第2章操作系统

2023/2/6第2章操作系统1第2章操作系统王燕2023/2/6第2章操作系统2主要内容2.1操作系统概述2.2操作系统的功能 2.2.1处理器管理2.2.2存储器管理2.2.3设备管理2.2.4文件管理2.3典型操作系统2023/2/6第2章操作系统3重点操作系统的功能2023/2/6第2章操作系统4计算机系统的层次结构各种应用程序软件编译程序、汇编程序等系统软件操作系统裸机用户1用户2用户3用户n2023/2/6第2章操作系统52.1操作系统概述操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是一些程序模块的集合——管理和控制计算机系统中的软件和硬件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效的利用这些资源，为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。2023/2/6第2章操作系统6操作系统的引导过程引导过程指在开启计算机与计算机准备完毕并能接受用户发出的命令之间发生的一系列事件在引导过程中，操作系统内核会加载到内存中内核提供的是操作系统中最重要的服务（如内存管理和文件访问），计算机运行时，内核会一直驻留在内存中操作系统的其他部分（如定制应用程序）只在需要时才载入2023/2/6第2章操作系统7引导过程包含以下6个步骤通电启动引导程序开机自检识别外围设备加载操作系统检查配置文件并对操作系统进行定制打开电源开关，开始给计算机硬件供电CPU执行ROM中的引导程序关键部件诊断测试识别并检查外围设备内核程序从硬盘读取到RAM引导程序要求CPU执行一条转移指令，转到内核存储的内存区域，之后操作系统接管并开始控制整个机器的活动。2023/2/6第2章操作系统8用户界面用户界面就是指用户与计算机交互时用到的软件和硬件的集合。因此计算机的用户界面既包括图表、菜单、工具栏按钮等这些软件元素，也包括显示器、鼠标和键盘这些硬件设备。用户界面有命令行界面和图形用户界面两种。2023/2/6第2章操作系统92.2操作系统的功能处理器管理存储器管理设备管理文件管理作业管理2023/2/6第2章操作系统10处理器管理处理器的管理包含两部分的内容：中断处理和进程管理中断引例：你正在看书，突然有人打电话来（中断事件），你去接电话，接电话就叫中断响应。拿了电话和别人说话就相当于中断服务程序，挂电话相当于中断返回，而现场保护就相当于你去接电话的时候，在你看书看到当前页的地方放一个书签，然后等你接完电话回来可以翻到那儿继续看在程序里面指执行中断程序时，把一些数据保护起来，等中断服务程序执行完时，再取回保护的数据

2023/2/6第2章操作系统11中断处理硬件只能发现中断事件，产生中断信号CPU检测到中断信号，先进行现场保护，然后对中断事件进行处理如磁盘驱动器通过发出中断信号告诉CPU它准备把一个信息扇区传送到主内存，CPU检测到这个信号后，就会停下自己正在进行的一切，把控制权交给中断程序。同时CPU还要把当前正在运行的程序状况进行“现场保护”，以便处理完急待处理的事件后能返回到原来的任务。2023/2/6第2章操作系统12进程管理计算机中的活动都是以“进程”的方式运行的。进程为应用程序的运行实例，是应用程序的一次动态执行。在Windows操作系统中，可以通过“任务管理器”查看处理器正在执行的进程列表。2023/2/6第2章操作系统13任务管理器查看进程列表2023/2/6第2章操作系统14存储器管理存储管理负责管理计算机系统的重要资源——主存储器，即计算机内存。操作系统的存储功能主要包含四个方面虚拟内存技术存储空间的分配和回收地址的转换存储共享与保护2023/2/6第2章操作系统15虚拟内存技术虚拟内存：把辅助存储器当作内存来使用。虚拟存储器的基本思路：作业提交时，先全部进入辅助存储器（如硬盘），作业投入运行时，只是将其中当前使用部分装入内存，其余暂时不用的部分先存放在作为内存扩充的辅助存储器中，待用到这些信息时，再由系统自动把它们装入到内存中。操作系统的这个技术对应用程序来说是透明的，从应用程序的角度来看，它拥有的是一段连续的内存空间（尽管有一部分数据放在实际的内存，一部分数据放在硬盘虚拟的内存中）。