高校计算机教学第四章计算机操作系统配套课件

1、大学计算机基础大学计算机基础操作系统操作系统 （Operating System） 硬件到底是怎么动起来的？计算机硬件是如何动起来的？第四章第四章 计算机操作系统计算机操作系统 为了使计算机系统所有的资源（包括中央处理为了使计算机系统所有的资源（包括中央处理器、存储器、各种外部设备和各种软件）协调一致器、存储器、各种外部设备和各种软件）协调一致地工作，就必须有一个软件来进行统一管理和统一地工作，就必须有一个软件来进行统一管理和统一调度，这种软件称为操作系统。调度，这种软件称为操作系统。 计算机发展到今天，从微机到小型、中型、大计算机发展到今天，从微机到小型、中型、大型机仍至巨型机，无一例外地都

2、配置了一种或多种型机仍至巨型机，无一例外地都配置了一种或多种操作系统，操作系统已成为现代计算机系统不可分操作系统，操作系统已成为现代计算机系统不可分割的重要组成部分。割的重要组成部分。 本章主要讲述操作系统概念及构成；重点讲述本章主要讲述操作系统概念及构成；重点讲述操作系统中的几个基本功能及相关概念。操作系统中的几个基本功能及相关概念。4.1.1 操作系统的概念操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同时它又是用户与计算机硬件的接口。时它又是用户与计算机硬件的接口。系统程序和应用程序系统程序和应用程序操操 作作 系系 统统硬硬 件件 层层没有操作系没有

3、操作系统，应用软统，应用软件如同空中件如同空中楼阁，无法楼阁，无法运行。运行。 4.1.2 操作系统的构成4.1 操作系统概念及构成操作系统概念及构成操作系统操作系统 进程管理进程管理 内存管理内存管理 文件管理文件管理 输入输入/输出系统管理输出系统管理 二级存储管理二级存储管理用户接口用户接口 联网、保护系统和命令解释程序系统联网、保护系统和命令解释程序系统就是对就是对CPU的的管理。管理。就是如何合就是如何合理分配和使理分配和使用内存。用内存。就是对文件就是对文件及文件夹进及文件夹进行管理。行管理。就是对外部各就是对外部各种输入输出设种输入输出设备进行管理。备进行管理。主要是指对主要是指

4、对硬盘进行管硬盘进行管理。理。就是提供对网就是提供对网络管理、对进络管理、对进程工作过程的程工作过程的保护及提供用保护及提供用户与操作系统户与操作系统的接口程序。的接口程序。动动 画画4.2.1 操作系统的类别4.2 操作系统类别与计算环境操作系统类别与计算环境批处理系统批处理系统1 1多道程序系统多道程序系统2 2分时系统分时系统3 3实时系统实时系统4 4桌面系统桌面系统5 5多处理机系统多处理机系统6 6网络系统网络系统7 7分布式系统分布式系统8 8嵌入嵌入式系统式系统9 9 经过多年的发展，先后出现了各经过多年的发展，先后出现了各种类型的操作系统。从早期的批处理种类型的操作系统。从早

5、期的批处理操作系统、多道程序发展到分时操作操作系统、多道程序发展到分时操作系统；另外，还有为满足计算机处理系统；另外，还有为满足计算机处理实时事件的需要研发的实时操作系统；实时事件的需要研发的实时操作系统；为适应个人计算机系统的需要出现的为适应个人计算机系统的需要出现的桌面操作系统；为适应并行系统的需桌面操作系统；为适应并行系统的需要开发多处理机操作系统；为满足网要开发多处理机操作系统；为满足网络和分布计算的需要，就有了网络操络和分布计算的需要，就有了网络操作系统和分布式操作系统；此外，还作系统和分布式操作系统；此外，还有为支持嵌入式计算机的嵌入式操作有为支持嵌入式计算机的嵌入式操作系统。系统

6、。动动 画画4.2.2 计算环境 操作系统总是在某种计算环境中设置和使用，就目前来看计算环境可分为以下几类：4.2 操作系统类别与计算环境操作系统类别与计算环境 1. 传统计算环境传统计算环境 指普通意义下的独立或联网工作下所形成的计指普通意义下的独立或联网工作下所形成的计算环境。算环境。 2.基于基于Web的计算环境的计算环境 互联网的普及使得计算被延伸到互联网的普及使得计算被延伸到Web环境。环境。 3.嵌入式计算环境嵌入式计算环境 嵌入式计算机就是安装在某些设备上的计算部嵌入式计算机就是安装在某些设备上的计算部件，其计算相对比较简单。件，其计算相对比较简单。4.3.1 进程的概念进程管理

7、进程管理 什么是进程？它与程序有什么区别？什么是进程？它与程序有什么区别？ 程序：用户为完成某一个特定问题而编写的操程序：用户为完成某一个特定问题而编写的操作步骤。作步骤。 进程：可简单地看作是正在执行的程序。但是进程：可简单地看作是正在执行的程序。但是进程需要一定的资源来完成它的任务进程需要一定的资源来完成它的任务(例如例如CPU时间、时间、内存、文件和内存、文件和I/O设备设备) 。 进程管理进程管理 在计算机中，由于多个程序共享系统资源，就必在计算机中，由于多个程序共享系统资源，就必然引发对然引发对CPU的争夺。如何有效地利用的争夺。如何有效地利用CPU资源，资源，如何在多个请求如何在多

