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1、第三章 操作系统基础知识,概 念,操作系统OS(Operating System)位于硬件之上,是最贴近硬件的系统软件,是第一层扩充硬件功能的程序集合。功能：管理和控制计算机软件和硬件资源，使计算机各部分协调工作;合理组织计算机工作流程；为用户使用计算机提供友好的人机界面,OS,硬件,操作系统对硬件的管理,为程序分配内存、CPU和外存储器；管理键盘、鼠标、显示器和打印机等输入/输出设备；为用户隐藏具体硬件的控制细节，屏蔽不同设备之间的差异，使用户更容易地使用计算机。,操作系统对软件的管理,为用户提供操作界面和各类服务程序；分类管理文件，调度和控制各类程序使它们协调运行；,其他软件,3.1 常见
2、的操作系统简介,计算机系统层次结构可以分为3部分:硬件、操作系统、其他软件。硬件：所有软件运行的物质基础；操作系统：计算机系统中必不可少的系统软件；其他软件都必须在硬件平台上运行操作系统后才能安装和运行,操作系统,硬件,计算机系统的层次结构:,裸机,3.1.1 DOS操作系统,DOS是磁盘操作系统(Disk Operating System)，是一种单用户、单任务的微型计算机操作系统。主要功能：命令处理、文件管理和设备管理。主要特点：系统开销小,运行效率高,但资源管理功能简单，新硬件需独立安装驱动程序，字符型用户界面,操作不太方便。,DOS操作系统,命令处理操作系统DOS，逐渐被图形处理操作系
3、统如windows所取代。但现代操作系统仍然保留着类DOS风格的命令接口。单击“开始”菜单“程序”“附件”“命令提示符”，可以进入DOS命令操作窗口。DOS命令如DIR，DATE 等,3.1.2 Windows操作系统1985年11月到现在，Windows操作系统的优良性能奠定了微软在操作系统上的垄断地位。1.目前运行的版本Windows 2000：有4个版本：Professional、Server、Advanced Server、Datacenter Server。Windows XP:有3个版本：Home Edition、Professional、64-bit Edition。Window
4、s 7:有6个版本：Starter、Home Basic、Home Premium、Professional、Enterprise、Ultimate。,2.主要特点面向对象图形界面 统一的用户界面即插即用技术 多任务处理虚拟内存技术多种系统管理工具网络通信功能多媒体功能,3.1.3 UNIX/Linux 操作系统1.UNIX 操作系统是一个多用户、多任务、交互式分时网络操作系统。特别是在工作站、中小型计算机以及巨型计算机上应用更为广泛。2.Linux 操作系统Linux是以UNIX内核为基础的一种操作系统，基本包含UNIX的全部功能，最大特点是完全免费和源代码公开。,3.2 操作系统的诞生,计
5、算机诞生初期并没有操作系统。是机器码时代,人们手工操作计算机,只有通晓计算机硬件知识的人员才能使用计算机。此阶段的计算机没有键盘和显示器等输入/输出设备，只有一个控制面板，仅提供一些基本操作键。数据及程序的输入和存储由穿孔纸带或卡片来完成。,穿孔纸带,穿孔卡片,3.2.1 手工操作阶段（1946年-50年代中期）,1.穿孔纸带每行分8列，每列可以穿一个孔，有孔表示1，无孔表示0，一行恰好记录一个符号的二进制表示。2.穿孔卡片每张有80列12行，每列最多穿3个孔，表示一个符号，一张卡片可以存储一行语句或数据,3.2.1 手工操作阶段,3.2.1 手工操作阶段,使用计算机的过程,用户用机器语言编程
6、序,程序和数据通过穿孔机记录在穿孔纸带或卡片上,将纸带或卡片装入光电输入机用控制面板启动光电输入机将程序和数据读入计算机,计算机执行程序结果输出到纸带或卡片上,3.2.2 批处理阶段,为了提高计算机的利用率，解决人机等待问题，减少人为干预。在20世纪50年代，外部设备有了打印机和磁带机，人们将要运行的程序以作业的形式组织起来，作业由程序、数据及作业说明书组成，操作人员将若干个作业合并成一批，通过光电输入设备，将一批批作业的穿孔纸带或卡片输入到系统中。批处理主要经历联机和脱机两个阶段。,1.联机批处理,将读卡机与计算机相连，由主机直接控制读卡机输入卡片，将数据和程序存储到磁带机上，再由主机中的监