2023/2/6第2章操作系统16“虚拟内存设置”对话框我的电脑->右键属性->高级性能设置->高级虚拟内存虚拟内存设置的原则是：虚拟内存最小值是物理内存的1到1.5倍，虚拟内存最大值是物理内存的2到2.5倍。2023/2/6第2章操作系统17存储空间的分配和回收操作系统中的存储管理能根据记录每个存储区（分配单元）的状态做为主存分配的依据。当用户提出申请时，实施存储空间的分配管理，并能及时回收系统或用户释放的存储区，以供其它用户使用。通过主存分配记录表来管理主存的分配和回收。保存每个存储区域的状态的数据结构称为主存分配记录表。2023/2/6第2章操作系统18主存分配记录表0进程A1进程A2进程A3进程B4进程B5进程C6进程C7…2023/2/6第2章操作系统19地址的转换物理地址：主存的地址012345256M-1物理地址空间2023/2/6第2章操作系统20地址的转换逻辑地址：源程序经过编译链接生成可执行文件，源程序中函数名、变量名在可执行文件中变为地址。通常采用相对地址的形式，其首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址而编址。这种地址称为逻辑地址（虚地址），不能用逻辑地址在内存中读取信息。2023/2/6第2章操作系统21地址的转换inta=0;main(){a=5;//mov1000,5printf("hello,word");//call100}MOV1000,5CALL100printf0100400a1000

逻辑地址空间2023/2/6第2章操作系统22地址的转换地址映射：当程序装入内存时，操作系统要为该程序分配一个合适的内存空间，由于程序的逻辑地址与分配到内存物理地址不一致,而CPU执行指令时，是按物理地址进行的，所以要把程序中的逻辑地址转化为物理地址，即地址转换、重定位、地址映射。2023/2/6第2章操作系统23MOV1000,5CALL100printf0100400a1000

逻辑地址空间MOV,5CALLprintf400041004400a5000物理地址空间500041002023/2/6第2章操作系统24存储共享与保护

主存区域为多个用户程序共同使用，所以存储共享有两方面的含义。（1）指多个用户程序共同使用存储空间，各个程序使用各自不同的存储区域。（2）指多个用户程序共同使用主存中的某些程序和数据区，这些共享程序和数据区称为共享区。2023/2/6第2章操作系统25设备管理设备管理是计算机系统对除CPU和内存之外的所有输入输出设备的管理，是操作系统的主要功能之一。设备管理包括五个方面。设备驱动程序即插即用通用即插即用集中、统一管理提高使用效率2023/2/6第2章操作系统26设备驱动程序设备驱动程序是操作系统管理和驱动设备的程序。用户使用设备之前，该设备必须安装驱动程序，否则无法使用。不同类型设备的驱动程序是不同的。操作系统提供一套设备驱动程序的标准框架，由硬件厂商根据标准编写设备驱动程序并随同设备一起提交给用户。在安装操作系统时，会自动检测设备并安装相关的设备驱动程序，以后用户如果需要添加新的设备，必须再安装相应的驱动程序。2023/2/6第2章操作系统27即插即用所谓即插即用(PlugandPlay，PnP)，就是指把设备连接到计算机上后无需手动配置可以立即使用。即插即用技术不仅需要设备支持，而且操作系统也必须支持。即插即用并不是说不需要安装设备驱动程序，而意味着操作系统能自动检测到设备并自动安装驱动程序。2023/2/6第2章操作系统28通用即插即用Microsoft公司在1999年推出了最新的即插即用技术，即通用即插即用(UniversalPlugandPlay，UPnP)。它让计算机自动发现和使用基于网络的硬件设备，实现一种“零配置”和“隐性”的联网过程，自动发现和控制来自各家厂商的各种网络设备，如网络打印机、Internet网关和消费类电子设备。2023/2/6第2章操作系统29一些UPnP应用场景经过一天辛苦的工作，Bill走进了他的家门。他按了一下墙上的开关，这对我们大多数人而言，就像打开休息室的灯。但使用UPnP后，这个开关就远不止这么简单了。该开关正是一种UPnP服务，它的状态是由被称为“位置”的变量定义的。当Bill按下开关时，“位置”变为“开”，同时运行在他基于WindowsXP的PC上的脚本也会投入工作。script是使用一种特定的描述性语言，依据一定的格式编写的可执行文件，又称作宏或批处理文件。2023/2/6第2章操作系统30

