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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 一个程序的存储、运行及操作系统的基本概念,首先我们先看一个程序的执行过程。 第1步：一个程序为了长期保存，应先将其保存在外存（主要是硬盘）中； 第2步：在执行时,操作系统将程序从外存装载到内存； 第3步：依据程序中内容，一条一条地执行指令，每条指令的执行又分为三部：取指令、分析指令和执行指令； 第4步：运行结束，释放占用的资源。,执行一个程序，一般要遇到如下问题： （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，CPU如何处理？ （4）如何获得外设的资源？ （5）如何释放资源？ 等等，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。,操作系统的意义,操作系统是计算机系统中的一个最基本的系统软件 它能以尽量有效的方式分配和管理计算机的软硬件资源 合理的组织计算机的工作流程，使整个计算机系统能高效地运行 使用户无需了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能够方便、灵活地使用计算机,操作系统在计算机系统中的地位,图1 计算机系统的组成,操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）,操作系统的工作界面,操作系统是用户与计算机之间的接口和界面 用户通过操作系统的操作界面提交服务请求 操作系统提供的用户工作界面有两种形式： 命令行界面与命令操作方式，如DOS 图形界面与可视化操作方式，如Windows,命令行工作界面（方式）,用户必须熟悉一套计算机操作命令 不同的操作系统提供的操作命令是不同的 每一条命令的格式也有差别 DOS就是典型的命令行操作界面,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,操作系统的分类,单用户操作系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统 分布式操作系统,单用户操作系统,对一台计算机进行资源管理、且只服务于一个用户的操作系统；该用户独占计算机全部资源 可分为单任务和多任务两种类型 单任务操作系统- MS-DOS，一个用户使用，同时只能提交和处理一个任务 多任务操作系统-WINDOWS系列，一个用户使用，同时提交多个任务（如：一边使用WORD，一边听音乐）,分时操作系统,分时是指多个程序对CPU运行时间的分享：即将时间段分成若干时间片；CPU按时间片轮流提供服务；使得不同的程序轮流执行。 当操作系统不支持联网时，分时系统表现为单用户、多任务系统，如：WindowsXP。 当操作系统支持联网时，分时系统表现为多用户、多任务系统，如：Windows2003 Server。,实时操作系统,实时操作系统具有一定的专用性，用于实时计算机系统。 “实时”即“立即”的意思；对随机发生的事件立即作出响应并处理 工业过程控制计算机（数控机床、导弹发射等） 信息实时处理计算机（银行数据处理、民航班机航线和机票查询等）,网络操作系统,安装在网络服务器上。除具有一般操作系统功能外，还提供网络通信和网络资源共享的功能。 常用的网络操作系统如：Windows 2003 Server ，稳定性不是很高，一般只是用在中低档服务器中。 UNIX操作系统的稳定性和安全性非常好，一般用于大型的网站或大型的企、事业局域网中。,分布式操作系统,分布式操作系统用于分布式计算机系统。 分布式系统是由多台计算机经网络连接在一起而组成的系统，用户的任务可由其中若干台完成： 任意两台均可通信 各计算机无主次之分 资源供所有用户共享 一个程序可分布在几台计算机上运行，相互协调，共同完成一个任务,3.2 操作系统的功能模块,3.2.1 操作系统的基本功能,资源管理 管理和控制计算机的硬件资源和软件资源 硬件资源：处理器、存储器、I/O设备等 软件资源：计算机中的程序和数据 程序控制 程序的运行都是在操作系统控制之下进行的 操作系统不仅要保证程序的正常运行，还要提高程序运行效率，妥善处理意外事件的发生 人机交互接口 提供访问计算机资源的界面 通过命令或图形交互功能，操作和使用计算机,操作系统5大功能模块,操作系统实质上是规模庞大、功能复杂的一组程序的集合，每个程序完成特定的功能，下面从资源管理的角度来介绍操作系统的4个功能模块： 文件管理（重点） 处理机管理（CPU管理） 存储管理 设备管理 作业管理（不介绍）,问题的提出：程序、数据 如何在计算机中存储？,引入,外存储器用来存放暂时不需要运行的程序和数据 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、c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 那么，程序、数据如何在计算机外存中存储和管理呢？ 就像一个图书馆里存储着大量的图书和资料，怎样存放和管理呢？ 管理的目的是为了方便使用 这就是操作系统的文件管理模块要做的事情,与其他四个功能模块不同，文件管理是对计算机系统的软件资源进行的管理。 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进行操作,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？