接结构
4
5 1
三、FAT技术
FAT12 、 FAT16 、 FAT32 和 NTFS 文件系统所采用 的文件分配方式基本上都是类似于显式链接方法。
在早期的MS-DOS的FAT文件系统中，引入了“卷” 的概念，可以支持将一个物理磁盘分成四个逻辑磁盘， 每个逻辑磁盘就是一个卷（也称为分区），每个卷都 划出一个单独区域来存放自己的目录和FAT表，以及自 己的逻辑驱动器字母。
list
3 f 7 11 tr 15 19 23 27 31
file count tr mail list f
start 0 14 19 28 6
length 2 3 6 4 2
21 25 29
30
图 8-1 磁盘空间的连续组织方式
在采用连续组织方式时，可把逻辑文件中的记录， 顺序地存储到邻接的各物理盘块中，这样形成的物理文 件称为顺序文件。
块的地址为b+1，第三个盘块的地址为b+2，„„。通
常，它们都位于一条磁道上，在进行读／写时不必移 动磁头。仅当访问到一条磁道的最末一个盘块时，才 需要移到下一条磁道，于是又去连续地读／写多个盘 块。
目 录 count 0 4 8 12 16 20 24 28 1 5 9 13 17
m ail
2 6 10 14 18 22 26
这种分配方式保证了逻辑文件中的记录顺序与存储 器中文件占用盘块的顺序的一致性。为使系统能找到文 件存放的地址，应在目录项的“文件物理地址”字段中， 记录该文件第一个记录所在的盘块号和文件长度 ( 以盘 块进行计量)。 如同内存的动态分区分配一样，随着文件空间的分 配和文件删除时的收回，将使磁盘空间被分割成许多小 块，这些较小的连续区已难于用来存储文件，此即外存 的外部碎片。
740 356 357
图 8 7 两 级 索 引 组 织 方 式
1125
… …
…
254
1125 356 357 985
…
… …
985
…
3.增量式索引组织方式
也称为混合组织方式，UNIX文件系统采用的就是这 种组织方式。每个文件的索引表为13个索引项，每项2 个字节。 最 前 面 10 项 直 接 登 记 存 放 文 件 信 息 的 物 理 块 号 （直接寻址）。如果文件大于 10 块，则利用第 11 项指 向一个物理块，该块中最多可放 256个文件物理块的块 号（一次间接寻址）。对于更大的文件还可利用第 12 和第13项作为二次和三次间接寻址。 UNIX 中采用了三级索引结构后，文件最大可达 16 兆个物理块。
五、索引组织方式
1.单级索引组织方式
一个文件的信息存放在若干不连续物理块中，系 统为每个文件建立一个专用数据结构 -- 索引表，并将 这些块的块号存放在一个索引表中。
一个索引表就是磁盘块地址数组 , 其中第 i 个条目 指向文件的第i块。 问题： 小文件采用此分配方式，其索引块的利用率极低 。
目录 file jeep 1 5 9 13 17 21 25 29 2 6 10 14 18 22 26 30 3 7 11 15 19 23 27 31 19 9 16 1 10 25 －1 －1 －1 块序号 19
由于查找记录的过程是在内存中进行的，因而不仅 显著地提高了检索速度，而且大大减少了访问磁盘的次 数。由于分配给文件的所有盘块号都放在该表中，故把 FCB 物 理块 号 FAT 该表称为文件分配表FAT(File 0 Allocation Table)，MSDOS及OS/2等操作系统都采用FAT。 2 1 0
Var map:array[1…m,1…n]of bit;
图 8-10 位示图
2.盘块的分配
按位示图分配盘块，分三步进行：
（1）顺序扫描位示图。 （ 2 ）将所找到的一个或一组其值为“ 0 ”的二进制位， 转换成与之相应的盘块号，相应的盘块号按下式计算： b=n(i-1)+j
式中， n代表每行的位数
混合索引方式
思考题：
1. 分别说明三种文件存储方式的优缺点。 2. 设一个文件由 100个物理块组成。对于连续、链接 和索引存储方式，分别计算执行下列操作所应启动的 I/O 次数（链接方式使用的是单向指针，但设有头、 尾指针）： （1）将一块加在文件的开头； （2）将一块插入文件的中间； （3）将一块加在文件的末尾。 3. 假定盘块大小为4KB，每个盘块号占4个字节，在 两级索引结构中，允许的文件最大长度是多少？