该脚本可以获得主控开关的位置已变为“开”的通知。此后它会执行下列操作：加热器打开到预设的温度。应答机开始播放新留言。Bill的立体声系统打开，并被设置在他最喜欢的古典音乐台，声音是根据环境水平设置的。窗户的百叶升起来，但这只会在日落之后发生（日出/日落数据可以非常容易地从Internet获取）。可选的操作，打开电视并将其设在新闻台，同时保持静音并打开关闭的字幕功能。喔，对了，休息室的灯也打开了。同样，当将开关按到“关闭”位置时，会进行反向操作。在Windows中，对设备进行集中统一的管理的是“设备管理器”。在“设备管理器”中，用户可以了解有关计算机上的硬件如何安装和配置的信息，以及硬件如何与计算机程序交互的信息，还可以检查硬件状态，并更新安装在计算机上的设备驱动程序。我的电脑->右键管理->设备管理器2023/2/6第2章操作系统31集中、统一管理2023/2/6第2章操作系统32提高使用效率提高外部设备的使用效率，除了合理分配使用各种外部设备之外，操作系统通过缓冲技术提高外部设备和CPU以及各种外设之间的工作的并行性。在数据到达与离开速度不匹配的地方，使用缓冲技术。缓冲技术好比是一个水库，如果上游来的水太多，下游来不及排走，水库就起到“缓冲”作用，先让水在水库中停一些时候，等下游能继续排水，再把水送往下游。通常CPU的速度要比I/O设备的速度快得多得多，所以可以设置缓冲区，对于从CPU来的数据，先放在缓冲区中，然后设备可以慢慢地从缓冲区中读出数据。2023/2/6第2章操作系统33文件管理文件管理就是把存储、检索、共享和保护文件的手段，提供给操作系统本身和用户，以达到方便用户和提高资源利用率的目的。文件管理的主要任务是实现按名存取，实现对文件的共享、保护和保密，保证文件的安全性，并提供给用户一套方便操作文件的命令。文件基本概念文件的组织文件系统2023/2/6第2章操作系统34文件的基本概念文件是具有文件名的一组相关信息的集合。在计算机系统中，所有的程序和数据都是以文件的形式存放在计算机的外存储器上。在操作系统中，负责管理和存取文件信息的部分称为文件系统。在文件系统的管理下，用户可以按照文件名访问文件，而不必考虑各种外存储器的差异，不必了解文件在外存储器上的具体物理位置以及如何存放的。文件名：在计算机中，任何一个文件都有文件名。文件名是存取文件的依据，即按名存取。一般情况下，文件名分为文件主名和扩展名两个部分。如p1.txt。文件类型：在绝大多数的操作系统中，文件的扩展名表示文件的类型。2023/2/6第2章操作系统35文件类型扩展名说明可执行程序EXE、COM可执行程序文件源程序文件C、CPP、BAS、ASM程序设计语言的源程序文件目标文件OBJ源程序文件经编译后产生的目标文件批处理文件BAT将一批系统操作命令存储在一起，可供用户执行连续执行Office文档文件DOC、XLS、PPT、DOCX、XLSX、PPTXMSOffice中Word、Excel、PowerPoint创建的文档图像文件BMP、JPG、GIF图像文件，不同的扩展名表示不同格式的图像文件流媒体文件WMV、RM、QT能通过Internet播放的流式媒体文件，不需下载整个文件就可播放压缩文件ZIP、RAR压缩文件音频文件WAV、MP3、MID声音文件，不同的扩展名表示不同格式的音频文件网页文件HTML、ASP一般来说，前者是静态的，后者是动态的2023/2/6第2章操作系统36文件的基本概念文件属性：文件除了文件名外，还有文件大小、占用空间、所有者信息等，这些信息称为文件属性。2023/2/6第2章操作系统37文件的基本概念文件操作：文件中存储的可能是数据，也可能是程序的代码，不同格式的文件通常都会有不同的应用和操作。文件的常用操作有：建立文件、打开文件、写入文件、删除文件、属性更改等。