第3章 操作系统基础知识

第三章操作系统基础知识吉林大学公共计算机教学与研究中心概念

操作系统OS(Operation

System):计算机系统中重要系统软件。

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接口，方便用户使用计算机系统。OS硬件2应用程序其他系统程序第一节操作系统简介

计算机系统层次结构可以分为四部分:硬件、操作系统、其他系统程序和应用程序。

硬件：所有软件运行的物质基础；操作系统位于硬件之上，是与硬件关系最密切的系统软件，是对硬件功能的首次扩充。操作系统硬件计算机系统的层次结构:裸机33.1.1操作系统发展历程1.手工操作阶段计算机诞生初期根本没有操作系统。机器码时代,将这个时期称为“手工操作阶段”。顾名思义,当时使用计算机需要大量的人工控制,只有通晓计算机硬件的专业人员才能使用计算机。手工操作阶段典型的作业处理步骤:用户用机器语言编写程序程序和数据手工记录在穿孔纸带上将纸带装入纸带输入机启动纸带输入机将程序和数据读入计算机计算机处理作业用户拿走结果作业：由程序、数据及程序运行控制说明组成。4特点:用户独占全机CPU等待人工操作串行性缺点:有效机时严重浪费效率低为了解决人机矛盾,20世纪50年代末出现了脱机输入/输出技术。在主机与输入输出设备之间设一台外围控制机，由它完成输入输出任务。5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以脱机方式成批装入磁带的作业用户作业结果操作系统的萌芽

1)单道批处理系统作业成批进入系统，但逐个完成在磁带上选一个作业进入内存2.批处理阶段计算机系统6读卡机打印机I/O处理机通道磁带主机用户作业结果

2)假脱机技术计算机系统中断请求通道：输入／输出(I/O)处理机，与CPU并行中断：执行某程序过程中，出现某突发事件时，CPU暂停现程序，转去执行事件处理程序，执行完处理程序再回到被暂停的程序继续执行。73)多道批处理系统批处理系统+多道程序设计技术多道批处理操作系统输出机输入机作业结果作业1作业2：作业m输入井结果1结果2：结果k输出井内存+CPU进程1进程2：进程n主机后备队列内存中有多个进程交替运行算法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，交替运行。8多道程序运行原理程序1程序2程序3调度程序CPU时间t1t7t3t9t5t2t4t6t8t10需要I/O或时间到9监督程序要解决下系列管理问题：作业调度：合理调度作业，使系统中硬件资源有效利用；CPU管理：多个作业交替运行，需要合理安排处理机时间；内存管理：为每道程序分配内存空间；I/O设备管理：为程序分配输入/输出设备。10为了实现人机交互，必须改变批处理系统中作业处理方式。3.操作系统的完善

分时操作系统：将CPU时间分成若干个相等的时间片，一个时间片运行一个作业，下一个时间片运行另一个作业，在短时间内所有作业都能得到轮流执行。113.1.2常见操作系统简介1.DOS操作系统DOS是磁盘操作系统(DiskOperatingSystem)，是一种单用户、单任务的微型机操作系统。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，字符型用户界面,操作不太方便。122.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。优点：直观、易用的面向对象图形界面用户界面统一与设备无关性：支持即插即用

多任务：同时运行多个程序先进的内存管理：支持大内存，虚拟内存等13各种系统管理工具：资源管理器：从我的电脑右击菜单中选择资源管理器，对磁盘和文件等对象进行管理。打印管理器：单击开始菜单→设置→打印机。系统工具：单击开始菜单→程序→附件→系统工具，磁盘备份、磁盘清理或磁盘碎片整理。内置的网络通信功能：支持多种网络传输协议。从网上邻居右击菜单中选择属性，从对象右击菜单中选择属性，可设置和安装协议。出色的多媒体功能：对音频、视频可编辑和播放。

单击开始菜单→程序→WindowsMediaPlayer

。143.UNIX操作系统家族通用、交互式分时网络操作系统。两大流派：BSDUNIX和AT&T公司。平台：在大中小计算机上运行较多，也有微型机的UNIX。154.Linux操作系统Linux是芬兰籍科学家Linus

Torvalds于1991年编写的一种操作系统，具有UNIX的全部功能。优点：源代码开放,免费；系统稳定可靠；速度快，效率高；功能完善；具有网络支持优势等。163.1.3操作系统分类1.批处理系统(BatchProcessing)

