操作系统基础

第3章操作系统基础信息工程学院信息基础科学系主要内容什么是操作系统？操作系统的功能有哪些？程序、数据如何在计算机中存储？（文件管理）程序、数据如何在计算机中运行处理？（分配内存，分配cpu，分配设备）3.1程序执行过程一个程序执行过程：第1步：一个程序为了长期保存，应先将其建立保存在外存（主要是磁盘）中；第2步：在执行时需要将程序从外存装载到内存，因为CPU不能直接对外存中的程序或数据进行操作，只能对内存中的程序或数据进行操作；第3步：依据程序中内容，一条一条的执行指令，每条指令的执行又分为三部曲：取指令、分析指令和执行指令；第4步：输出结果；第5步：运行结束，释放资源。3.1程序执行过程从上述的一个程序执行的过程中，一般要遇到一些问题：（1）将程序保存在外存的什么位置？如何区分不同的文件？（2）将程序从外存装载到内存的什么位置？如何分配内存？（3）如何获得CPU的资源？如果有多个程序要运行，如何处理？（4）如何获得外设的资源？（5）如何释放资源？……这些问题是如何解决，如何处理？这些都是操作系统要解决和处理的问题。也就是操作系统的基本功能。3.2操作系统的基本概念操作系统的大众化定义：操作系统是计算机系统中的一个最基本的系统软件有效地管理和分配计算机的软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，使整个计算机系统能高效地运行从个人机到巨型机，无一例外都配置一种或多种OS，它已经成为现代计算机系统不可分割的重要组成部分，并建立起了各种各样的应用环境3.2操作系统的基本概念2.操作系统在计算机系统中的地位操作系统是其他软件和硬件之间的接口，以及其他软件的共同环境按需管理和调度硬件资源，保证程序正常运行提供统一硬件访问接口，即系统调用，如：API函数安装了操作系统的计算机是一种用户及其应用系统的工作“平台”3.2操作系统的基本概念基于OS构建各类应用环境3.2操作系统的基本概念操作系统的两种工作界面操作系统是用户与计算机之间的接口和界面操作系统提供的用户工作界面一般有两种：命令行界面图形界面命令行工作界面（方式）用户必须学习、掌握并使用计算机熟悉的一套操作命令来操作使用计算机不同的操作系统提供的操作命令是不同的DOS就是该工作界面和使用方式图形工作界面（方式）是一种可视化的工作界面用户不必记忆命令只需点击鼠标即可实现和完成操作WINDOWS操作系统就是这种方式操作系统的类型批处理操作系统分时操作系统实时操作系统个人计算机/网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统操作系统类型见教材P47页,自学3.2操作系统的功能模块主要目的：管理计算机系统资源、组织和控制程序运行、提供用户接口界面实现人机交互基本功能：资源管理、程序控制、人机交互接口为了实现上述基本功能，需要以下五大块功能模块支持，即：处理机管理(CPU管理）存储管理(内存管理）设备管理文件管理作业管理3.2.1操作系统的基本功能1.计算机系统资源管理计算机系统“资源”可分为硬件资源和软件资源硬件资源就是组成计算机系统的硬件设备，包括处理器、存储器、输入输出设备等软件资源也称为信息资源，是存放于计算机系统中的各种数据、文件、程序等。3.2.1操作系统的基本功能1.计算机系统资源管理操作系统的硬件资源管理工作可以分为：处理器管理存储管理输入输出设备管理（有时，简称为设备管理）硬件资源管理处理器管理：根据程序执行需要，为其分配处理器资源，包括：多线程支持、资源抢占、异常处理等存储管理：存储器资源分配、回收等设备管理：为应用程序分配外设、控制外设按用户程序的要求进行操作、使用完后回收使用权等，常通过API函数调用信息资源管理信息资源管理功能：主要以文件管理来实现不管是数据、程序还是文档，都是通过不同扩展名的文件，存放在计算机的外存储器的文件管理如何实施的？文件系统：文件创建时，存储空间分配；删除文件后，存储空间的释放及回收不需知道文件存放具体位置，只需提供文件名，就可以查到该文件3.2.1操作系统的基本功能2.程序控制(操作系统的主要功能之一)用户使用计算机的最主要的工作就是运行程序程序控制：控制程序的正常运行，也需考虑运行效率及异常处理等操作系统的发展在很大程度上也表现为程序运行方式的发展：从单一程序运行到多道程序运行再发展为分时多任务、以及分时多用户多任务3.2.1操作系统的基本功能3.人机交互接口操作系统的重要作用是为了方便用户使用计算机其中关键在于：人机交互功能、人机交互接口功能丰富、接口方式多样：交互界面：命令行、图形界面接口方式：除标准外设外，智能化的接口例子：iPhone4S智能个人语音助理Siri系统机主：我真的爱你

