計算機基礎教程操作系統

Chapter4

操作系統

CS,ZJU10/14/2024Overview操作系統的定義操作系統的類型常見的操作系統操作系統的結構和組成Windows操作系統文件管理2024/10/142計算機科學基礎4.1操作系統的定義操作系統是計算機硬件和用戶（其他軟件和人）之間的接口，位于計算機系統核心的操作系統，它使得用戶能夠方便地操作計算機，能有效地對計算機軟件和硬件資源進行管理和使用。2024/10/143計算機科學基礎4.2操作系統的類型操作系統有許多不同的分類方法，按照其使用環(huán)境和對程序執(zhí)行的處理方式進行分類，可分為：實時系統單用戶單任務系統單用戶多任務系統多用戶多任務系統分布式系統并行系統2024/10/144計算機科學基礎實時系統實時操作系統要求在規(guī)定的時間內響應，并快速處理，其響應時間一般在毫秒、微秒級甚至更快。大多數實時操作系統是專用系統。實時操作系統本身對資源的使用和控制都必須優(yōu)化以滿足系統要求。2024/10/145計算機科學基礎單用戶單任務系統計算機只能由一個人使用，且一次只能執(zhí)行一個任務。大多數實時操作系統是專用系統。早前PC機的DOS（DiskOS）系統就是這種單用戶單任務操作系統。雖然這種操作系統的效率低，但是系統對計算機硬件的要求不高。2024/10/146計算機科學基礎單用戶多任務系統仍然只能支持一個人使用計算機，但允許同時執(zhí)行多個任務。目前最為常見的PC機操作系統，包括Windows、Apple公司的MacOS、Linux。采用任務是一種分時處理技術，將CPU的執(zhí)行時間劃分為若干個時間片，在一個時間片內執(zhí)行一個任務，在下一個時間片內執(zhí)行另外一個任務，循環(huán)不息?？梢栽诙鄠€程序之間進行數據交換。由于需要支持多個任務，要在用戶界面處理、系統資源的分配和調度等方面進行大量的處理，因此整個系統比較龐大，且比較復雜。2024/10/147計算機科學基礎多用戶多任務系統允許多個用戶使用一臺主機，而且支持每個用戶的多任務處理。早期硬件資源非常昂貴，多采用使用主機的多用戶多任務系統，這種結構演變到今天就是網絡服務器，終端工作站變成了PC機。最早的操作系統UNIX就是多用戶系統，今天它也是高端網絡服務器的操作系統，而Windows的服務器版也具有這種功能。2024/10/148計算機科學基礎并行系統并行操作系統是針對計算機系統的多處理器要求設計的，它除了完成單一處理器系統同樣的作業(yè)與進程控制任務外，還需要完成在系統的多個處理器之間活動的分配、調度。并行系統要解決“負載平衡”（LoadBalancing）問題和“縮放”問題。2024/10/149計算機科學基礎分布式系統通過網絡將物理上分布（分散）的具有獨立功能的計算機系統互連起來，實現信息交換、資源共享、可互操作和協作處理的系統。側重且擴大了操作系統對網絡資源的控制范圍，并實現統一控制。“云計算”。2024/10/1410計算機科學基礎4.3常見的操作系統MS-

DOS單用戶操作系統。DOS采用字符界面，其中的命令一般都是英文單詞或縮寫。由于DOS系統有廣泛的用戶群，在Windows中成為一個任務（命令提示符窗口）被保留下來。2024/10/1411計算機科學基礎Windows基于圖形用戶界面(GUI)的操作系統。它可以同時運行多個應用程序(多任務)眾多版本Windows3.X、WindowsNT、Windows95、97、98……Windows7個人版、專業(yè)版、企業(yè)版，乃至支持龐大用戶量的數據中心版。2024/10/1412計算機科學基礎UNIX/LinuxUNIX是非常著名的多用戶多任務分時操作系統。UNIX不僅是一個運行可靠、穩(wěn)定的系統，而且由其開創(chuàng)的操作系統技術一直為其他操作系統所遵循，因此它成了事實上的標準。Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統。Linux被認為是一種高性能、低開支的，可以替換其他昂貴操作系統的軟件。劣勢在于需要更多的修補，且其運行應用程序的數量遠沒有Windows那么多。2024/10/1413計算機科學基礎MacOSMacOS是Apple公司為其Macintosh系列計算機設計的操作系統。早于Windows，且也是基于GUI的。具有很強的圖形處理能力，被公認為是最好的圖形處理系統。2024/10/1414計算機科學基礎移動設備操作系統PalmOS由最早生產PDA(個人數據助理)的Palm公司開發(fā)。WindowsMobile微軟公司開發(fā)的適用于移動設備的Windows系統。SymbianOSNokia和SonyEricsson等手機生產商聯合開發(fā)的智能手機操作系統。AndroidGoogle公司收購了原開發(fā)商Android后，聯合多家制造商推出的面向平板電腦、移動設備、智能手機的操作系統?；贚inux開放的源代碼開發(fā)且仍然是免費系統。