2023/2/6第2章操作系统38文件的组织操作系统通常采用树形结构对文件进行组织。最基本的一级称为卷，一盘磁带、一张光盘片、一个硬盘分区或一张软盘片都可称为一卷。在卷上可以建立目录树或称为文件夹。用户可以在每一卷的根目录下建立子目录，在子目录下再建立子目录，也就是将目录结构构建成树状结构，然后让用户将文件分门别类地存放在不同的目录中。2023/2/6第2章操作系统39树状的目录结构2023/2/6第2章操作系统40树状的目录结构目录路径有两种：绝对路径和相对路径。Notepad.exe和Test.doc文件的绝对路径分别为C:\Windows\System32\Notepad.exe和C:\Userl\Test.doc。如果当前目录为System32，则Data.mdb文件的相对路径为..\..\User1\Data.mdb（用“..”表示上一级目录）。2023/2/6第2章操作系统41文件系统文件系统由3部分组成：与文件有关的软件、被管理的文件以及实施文件管理所需的数据结构。从系统角度来看，文件系统是对文件存储空间进行组织和分配、负责文件的存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构，即在磁盘或分区上组织文件的方法。一个分区就是一个实际的文件系统。2023/2/6第2章操作系统42文件系统一个分区或磁盘在作为文件系统使用前，需要初始化，并将记录数据结构写到磁盘上。这个过程就叫建立文件系统。建立文件系统需要根据操作系统的需要，不同的操作系统有不同的文件系统。Windows常用的文件系统为FAT32(FileAllocationTable)或NTFS(NewTechnologyFileSystem)，而UNIX则使用NFSFAT32：卷最大容量2TB，FAT32每个分区最大是32GB，其中每个文件最大只能是4GBNTFS：一种能够提供各种FAT版本所不具备的性能、安全性、可靠性与先进特性的高级文件系统。NTFS格式支持的分区更大，单文件最大64GB作业管理用户要求计算机完成的一个计算任务或事务处理称为一个作业。为了便于操作系统进行资源分配和作业调度，通常把一个作业分成若干个顺序处理的相对独立的工作，即作业步。在操作系统中，为了合理、有效地调度用户作业，通常将用户作业分为两大类型：批处理作业和交互式作业，并对它们采用不同的作业控制方式，即批处理方式和交互方式。2023/2/6第2章操作系统432023/2/6第2章操作系统442.3典型操作系统1、DOS2、MicrosoftWindows系列3、MacOS4、Unix和Linux5、手持设备操作系统2023/2/6第2章操作系统45DOSDOS（DiskOperationSystem）代表磁盘操作系统。DOS是基于命令行界面的一种单用户、单任务的个人计算机操作系统。现在部分DOS仍然存在于现代操作系统中，因为它为Windows的3.1、95、98和Me版本提供了部分的操作系统内核。可以使用Windows“开始”菜单中的“命令提示符”来启动基于字符界面的DOS或者运行下输入cmd。2023/2/6第2章操作系统46Windows系列Windows是Microsoft公司为高档PC（32位机）开发的一个个人计算机操作系统。Windows是一个单用户、多任务的图形用户界面的操作系统。从一开始Windows操作系统就是为使用Intel或与Intel兼容的微处理器的计算机设计的。随着芯片体系结构发展到64位，Windows也发展了很多版本。Windows98、Windows2000、WindowsXP、WindowsVista、Windows7等。2023/2/6第2章操作系统47MacOSMacOS是在苹果公司的PowerMacintosh机及Macintosh一族计算机上使用的操作系统，是基于Unix内核的图形化操作系统，一般情况下在普通pc上无法安装。它是最早研制成功并推向市场的基于图形用户界面的操作系统，具有较强的图形处理能力，广泛用于桌面出版和多媒体应用等领域。MacOS是首个在商用领域成功的图形用户界面。现行的最新的系统版本是MacOSX10.6.x版。较少受到病毒袭击。2023/