Siri：我希望你不要跟其他手机也这么说有人连续跟Siri求婚了3次，看看Siri怎么回答第一次Siri：听起来很甜蜜，不过我还有什么可以帮你吗？第二次Siri回答：让我们只做朋友，好吗？第三次Siri摊牌了：我的用户协议没有包括和你结婚，我很抱歉3.2.2CPU管理CPU管理的目的：按需合理、有效调度CPU资源，满足用户需要，提高计算机使用效率重要概念：进程vs

程序管理方式：调度算法进程：具有独立功能的程序在一个数据集上的一次执行过程调度算法：FIFO、优先级调度、时间片轮转WindowsXP中的处理器管理以“任务管理器”查看进程或程序执行状况在介绍具体的操作系统功能模块之前，先介绍一些基本概念和一些相关的知识。程序顺序执行图示一个程序可分为三段：输入：I计算与处理：C输出：P执行过程是：I1I2C1C2P1P2程序并发执行图示I1I2I3C1C3C2P1P2P3T2T3T4T5T1在T2、T3、T4时，都是并发的，资源共享多道处理图示CPUI/O设备程序A程序B程序B等待分时处理图示多道处理与分时问题程序如何并发执行？特点在内存中同时存放多个(多道)用户服务请求；待前一个运行到需要I/O处理时，启动后一个服务特点将CPU的总时间按“时间相等”的原则轮流提供给不同服务，轮流执行不同的程序分时与实时问题CPU对服务请求的响应方式特点CPU将时间段分成若干时间片按时间片轮流提供给不同的服务只有获得时间，才能被响应执行特点“实时”即“立即”

对随机发生的服务事件立即作出响应

并在规定的时间内完成对该服务的处理单用户与多用户问题使用计算机的用户数量特点个人使用计算机系统的全部资源由用户个人占用和使用特点多人共同使用计算机系统的资源由多个用户共同分享和使用单任务与多任务问题计算机同时可以接受和处理的用户任务特点计算机允许用户一次提交一个任务待该任务完成后，再接受下一个用户的任务特点计算机支持用户一次提交多个任务；并控制和管理他们使他们并发执行个人计算机操作系统主要表现为—单用户多任务并发分时人机交互典型操作系统MS-DOS：应用广泛、单用户单任务、命令行方式WINDOWS（95、98，2000，XP，Vista）