iOSApple公司為其生產的移動電話iPhone開發(fā)的操作系統。2024/10/1415計算機科學基礎4.4操作系統的結構和組成各種類型操作系統的功能基本相同，其結構也差不多，只是實現方法不同。操作系統的結構基于軟件的層次結構，把操作系統分為內核（Kernel）和用戶接口（Shell）兩層。操作系統的組成包括：進程管理、存儲管理、文件管理和設備管理。2024/10/1416計算機科學基礎層次結構：內核（kernel）包括操控計算機各種資源的基本模塊、設備驅動（DeviceDriver、內存管理Kernel的調度程序決定哪一個任務被執(zhí)行，控制程序為這些任務分配時間片。用戶接口（shell）Shell（外殼程序）負責接收用戶（包括用戶執(zhí)行的應用程序）的操作命令，并將這個命令解釋后交給Kernel去執(zhí)行。Shell命令有兩種方式，一種是會話式輸入，另一種是命令文件方式。DOS的Shell叫命令解釋器（Command）在Windows系統中Shell是“窗口管理器”內核用戶接口用戶/程序2024/10/1417計算機科學基礎PC機的操作系統已經發(fā)展成一個極為龐大和復雜的系統：它的內核相對穩(wěn)定，其主要變化是為了適應處理器芯片功能的變化；而它的外殼則占到整個龐大系統的大部分。圖形用戶界面（GUI）改變了用戶使用計算機的方式，而對界面的管理，則成了操作系統最主要的開銷，一方面界面要美觀、流暢，另一方面要為用戶定制界面提供各種方案。2024/10/1418計算機科學基礎功能組成：進程管理存儲器管理設備管理文件管理2024/10/1419計算機科學基礎進程管理程序、作業(yè)和進程“程序”成為“作業(yè)”進而成為“進程”，并被按照一定規(guī)則進行調度。程序、作業(yè)和進程分別定義了計算機工作過程的不同狀態(tài)。存放在磁盤上的程序看成它的一個靜止狀態(tài)。作業(yè)（Job）是程序的另一個狀態(tài)，它是指程序從被選中運行直到運行結束的整個過程。當一個作業(yè)被選中后進入內存運行，這個作業(yè)就成為進程。所有的進程都是作業(yè)，但不是所有的作業(yè)都是進程。換言之，正在運行的程序才是進程。2024/10/1420計算機科學基礎進程:程序的一次運行.現代操作系統支持多任務處理，成為進程的程序已經被調入內存，在一般情況下，CPU給每個進程分配時間片并輪流去執(zhí)行，也可以根據需要對進程進行調度。2024/10/1421計算機科學基礎程序、作業(yè)和進程狀態(tài)的轉換過程程序、作業(yè)和進程關系圖進程調度一個進程是否被選中運行取決于調度算法：一種算法是，給每個進程設定優(yōu)先級，CPU響應高級別的進程，在同等級別的情況下順序執(zhí)行；還有一類算法是，使得處理器和外設處于同時“忙”的狀態(tài)，盡可能使系統“并行”，提高系統的運行效率；也有算法使得每個進程都得到“公平”的響應。進程同步和死鎖同步，即保證不同的進程使用不同的資源。死鎖就是多個進程同時占有對方需要的資源而同時請求對方的資源，而它們在得到請求之前不會釋放所占有的資源，即進程不能同步。2024/10/1424計算機科學基礎避免死鎖的方法：當某個資源不空閑時，讓需要這個資源的進程處于等待狀態(tài)。限制進程占用資源的時間。發(fā)生死鎖會導致系統處于無效等待狀態(tài)，因此必須撤銷其中的一個進程。例如在Windows中，可用“任務管理器”終止沒有響應也就是無效的進程。線程（Thread)進程概念的延伸。如果程序只有一個進程就可以處理所有的任務，那么它就是單一線程的。如果程序可以被分解為多個進程共同完成程序的任務，那么被分解的不同進程就叫做線程，也叫輕量級進程（LightWeightProcesses）線程的模式可分為：單線程單元線程模式自由線程模式2024/10/1426計算機科學基礎存儲器管理操作系統動態(tài)監(jiān)控計算機內存空間的使用情況，當某個程序執(zhí)行結束后，系統就會自動將它占用的內存單元收回以供其他程序使用。操作系統記錄每個程序使用內存的情況，根據進程執(zhí)行情況，不斷變換內存空間的分配。存儲器管理還負責管理內存、外存之間數據交換。內存管理內存和外存數據交換虛擬內存2024/10/1427計算機科學基礎內存管理