8、个请求CPU的进程中选择取舍，这就是进程的进程中选择取舍，这就是进程管理要解决的问题。管理要解决的问题。动动 画画 进程与程序的区别在于进程是动态的、有生命进程与程序的区别在于进程是动态的、有生命力的，而程序是静态的。一个程序加载到内存，系统力的，而程序是静态的。一个程序加载到内存，系统就创建一个进程，程序执行结束后，该进程也就消亡就创建一个进程，程序执行结束后，该进程也就消亡了。了。4.3.2 进程的状态转移新的新的就绪就绪运行运行终止终止等待等待允许允许中断中断退出退出允许允许进程状态及转换图进程状态及转换图进程管理进程管理如如CPU时间片被用完，时间片被用完，迫使进程让出迫使进程让出CP

9、U进程等待分配进程等待分配CPU进程已分配到进程已分配到CPU，正在被执行。正在被执行。进程正在被创建进程正在被创建进程已完成进程已完成进程等待一些事件的出现进程等待一些事件的出现 如进程可能要使用某个如进程可能要使用某个I/O设备而进入等待状态，等待设备而进入等待状态，等待使用相应的设备，当使用相应的设备，当 I/O完成后进程进入就绪队列。完成后进程进入就绪队列。4.3.3 进程控制块PCB(略)进程管理进程管理 为了控制进程，操作系统就必须知道进程存储为了控制进程，操作系统就必须知道进程存储在哪里，以及进程的一些属性。在哪里，以及进程的一些属性。 进程控制块是进程实体的一部分，是操作系统进

10、程控制块是进程实体的一部分，是操作系统中记录进程的专用数据结构。一个新的进程创建时，中记录进程的专用数据结构。一个新的进程创建时，操作系统就会为该进程建立一个进程控制块。操作操作系统就会为该进程建立一个进程控制块。操作系统根据进程控制块对并发进程进行控制。系统根据进程控制块对并发进程进行控制。4.3.4 进程调度及队列图进程管进程管理理 在某一时刻，计算机的在某一时刻，计算机的CPU(单核单核)只能运行一只能运行一个进程，如果存在多个进程，其它进程就需要等个进程，如果存在多个进程，其它进程就需要等CPU空闲时才能被调度执行。空闲时才能被调度执行。 当一个进程处于等待或当一个进程处于等待或CPU

11、时间片用完时，操时间片用完时，操作系统就会从该进程中拿走作系统就会从该进程中拿走CPU控制权，然后再交控制权，然后再交给其它进程使用，这就是进程的调度。给其它进程使用，这就是进程的调度。 进程进程B进程进程A进程进程CCPU时间时间进程进程C进程进程B进程进程A4.3.5 CPU调度及其准则进程管进程管理理 在设计在设计CPU调度程序时主要应该考虑的准则包括：调度程序时主要应该考虑的准则包括： (1) CPU使用率。让使用率。让CPU尽可能地忙。尽可能地忙。 (2) 吞吐量。让吞吐量。让CPU在一定时间内完成的进程数尽可能多。在一定时间内完成的进程数尽可能多。 (3) 周转时间。让进程从提交到

12、运行完成的时间尽可能短。周转时间。让进程从提交到运行完成的时间尽可能短。 (4) 等待时间。让进程在就绪队列中等待所花时间之和尽可等待时间。让进程在就绪队列中等待所花时间之和尽可能短。能短。 (5) 响应时间。让进程从提交请求到产生第一响应之间的时响应时间。让进程从提交请求到产生第一响应之间的时间尽可能短。间尽可能短。4.3.7 进程的同步与互斥进程管理进程管理 进程的同步就是指相互协作的进程不断调整它进程的同步就是指相互协作的进程不断调整它们之间的相对速度，以实现共同有序地推进。们之间的相对速度，以实现共同有序地推进。 换句话说换句话说, ,在操作系统中，允许多个进程并发运在操作系统中，允许

13、多个进程并发运行。然而，有些进程之间本身存在某种联系，它们行。然而，有些进程之间本身存在某种联系，它们在系统中需要一种协作，以保证进程能正确有序地在系统中需要一种协作，以保证进程能正确有序地执行并维护数据的一致性。执行并维护数据的一致性。动动 画画进程管理进程管理把数据从键盘送入缓冲区把数据从键盘送入缓冲区给给B发信号发信号(缓冲区已满缓冲区已满)等待等待B发回信号发回信号(再送数据到缓冲区再送数据到缓冲区)A进程进程B进程进程等待等待A信号信号(等待取数据并计算等待取数据并计算)取缓冲区中的数据进行计算取缓冲区中的数据进行计算给给A发信号发信号(缓冲区数据已取走缓冲区数据已取走) 例例:A、

14、B两进程同步工作如下图（两进程同步工作如下图（A进程负进程负责从键盘读数据到缓冲区，责从键盘读数据到缓冲区，B进程从缓冲区取数进程从缓冲区取数据并计算。据并计算。动动 画画进程管理进程管理 在操作系统中，可能存在着多个进程。而系统中在操作系统中，可能存在着多个进程。而系统中一些资源一次只允许一个进程使用，这类资源被称为一些资源一次只允许一个进程使用，这类资源被称为临界资源。在进程中访问临界资源的那段程序称为临临界资源。在进程中访问临界资源的那段程序称为临界区。当一个进程进入临界区执行时，其它进程就不界区。当一个进程进入临界区执行时，其它进程就不允许进入临界区执行，否则就会导致错误结果。例如：允

15、许进入临界区执行，否则就会导致错误结果。例如： 多个进程在竞争使用打印机时表现为互斥。多个进程在竞争使用打印机时表现为互斥。 一个文件可供多个进程共享，其中有一个进程在一个文件可供多个进程共享，其中有一个进程在写操作时，其它进程则不允许同时写或读，表现为互写操作时，其它进程则不允许同时写或读，表现为互斥。由此得出斥。由此得出: : 多个进程并发执行时，只允许一个进程进入临多个进程并发执行时，只允许一个进程进入临界区运行，这就是进程的互斥。界区运行，这就是进程的互斥。 动动 画画在多道程序设计中，多个进程可能竞争一定数在多道程序设计中，多个进程可能竞争一定数量的资源。一个进程在申请资源时，如果所

