计算机数据库(经济会计类)四讲计算机操作系统随堂讲义

1、,大学计算机基础操作系统 （Operating System）,硬件到底是怎么动起来的？,预引导,引导,加载内核,初始化内核,登录,计算机硬件是如何动起来的？,计算机需要一个管家来指挥各个部件工作,第四章 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；重点讲述操作系统中的几个基本功能及相关概

2、念。,4.1 操作系统概念及构成,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，同时它又是用户与计算机硬件的接口。,没有操作系统，应用软件如同空中楼阁，无法运行。,4.1.2 操作系统的构成,4.1 操作系统概念及构成,就是对CPU的管理。,就是如何合理分配和使用内存。,就是对文件及文件夹进行管理。,就是对外部各种输入输出设备进行管理。,主要是指对硬盘进行管理。,就是提供对网络管理、对进程工作过程的保护及提供用户与操作系统的接口程序。,动 画,4.2.1 操作系统的类别,4.2 操作系统类别与计算环境,经过多年的发展，先后出现了各种类型的操作系统。从早期的批处理操作系统、

3、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，还有为支持嵌入式计算机的嵌入式操作系统。,动 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,1. 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算环境。,2.基于Web的计算环境 互联网的普及使得计算被延伸到Web环境。,3.嵌入式计算环境 嵌入式计算机就是

4、安装在某些设备上的计算部件，其计算相对比较简单。,4.3.1 进程的概念,4.3 进程管理,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作步骤。 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(例如CPU时间、内存、文件和I/O设备) 。,4.3 进程管理,在计算机中，由于多个程序共享系统资源，就必然引发对CPU的争夺。如何有效地利用CPU资源，如何在多个请求CPU的进程中选择取舍，这就是进程管理要解决的问题。,动 画,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，系统就创建一个进程，程序执行结束后，该

5、进程也就消亡了。,4.3.2 进程的状态转移,新的,就绪,运行,终止,等待,允许,中断,退出,允许,进程状态及转换图,4.3 进程管理,如CPU时间片被用完，迫使进程让出CPU,进程等待分配CPU,进程已分配到CPU，正在被执行。,进程正在被创建,进程已完成,进程等待一些事件的出现,如进程可能要使用某个I/O设备而进入等待状态，等待使用相应的设备，当 I/O完成后进程进入就绪队列。,4.3.3 进程控制块PCB(略),4.3 进程管理,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。 进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，操作

6、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。,4.3.4 进程调度及队列图,4.3 进程管理,在某一时刻，计算机的CPU(单核)只能运行一个进程，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。 当一个进程处于等待或CPU时间片用完时，操作系统就会从该进程中拿走CPU控制权，然后再交给其它进程使用，这就是进程的调度。,4.3.5 CPU调度及其准则,4.3 进程管理,在设计CPU调度程序时主要应该考虑的准则包括： (1) CPU使用率。让CPU尽可能地忙。 (2) 吞吐量。让CPU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

7、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间尽可能短。,4.3.7 进程的同步与互斥,4.3 进程管理,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。 换句话说,在操作系统中，允许多个进程并发运行。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。,动 画,4.3 进程管理,例:A、B两进程同步工作如下图（A进程负责从键盘读数据到缓冲区，B进程从缓冲区取数据并计算。,动 画,4.3 进程管理,在操作

8、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，其它进程就不允许进入临界区执行，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。 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，表现为互斥。由此得出:,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。,动 画,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，如果所申请资源不足，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

9、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面，这就是死锁。,4.3.8 进程的死锁及处理方法,4.3 进程管理,竞争资源引起死锁,死锁举例： 四方街区的车辆阻塞。每个方向都希望其它方让出通道，但谁也不能够让出。,引起死锁的四个必要条件： (1) 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为止。 (2) 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。 (3) 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，只有等其完成任务并释放资源。 (4) 循环等待：在出现死锁的系统中，一定

10、存在这样一个进程链，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。,4.3 进程管理,4.3 进程管理,死锁举例： 进程A：获得CD-ROM使用权，申请打印机 进程B：获得打印机使用权，申请CD-ROM 死锁：此时进程A、B均被阻塞，无法运行,动 画,处理死锁问题的三种方式： (1) 使用协议预防和避免死锁，确保系统从不进入死锁状态。 (2) 允许系统进入死锁状态，然后检测出死锁，并加以恢复。 (3) 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上。,4.3 进程管理,处理死锁优先考虑的顺序：,先预防和避免再检测和恢复,4.4 内存管理,内存

11、是现代操作系统的核心，是可被CPU和I/O设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。,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,用户编写程序在执行前，需要多个处理步骤，然后在内存中等待执行。当然有时并非每个步骤都是必需的。,图4.4 用户程序多步骤处理,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器语言程序。链接器将编译后不同的程序、函数库文件等连