操作系統的一個重要任務就是要解決“內存不足”以致程序無法運行的問題。存儲器管理器（MemoryManageUnit，MMU）管理方式一般可以分為單道程序和多道程序方式。單道程序運行的程序被整體裝入內存運行，運行結束后再由一個新的程序使用內存。多道程序操作系統在內存中裝入多個程序并“同時”執(zhí)行這些程序，由CPU輪流執(zhí)行。2024/10/1428計算機科學基礎單道程序：內存大部分被單一的程序所使用，內存中的另一個較小的部分是裝載操作系統。多見于早期的計算機、專用計算機；存在的問題是：被運行的程序大?。⊿ize）受到內存的限制。數據空間隨著程序執(zhí)行的進展而擴大，程序會出現運行異常。只能夠運行一個程序。2024/10/1429計算機科學基礎多道程序MMU需要給每一個程序（進程）分配內存空間，并將各個程序的內存地址傳給進程管理器的進程表。按照內存和外存是否交換程序和數據進行劃分，有兩種實現多道程序的技術：非交換技術，程序運行期間全部在內存進行，不和外存交換數據。交換技術，程序在運行期間需要和外存交換數據。2024/10/1430計算機科學基礎多道程序技術類型非交換技術分區(qū)調度:內存被分成不定長的幾個區(qū),每個程序占有一個區(qū),CPU按照進程調度在各個分區(qū)(程序)之間輪流執(zhí)行.分頁調度:對程序和內存都進行了劃分內存被分成大小相等的”幀”，而程序被劃分成與幀的大小相等的“頁”，系統根據頁的數量裝載進幀中。它可以使用多種幀的組合實現內存分配的需要。多道程序的分頁調度交換技術請求分頁調度:在分頁調度技術的基礎上，不必整體調入所有頁，而根據程序運行情況確定。請求分段調度:程序執(zhí)行的內存空間是動態(tài)決定被劃分的。內存被劃分成若干個段，程序的一個執(zhí)行部分（子程序）“段”被裝載進內存運行。內存和外存數據交換MMU是操作系統的一部分，在操作系統中，MMU負責處理：何時將程序或數據從外存裝載到內存中？CPU如何在內存中尋找所需要的程序和數據的地址。如何對內存分區(qū)或者分塊，以存放不同的程序。2024/10/1435計算機科學基礎MMU存儲管理器邏輯地址由CPU執(zhí)行處理時形成MMU從CPU得到邏輯地址并轉換成內存的實際物理地址,并發(fā)出控制信號將外存上的數據或程序與內存交換.虛擬內存在磁盤上開辟一個比內存要大的空間（Windows建議為1.5倍），把被執(zhí)行的程序裝載到這個區(qū)域中，按照內存的結構進行組織，當需要調入內存時直接進行映射操作，減少了數據轉換過程。引入虛擬內存技術的好處可在較小的可用內存中執(zhí)行較大的用戶程序；可在內存中容納更多程序并發(fā)執(zhí)行；不必影響編程時的程序結構；提供給用戶可用的虛擬內存空間通常大于物理內存(realmemory)；2024/10/1437計算機科學基礎虛擬內存原理任何一個I/O設備都包含了設備硬件和使用這個設備的軟件對操作系統而言，凡是接入計算機的設備都應該被納入它的管理范圍，問題：有成千上萬種各式各樣的設備，為每一個設備建立一個管理？不現實！不同設備訪問策略