16、申请资量的资源。一个进程在申请资源时，如果所申请资源不足，该进程就必须处于等待状态。如果所申请源不足，该进程就必须处于等待状态。如果所申请的资源被其它进程占有，那么进程的等待状态就可的资源被其它进程占有，那么进程的等待状态就可能无法改变，从而形成进程之间相互一直等待的局能无法改变，从而形成进程之间相互一直等待的局面，这就是死锁。面，这就是死锁。4.3.8 进程的死锁及处理方法进程管理进程管理 死锁举例：死锁举例： 四方街区的车辆阻塞。四方街区的车辆阻塞。每个方向都希望其它方让出每个方向都希望其它方让出通道，但谁也不能够让出。通道，但谁也不能够让出。 引起死锁的四个必要条件：引起死锁的四个必要条

17、件： (1) 互斥：某一资源任一时刻只能有一个进程独互斥：某一资源任一时刻只能有一个进程独占，若另一进程申请该资源则需延迟到该资源释放占，若另一进程申请该资源则需延迟到该资源释放为止。为止。 (2) 占有并等待：即该进程占有部分资源后还占有并等待：即该进程占有部分资源后还在等待其它资源，而该资源被其它进程占有。在等待其它资源，而该资源被其它进程占有。 (3) 非抢占：某进程已占用资源且不主动放弃非抢占：某进程已占用资源且不主动放弃它所占有的资源时，其它进程不能强占该资源，只它所占有的资源时，其它进程不能强占该资源，只有等其完成任务并释放资源。有等其完成任务并释放资源。 (4) 循环等待：在出现

18、死锁的系统中，一定存循环等待：在出现死锁的系统中，一定存在这样一个进程链，其中每个进程至少占有其它进在这样一个进程链，其中每个进程至少占有其它进程所必需的资源，从而形成一个等待链。程所必需的资源，从而形成一个等待链。进程管理进程管理进程管理进程管理 死锁举例：死锁举例： 进程进程A：获得：获得CD-ROM使用权，申请打印机使用权，申请打印机 进程进程B：获得打印机使用权，申请：获得打印机使用权，申请CD-ROM 死锁：此时进程死锁：此时进程A、B均被阻塞，无法运行均被阻塞，无法运行动动 画画处理死锁处理死锁问题的三种方式问题的三种方式： (1) 使用协议预防和避免死锁，确保系统从不使用协议预防

19、和避免死锁，确保系统从不进入死锁状态。进入死锁状态。 (2) 允许系统进入死锁状态，然后检测出死锁，允许系统进入死锁状态，然后检测出死锁，并加以恢复。并加以恢复。 (3) 可忽略进程死锁问题，并假装系统中死锁可忽略进程死锁问题，并假装系统中死锁从来不会发生。即没有必要把精力花在小概率事件从来不会发生。即没有必要把精力花在小概率事件上。上。进程管理进程管理处理死锁优先考虑的顺序：处理死锁优先考虑的顺序：先先预防预防和避免和避免再再检测检测和恢复和恢复4.4 内存管理内存管理 内存是现代操作系统的核心，是可被内存是现代操作系统的核心，是可被CPU和和I/O设备所共同访问的数据仓库。计算机的所有程设

20、备所共同访问的数据仓库。计算机的所有程序运行时都要调入内存。序运行时都要调入内存。 内存管理的主要工作是：为每个用户进程合理内存管理的主要工作是：为每个用户进程合理地分配内存，以保证各个进程之间在存储区不发生地分配内存，以保证各个进程之间在存储区不发生冲突；当内存不足时，如何把内存和外存结合起来，冲突；当内存不足时，如何把内存和外存结合起来，给用户提供一个比实际内存大得多的虚拟内存，使给用户提供一个比实际内存大得多的虚拟内存，使得程序能顺利执行。得程序能顺利执行。4.4.1 用户程序执行与地址映射(了解)4.4 内存管理内存管理 用户编写程序在执行前，需要用户编写程序在执行前，需要多个处理步骤

21、，然后在内存中等待多个处理步骤，然后在内存中等待执行。当然有时并非每个步骤都是执行。当然有时并非每个步骤都是必需的。必需的。源程序源程序编译器或编译器或汇编器汇编器目标模块目标模块链接编辑器链接编辑器加载模块加载模块加载器加载器内存中内存中二进制内存二进制内存映像映像其它目其它目标模块标模块动态装入动态装入的系统库的系统库系统库系统库动态链接动态链接编译阶段编译阶段加载阶段加载阶段执行阶段执行阶段图图4.4 用户程序多步骤处理用户程序多步骤处理说明：编译器和汇编器用于将高级说明：编译器和汇编器用于将高级语言源程序翻译成二进制代码的机语言源程序翻译成二进制代码的机器语言程序。链接器将编译后不同器

22、语言程序。链接器将编译后不同的程序、函数库文件等连接生成的程序、函数库文件等连接生成EXE文件文件 。当运行。当运行EXE文件时，操文件时，操作系统的加载器读取作系统的加载器读取EXE文件并将文件并将它们加载到内存中。预先编译好的它们加载到内存中。预先编译好的在调入内存前加载的库文件就是静在调入内存前加载的库文件就是静态链接库文件。运行时动态装入的态链接库文件。运行时动态装入的库文件叫动态链接库文件。库文件叫动态链接库文件。 OBJ文件文件EXE文件文件4.4 内存管理内存管理 1. 1.编译阶段编译阶段: :如果在编译时就知道进程将在内存中的什么位如果在编译时就知道进程将在内存中的什么位置驻