应用广泛、系列化、单用户多任务、视窗界面UNIX：针对程序开发的专家应用平台Linux：免费的UNIX其他：针对不同的计算机系统和不同的专门应用领域因为文件管理和用户最密切相关，也是一个用户掌握的重点。所以我们首先介绍文件管理。问题核心：程序、数据如何在计算机中存储？引入我们已经知道：外存储器用来存放暂时不需要处理的数据和暂时不需要运行的程序外存储器里存放着安装在计算机中的所有程序：操作系统、Office办公软件、高级语言处理软件等等；用户的各种文件：程序文件，作业，课件，音乐文件，视频文件等等计算机如何存储和组织管理这些程序、数据呢？这就是操作系统的文件管理模块要做的事情 实际上在计算机中保持数据，就像一个图书馆里存储着大量的图书和资料一样。怎样存放和管理呢？基本内容文件如何标识文件如何存放在外部存储设备上存储在存储器中的文件如何管理如何方便用户对文件的操作存放在外存储器上的信息，都是以文件的形式进行组织、存放和管理的那么什么是文件呢？文件的定义 文件是提供给计算机或用户访问使用的具有标识的存储在某种介质上的相关联的信息的集合文件通过标识进行区分文件都要存储在外部设备上；存储设备都有特定的存储介质；比如软盘、硬盘、U盘等信息的集合可以是程序也可以是具有一定格式的数据文件存在的意义就在于：被访问、被调用

(统称为文件操作)文件名文件名由主文件名和扩展名两部分组成，两者之间用“.”分隔开例如：txl.doc大学计算机基础_操作系统.ppt文件名是文件标识的组成要素扩展名标识了文件的类型，但它不是必须的不同的操作系统有自己独立的“命名规则”Windows下的文件名支持DOS的命名规则（8.3规则）支持长文件名可以包含空格扩展名的字符个数可以超过3个不能使用的字符：

\/:*?“”><

同时使用各种图标标示不同类型的文件扩展名的约定doc-Word文档lnk-快捷方式zip压缩文件mp4-视频文件jpg-图像文件bmp-位图文件mp3-音频文件ppt-幻灯片htm或html-网页文档文件的基本信息一个文件的基本信息至少应包含以下信息（1）文件名（2）文件类型（3）文件长度（4）文件的存放位置（5）文件的建立日期时间文件基本信息可通过“属性”窗口查询文件目录操作系统在存储文件时，将首先在存储器上建立一种特殊的文件其内容是保存在该存储器上的全部文件的“文件说明信息”

该文件形式上是一张表，每个文件的“文件说明信息”在该文件“表”中占一个记录行该文件称为目录文件，简称“目录”，其中每一个记录称为一个“目录项”目录文件及目录项图示文件名文件类型文件长度建立时间建立日期文件属性首簇号………

如：D盘根目录D:\子目录的概念如果在当前目录中，包含着另外的一个或多个目录，则称被包含的目录是当前目录的“子目录”子目录中还可以再包含一个或多个下一级的子目录由此形成一个多级的目录结构目录的组织与管理外存上的文件很多，如果全部堆放在一起，要寻找某个文件就比较困难，也经常会发生因文件重名而引起的新文件内容覆盖已有文件等许多问题因而，目前各种操作系统普遍采用一种称为目录（Directory）的分层结构把文件组织起来，各种文件分散到目录结构中的不同位置，以利于对它们进行分类管理和使用目录的组织与管理在每个磁盘（或磁盘分区）上首先设置一个唯一的基础目录文件，称为“根目录”，根目录是在作磁盘格式化时由系统创建根目录以下各级子目录由用户根据自己的实际需要创建任意目录下都可以保存文件或建立新的子目录若干有包含关系的、有机组织起来的子目录构成（倒）树型目录结构形式操作系统以多级目录的方式对文件进行组织和管理同类文件同用途文件同属性文件等等文件目录的树形结构示意文件目录的树形结构示意文件的标识方法文件必须进行标识文件以“文件标识名”进行操作在层次结构的文件系统中，文件标识名应有三个要素盘符路径文件名在存储器中不允许同时存在其标识名相同的文件文件的访问路径“路径”实际上是沿着目录树的“枝杈”，指向所要找的目录时，必须经过目录名的顺序组合在路径的表示中，目录名之间用反斜杠(\)

分隔\user\myfile\data\network\homework\……绝对路径和相对路径一条路径的描述如果是从根目录开始，称为绝对路径一条路径的描述如果是从当前目录开始，称为相对路径相对路径：user\*.*.\DATA\C_DATA\DATA1.TXT..\DATA\FOR_DAT\FF1.TXT绝对路径：D:\PROG\FORTRAN\A???.FOR几个重要的符号*、？通配符\根目录