有效管理，是操作系統I/O設備管理的主要任務設備管理2024/10/1439計算機科學基礎I/O系統操作系統通常從種類繁多的I/O設備中抽象出一些通用類型,每個通用類型可以通過一組標準函數(即軟件接口程序)來訪問.具體的差別被內核模塊(設備驅動程序)所封裝.設備驅動程序一方面可以定制以適合各種設備,另一方面提供了一組標準接口.兩類設備塊設備（BlockDevice），如磁盤信息存儲在固定長度塊中每個塊有自己的地址塊大小一般在128到1024個字節(jié)之間字符設備，如鍵盤、鼠標器以字符為單位接收/發(fā)送不考慮結構這種劃分的好處：處理設備的軟件獨立于設備——抽象.如操作系統中可把設備當作文件進行管理,它只處理抽象的設備,而把對設備硬件的操作留給更底層的設備驅動程序去完成.I/O內核OS的I/O內核提供與I/O有關的服務調度、緩沖、假脫機、設備預留及錯誤處理…在硬件和設備驅動程序結構之上1．I/O調度 確定一個好的順序來執(zhí)行I/O請求，例如磁頭的尋道2．緩沖區(qū) 設備之間、設備和應用程序間傳輸數據的內存區(qū)域3．假脫機（Spooling） 保存設備輸出的緩沖，如打印過程,不能接收交叉的數據流.設備驅動程序OS不直接操縱設備，它是通過管理設備的驅動程序間接使用設備設備驅動程序(DeviceDriver)由生產設備的廠家提供，所有與設備相關的代碼都放在設備驅動程序中如果設備的類型差別很小，系統可以屏蔽其差別，使用同一個程序代碼操縱這個設備在計算機系統中，標準的設備如鍵盤、顯示器、鼠標器等，OS默認使用標準的設備驅動程序為用戶提供這些設備的使用時鐘系統時鐘（Clock）——定時器（Timer）提供系統時間防止一個進程壟斷CPU或者其它資源特殊設備，也采用“設備驅動程序”硬件時鐘是一個簡單的晶體振蕩器，它直接送入一個電子計數器，當計數器歸零時向CPU發(fā)出一個中斷號，然后再次進入計數過程。軟件時鐘

----硬件時鐘只提供一個時間間隔,其他工作都由軟件來完成.建立并維護系統的時間和日期防止進程超時運行為計算機各系統提供定時器功能等顯示系統顯示系統——存儲映像終端：每個象素對應于顯示存儲器（視頻存儲器）的一個或幾個存儲單元OS對顯示系統管理的主要任務就是向顯存輸出顯示數據OS對視頻終端的操作

設備驅動程序：設置掃描頻率，設置顯示分辨率等重要的問題顯示過程需要不停的讀出顯示存儲器的數據OS如何向顯示存儲器發(fā)送要顯示的數據呢注意——存儲器不可能同時進行讀寫！解決之道：利用顯示器行、幀回掃周期4.5Windows操作系統在微機系統中，Windows占有絕對的市場份額。微軟公司從1985年開始至今已經陸續(xù)發(fā)布了10多個版本，2011年的統計數據表明，PC機目前主要使用的是WindowsXP和Windows7。特點：使得計算機的操作、應用變得非常容易?；趫D形用戶界面和支持即插即用。運用了多種先進的技術。能處理多媒體信息，內置了多種網絡協議。提供了應用程序接口（API）、設備驅動程序開發(fā)工具。在安全性上一直備受批評，用戶需要不斷地從微軟網站上下載“補丁”程序進行更新（Update）。2024/10/1446計算機科學基礎Windows也使用了內核和外殼模型結構2024/10/1447計算機科學基礎系統管理Windows有注冊表、服務、管理規(guī)范3種管理機制。Windows的注冊表是存放了系統和應用程序信息的一個表（數據庫）。在命令行中輸入regedit就可以打開Windows的注冊表。注冊表中的數據在系統啟動、用戶登錄、應用程序啟動這3個時間點上被讀取。通常，安裝或改變應用程序、設備驅動程序，或更改系統設置，都會影響注冊表。啟動和停機2024/10/1448計算機科學基礎4.6文件管理計算機無論其程序還是數據，都是以電子、磁或光等不同的物理形態(tài)表示并以位模式組織和存儲的，用戶是無法直接感受其存在的。因此一種抽象的、概念化的、易于理解的數據組織方式，不但為計算機所用，也使得用戶可以不必關心其物理形態(tài)和存儲模式，這種方式就是文件和文件系統。2024/10/1449計算機科學基礎文件和文件系統文件的定義：計算機文件是一個存儲在存儲器上的數據的有序集合，并以一個名字標記。含義：存儲在存儲器上（外存儲器）。數據之間有關聯。有名字（按照規(guī)則命名）。文件系統管理計算機中所存儲的程序和數據，負責為用戶建立文件、刪除文件、讀/寫文件、修改文件、復制文件、移動文件，負責完成對文件的按名存取并進行存取控制。應具備以下功能：對計算機的外存空間進行統一管理，以便合理組織和存放文件。建立用戶能夠看見（顯示或打?。┑奈募倪壿嫿Y構。支持對存儲設備上的文件進行檢索、查找和提供文件的訪問控制。2024/10/1450計算機科學基礎給文件取名文件名以字母和數字的組合唯一標識一個文件。不同操作系統的文件命名規(guī)則也不同。2024/10/1451計算機科學基礎MS系統環(huán)境下的文件名是由字符和數字組成的，分三部分，格式為：[<盤符>]<文件名>[.擴展名]例如：C:\TEXT.TXT——C盤中的“text”的文件，擴展名為“.txt”[]中表示可以省略盤符——存放文件的磁盤驅動器號A、B為軟盤，C～Z為硬盤或光盤2024/10/1452計算機科學基礎文件擴展名和通配符擴展名為由“.”開始的1～3個字符組成擴展名的一個重要作用是計算機的程序是根據它們判斷其用途的。有些軟件在創(chuàng)建文件的同時給出文件擴展名。MS系統中，使用文件的擴展名指示文件的基本屬性，擴展名的一個重要作用是操作系統是根據它們判斷其用途的，并對數據文件建立和程序的關聯，在操作系統的注冊表中有一個能被識別的文件類型的清單。2024/10/1453計算機科學基礎2024/10/1454計算機科學基礎通配符“*”代表它所在位置為任意個任意字符“？”代表它所在位置為一個任一字符如要查找文件類型為文本的文件，可輸入*.txt要查找以ab開始的Word文件，可輸入ab*.doc要查找文件名為任意兩個字符的任意類型文件