23、留，那么编译器就可以直接以生成绝对地址代码。置驻留，那么编译器就可以直接以生成绝对地址代码。 2.加载阶段加载阶段: 不不知道进程将驻留在什么位置，那么编译器知道进程将驻留在什么位置，那么编译器就必须生成就必须生成程序的逻辑地址，在加载阶段再转变成内存的绝程序的逻辑地址，在加载阶段再转变成内存的绝对地址。对地址。 3.执行阶段执行阶段: :如果进程在执行时可以从一个内存段移动到如果进程在执行时可以从一个内存段移动到另一个内存段，那么进程的绝对地址映射工作只能延迟到执另一个内存段，那么进程的绝对地址映射工作只能延迟到执行时进行。行时进行。 通常，将指令和数据的地址映射成内存地址可以发生在以通常，

24、将指令和数据的地址映射成内存地址可以发生在以下三个执行阶段。下三个执行阶段。(了解了解)4.4.2 物理地址空间与逻辑地址空间 4.4 内存管理内存管理l 几个相关概念几个相关概念物理地址物理地址:是计算机内存单元的真实地址。是计算机内存单元的真实地址。 物理地址空间物理地址空间:由物理地址所构成的地址范围。由物理地址所构成的地址范围。 逻辑地址逻辑地址:经编译后的用户程序地址，从经编译后的用户程序地址，从0开始编开始编址。址。 逻辑地址空间逻辑地址空间:由逻辑地址所构成的地址范围。由逻辑地址所构成的地址范围。 地址映射地址映射:用户程序在运行时要装入内存，这就需用户程序在运行时要装入内存，这

25、就需要将逻辑地址变换成物理地址，该过程称为地址要将逻辑地址变换成物理地址，该过程称为地址映射，也称重定位。映射，也称重定位。用户编写的源用户编写的源程序是不考虑地址程序是不考虑地址的，源程序经编译的，源程序经编译后产生逻辑地址。后产生逻辑地址。将逻辑地址转换为将逻辑地址转换为内存中的物理地址内存中的物理地址是由计算机中被称是由计算机中被称为内存管理单元的为内存管理单元的硬件设备来实现的，硬件设备来实现的，将逻辑地址与内存将逻辑地址与内存管理单元中存放的管理单元中存放的内存基址相加就得内存基址相加就得到物理地址。到物理地址。 物理物理地址地址Base + X逻辑逻辑地址地址XCPU重定位重定位寄

26、存器寄存器Base+ +内存内存内存管内存管理单元理单元4.4 内存管理内存管理LOAD 1, 50012345LOAD 1, 50012345 0100500700程序程序A A的逻辑地址的逻辑地址空间空间程序程序A A的物理在址的物理在址空间空间. . . . . . . . . . . . .5000510055005700动动 画画4.4.3 进程使用内存的交换技术 为更加有效地使用内存，进程在不运行时，可为更加有效地使用内存，进程在不运行时，可以暂时从内存移至外存，需要再运行时再重新调回到以暂时从内存移至外存，需要再运行时再重新调回到内存中。也就是说内存管理程序可将刚刚运行过的进内存

27、中。也就是说内存管理程序可将刚刚运行过的进程从内存中换出以释放占用的内存空间，然后将另一程从内存中换出以释放占用的内存空间，然后将另一个要运行的进程占据前者释放的内存空间。个要运行的进程占据前者释放的内存空间。4.4 内存管理内存管理进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程C未用内存区未用内存区操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程C未用内存区未用内存区操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程C进程进程D注：这种交换技术多用于分时系统注：这

28、种交换技术多用于分时系统4.4.4 内存分配方案-连续4.4 内存管理内存管理进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程C未用内存区未用内存区在内存分配中，在内存分配中，常常把内存中还常常把内存中还没有被分配的可没有被分配的可用空间称为孔用空间称为孔( (hole) )。 开始时所有内存是一个大的孔，随着内存分配的进行就开始时所有内存是一个大的孔，随着内存分配的进行就会形成许多不连续的大小不同的孔。在连续内存分配方案中，会形成许多不连续的大小不同的孔。在连续内存分配方案中，当新进程需要内存时，就为其寻找合适的孔，实现内存分配。当新进程需要内存时，就为其寻找合适的孔，实现内存分配。该

29、方案需要为每个进程分配连续的内存物理空间。该方案需要为每个进程分配连续的内存物理空间。 4.4.5 内存分配方案-分页式4.4 内存管理内存管理 分页管理基本思想：分页管理基本思想： 内存物理地址空间划分为若干个大小相等的块内存物理地址空间划分为若干个大小相等的块(页框页框) 进程的逻辑地址空间也划分为同样大小的块进程的逻辑地址空间也划分为同样大小的块(页面页面) 内存分配时每个页面对应地分配一个页框，而一个进程内存分配时每个页面对应地分配一个页框，而一个进程所分得页框在位置上不必是连续的。所分得页框在位置上不必是连续的。页表：操作系统页表：操作系统为每个用户程序为每个用户程序建立一张页表，建

30、立一张页表，该表记录用户程该表记录用户程序的每个逻辑页序的每个逻辑页面存放在哪一个面存放在哪一个内存物理页框。内存物理页框。7页页6页页5页页4页页3页页2页页1页页0页页用户程用户程序序1191076425块号块号76543210页号页号页表页表11109876543210内存内存页面页面页框页框pdfCPUpdfdff 00000000f 11111111逻辑地逻辑地址址物理地物理地址址页表页表物理内物理内存存分页式内存管理从逻辑地址到物理地址的映射分页式内存管理从逻辑地址到物理地址的映射： (了解了解)页号页号p页内地址页内地址d（偏移量）（偏移量）注：逻辑地址的表示：注：逻辑地址的表示