12、接生成EXE文件 。当运行EXE文件时，操作系统的加载器读取EXE文件并将它们加载到内存中。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。,OBJ文件,EXE文件,4.4 内存管理,1.编译阶段:如果在编译时就知道进程将在内存中的什么位置驻留，那么编译器就可以直接以生成绝对地址代码。,2.加载阶段: 不知道进程将驻留在什么位置，那么编译器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对地址。,3.执行阶段: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行时进行。,通常，将指令和数据的地址映射成内

13、存地址可以发生在以下三个执行阶段。(了解),4.4.2 物理地址空间与逻辑地址空间,4.4 内存管理,几个相关概念,物理地址:是计算机内存单元的真实地址。 物理地址空间:由物理地址所构成的地址范围。 逻辑地址:经编译后的用户程序地址，从0开始编址。 逻辑地址空间:由逻辑地址所构成的地址范围。 地址映射:用户程序在运行时要装入内存，这就需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。,用户编写的源程序是不考虑地址的，源程序经编译后产生逻辑地址。将逻辑地址转换为内存中的物理地址是由计算机中被称为内存管理单元的硬件设备来实现的，将逻辑地址与内存管理单元中存放的内存基址相加就得到物理地址

14、。,4.4 内存管理,动 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。,4.4 内存管理,注：这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,在内存分配中，常常把内存中还没有被分配的可用空间称为孔(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

15、内存分配。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,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(页框) 进程的逻辑地址空间也划分为同样大小的块(页面),内存分配时每个页面对应地分配一个页框，而一个进程所分得页框在位置上不必是连续的。,页表：操作系统为每个用户程序建立一张页表，该表记录用户程序的每个逻辑页面存放在哪一个内存物理页框。,分页式内存管理从逻辑地址到物理地址的映射 ： (了解),注：逻辑地址的表示：,4.4 内存管理,4.5.1 基本思想,4.5 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，它不是任何

16、实际的物理存储器。虚拟内存包括物理内存和一部分外存(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：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，而其余页面可暂时留在磁盘上，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够大的物理内存，而实际上并非真实的，这就是虚拟内存。,4.5.2 页面请求与页面置换算法,4.5 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

17、，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。 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，必须将进程中的某个页面从内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，这个过程叫页面置换。,动 画,4.6.1 文件的概念,4.6 文件管理,文件：保存在外存上的相关信息的集合。 文件命名：文件主名+扩展名,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 .SYS 系统文件 .TXT 文本文件 .BAS Basic源程序 .DOC Word文档 .B

18、AK 备份文件,4.6 文件管理,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。 文档：允许任何用户进行读写操作。 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：,什么是文件系统？ 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、文件大小、创建时间等信息。,4.6 文件管理,操作系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、文件截短等操作。,(1) 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

19、分配，然后再在目录中为新文件建立一个目录条。 (2) 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。 (3) 文件读：根据指定的文件名在目录中搜索到目录条，完成读操作。,4.6 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读/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。 (6)文件截短：删除文件的内容而保留其属性，只是将文件的长度设置为0并释放所占的空间。 以上6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

20、文件复制、文件重命名、为文件追加信息、更改文件属性等。,4.6.2 文件的物理结构和逻辑结构,4.6 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在外存上的存储形式(如：顺序结构、链接结构、索引结构)，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，它与具体的存储设备无关。,(1) 无结构文件,main( ) int a, b, sum; scanf(%d %d, ,4.6 文件管理,(2) 有结构文件,可以看成是由无结构的字符序列组成的文件。如文档、源程序等。,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种顺序依次连续存储。

21、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。,4.6 文件管理,根据用户和系统管理的需要，有结构文件可有以下几种：,4.6 文件管理,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。 按输入记录的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。,4.6 文件管理,(略),4.6.3 文件的访问方式,1. 顺序访问方式,4.6 文件管理,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内容，并自

22、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。 所有存储在顺序存储设备(如磁带)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型。该访问方式对直接存储设备(如磁盘)也适合。,文件的访问方式是由文件性质和存储介质决定的。,2. 直接访问方式,4.6 文件管理,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盘的模型。,3.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进行检索，查找到指向数据记录的指针，根据该指针实现对

23、具体数据记录的访问。,4.6 文件管理,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。,4.6.4 文件的目录结构,4.6 文件管理,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 。,文件目录的组成：每个文件有一个文件控制块FCB，它是文件存在的标志，存放了为管理文件所需的所有有关信息。把所有的文件控制块组织在一起，就构成了文件目录，每个文件控制块就是其中的一个目录项。,4.6 文件管理,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用图目录结构。,单层目录结构,双层目录结构,4.6 文件管理,树型目录结构是目前使用最为广泛的