主要特征：多道性、成批性。多道性：内存同时驻留多道程序，并发执行。成批性：作业成批进入系统，成批处理。作业完成顺序与进入内存顺序没有紧密联系。

缺点：缺乏人机交互性。基本类型：批处理、分时和实时系统。

17

特征：多路性、交互性、独占性和及时性。分时操作系统硬件层…...终端1终端2终端nCPU时间分成时间片处理终端请求

连接多个终端每个终端独立使用自己的时间片2.分时操作系统

CPU时间18

特征：实时性：实时响应外部事件请求，在规定时间内完成事件的处理任务。可靠性：软硬件任何故障都可能给系统带来严重后果，更注重硬件稳定性和可靠性。

3.实时系统

分类：实时控制：机器人、工业和宇航控制等。实时信息处理：信息采集、信息检索和航空订票系统等。19基于计算机网络。除具备普通操作系统功能外，还具有网络管理模块、通信、安全和资源共享等模块。打印机主机1NOS主机2NOS主机3DOS4.网络操作系统

20在计算机网络基础上，解决地域分布很广的计算机之间资源共享、并行处理等问题。特征：统一性、共享性、可靠性和透明性。Win主机3Win主机2Win主机1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5.分布式操作系统21设计目标：易用性、响应性。特征：单用户、虚拟内存和多任务处理。6.个人计算机操作系统7.嵌入式操作系统支持嵌入式计算机，由一个小内核及一些必要模块组成，能运行在各种硬件平台上，提供基本程序运行环境和接口。特征：实时性、多任务、对硬件依赖性、软件固化和专用性等。22具有公共内存和时钟，多个CPU，共享计算机总线和外部设备。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CPUCPU…8.多处理机操作系统

23第二节操作系统的作用及特征3.2.1操作系统的作用

1.管理系统中软件硬件资源*CPU*内存*设备*文件2.为用户(应用程序)提供良好的界面命令接口：通过命令完成相关任务。程序接口：通过系统调用（如ＡＰＩ）获得操作系统服务。字符型命令接口图形命令接口243.2.2操作系统功能5.文件管理管理软件资源，包括文件存储空间管理、目录管理、文件存取控制、文件共享与保护。4.设备管理分配、控制和管理外部设备(打印机、显示器等)，用户不必过多了解接口而方便地使用外部设备。主要功能有缓冲区管理、设备分配和设备控制。3.存储管理管理内存资源,方便程序使用存储器，提高内存利用率。主要包括存储分配、存储保护、虚拟内存和地址映射。2.进程管理

程序只有获得CPU才能运行，进程管理主要分配和管理处理机（CPU）。

以进程为基本单位分配和使用处理机，处理机管理归结为进程管理。进程管理主要功能：进程控制、进程调度、进程同步及进程通信。1.作业管理合理组织工作流程，对作业进行控制和管理。主要包括作业输入、作业调度和作业控制。253.2.3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。共享性程序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。26第三节作业管理

3.３.1基本概念

作业：要求计算机系统完成的任务集合。操作系统以作业为单位管理用户任务。

作业组成：程序、数据和作业说明书。作业说明书是描述批作业处理过程中控制意图的一种特殊程序。

作业步：处理一个作业通常经过若干个相对独立又相互关联的加工步骤,一个相对独立的处理步骤称为一个作业步(JobStep)。27按作业提交和处理方式,作业分为两大类：批处理作业和交互式作业。1.

批处理作业

多个作业由输入设备依次输入到辅存中，形成作业流。2.

交互式作业又称为终端作业或会话式作业。在分时系统中，将用户的一次登录作为一个作业，一次登录可以完成多项任务。283.３.2作业管理

主要任务：作业控制和作业调度。1.

作业控制

功能：控制作业输入、运行和输出。

作业控制块：操作系统为每个进入系统的作业建立一个作业控制块(JCB)，记录系统对作业管理所需要的信息。作业存在的标志。作业标识用户名称用户帐号调度信息资源需求作业状态

::JB001提交USER0829作业的4个状态：提交、后备、运行和完成。spooling输入spooling输出输出机输入机作业结果作业1作业2：作业m输入井结果1结果2：结果k输出井进程1进程2：进程N主机提交从作业交给机房到完全进入输入井后备从作业完全进入输入井到进入内存之前运行调度到内存，创建第一个进程，……，直到完成完成从作业进入输出井到退出系统作业状态1作业状态2302.作业调度根据作业控制块信息，按一定策略选取若干作业进入内存，以便获得处理机。常见作业调度算法有：先来先服务按照进入系统后备队列先后次序选择作业。算法容易实现，但效率低。最短作业优先选择计算时间最短的作业投入运行。使平均作业周转时间短，且易于实现，但效率不高。31第四节进程管理