31、：4.4 内存管理内存管理4.5.1 基本思想4.5 虚拟内存方案虚拟内存方案虚拟内存是一个容量很大的存储器的逻辑模型，虚拟内存是一个容量很大的存储器的逻辑模型，它不是任何实际的物理存储器。虚拟内存包括物理内它不是任何实际的物理存储器。虚拟内存包括物理内存和一部分外存存和一部分外存(这里所指的外存一般是指硬盘这里所指的外存一般是指硬盘)。 4.5 虚拟内存方案虚拟内存方案虚拟内存：虚拟内存：对于一个进程来讲，如果仅将当前对于一个进程来讲，如果仅将当前要运行的几个页面装入内存便可以开始运行，而其余要运行的几个页面装入内存便可以开始运行，而其余页面可暂时留在磁盘上，需要时再调入内存，并且调页面可暂

32、时留在磁盘上，需要时再调入内存，并且调入时也不占用新的内存空间，而是对原来运行过的页入时也不占用新的内存空间，而是对原来运行过的页面进行置换。这样，就可以在计算机有限的内存中同面进行置换。这样，就可以在计算机有限的内存中同时驻留多个进程。而对用户来讲感觉到系统提供了足时驻留多个进程。而对用户来讲感觉到系统提供了足够大的物理内存，而实际上并非真实的，这就是虚拟够大的物理内存，而实际上并非真实的，这就是虚拟内存。内存。 4.5.2 页面请求与页面置换算法4.5 虚拟内存方案虚拟内存方案 在虚拟内存技术中，进程运行时并没有将所有在虚拟内存技术中，进程运行时并没有将所有页面装入到内存，在运行过程中进程

33、会不断地请求页面装入到内存，在运行过程中进程会不断地请求页面，如果访问的页面已在内存，就继续执行下去；页面，如果访问的页面已在内存，就继续执行下去；但如果要访问的页面尚未调入内存，便请求操作系但如果要访问的页面尚未调入内存，便请求操作系统将所缺页面调入内存，以便进程能继续运行，这统将所缺页面调入内存，以便进程能继续运行，这个过程叫页面请求。个过程叫页面请求。 如果请求页面调入内存时，分配给该进程的页如果请求页面调入内存时，分配给该进程的页框已用完，就无法立即装入所请求页面。此时，必框已用完，就无法立即装入所请求页面。此时，必须将进程中的某个页面从内存的页框调出到磁盘上，须将进程中的某个页面从内

34、存的页框调出到磁盘上，再从磁盘上将所请求的页面调入到内存该页框中，再从磁盘上将所请求的页面调入到内存该页框中，这个过程叫页面置换。这个过程叫页面置换。动动 画画4.6.1 文件的概念4.6 文件管理文件管理 文件：保存在外存上的相关信息的集合。文件：保存在外存上的相关信息的集合。 文件命名：文件主名文件命名：文件主名+ +扩展名扩展名 文件的扩展名一般用来标明文件的类型。例如：文件的扩展名一般用来标明文件的类型。例如： .EXE 可执行文件可执行文件 .SYS 系统文件系统文件 .TXT 文本文件文本文件 .BAS Basic源程序源程序 .DOC Word文档文档 .BAK 备份文备份文件件

35、 在在Windows系统中，系统中，我们还可以通过图标的不同我们还可以通过图标的不同来区分文件的类型，但是显来区分文件的类型，但是显示文档图标的依据仍然是文示文档图标的依据仍然是文件的扩展名，所以修改文件件的扩展名，所以修改文件的扩展名，会使系统无法识的扩展名，会使系统无法识别文件的类型。别文件的类型。 常见的几种文件图标常见的几种文件图标 4.6 文件管理文件管理只读：只允许授权用户进行读操作。只读：只允许授权用户进行读操作。 读写：只允许授权用户进行读和写的操作。读写：只允许授权用户进行读和写的操作。 文档：允许任何用户进行读写操作。文档：允许任何用户进行读写操作。 隐藏：不允许用户直接看

36、到文件名。隐藏：不允许用户直接看到文件名。一个文件可以有不同的存取属性，例如：一个文件可以有不同的存取属性，例如：什么是文件系统？什么是文件系统？ 是操作系统对文件进行操作是操作系统对文件进行操作和管理的软件，是用户与外存之和管理的软件，是用户与外存之间的接口。该系统将所有文件组间的接口。该系统将所有文件组织成目录结构保存在外存，一个织成目录结构保存在外存，一个文件对应其中的一个目录条，目文件对应其中的一个目录条，目录条记录了文件名、文件位置、录条记录了文件名、文件位置、文件大小、创建时间等信息。文件大小、创建时间等信息。 4.6 文件管理文件管理操作系统对文件的基本操作包括：创建文件、操作系

37、统对文件的基本操作包括：创建文件、文件写、文件读、文件内重定位、文件删除、文件文件写、文件读、文件内重定位、文件删除、文件截短等操作。截短等操作。 (1) 创建文件：就是首先要在文件系统中寻找可创建文件：就是首先要在文件系统中寻找可用的空间并进行分配，然后再在目录中为新文件建立用的空间并进行分配，然后再在目录中为新文件建立一个目录条。一个目录条。 (2) 文件写：根据指定的文件名在目录中搜索到文件写：根据指定的文件名在目录中搜索到目录条，以确定文件所在具体位置；完成写操作。目录条，以确定文件所在具体位置；完成写操作。 (3) 文件读：根据指定的文件名在目录中搜索到文件读：根据指定的文件名在目录