24、一种目录结构。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。,动 画,4.7.1 I/O设备和主要术语,4.7 输入输出系统管理,每台计算机都配备了许多外部设备，它们的性能和操作方式都不一样。操作系统对设备(即输入/输出系统)管理的主要目标是方便用户使用外部设备，提高CPU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。,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。,1. I/O设备端口,2. I/O设备控制器,中断的概念:中断是现代计算机中CPU处理外部突发事件的一个重要技术。它能使CPU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

25、理完成后又立即返回断点，继续进行CPU原来的工作。根据中断源的不同，可以把中断分为:,动 画,1. IRQ（Interrupt Request）（线） IRQ即中断请求线。计算机中有许多设备（例如声卡、硬盘等）需要定期中断CPU，让CPU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CPU。所以每个设备只能使用自己独立的中断请求线(PCI总线、USB总线上的设备可共享)。一般微机共有16条中断请求线与各种外设相连接，(每个中断线有一个标号也就是中断号)。 2. DMA（Direct Memory Access）（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CPU控

26、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DMA方式下，外设利用DMA芯片直接将数据写入或读出存储器，而基本不用CPU参与，系统的速度会大大增加。 3. I/O端口地址（Input/Output）（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。每一个和CPU通信的外设都有不同的I/O地址，通常在PC机内部一共有1024个地址。,4.7.2 输入/输出控制方式,4.7 输入输出系统管理,(1) 程序控制方式 早期采用的方式。CPU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CPU就等待I/O设备进行数据传送，直到一个字节传送完毕后CPU再继续处

27、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I/O是否完成，造成CPU资源的极大浪费。CPU和外围设备只能串行工作。,CPU通过端口对外设进行控制的方式有以下几种：,4.7.2 输入/输出控制方式,4.7 输入输出系统管理,(2) 中断驱动方式 首先由CPU向相应设备的控制器发出一条I/O命令，然后CPU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I/O设备工作。这时CPU与I/O设备并行工作。 这种方式CPU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(每传一个字节就要请示求中断)，这将耗去大量CPU处理时间。,4.7 输入输出

28、系统管理,(3) 直接存储器访问方式 引入DMA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，当数据块传送完毕时才需要CPU干预。该方式CPU的利用率高。,(4) 通道控制方式 通道实际上是一种比DMA芯片功能更强的设备。通道控制方式是DMA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CPU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，I/O设备与CPU(实际指内存)交换数据时，需要使用缓冲技术。也就是为I/O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。 引入缓冲： (1) 缓和CPU与I/

29、O设备间速度不匹配的矛盾； (2) 减少对CPU中断频率； (3) 提高CPU与I/O设备间的并行性。,4.7 输入输出系统管理,4.7.4 设备驱动程序,4.7 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，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(输入/输出操作)。 一旦为I/O设备安装了驱动程序，那么应用程序在使用I/O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。,动 画,4.8 典型操作系统,你听过用过哪些操作系统？,4.8.1 Unix

30、,4.8 典型操作系统,Unix是一个交互式、分时多用户并支持网络的操作系统，是可以运行在从微机到巨型机在内的各种机型上的通用操作系统。目前主要用于网络服务器、大中小型机。,主流产品：FreeBSD运行界面,主流产品：Solaris运行界面,1969年，贝尔电话实验室的专家开发了-Unix操作系统。,4.8 典型操作系统,4.8.2 DOS,DOS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16位微型计算机而设计，属于淘汰产品。,MS-DOS运行的界面,1981年，IBM发布了IBM 5150 PC，采用了Microsoft提供的DOS（Disk Oper

31、ating System）。,4.8.3 Windows,4.8 典型操作系统,Windows是Microsoft公司为个人计算机及其服务器开发的操作系统。从1985年发展至今，开发了众多的版本，对个人计算机的普及及应用起到了重要的作用。,Windows95之前的发展历程,4.8 典型操作系统,Windows95之后的发展历程,4.8 典型操作系统,Windows操作系统被广泛使用，主要是因为其具有以下基本特点： (1) 界面图形化，操作便捷 以前DOS的字符界面使得一些用户操作起来十分困难。采用了图形界面和使用鼠标后，人们不必学习太多的操作系统知识，只要会使用鼠标就能进行工作。 (2) 采用多任务机制 用户使用计算机时可以同时运行多个程序完成多种任务。,4.8 典型操作系统,(3) 支持网络功能。 用户可以很方便地在Windows中实现资源共享。 (4) 出色的多媒体功能 可以进行音频、视频的编辑/播放工作。 (5) 硬件更容易使用 支持“即插即用” 技术，这使得新硬件的安装更加简单。只要有其驱动程序， Windows就能自动识别并进行安装。 (6)具有众多应用程序的支持 市面上有足够多的在Windows下运行的应用程序可