—绝对路径..父目录—相对路径.当前目录—相对路径绝对路径和相对路径举例通过绝对路径对3个文件的表示是：C:\子目录1\子目录2\子目录3\File1C:\子目录1\子目录2\子目录3\File2C:\子目录2\子目录3\File1Windows下的文件操作创建文件夹在指定的位置创建改变文件夹内容的显示方式五种显示方式四种排列方法创建文件不同类型的文件的创建方法不同文件及文件夹属性的查看与修改四种属性（现在只能设置2种）文件的打开与关闭用不同的方式打开不同类型的文件文件及文件夹的删除与恢复放到“回收站”与永久删除、“回收站”中文件可被“还原”到原位置文件及文件夹更名更改文件的名称文件及文件夹的移动和复制移动和复制的区别文件及文件夹的查找文件的运行运行程序文件文件的快捷方式建立软连接，实现更快速的文件访问Windows下的文件操作方式三种文件管理工具：我的电脑(本地)、网上邻居(网络)、资源管理器(两者综合)三种文件操作方法：菜单项、工具按钮、鼠标拖动Windows下的文件的属性只读属性：只能进行读操作，不能删除和修改隐藏属性：除非特别设置，将不显示该文件的文件名存档属性：系统仅对设置了存档属性的文档进行备份系统属性：系统文件具有系统属性；在WIN下表现为更改或删除系统文件将给出专门的对话框，要求确认文件的属性可以进行设置文件可以不设置属性文件的通配符应用目的：同时操作一批文件,而并非一个实现的方法：用一个特殊字符替代构成文件名的某一些字符这个特殊的字符就是“通配符”Windows下有两个通配符：星号（*）：可以代替一个或若干个任意字符问号（?）：只能代替一个任意字符通配符举例在当前磁盘上有下列文件：AA1.EXEAA1.FOR AA1.OBJ FL123.LIBAA123.FOR AB123.BAS AL123.LIB BL12.BAS使用通配符所能操作的文件：AA*.FOR AA*.* AA?.* ??123.**.BAS 通配符举例在当前磁盘上有下列文件：AA1.EXEAA1.FOR AA1.OBJ FL123.LIBAA123.FOR AB123.BAS AL123.LIB BL12.BAS使用通配符所能操作的文件：AA*.FOR AA1.FOR AA123.FORAA*.* AA1.EXE AA1.FORAA1.OBJAA123.FORAA?.* AA1.EXEAA1.FORAA1.OBJ??123.* FL123.LIBAA123.FORAB123.BASAL123.LIB*.BAS AB123.BASBL12.BAS文件系统文件管理是操作系统的一项重要工作，是由操作系统中的“文件系统”来完成的文件系统具有的功能按照文件的物理结构，解决文件的存储问题提供文件目录的建立、修改、共享和删除服务提供文件的创建、打开、关闭、查找、删除等使用操作提供文件存取权限的设置和修改服务提供文件备份、恢复和转储等服务“文件管理”部分须掌握知识要点文件的概念文件名及命名规则文件的物理结构及文件目录的概念操作系统管理文件的方式：采用树型目录结构操作系统标识文件的方式：采用标识名方式操作系统访问文件的方式：采用路径方式Windows下的三种文件管理工具（特别是资源管理器）文件的属性：只读、隐藏两个通配符：*?程序、数据如何在计算机中运行处理？分配内存分配cpu分配设备计算机的工作背景程序并发执行，CPU资源是多程序分时使用程序和数据存放在外部存储设备中，只在被运行时，才被调入内存；只有调入内存的程序才能运行内存的容量是有限的数据的输入输出由外部设备完成，数据交换在外设与内存之间进行各个功能组件或外设的工作均由CPU控制所以，运行程序首先需要分配到内存、分配到CPU程序才能运行，运行过程中需要分配到设备那么如何分配CPU、分配内存、分配设备，以及如何控制程序运行呢？这些工作都由操作系统相应的功能模块来完成例打开一个Word文档，如：第3章操作系统基础.ppt操作系统将作如下工作：将PowerPoint应用程序调入内存，将应用程序处理的数据（第3章操作系统基础.ppt）调入内存，并分配存储空间为应用程序创建一个进程分配到CPU资源，进行数据处理根据用户的需求，如果需要打印，则当分配到打印机时，在CPU的控制下进行打印操作存储管理存储管理是操作系统的主要功能之一，负责管理主存储器主存一般划分为两大区域：系统区，存放操作系统和其他系统程序和数据用户区，存放用户程序和数据物理地址vs