38、中搜索到目录条，完成读操作。目录条，完成读操作。 4.6 文件管理文件管理 (4) 文件内重定位：根据相应搜索条件设置当前文件内重定位：根据相应搜索条件设置当前文件读文件读/写位置（即不必每次都从文件开始端读写）。写位置（即不必每次都从文件开始端读写）。 (5) 文件删除：根据指定的文件名在目录中搜索文件删除：根据指定的文件名在目录中搜索到目录条，以确定文件所在具体位置；释放文件所占到目录条，以确定文件所在具体位置；释放文件所占用的空间；在目录中删除相应目录条。用的空间；在目录中删除相应目录条。 (6)文件截短：删除文件的内容而保留其属性，只文件截短：删除文件的内容而保留其属性，只是将文件的长

39、度设置为是将文件的长度设置为0并释放所占的空间。并释放所占的空间。 以上以上6个基本操作组成了文件操作的最小集合。个基本操作组成了文件操作的最小集合。对文件的其它操作还包括文件复制、文件重命名、为对文件的其它操作还包括文件复制、文件重命名、为文件追加信息、更改文件属性等。文件追加信息、更改文件属性等。 4.6.2 文件的物理结构和逻辑结构文件的逻辑结构文件的逻辑结构无结构文件无结构文件有结构文件有结构文件流式文件流式文件索引顺序文件索引顺序文件顺序文件顺序文件索引文件索引文件4.6 文件管理文件管理 文件结构分物理和逻辑结构。其中物理结构是文件结构分物理和逻辑结构。其中物理结构是文件在外存上的

40、存储形式文件在外存上的存储形式( (如：顺序结构、链接结如：顺序结构、链接结构、索引结构构、索引结构) )，它与具体的存储设备有关。文件，它与具体的存储设备有关。文件逻辑结构是指用户能直接感受到的文件组织结构，逻辑结构是指用户能直接感受到的文件组织结构，它与具体的存储设备无关。它与具体的存储设备无关。main( ) int a, b, sum; scanf(%d %d, &a, &b); sum=a+b; printf(sum=%d, sum); 4.6 文件管理文件管理学号学号姓名姓名性别性别电话电话邮箱地址邮箱地址0001张为华张为华男男0002赵国迎赵国迎男男0003韩莹

41、莹韩莹莹女女 可以看成是由无结构可以看成是由无结构的字符序列组成的文件。的字符序列组成的文件。如文档、源程序等。如文档、源程序等。 是带有结构的、性质相同的记录的集合。是带有结构的、性质相同的记录的集合。 顺序文件：文件所包含的一系列记录按照某顺序文件：文件所包含的一系列记录按照某种顺序依次连续存储。顺序文件是按记录进入文件的种顺序依次连续存储。顺序文件是按记录进入文件的先后顺序存放、其逻辑顺序和物理顺序一致的文件。先后顺序存放、其逻辑顺序和物理顺序一致的文件。 4.6 文件管理文件管理 根据用户和系统管理的需要，有结构文件可有根据用户和系统管理的需要，有结构文件可有以下几种：以下几种： 32

42、10逻辑逻辑顺序顺序42ABC块块数数起起始始 文件文件名名例例 1 0 1 2 3 4 5 6 710111213141516171819 物理存物理存储储 8 970ABC结结束束起起始始 文文件名件名3210逻辑逻辑顺序顺序例例 2 0 9 4 81216 1 5 9 21317 2 7 6101418 3 7 -1111519物 理物 理存储存储4.6 文件管理文件管理 索引文件：由主文件和索引表构成。在文件目索引文件：由主文件和索引表构成。在文件目录中指定索引表的位置，就可以实现快速访问。录中指定索引表的位置，就可以实现快速访问。 按输入记录的先后次序建立数据区和索引表。按输入记录的

43、先后次序建立数据区和索引表。 全部记录输入完毕后对索引表进行排序，排序全部记录输入完毕后对索引表进行排序，排序后的索引表和主文件一起就形成了索引文件。后的索引表和主文件一起就形成了索引文件。 索引顺序文件：顺序文件和索引文件的结合。索引顺序文件：顺序文件和索引文件的结合。4.6 文件管理文件管理15ABC索引表索引表地址地址 文件文件名名索引举例索引举例 0 1 2 3 4 5 6 710111213141516171819 物理存储物理存储 8 915581760123关关键键字字物物理理地地址址( (略略) )4.6.3 文件的访问方式顺序访问方式顺序访问方式4.6 文件管理文件管理 主要

44、适合于对顺序文件的访问。其访问的位置主要适合于对顺序文件的访问。其访问的位置是由指针定位的。读操作时，读取指针所指示位置的是由指针定位的。读操作时，读取指针所指示位置的内容，并自动将指针向后移动指示下一次读的位置。内容，并自动将指针向后移动指示下一次读的位置。而写操作时，所写的内容总是添加到文件的尾部。而写操作时，所写的内容总是添加到文件的尾部。 所有存储在顺序存储设备所有存储在顺序存储设备(如磁带如磁带)上的文件，都上的文件，都只能是顺序文件，所以顺序访问方式是基于磁带的模只能是顺序文件，所以顺序访问方式是基于磁带的模型。该访问方式对直接存储设备型。该访问方式对直接存储设备(如磁盘如磁盘)也

45、适合。也适合。 直接访问方式直接访问方式4.6 文件管理文件管理 直接访问也称随机访问，它指的是允许跳跃式直接访问也称随机访问，它指的是允许跳跃式地随意存取文件中的任何记录，而不需要任何顺序地随意存取文件中的任何记录，而不需要任何顺序限制。直接访问是最为常见和高效的文件访问方式。限制。直接访问是最为常见和高效的文件访问方式。磁盘是随机存储设备，所以直接访问方式是基于磁磁盘是随机存储设备，所以直接访问方式是基于磁盘的模型。盘的模型。 3. .索引访问方式索引访问方式 在进行文件访问时，首先对索引文件按关键字在进行文件访问时，首先对索引文件按关键字进行检索，查找到指向数据记录的指针，根据该指进行检