空闲链上的基本单位是盘区，每个盘区可包含若 干个盘块。分配盘区通常采用首次适应算法，为了提高 检索速度，可以采用显式链接方法，即在内存中为空闲 盘区建立一张链表。
二、位示图法
1.位示图
用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每 个物理块对应一位，分配物理块为1，否则为0。由所有 盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。可描述为 一个二维数组map
count 0 4 8 12 16 20 24 28
图 8-6 索引组织方式
2.多级索引组织方式
第二级索引 将一个大文件的所有索引表（二级索引 主索引 磁盘空间 )的地址放 360 360 105 )中，即为索引块再建索引。 0 在另一个索引表（一级索引 740 106 254 1 2
…
105 106
目录 file jeep start 9 end 25
0 4 8 12 16 1 20 24 28
1 10 5
2 6
3 7
9 16 10 25 11 13 17 21 14 18 22 15 19 23 27 31
25 - 1 26 29 30
图 8-2 磁盘空间的链接组织方式
2.显式链接
这是指把用于链接文件各物理块的指针，显式地 存放在内存的一张链接表中。该表是整个磁盘仅设置 一张，表的序号是物理盘块号，从0开始直至 N一1， N 为盘块总数。在每个表项中，存放链接指针，即下一 个盘块号。 在该表中，凡是属于某一文件的第一个盘块号， 或说是每一个链的链首指针所对应的盘块号，均作为 文件地址被填入相应文件的 FCB 的“物理地址”字段 中。
1.空闲盘块的组织
（1）空闲盘块号栈。用来存放当前可用的一组空闲盘 块的盘块号（最多含100个号），以及栈中尚有的空闲 盘块号数N。 （2）文件区中的所有空闲盘块，被分成若干个组。
（3）将每一组含有的盘块总数N和所有的盘块号，记入 其前一组的第一个盘块中，这样，由各组的第一个盘块 可链成一条链。 （4）将第一组含有的盘块总数和所有的盘块号，记入 空闲盘块号栈中，作为当前可供分配的空闲盘块号。 （5）最末一组只有 99个盘块，其盘块号分别记入其前 一组中，而在其自身的第一个盘块中则存放“ 0”，作 为空闲盘块链的结束标志。
一、连续组织方式
又称连续分配方式，要求为每一个文件分配一组
相邻接的盘块。一组盘块的地址定义了磁盘上的一段
线性地址。例如，第一个盘块的地址为b，则第二个盘
1. FAT12
早期 MS-DOS 操作系统所使用的是 FAT12 文件系统。
FCB A
FAT 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
4 6 EOF 11
图 8 4 MS-DOS
FCB B
9
10 5 EOF
的 文 件 物 理 结 构
早期 FAT12文件系统以盘块作为基本分配单位时， 其所能管理的磁盘最大容量仅为８ MB。为了适应磁盘 容量不断增加的需要，后来在进行盘块分配时，不再 以盘块而是以簇为基本单位。 簇是一组连续的扇区，一个簇应包含扇区的数量 与磁盘容量的大小直接有关。
二、链接组织方式
一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中 , 各 块之间通过指针链接，由此所形成的物理文件称为链接 文件。 提高了磁盘空间利用率 , 不存在外部碎片问题，有 利于文件插入和删除，有利于文件动态扩充。
1.隐式链接
在文件每个目录项中，都含有指向链接文件第一个 盘块和最后一个盘块的指针。 问题：只适合于顺序访问 , 随机访问效率低，可靠 性较差, 只要其中的任何一个指针出现问题，都会导致 整个链的断开。
(1) 运行速度比 FAT16来自式要慢；(2) 有最一、一、的限制；
(3) 单个文件的长度不能大于4GB；
(4) 不能保持向下兼容。
四、NTFS 的文件组织方式
NTFS是一个专门为Windows NT开发的、全新的文 件系统。 NTFS 也是以簇作为磁盘空间分配和回收的基本单 位。通过簇来间接管理磁盘，使 NTFS 具有了与磁盘物 理扇区大小无关的独立性。 在 NTFS 中，以卷为单位，将一个卷中的所有文件 信息、目录信息以及可用的未分配空间信息，都以文 件记录的方式记录在一张主控文件表 MFT中。卷中的每 个文件作为一条记录，在MFT表中占有一行。每行大小 固定为1KB，每行称为该行所对应的文件元数据。