逻辑地址内存由若干的存储单元组成；每个存储单元都有一个编号该编号称为内存地址（物理地址）物理地址从0开始编号；最大值取决于内存容量对应的值物理地址的编号使用二进制数，并以十六进制表示，如采用20位的物理地址，某存储单元的地址表示为20000H源程序被编译系统编译后而产生目标程序由于编译系统并不知道将来程序存放的内存地址，所以只能在编译时以“0”为基准地址，开始为源程序中的数据和指令编排地址称为“逻辑地址”存储管理存储管理包括四个方面的功能：内存分配与回收地址转换存储保护存储扩充存储分配按一定的策略或算法为各个并发的进程及相关数据分配内存空间，最终目标是提高内存利用率，并保证正常运行策略和算法直接分配静态分配动态分配直接分配程序员在设计编写程序时，就将运行时使用的内存物理地址写在源程序代码中早期的程序一般使用此方法对程序员要求高；使用不方便；但操作系统管理简单静态分配在程序装入内存之前，就将所需内存的全部物理地址一次性申请并一次性确定存储空间确定后，在程序的整个运行过程中保持不变整个程序一次性装入；如此时的内存空间不足，则此程序不能运行管理方法简单；但利用效率低动态分配程序不是一次性装入；只在需要时才装入需要的部分已经装入的程序的存储位置也可以变化存储空间分配实际上是：动态申请、动态确定、动态调整管理复杂；但存储器的使用效率高在现代多程序运行系统中，普遍采用此方式地址转换(重定位)地址转换的定义：将程序在外存空间中的逻辑地址转换为内存空间中的物理地址地址转换（重定位）在程序装入内存时，将逻辑地址转换成为物理地址，然后实现存储地址转换的过程是逻辑地址到物理地址的“映射”的过程实质是为程序和数据重新确定存储地址；也称为地址重定位程序将按照重新确定的物理地址，被存储到系统内存空间中存储共享与保护共享是指：在内存中存储的程序或数据段可供不同的用户进程访问使用；这种资源共享将会提高内存的利用率反过来说，除了被允许共享的部分之外，又要限制各进程只在自己的存储区活动，各进程不能对别的进程的程序和数据段产生干扰和破坏，因此须对内存中的程序和数据段采取保护措施存储共享与保护图示存储管理将需要共享的程序或数据的存储区域实行“共享”管理，允许各进程访问调用存储管理将需要保护的程序或数据的存储区域实行“保护”管理，不允许他进程访问调用存储扩充计算机的存储空间总是有限的存储扩充的目的是利用有限的内部存储空间运行更大的程序或更多个程序存储扩充的一般方法有三种：自动覆盖技术交换技术虚拟存储技术让不同时执行的程序段共享同一块内存区将需要执行的程序段调入内存区，覆盖已经执行结束的程序段将处于等待状态的进程换出内存到外存，而将可以立即运行的程序从外存换入内存虚拟存储技术在外存中开辟虚拟的内存空间；CPU将按照内存的管理方式管理该区域存储管理系统把进程中某些程序段和数据先放入虚拟内存中；待需要运行和处理它们时再将它们调入真正的内存；称为虚拟存储技术虚拟存储技术最大可扩充的虚拟存储器的容量受地址总线宽度的限制对于一个系统，若具有32位地址总线的管理能力，最大的存储空间可以达到4G(即232)理论上可扩充的虚拟容量为4G减去已有的内存容量虚拟存储图示虚拟存储设置最佳设置：一般为物理内存的1.5倍适处理机管理(CPU管理)处理机管理是操作系统的基本管理功能之一目的就是要合理、有效地调度处理器资源，满足用户的需要，提高计算机的使用效率，利用有限资源完成更多任务也就是说把CPU（中央处理机）的使用权按时间段分给多个程序，实现CPU资源共享和程序并发执行程序并发执行多程序并发执行；CPU的资源为多个程序共享由于系统资源的限制，每个被运行起来的程序在某个时刻的行为和状态都是不确定的；程序的执行过程也是断续的系统在给程序分配资源时，不仅仅要了解程序本身，还要了解程序在不同执行时刻的“状态”进程概念的引入程序是一个“静态”的概念在多个程序并发执行的情况下，“程序”不能解释、描述和管理程序的并发过程操作系统无法用“程序”的概念，表述和管理对处理机资源的分配调度引入了“进程”的概念进程的定义进程是现代操作系统的一个基本概念，是并发程序出现后，必然出现的一个重要概念进程是程序在一个数据集合上被运行的过程，即执行起来的程序(“活起来”的程序；“活着”的程序)在多程序执行的环境下，进程是处理机进行资源分配、调度和程序运行的基本单位处理机管理可归结为进程管理火车vs