46、索，查找到指向数据记录的指针，根据该指针实现对具体数据记录的访问。针实现对具体数据记录的访问。4.6 文件管理文件管理 总之，文件的存取方式是与文件性质、文件存储总之，文件的存取方式是与文件性质、文件存储介质相关联的。介质相关联的。存储介质存储介质磁带磁带磁盘磁盘文件的逻辑结构文件的逻辑结构顺序文件顺序文件顺序文件顺序文件索引文件索引文件文件的物理结构文件的物理结构顺序结构顺序结构(连续文件连续文件)顺序结构顺序结构(连续文件连续文件散列文件散列文件)链接结构链接结构(连接文件连接文件)索引结构索引结构(索引文件索引文件)文件访问方式文件访问方式顺序顺序顺序顺序/随机随机顺序顺序顺序顺序/随机

47、随机/索引索引4.6.4 文件的目录结构4.6 文件管理文件管理 通常，一个磁盘至少应包含一个分区，每个分通常，一个磁盘至少应包含一个分区，每个分区用来保存文件和目录结构区用来保存文件和目录结构 。 文件目录的组成：每文件目录的组成：每个文件有一个文件控制块个文件有一个文件控制块FCB，它是文件存在的标，它是文件存在的标志，存放了为管理文件所志，存放了为管理文件所需的所有有关信息。把所需的所有有关信息。把所有的文件控制块组织在一有的文件控制块组织在一起，就构成了文件目录，起，就构成了文件目录，每个文件控制块就是其中每个文件控制块就是其中的一个目录项。的一个目录项。4.6 文件管理文件管理 文件

48、的目录系统可以组织成单层目录结构、双文件的目录系统可以组织成单层目录结构、双层目录结构、树型目录结构、无环路目录结构和通层目录结构、树型目录结构、无环路目录结构和通用图目录结构。用图目录结构。单层目录结构单层目录结构双层目录结构双层目录结构4.6 文件管理文件管理 树型目录结构是目前使用最为广泛的一种目录树型目录结构是目前使用最为广泛的一种目录结构。这种目录结构在逻辑上的构成是一棵树，子结构。这种目录结构在逻辑上的构成是一棵树，子目录是树枝，而文件是树叶。目录是树枝，而文件是树叶。动动 画画4.7.1 I/O设备和主要术语输入输出系统管理输入输出系统管理 每台计算机都配备了许多外部设备，它们的

49、性每台计算机都配备了许多外部设备，它们的性能和操作方式都不一样。操作系统对设备能和操作方式都不一样。操作系统对设备(即即输入输入/输输出出系统系统)管理管理的主要目标是方便用户使用外部设备，的主要目标是方便用户使用外部设备，提高提高CPU和设备的利用率。和设备的利用率。 I/O设备与计算机通信的连接点被称为端口设备与计算机通信的连接点被称为端口。 用于操作端口、总线和设备的一组电子器件，用于操作端口、总线和设备的一组电子器件，是设备与总线的连接装置。是设备与总线的连接装置。1. I/O设备端口设备端口 2. I/O设备控制器设备控制器 中断的概念中断的概念:中断是现代计算机中中断是现代计算机中

50、CPU处理外部处理外部突发事件的一个重要技术。它能使突发事件的一个重要技术。它能使CPU在运行过程在运行过程中对外部事件发出的中断请求及时地进行处理，处中对外部事件发出的中断请求及时地进行处理，处理完成后又立即返回断点，继续进行理完成后又立即返回断点，继续进行CPU原来的工原来的工作。根据中断源的不同，可以把中断分为作。根据中断源的不同，可以把中断分为: 中断中断硬中断硬中断软中断软中断外部中断外部中断内部中断内部中断如：键盘中断、打印机中断等如：键盘中断、打印机中断等如突然掉电、除数为零等如突然掉电、除数为零等程序运行时其它程序对它的中断程序运行时其它程序对它的中断动动 画画 1. IRQ（

51、Interrupt Request）（）（线线） IRQ即中断请求线。计算机中有许多设备（例如声卡、硬盘等）需要即中断请求线。计算机中有许多设备（例如声卡、硬盘等）需要定期中断定期中断CPU，让，让CPU为其做一些特定的工作。这些设备在中断请求线上为其做一些特定的工作。这些设备在中断请求线上把请求中断的信号发给把请求中断的信号发给CPU。所以每个设备只能使用自己独立的中断请求。所以每个设备只能使用自己独立的中断请求线线(PCI总线、总线、USB总线上的设备可共享总线上的设备可共享)。一般微机共有。一般微机共有16条中断请求线与条中断请求线与各 种 外 设 相 连 接 ，各 种 外 设 相 连

52、接 ， ( 每 个 中 断 线 有 一 个 标 号 也 就 是 中 断 号每 个 中 断 线 有 一 个 标 号 也 就 是 中 断 号 ) 。 2. DMA（Direct Memory Access）（）（芯片芯片） 计算机与外设之间的联系一般通过两种方法：一是通过计算机与外设之间的联系一般通过两种方法：一是通过CPU控制来进控制来进行数据的传送；二是在芯片控制下进行数据的传送。在行数据的传送；二是在芯片控制下进行数据的传送。在DMA方式下，外设方式下，外设利用利用DMA芯片直接将数据写入或读出存储器，而基本不用芯片直接将数据写入或读出存储器，而基本不用CPU参与，系统参与，系统的速度会大大

53、增加。的速度会大大增加。 3. I/O端口地址（端口地址（Input/Output）（）（地址地址）每个端口都有自己唯一的一个端口号，这个端口号称为地址。每一个每个端口都有自己唯一的一个端口号，这个端口号称为地址。每一个和和CPU通信的外设都有不同的通信的外设都有不同的I/O地址，通常在地址，通常在PC机内部一共有机内部一共有1024个地个地址。址。 4.7.2 输入/输出控制方式输入输出系统管理输入输出系统管理 (1) 程序控制方式程序控制方式 早期采用的方式。早期采用的方式。CPU向设备控制器发出一条向设备控制器发出一条I/O指令启动设备进行一个字节的输入或输出，然后指令启动设备进行一个字