7、督程序从磁带机上读取作业进行处理，将处理的结果直接输出到打印机上。,主机完成一个作业后再读取下一个,2.脱机批处理,脱机批处理在系统中另加一台功能简单的外围控制机，只与IO设备连接，不与主机连接，它主要负责IO操作。,主机完成一批作业后再读取下一批,读卡机,打印机,外围控制机,输入磁带,输出磁带,主机,监督程序,用 户,结 果,通过外围控制机作业成批进出系统。,2.脱机批处理,3.2.3 假脱机阶段,20世纪60年代初期，在主机与外部设备之间加一台IO处理机，通常称为通道，与CPU共享内存资源，代替CPU完成IO操作，并与CPU并行工作。通道有自己的指令系统和控制部件，专门处理I/O,读卡机,
8、打印机,I/O处理机通道,磁 带,主机,用 户,结 果,假脱机技术,计算机,每当通道完成I/O操作，都向CPU发出中断请求,中断请求：通道向CPU的一种信号。,出现中断请求时，CPU暂停执行现程序，转去执行中断处理程序，再返回被暂停的程序继续执行。,3.3 操作系统的分类及特征,操作系统是计算机系统中的核心软件，其类型与计算机的硬件结构有着紧密联系，通过操作系统才能实现硬件的功能，操作系统的类型也决定着计算机系统的运行模式、作用和功能。,3.3.1 操作系统的基本类型 根据操作系统的功能特征，可以将操作统分为多道批处理系统、分时系统和实时系统3种基本类型。,1.多道批处理系统,输出机,输入机,
9、作业,结果,内存+CPU,外存储器,作业预先在外存中排成(后备)队列，由作业调度程序从后备队列中选若干个作业装入内存，程序以进程的方式交替运行。输出结果存入输出井，由输出机输出结果。,调度程序,外存储器,操作系统程序和多道用户程序占用CPU的过程,程序A,程序B,程序C,调度程序,CPU时间,结束I/O操作,开始I/O操作,一个程序一旦获得CPU，就一直占用，直到需要I/O操作,多道批处理系统的特点,具有CPU与IO设备并行工作、用户程序占用CPU不可剥夺、资源利用率高和系统吞吐量大等优点，但缺点是用户脱机使用计算机，缺乏人机交互性。这种操作系统适用于运行时间长、数据运算量大的程序。主要特征：
10、多道性和成批性：多道性：内存中同时驻留多道程序并发执行成批性：作业成批进入系统，成批处理。,2、分时系统,一台主机连接多个终端，每个终端由一个用户使用，每个用户同时只能运行一个程序。,显示器加键盘,分时系统的特点,在分时系统中，将CPU的时间分成若干个时间片，每个时间片几十毫秒。各个程序以时间片为单位轮流执行,宏观上看每个程序都在运行。,分时操作系统,硬件层,.,CPU时间分成时间片处理终端请求,每个终端独立使用自己的时间片,主要特征：多路性、交互性和独占性：（1）多路性：允许一台主机连接多个终端，同时有多个用户程序驻留内存（2）交互性：系统以对话方式为各个终端服务（3）独占性：每个用户都独占
11、一个终端，以交 互方式使用计算机，共享主机资源。,分时系统的特征,3实时系统,实时系统是指计算机系统在规定的时间内响应外部（设备或其他计算机系统）的请求，完成相关的事物处理任务。特征：及时性、可靠性。分为两大类：实时控制系统 用于机器人、智能设备、工业生产过程、宇航控制以及导弹制导等。实时信息处理系统 用于处理信息联机检索和信息实时接收等。,3.3.2 实用操作系统,多道批处理系统、分时系统和实时系统是操作系统基本功能的三种类型，而实用操作系统则往往兼有两者或三者功能特点。随着技术发展，催生了新型操作系统 嵌入式操作系统网络操作系统分布式操作系统多处理机操作系统,1.嵌入式操作系统,嵌入式操作