列车

程序vs

进程信息包时刻、类型、起始、停靠、特殊属性等作为一个独立单位申请道路并接受调度管理；还跑着许多的车；都是走走停停、直到结束火车停在车站进程和程序的区别进程是程序的执行过程；程序是一个文件，是指令的集合，是一个静止的概念；进程是动态的进程有自己的生命周期；程序是永久的进程需要分派到系统资源后才能创建和执行，程序只需要固定的存储空间进程具有并发性，多进程分时使用资源；多个程序可同时存放，但决不会并发程序是进程的一个组成部分；进程存在必然需要程序的存在；被执行中的程序一定属于一个或多个进程；不同的进程可以包含同一个所需的程序进程的描述方法对所分配的资源状况、管理信息、执行状态等记录——进程控制块PCB进程标识运行信息状态信息管理信息进程控制块PCB是OS进行进程控制的基础创建、执行、撤销、阻塞、唤醒进程的三种基本状态就绪状态

已经获得其他资源，一旦分到CPU即可执行运行状态

获得全部资源并正在运行等待状态

资源不足，运行受限，处于暂停状态三种状态交替出现，直到进程运行结束；三种状态的转换由操作系统的进程管理功能管理和实现进程状态转换某事件被解除后进入就绪状态进程因某事件(如I/O操作事件)受阻塞，转为等待状态操作系统将处理机分配给进程使用，开始运行分配的“时间片”已用完，需从新申请就绪状态运行状态等待状态进程控制与策略进程的管理与控制：按一定的策略有效管理各个进程整个生命周期的所有活动，包括创建、撤销、挂起、结束、改变运行优先级等常用策略 先来先服务 优先级服务 时间片轮换服务 分级调度服务(优先级服务结合先来先服务)WindowsXP中的处理器管理WindowsXP系统中可以通过“任务管理器”来观察和管理系统中的进程。同时按下“Ctrl+Alt+Del”三个键，或用鼠标右键单击“任务栏”的空白部分，在弹出的快捷菜单中单击“任务管理器”选项，则弹出“Windows任务管理器”对话框，如下页图所示。进程管理从上图中可以看出“应用程序”选项卡中显示的是正在运行的程序，以及它们的运行状态。如果有的程序的运行出现了问题，例如进入了死循环，无法正常结束。就可以在这里选中这个程序后，单