多道程序系统中，多个程序同时进入系统，一个程序的活动规律：

推进(执行)，暂停，推进(执行)，暂停，……

暂停时：保存现场(断点，寄存器）

推进时：恢复现场

暂停原因：

1．

自身原因——等待资源，启动I/O

2．剥夺CPU——给其他程序运行机会323.４.1进程定义1.进程定义具有一定独立功能的程序段关于一个数据集合的一次运行活动，是系统资源分配和CPU调度的基本单位。进程强调两个方面：动态性：并发性：执行中的程序，体现运行性可与其他进程并发执行。332.进程组成1.程序块2.数据块3.进程控制块PCB由指令代码组成，代码必须是纯代码,即在运行期间不修改自身。进程执行时所需数据和工作单元及开辟的工作区。

标志进程存在的数据结构,保存进程所需的信息。进程标识所属用户进程状态调度参数现场信息进程地址

::PCB001就绪USER08

PCB随进程的创建而生成，随进程的消亡而收回。34

程序、数据和进程控制块构成进程实体。程序和数据位于内存中用户空间，进程控制块位于系统空间。PCB数据代码系统空间用户空间353.进程的基本特征动态性：动态地产生、消亡，生存期内动态变化；动态性是进程的基本特征。并发性：可并发执行。独立性：在系统中能独立运行、分配资源和接受调度。进程是系统资源分配的基本单位。异步性：每个进程以各自独立，不可预知的速度向前推进。结构性：每个进程由程序块、数据块和进程控制块３部分组成。36分为系统进程和用户进程两类。系统进程：运行操作系统程序,完成系统功能,包括特权指令在内的所有机器指令,优先级高于用户进程。用户进程：运行用户程序,只能执行非特权指令。4.进程类型

注：从Windows的任务管理器中可以查看到各类进程。375.进程与程序的关系及区别

程序是静态的，进程是动态的。

程序是指令及所需数据集合,可以长期保存在存储介质上；进程具有创建性、运行性和消亡性。程序与进程是一对多关系。38６.作业与进程的关系

作业是任务实体，进程是完成任务的执行实体;作业进入内存后变为进程，通常一个作业对应多个进程；在某时刻，一个运行的作业可能有多个进程处于活动状态（就绪、运行或等待）。没有作业任务就没有进程，反过来，没有进程，就不能完成作业任务。典型作业输入进程计算进程……完成（消亡）活动待创建393.４.2进程的状态和转换CPU是执行进程的必要资源，而资源有限。操作系统不会让一个进程一直占用CPU。因此一个进程不会一直处于运行状态，进程可能有多种状态。进程的三种基本状态为：40就绪等待运行所等事件发生阻塞时间到进程调度创建进程运行态(run):获得CPU，正在运行进程中指令。就绪态(ready):进程本身具备运行条件,等待获得CPU资源

等待态(wait):进程本身不具备运行条件，正等待某一事件发生或释放某资源。消亡完成进程标识所属用户进程状态调度参数现场信息进程地址

::PCB001就绪USER08运行恢复现场保存现场等待占用413.3.3进程调度在多道程序环境下，进程数往往多于处理机数，致使它们争用处理机。系统按某种算法，动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程。分配处理机的任务由进程调度程序完成，所以进程调度也称为处理机调度。42常用进程调度算法1.

先到先服务(FCFS)按进程到达先后顺序分配处理机。进程执行过程中操作系统不会强行抢占处理机。特点：比较有利于计算时间长的进程，而不利于频繁输入/输出的进程。进程处理时间P127P230P335P1P2P30275792等待时间:P10P227P357到达顺序执行顺序FCFS432.

高优先级优先在就绪队列中选取优先级最高的进程运行。优先级1优先级2……优先级n就绪队列进程按优先级排队静态优先级：在进程创建时确定，进程运行期间保持固定不变。动态优先级：在进程的生命期内，随着进程的运行情况而不断动态变化。44将CPU时间分成固定大小的时间片，所有就绪进程按先来先服务原则分配处理机，一次使用一个时间片。当时间片用完时，如果该进程既未结束也未因某种原因而等待，则剥夺其处理机，将它送到就绪队列末尾，等待下一次调度。3.