12、系统是运行在嵌入式计算机中的操作系统。它由一个规模较小的内核及根据需要设计的系统模块组成，对硬件有较强的依赖性，通常固化在主机中，能提供程序的基本运行环境和硬件接口。主要特点是：多道程序和实时性。例如，汽车、家用电器和手机等产品中都在运行嵌入式操作系统。,网络操作系统实现网络通信和资源管理。一个网络系统中，可以连接各种类型的计算机，各台计算机上可以运行不同的网络操作系统，计算机之间可以没有主从关系，并且有各自的独立功能，但相互之间可以信息交换和资源共享。,打印机,2.网络操作系统,在计算机网络基础上，解决了不同地域的计算机之间资源共享、均衡负载、并行处理等问题。特征：统一性、共享性、可靠性和透
13、明性。,统一性,作业可迁移至其他主机上处理,实现处理机资源共享。,系统中多台主机处于同等地位,没有主从关系;没有地理位置上的差异。,可靠性,透明性,3.分布式操作系统,运行在多个CPU上，共用计算机系统中的主存，时钟，总线和外部设备。也称为并行操作系统或紧耦合系统。对称多处理系统：CPU之间没有主从关系。,CPU,公共内 存,CPU,CPU,4.多处理机操作系统,3.3.3 操作系统的特征,在一段时间内多个程序同时运行，宏观上同时，微观上串行。,共享性,并发性,虚拟性,异步性,多个程序或作业共享系统资源。,一个物理实体变成逻辑上多个对应物，或将多个物理实体变成逻辑上一个对应物。,先进入内存的作
14、业可能后完成，而后进入内存的作业可能先完成。,程序并行性,在同一时刻运行多个程序，从微观和宏观上都是同时发生。,3.4 操作系统的管理功能,2.存储管理,4.设备管理,1.进程管理,3.文件管理,从资源管理角度看，包括：进程管理、存储管理、文件管理和设备管理4项基本管理功能，只有批处理系统还包括作业管理功能。,3.4.1 进程管理,进程管理主要对处理机（CPU）进行分配和管理，因此，进程管理也称处理机管理。从宏观上看，程序进入主机后就在运行，但从微观上看，程序只有获得CPU才在运行。,1、进程的概念,进程是程序在一个数据集合上的一次运行活动，是系统资源分配和调度的基本单位。一个程序投入运行，操
15、作系统就为其创建了进程，程序的每次运行都产生进程，多次运行产生多个进程。,Windows的任务管理器查看进程,按Ctrl+Alt+Delete键进入Windows的任务管理器，在“进程”选项卡中可以查看进程。,由进程控制块、程序和数据三部分组成。(1)进程控制块（Process Control Block，PCB），用于描述和管理进程。PCB是进程存在的唯一标志。(2)程序：进程要执行的部分程序代码。(3)数据：执行进程时要处理的数据。,1.进程的组成,2进程的状态和转换,多个进程并发执行，共享CPU资源。操作系统中的进程都具有下列3种基本状态:运行态：得到CPU资源，正在运行进程中的指令。就
16、绪态：进程本身具备运行条件，等待获得CPU资源。等待态：进程本身不具备使用CPU的条件，正等待某一事件发生，这种状态也称挂起态或睡眠态。,进程的基本状态及转换,3.4.2 存储管理,在计算机系统运行过程中，操作系统将内存储器划分为系统空间和用户空间，存储管理主要管理用户空间。,存储管理的主要功能,1存储器的分配,为了便于分配和收回内存空间，操作系统通过内存分配表和内存空闲表管理内存储器。,2地址映射,程序中的地址都是相对程序起始单元的地址，称为逻辑地址，也称为相对地址或偏移地址，通常从0开始编排。操作系统将程序装入内存时，需要根据分配到的内存地址将程序的逻辑地址转换为物理地址。将程序的逻辑地址
17、变换到物理地址的过程称为地址映射或地址重定位。,外存空间,内存空间,3存储保护,内存中的每个进程都有自己独立的内存空间，为了确保它们互不干扰，操作系统对内存空间进行保护。限制地址越界：操作系统对每个进程产生的地址进行检查，只允许在各自的内存空间或共享区域中运行和存取数据。(2)防止操作越权：用户进程不允许访问系统进程的内存空间；有些进程可以修改共享区域中的数据，但某些进程只能执行读操作。,3.4.3 文件管理,1.文件系统 文件及其管理程序的集合称为文件系统。文件系统是操作系统为用户提供的一种基于文件和目录的存储机制。,文件管理是对文件、目录和外部 存储器进行管理，提供按名存取文件的手段，方便