空闲盘块号 栈
100 400 399
100
99 0 7999 …
301 S.free 0 1 100 300 299
…
7901
300
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… 299
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202 201
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… 201 301 7801 7901
图8-11 空闲盘块的成组链接法
8.2 文件存储空间的管理
在为文件分配磁盘时，除了需要文件分配表，还需 要设置一个磁盘分配表，用于记住可供分配的存储空间 情况。存储空间的基本分配单位是磁盘块而非字节。
一、空闲表法和空闲链表法
1. 空闲表法（属于连续分配方式）
1）空闲表 将外存中的所有空闲块记录在一个表中，即空闲表， 每个空闲区对应于一个空闲表项，共中包括表项序号、 该空闲区的第一个盘块号、该区的空闲块数等信息。再 将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。
2 3 4 5
图 8-3 显式链接结构
4
5 1
三、FAT技术
FAT12 、 FAT16 、 FAT32 和 NTFS 文件系统所采用 的文件分配方式基本上都是类似于显式链接方法。
在早期的MS-DOS的FAT文件系统中，引入了“卷” 的概念，可以支持将一个物理磁盘分成四个逻辑磁盘， 每个逻辑磁盘就是一个卷（也称为分区），每个卷都 划出一个单独区域来存放自己的目录和FAT表，以及自 己的逻辑驱动器字母。
list
3 f 7 11 tr 15 19 23 27 31
file count tr mail list f
start 0 14 19 28 6
length 2 3 6 4 2
21 25 29
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图 8-1 磁盘空间的连续组织方式
在采用连续组织方式时，可把逻辑文件中的记录， 顺序地存储到邻接的各物理盘块中，这样形成的物理文 件称为顺序文件。
块的地址为b+1，第三个盘块的地址为b+2，„„。通
常，它们都位于一条磁道上，在进行读／写时不必移 动磁头。仅当访问到一条磁道的最末一个盘块时，才 需要移到下一条磁道，于是又去连续地读／写多个盘 块。
目 录 count 0 4 8 12 16 20 24 28 1 5 9 13 17
m ail
2 6 10 14 18 22 26
这种分配方式保证了逻辑文件中的记录顺序与存储 器中文件占用盘块的顺序的一致性。为使系统能找到文 件存放的地址，应在目录项的“文件物理地址”字段中， 记录该文件第一个记录所在的盘块号和文件长度 ( 以盘 块进行计量)。 如同内存的动态分区分配一样，随着文件空间的分 配和文件删除时的收回，将使磁盘空间被分割成许多小 块，这些较小的连续区已难于用来存储文件，此即外存 的外部碎片。
740 356 357
图 8 7 两 级 索 引 组 织 方 式
1125
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1125 356 357 985
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3.增量式索引组织方式
也称为混合组织方式，UNIX文件系统采用的就是这 种组织方式。每个文件的索引表为13个索引项，每项2 个字节。 最 前 面 10 项 直 接 登 记 存 放 文 件 信 息 的 物 理 块 号 （直接寻址）。如果文件大于 10 块，则利用第 11 项指 向一个物理块，该块中最多可放 256个文件物理块的块 号（一次间接寻址）。对于更大的文件还可利用第 12 和第13项作为二次和三次间接寻址。 UNIX 中采用了三级索引结构后，文件最大可达 16 兆个物理块。