时间片轮转法

以上进程调度的讨论都是局限于单处理机情况，在实际操作系统中，往往使用多种调度算法或某些算法的混合体。45第五节存储管理功能包括存储分配、存储保护、虚拟存储器管理和地址映射。目的：为多道程序提供运行环境，提高存储器利用率，从逻辑上扩充存储容量。3.5.1基本概念

系统区：存放操作系统核心程序和一些标准子程序以及例行程序

用户区：存放用户程序和数据存储管理：指内存储器管理，主要对用户区进行管理。461)

物理地址：内存被分为许多单元（存一个字节），将每个单元从0编号，内存单元顺序号称为物理地址。每个单元物理地址惟一，ＣＰＵ通过物理地址读写内存。32根地址总线，内存物理地址为32位，ＣＰＵ可寻址0~232-1，4GB。２）逻辑地址：由程序员编写的程序经过编译后所产生的地址称为逻辑地址，也叫相对地址或偏移地址。每个程序中逻辑地址都从0开始，程序中其他地址都相对起始地址进行计算。012:N程序2012:K程序1012:M47操作系统在程序装入内存时，将程序中指令和数据的逻辑地址转换为物理地址，其转换过程称作地址映射或地址重定位。静态重定位：在程序装入内存时完成地址转换，在执行程序时，地址不再变化

。

动态重定位：将程序装入内存后并不立即进行地址转换，而执行程序过程中物理地址可能发生变化，动态进行地址转换。３）地址映射

48LoadAdata1data1123源程序地址映射编译连接LoadA200123逻辑地址空间0100200LoadA1100123物理地址空间10001100外存空间内存空间程序指令逻辑地址程序指令物理地址90049在多道程序系统中，内存中既有系统进程，又有许多用户进程。要确保每道程序都只在自己的内存空间中运行。防止地址越界：保证程序不会转移到非共享的其他程序区中执行。防止操作越权：保证程序的运行不会超过它的权限。4）存储保护50共享区多个进程共用内存中相同区域，即它们的物理空间有相交部分。共享P1P2存放程序代码或数据目的：节省内存空间：主要是代码共享。实现进程通信：数据共享。513.5.2存储器连续分配方式在程序装入内存时，为其分配存储区域，存储区域分配有多种方式。1.单一连续分配程序只能分配到一个连续的存储区域，采用静态重定位方式，由装入程序完成逻辑地址到物理地址的映射。适合于单用户、单任务操作系统。52用户内存空间划分为若干个连续区域，每个区域位置固定，每个分区中只装入一道程序。程序装入时地址映射采用静态或动态重定位方式。缺点：在内存中运行的程序数受分区数限制；小程序易造成内存资源浪费，而大程序可能又无法装入。2.固定分区管理

程序1程序2程序3533.可变分区管理系统初始用户区是一个空闲分区。在装入作业时按程序大小划内存分区，使分区正好适应程序需求。剩余部分作为一个空闲区，可装入其他程序。分区数可变。54内存碎片：不能用于装载程序的空闲分区。前三种方式的共同缺点：容易产生内存碎片。作业A(16K)仅有作业A操作系统作业D作业C作业B作业A(16K)操作系统加入作业B,C,D作业D作业B操作系统作业AC完成用户区55将内存中程序位置进行移动，原来分散的碎片拼接成一个大空闲分区，用于装入新程序。4.可重定位分区分配

作业D作业B操作系统作业B作业D操作系统用动态重定位方式才可移动内存中的程序。

移动内存中程序位置，要多占用ＣＰＵ时间，即增加系统开销。56第六节文件管理程序和数据是计算机软件资源，它们以文件形式存储在计算机外部存储器上。文件管理:对文件、目录和文件存储空间进行管理，为用户提供按名存取文件的手段。文件存储空间管理：主要是外存管理，为文件分配存储空间，与内存分配方法类似，可以采用连续或离散分配方式。存储空间基本分配单位是磁盘块（扇区，512个字节）。573.6.1文件系统基础知识文件：具有符号名的相关信息集合。文件系统：文件与文件管理程序的集合。1.文件命名当进程创建文件时，为文件命名，其他进程只要给出文件名就可以使用这个文件，操作系统根据文件名对其进行控制和管理。不同操作系统对文件的命名规则有所不同。通常，文件名是由字母、数字、分隔符组成的字符串，字母不区分大小写。58文件主名.扩展名在Windows2000/XP中，观察文件扩展名的方法：右击我的电脑→资源管理器→工具菜单→文件夹选项→文件类型卡片，以观察到很多扩展名。在Windows2000/XP中规定其长度最多不超过256个字符。定义文件类型592.文件分类