,文件的意义,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、优盘等,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 扩展名不是必须的 不同的操作系统有自己独立的“起名规则”,Windows下的文件名,支持DOS的命名规则（8.3规则） 支持长文件名（最多255个字符） 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,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”，记录一个文件的“文件说明信息”。,目录文件及目录项图示,如：D盘根目录的目录文件,例如： 新建文件：增加一目录项 删除文件：删除一目录项,文件说明信息,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 文件的基本信息可通过“属性”窗口查询,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,一级子目录,根目录,二级子目录,文件目录的树形结构示意,例：新建文件夹及新建文件,通过例子掌握文件存储及文件目录的概念,第一章作业.doc 第二章作业.doc,第一章作业.doc 第二章作业.doc,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，文件标识名有三个要素 盘符 路径 文件名 例如：c:userproga1.c 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,usermyfiledatanetworkhomework,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*.* .DATAC_DATADATA1.TXT DATAFOR_DATFF1.TXT 绝对路径： D: PROGFORTRANA?.FOR,几个重要的符号： *、？通配符 根目录 父目录 .当前目录,绝对路径和相对路径举例,通过绝对路径对3个文件的标识是： C:子目录1子目录2子目录3File1 C: 子目录1子目录2子目录3File2 C: 子目录2子目录3File1,绝对路径和相对路径举例,访问文件exer1 :,绝对路径: c:usrcomputer concepthomeworkexer1 2. 相对路径: 假设当前目录为: c:usrcomputer concepthomework 则： exer1 or .exer1 假设当前目录为: c:usrcomputer concept 则： homeworkexer1 假设当前目录为 c:usrcomputer conceptscript 则： homeworkexer1,Windows下的文件操作,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 文件的属性设置：选定文件单击鼠标右键属性 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（*）星号可以代替一个或若干个任意字符 问号（?）一个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.EXE AA1.FOR AA1.OBJ FL123.LIB AA123.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.EXE AA1.FOR AA1.OBJ FL123.LIB AA123.FOR AB123.BAS AL123.LIB BL12.BAS 使用通配符所能操作的文件： AA*.FOR AA1.FOR AA123.FOR AA*.* AA1.EXE AA1.FOR AA1.OBJ AA123.FOR AA?.* AA1.EXE AA1.FOR AA1.OBJ ?123.* FL123.LIB AA123.FOR AB123.BAS AL123.LIB *.BAS AB123.BAS BL12.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,本部分要掌握的内容,文件的概念 文件名及命名规则 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（绝对/相对） Windows下的三种文件管理工具（特别是资源管理器）的使用 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 首先将程序和数据调入内存存储管理； 多个程序并发执行，CPU资源是多程序分时使用处理机管理 数据的输入输出由外部设备完成设备管理 这些工作都由操作系统相应的功能模块来完成,提出问题：,?,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,程序执行方式,程序执行方式： 顺序执行 并发执行,程序执行方式顺序执行,在早期的单道程序系统中，机器执行程序的过程是先将一个程序输入到计算机内部，之后完成各种计算，最后将运行结果输出给用户。