五、索引组织方式
1.单级索引组织方式
一个文件的信息存放在若干不连续物理块中，系 统为每个文件建立一个专用数据结构 -- 索引表，并将 这些块的块号存放在一个索引表中。
一个索引表就是磁盘块地址数组 , 其中第 i 个条目 指向文件的第i块。 问题： 小文件采用此分配方式，其索引块的利用率极低 。
目录 file jeep 1 5 9 13 17 21 25 29 2 6 10 14 18 22 26 30 3 7 11 15 19 23 27 31 19 9 16 1 10 25 －1 －1 －1 块序号 19
由于查找记录的过程是在内存中进行的，因而不仅 显著地提高了检索速度，而且大大减少了访问磁盘的次 数。由于分配给文件的所有盘块号都放在该表中，故把 FCB 物 理块 号 FAT 该表称为文件分配表FAT(File 0 Allocation Table)，MSDOS及OS/2等操作系统都采用FAT。 2 1 0
Var map:array[1…m,1…n]of bit;
图 8-10 位示图
2.盘块的分配
按位示图分配盘块，分三步进行：
（1）顺序扫描位示图。 （ 2 ）将所找到的一个或一组其值为“ 0 ”的二进制位， 转换成与之相应的盘块号，相应的盘块号按下式计算： b=n(i-1)+j
式中， n代表每行的位数
混合索引方式
思考题：
1. 分别说明三种文件存储方式的优缺点。 2. 设一个文件由 100个物理块组成。对于连续、链接 和索引存储方式，分别计算执行下列操作所应启动的 I/O 次数（链接方式使用的是单向指针，但设有头、 尾指针）： （1）将一块加在文件的开头； （2）将一块插入文件的中间； （3）将一块加在文件的末尾。 3. 假定盘块大小为4KB，每个盘块号占4个字节，在 两级索引结构中，允许的文件最大长度是多少？
空闲链上的基本单位是盘区，每个盘区可包含若 干个盘块。分配盘区通常采用首次适应算法，为了提高 检索速度，可以采用显式链接方法，即在内存中为空闲 盘区建立一张链表。
二、位示图法
1.位示图
用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每 个物理块对应一位，分配物理块为1，否则为0。由所有 盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。可描述为 一个二维数组map
count 0 4 8 12 16 20 24 28
图 8-6 索引组织方式
2.多级索引组织方式
第二级索引 将一个大文件的所有索引表（二级索引 主索引 磁盘空间 )的地址放 360 360 105 )中，即为索引块再建索引。 0 在另一个索引表（一级索引 740 106 254 1 2
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目录 file jeep start 9 end 25
0 4 8 12 16 1 20 24 28
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图 8-2 磁盘空间的链接组织方式
2.显式链接
这是指把用于链接文件各物理块的指针，显式地 存放在内存的一张链接表中。该表是整个磁盘仅设置 一张，表的序号是物理盘块号，从0开始直至 N一1， N 为盘块总数。在每个表项中，存放链接指针，即下一 个盘块号。 在该表中，凡是属于某一文件的第一个盘块号， 或说是每一个链的链首指针所对应的盘块号，均作为 文件地址被填入相应文件的 FCB 的“物理地址”字段 中。
1.空闲盘块的组织
（1）空闲盘块号栈。用来存放当前可用的一组空闲盘 块的盘块号（最多含100个号），以及栈中尚有的空闲 盘块号数N。 （2）文件区中的所有空闲盘块，被分成若干个组。
（3）将每一组含有的盘块总数N和所有的盘块号，记入 其前一组的第一个盘块中，这样，由各组的第一个盘块 可链成一条链。 （4）将第一组含有的盘块总数和所有的盘块号，记入 空闲盘块号栈中，作为当前可供分配的空闲盘块号。 （5）最末一组只有 99个盘块，其盘块号分别记入其前 一组中，而在其自身的第一个盘块中则存放“ 0”，作 为空闲盘块链的结束标志。