18、用户对文件进行存取、保护和共享操作，以便充分利用外存储器空间。,文件系统的功能,文件系统,Windows的文件系统,Windows提供了FAT（File Allocation Table）和NTFS（New Technologies File System）两种文件系统。NTFS比FAT更具有可靠性、高效性和安全性。在Windows的资源管理器中，从磁盘（如C、D盘等）的右击菜单中选择“格式化”，在“格式化”对话框中选择“FAT32”或“NTFS”等，磁盘格式化后即可产生对应的文件系统。,2文件命名,文件是具有符号名的相关信息的集合，符号名即为文件名。文件名由主名和扩展名两部分组成，中间用园点
19、“.”分隔。文件扩展名用于说明文件的类型，例如：.EXE表示这是可执行程序文件；.DOC表示这是Word文档；.JPG表示这是图像文件。,3.文件属性,(1)文件基本属性 有文件名、长度、创建时间、修改时间和所有者等。(2)文件类型属性：有普通文件、目录文件、系统文件、隐含文件和设备文件等。(3)文件保护属性 有只读、只写和读/写等。,4.文件目录,记载文件名和文件物理存储位置等信息。常用多级目录结构，通常称为树形目录。在一个外存储器中，只有一个顶级目录，称为根目录（树根），用斜杠符号“”表示根目录名。,Windows的文件目录,在Windows中，从桌面“我的电脑”的右击菜单中选择“资源管理
20、器”，可以创建、调整和查看系统的目录结构或访问文件。,5.文件路径,通常将正在操作的目录称为工作目录或当前目录。在访问某个文件时，需要在文件名的前面说明的文件目录称为路径。例如：E:书稿。将从根目录开始的路径称为绝对路径，从当前目录开始的路径称为相对路径。,6.磁盘的分配单元,磁盘的分配单元是操作系统为文件分配磁盘空间的最小单位，大小一般为2n B。例如，512B、1 024(1KB)、2 048(2KB)或4 096(4KB)等。在磁盘格式化时，可以规定磁盘的“分配单元大小”。一个文件占用的磁盘空间一定是“分配单元大小”的整倍数。例如，在“分配单元大小”为4KB的文件系统中，一个文件至少占4
21、KB磁盘空间，当文件中的内容超出4KB时，将需要4KBn的磁盘空间存储文件。,3.4.4 设备管理,设备管理的主要对象是IO设备。主要功能包括设备分配、虚拟设备、缓冲区管理和设备驱动等。目的是对用户屏蔽具体设备间的差异，隐藏其工作细节，提供操作接口（命令）；在进程间调度和分配设备，完成设备与内存之间的数据传输操作。,1.共享与独占型设备,按设备的共享属性，可分为独占型和共享型设备。(1)独占型设备：是指在某一时刻只允许一个进程访问的设备。例如，打印机和键盘等都是独占型设备。(2)共享型设备：是指在同一时刻允许多个进程同时访问的设备。例如，磁盘和光盘等都属于共享型设备。,2.虚拟设备,在计算机系
22、统中，经常将一台物理I/O设备当作多台逻辑设备使用，其中每个逻辑设备都是虚拟设备。在Windows中正因为通过虚拟设备管理了打印机，才使多个进程能同时向一台打印机（多台虚拟打印机）发送数据而不造成混乱。,3.设备缓冲区,设备缓冲区是为设备专门开辟的一块存储区域。为了缓解CPU与I/O设备间速度不匹配的问题，降低设备对CPU的中断频率，提高CPU和I/O设备的并行性。硬缓冲区：是设置在设备中的缓冲区。例如，在打印机中通常有2MB缓冲区，用于暂存待打印的数据。(2)软缓冲区：是设置在内存中的缓冲区。例 如，键盘缓冲区一般是在内存储器中，因此是软缓冲区。,4.设备驱动程序,设备驱动程序又称设备处理程序，是驱动I/O设备工作的软件，与具体设备紧密相关，一般由设备制造商提供。当操作系统响应用户进程的I/O请求时，由设备驱动程序完成相关的I/O操作。主要功能是将进程I/O请求转换为设备能够识别的操作控制信号，并传送给设备，也能读取设备的状态，将I/O操作状况传送给操作系统。,设备的使用过程,将抽象要求转换为具体要求,检查I/O请求的合法性,检查设备状态,传送必要参数,设备驱动程序的处理过程,启动I/O设备,