54、节的输入或输出，然后CPU就等待就等待I/O设备进行数据传送，直到一个字节传设备进行数据传送，直到一个字节传送完毕后送完毕后CPU再继续处理下一个字节的输入或输出。再继续处理下一个字节的输入或输出。 CPU绝大部分时间都用于循环等待及测试绝大部分时间都用于循环等待及测试I/O是是否完成，造成否完成，造成CPU资源的极大浪费。资源的极大浪费。CPU和外围设和外围设备只能串行工作。备只能串行工作。 CPU通过端口对外设进行控制的方式有以下几种：通过端口对外设进行控制的方式有以下几种： 4.7.2 输入/输出控制方式输入输出系统管理输入输出系统管理 (2) 中断驱动方式中断驱动方式 首先由首先由CP

55、U向相应设备的控制器发出一条向相应设备的控制器发出一条I/O命命令，然后令，然后CPU立即返回继续执行原来的任务，设备立即返回继续执行原来的任务，设备控制器则按照命令的要求去控制控制器则按照命令的要求去控制I/O设备工作。这时设备工作。这时CPU与与I/O设备并行工作。设备并行工作。 这种方式这种方式CPU的利用率较高。但这种方式的缺的利用率较高。但这种方式的缺点是在一次数据传送过程中，发生中断次数较多点是在一次数据传送过程中，发生中断次数较多(每每传一个字节就要请示求中断传一个字节就要请示求中断)，这将耗去大量，这将耗去大量CPU处处理时间。理时间。 输入输出系统管理输入输出系统管理 (3)

56、 直接存储器访问方式直接存储器访问方式 引入引入DMA控制器后，在其控制下，以数据块为控制器后，在其控制下，以数据块为单位完成设备与内存间的数据交换，当数据块传送单位完成设备与内存间的数据交换，当数据块传送完毕时才需要完毕时才需要CPU干预。该方式干预。该方式CPU的利用率高。的利用率高。 (4) 通道控制方式通道控制方式 通道实际上是一种比通道实际上是一种比DMA芯片功能更强的设备。芯片功能更强的设备。通道控制方式是通道控制方式是DMA的发展，它把对每一块数据的的发展，它把对每一块数据的读写变成对一组数据块的读写，可以进一步减少读写变成对一组数据块的读写，可以进一步减少CPU的干预。更大程度

57、地提高了系统资源的利用率。的干预。更大程度地提高了系统资源的利用率。4.7.3 I/O缓冲管理现代操作系统中，现代操作系统中，I/O设备与设备与CPU(实际指内存实际指内存)交换数交换数据时，需要使用缓冲技术。也就是为据时，需要使用缓冲技术。也就是为I/O设备设置缓冲区暂设备设置缓冲区暂存数据，等到数据积累到一定程度时，再做批量处理。存数据，等到数据积累到一定程度时，再做批量处理。 引入缓冲：引入缓冲： (1) 缓和缓和CPU与与I/O设备间速度不匹配的矛盾；设备间速度不匹配的矛盾； (2) 减少对减少对CPU中断频率；中断频率； (3) 提高提高CPU与与I/O设备间的并行性。设备间的并行性

58、。输入输出系统管理输入输出系统管理4.7.4 设备驱动程序输入输出系统管理输入输出系统管理 设备驱动程序与具体设备有关，用户安装好硬设备驱动程序与具体设备有关，用户安装好硬件后还要再安装驱动程序，计算机才能识别和使用件后还要再安装驱动程序，计算机才能识别和使用该设备。每个外部设备都有相应的设备驱动程序，该设备。每个外部设备都有相应的设备驱动程序，它也是硬件的身份识别标志，负责完成设备具体的它也是硬件的身份识别标志，负责完成设备具体的各种动作各种动作(输入输入/输出操作输出操作)。 一旦为一旦为I/O设备安装了驱动程序，那么应用程设备安装了驱动程序，那么应用程序在使用序在使用I/O设备时，就不必

59、关心设备的特性、设备时，就不必关心设备的特性、I/O控制方式，这样就实现了应用程序与设备的无关性。控制方式，这样就实现了应用程序与设备的无关性。 动动 画画4.8 典型操作系统典型操作系统 4.8.1 Unix4.8 典型操作系统典型操作系统 Unix是一个交是一个交互式、分时多用户并互式、分时多用户并支持网络的操作系统，支持网络的操作系统，是可以运行在从微机是可以运行在从微机到巨型机在内的各种到巨型机在内的各种机型上的通用操作系机型上的通用操作系统。目前主要用于网统。目前主要用于网络服务器、大中小型络服务器、大中小型机。机。主流产品：主流产品：FreeBSD运行界面运行界面主流产品：主流产品

60、：Solaris运行界运行界面面 1969年，贝尔年，贝尔电话实验室的电话实验室的专家开发了专家开发了-Unix操作系统。操作系统。4.8 典型操作系统典型操作系统 DOS DOS是微型计算机早期所使用的桌面操作系统。是微型计算机早期所使用的桌面操作系统。是单用户、单任务和字符界面的操作系统，主要为是单用户、单任务和字符界面的操作系统，主要为16位微型计算机而设计，属于淘汰产品。位微型计算机而设计，属于淘汰产品。 MS-DOS运行的界面运行的界面1981年，年，IBM发布了发布了IBM 5150 PC，采用了，采用了Microsoft提供的提供的DOS（Disk Operating System）。）。4.8