文件性质用户文件库文件系统文件存取属性读写文件只读文件只执行文件信息流向

输出文件

输入／输出文件

输入文件

组织形式普通文件目录文件设备文件普通文件二进制文件ASCII码文件60基本属性：包括文件名、文件长度、文件创建时间、修改时间、文件所有者等。类型属性：包括普通文件、目录文件、系统文件、隐含文件、设备文件等；保护属性：包括可读、可写、可修改、可删除。在Windows2000/XP中，文件右击菜单→属性，可以观察文件属性。3.文件属性

61指文件的外部结构，即用户存取、检索和管理信息时文件的组织形式。有两种形式：

4.文件逻辑结构

记录式文件：由一系列记录构成的文件，结构化。记录是一个具有特定意义的信息单位。如数据库文件等。流式文件：由字符流构成的文件，基本单位是字节，是有序字符集合，无结构。Word文档、源程序属于流式文件。62物理结构：指文件在存储设备上的存放方法。常用结构有顺序、链接和索引结构：顺序结构：文件中的信息依次存放在连续编号的物理块中。链接结构：文件中的信息依次存放在若干不连续的物理块中，各个物理块以指针相连。索引结构：文件中的信息依次存放在若干不连续的物理块中，文件系统为每个文件建立一张索引表。5.文件物理结构63顺序存取：从前到后依次访问文件。对记录式文件按记录顺序存取；对流式文件则根据当前读写指针位置存取。随机存取：又称直接存取。只有记录式文件可以随机存取，根据记录编号存取文件中的任一记录。索引存取：又称按键存取，是基于索引(目录)文件的存取方法。6.文件存取文件存取方式：由存储器物理特性和文件结构决定。一般有：

643.6.3文件目录为方便查找、访问，要为文件建立目录。文件目录也是一种文件，由目录项组成。一个文件信息构成一个目录项，目录项存储于文件控制块(FCB)中。文件名文件类型存储地址文件长度记录大小创建时间

::FN019DCHDOC目录项结构关系到文件系统的存取速度、文件共享性和安全性。常见目录结构有单级目录、二级目录和多级目录。65整个文件系统只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。这种目录结构可以实现文件系统基本功能“按名存取”。缺点：文件查找速度慢，不允许文件重名，而且很难实现文件共享。1.单级目录结构66建立一个主目录文件，再为每个用户建立一个用户目录文件，在主目录文件中，为每个用户建立一个目录项，目录项包括用户名和用户目录文件指针。优点：二级目录能提高目录检索速度，在不同目录中可以使用相同文件名。2.二级目录结构

67多级目录结构又称为树型目录结构。根目录为主目录并且只有一个。在根目录中可以生成子目录，子目录文件作为树的结点，又可以包含子目录，……。子目录的目录项可以是文件控制块，也可以是下一级子目录的文件控制块。binusrlibdevetcunixlpccviusersLiWangd1d2f1consolepasswdbinyaccsroot3.多级目录结构

68路径名：将路径上的目录名依次用\连起来。绝对路径：从根目录开始的路径。相对路径：从当前目录开始的路径。\Tools\office2003\完整安装程序\setup.exe若当前路径为D:\Tools，金山词霸\readme.txt路径：到文件的通路。69第七节设备管理设备管理：管理和控制输入输出设备：为用户提供统一的接口形式；完成输入输出请求；提高设备使用效率。设备管理包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。在windows

2000/XP中：开始菜单→控制面板→性能和维护→系统→硬件选项卡上→设备管理器

703.7.1设备分类1.按用途分类输入型设备：将程序、数据、声音和图像等数据和控制信息输入到计算机系统中，如键盘、鼠标、扫描仪等。输出型设备：将处理结果以人可以识别的形式呈现出来，如显示器、打印机和音箱等。存储型设备：指辅助存储器。如磁盘、磁带和光盘等，用于长期保存信息。71字符设备：是以字符为单位组织和处理信息。通常输入和输出型设备(包括通讯设备)属于字符型设备。如显示器、键盘和打印机等。块设备：以一定长度数据块为单位组织和处理信息。长度通常为2i。存储设备属于块设备。如：通常磁盘块长度为29=512个字节。2.按信息交换基本单位分类

723.按设备共享属性分类独占型设备：在某一时刻只允许一个进程访问。包括所有字符型设备和磁带机。共享型设备：在某一时刻允许多个进程同时访问。除磁带机之外所有块设备都属于共享型设备。733.7.2设备控制器CPU与设备控制器通