??.*常用的文件類型執(zhí)行文件.exe.com.bat數據文件文檔（Document）、電子表格、數據庫數據文件等程序執(zhí)行所需要的、或產生的其他文件都是數據文件圖形圖像文件圖形圖像的數據存儲也是按照一定的規(guī)則進行組織不同的圖形圖像程序使用不同格式的圖形圖像數據文件視頻文件

動畫文件和影像文件2024/10/1456計算機科學基礎目錄結構從系統角度來看：文件系統是對文件存儲器的存儲空間進行組織、分配和回收，負責文件的存儲、檢索、共享和保護。從用戶角度來看：文件系統主要是實現“按名存取”，用戶只要知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而無需知道這些文件究竟存放在什么地方。MSDOS：使用“目錄”（Directory）這個詞Windows系統：目錄被“文件夾”（folder）代替2024/10/1457計算機科學基礎文件存取用戶是通過對文件的存取實現對文件的操作的。文件存取方法決定了文件系統的檢索策略。順序存取只能按照一個接著一個的信息單位（或數據單位）進行存取，最典型的就是磁帶文件存取過程；順序文件不記載相關的地址信息，只根據文件結尾標志判斷是否結束；隨機存取在文件系統中隨機存取文件或在文件中隨機存取數據記錄,需要先確定數據的位置信息,即需要知道數據記錄的存儲地址.。隨機查找的方式主要有索引、哈希以及二分法等，可以將關鍵字和數據記錄關聯；2024/10/1458計算機科學基礎索引文件索引文件是為了檢索需要建立的文件把所有文件的關鍵信息如文件名或屬性,以及這個文件的存放地址組織在一起,就構成檢索文件的索引文件同樣一個文件是記錄關聯數據的,把關鍵字和關聯數據的存儲地址對應組織起來就形成該數據文件的索引文件.索引文件存取數據的過程為：將索引文件調入計算機主存；根據關鍵字在索引文件中查找目標存儲地址；根據所檢索到的存儲地址到文件系統或數據文件中查找；將查找到的結果返回給用戶哈希文件哈希文件——使用一個函數（算法）來完成關鍵字到存儲器地址的映射，根據用戶給出的關鍵字，經函數計算得到目標的地址，再進行目標的檢索哈希的多種方法直接哈希法求模法數字析取法哈希文件檢索的地址映射文件的存儲結構文件是如何存放在磁盤上的，即它的存儲結構(物理結構)。簇（Cluster）——幾個相鄰的磁道和扇區(qū)組成扇區(qū)組存儲結構上，把一個扇區(qū)或一個簇當作一個存儲單位一個文件可以使用一個或多個扇區(qū)或簇一個扇區(qū)或簇被一個文件存放了數據，哪怕存放了一位數據，這個扇區(qū)或簇就被標記為全部被這個文件所使用可以發(fā)現：系統提供的文件大小和存儲空間不同——原因。存儲器的物理區(qū)塊劃分越小，存儲器的使用率就越高劃分得越細，管理這種劃分需要的開銷就越大扇區(qū)一般在512B到幾KB之間選擇2024/10/1463計算機科學基礎FAT系統不同的文件系統有不同的存儲結構。FAT——FileAllocationTable，文件分配表。操作系統通過建立文件分配表FAT，記錄磁盤上的