然后再将下一个程序调入内存执行 执行过程是：输入I计算C输出P 就像一个人进了理发馆，洗发剪发吹发 该程序独占CPU和其他资源(如I/O设备) 系统资源的独占性严重降低了计算机的处理效率,程序执行方式并发执行,现代计算机可以同时运行几个程序多程序并发执行 例如：有3个程序同时在系统中运行，可以让这3个程序顺序分时地占有CPU，如下图所示：,程序并发执行的图示,I1,I2,I3,C1,C3,C2,P1,P2,P3,T2,T3,T4,T5,T1,在T2、T3、T4时，都是并发的，资源共享,程序执行方式并发执行（续）,从上例可以看出： 宏观上3个程序并行执行，而微观上串行使用CPU。 所有资源（cpu、输入输出设备）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 即操作系统无法用“程序”的概念，表述和管理对处理机资源的分配调度 所以引入了“进程”的概念,进程的意义,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,火车与列车的区别图示,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,火车,列车,进程和程序的区别,进程与程序是两个既有联系又有区别的概念，类似火车与行进中的列车的概念。 火车是静止的；列车是动态的。列车除了火车本身外，还应包括当前运载的人/物、起终点、速度、当前位置等信息。 程序是静止的，进程是动态的；一个程序执行后会产生一个或多个进程，进程动态创建、程序执行结束后消亡。 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。 正在被执行的程序一定属于一个或多个进程。 例如，打开word，编辑多个文档，形成多个进程。,进程的描述和控制,进程控制块（PCB）,除程序本身外，进程还包含： 进程标识、进程运行信息、状态信息、管理信息,进程存在的标记：数字串,如进程中程序、数据的存储地址,进程当前的状态：运行、就绪、等待,如进程的优先级等,进 程,进程的三种基本状态,为了便于管理进程，我们把进程在系统执行过程中不同时刻的不同情况定义为三种基本状态: 就绪状态(ready) 已经获得了除CPU之外的其他资源，一旦分到CPU即可执行。 执行状态(running) 正在CPU上执行的进程所处状态为执行状态。在单CPU系统中，任何时候最多只能有一个进程处于执行状态。,进程的三种基本状态（续）,等待状态又称阻塞状态 (blocked) 当一个进程因等待某个事件发生（如：等待输入输出操作完成）而不能运行时处于等待状态。处于等待状态的进程不具备运行条件，即使CPU空闲，它也不能占用CPU。 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。,进程状态的转换（重点）,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),Windows XP中的处理器管理,Windows XP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。,任务管理器窗口,任务管理器窗口,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 管理对象：主存储器的用户区,存储管理的图示,存储管理的功能: 内存的分配与回收 地址重定位 存储保护与共享 存储扩充,管理的就是你！,存储分配,按某种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）,地址转换的意义是 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 涉及的基本概念 逻辑地址 物理地址 地址转换,物理地址和逻辑地址,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（物理地址或绝对地址） 物理地址从0开始编号；最大值取决于内存容量。 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”,地址转换,在程序装入内存时，系统将逻辑地址转换成为物理地址，然后实现存储 将逻辑地址转换成为物理地址的过程称为地址重定位，也称为“地址映射”。,地址转换图示,int a; float b; char c;,2FF00H,00000H,00002H,00006H,2FF02H,2FF06H,编译,调入内存,逻辑地址,物理地址,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,内存容量的扩展,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 内存容量的扩展主要使用虚拟存储技术。,虚拟存储技术,虚拟存储技术是利用虚拟内存来扩大内存容量的技术。 操作系统在硬盘开辟一个存储区，通过外存与内存的结合，将外存的部分空间（虚拟内存）作为内存空间使用。 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；,虚拟存储图示,内 存,虚拟内存,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，最大的存储空间可以达到4GB(即232) 理论上可扩充的虚拟容量为4GB减去已有的内存容量 参考P57,自己查看下机器虚拟内存的设置。,虚拟存储的容量限制,设备管理,设备管理为用户和设备之间提供一个桥梁，方便用户使用设备； 管理对象：外存储器、