第2章 计算机操作系统.ppt

计算机技术应用基础 第2章计算机操作系统 2 1操作系统的发展简况2 2操作系统的主要功能2 3Windows系统的使用2 4其他操作系统简介 2 1操作系统的发展简况 2 1 1无操作系统的计算机系统2 1 2单道批处理系统2 1 3多道批处理系统2 1 4分时系统2 1 5实时系统2 1 6操作系统的进一步发展 2 1 1无操作系统的计算机系统 人工操作方式用户 计算机专业人员 程序员 又是操作员编程语言 机器语言输入输出 纸带或卡片缺点 用户独占全机 不出现资源被其他用户占用情况 资源利用率低 CPU等待人工操作 计算前 手工装入纸带或卡片 计算完成后 手工卸取纸带或卡片 CPU利用率低 2 1 2单道批处理系统 单道批处理系统只是OS的前身而并非真正意义上的OS 由于当时的计算机非常昂贵 为了充分利用计算机资源 应该让其计算机连续运行 成批的处理作业 旨在提高系统资源利用率和系统吞吐量 批处理系统实例 6 主要特征自动性 自动逐个执行 无须人工干预 顺序性 按特定的顺序依次执行各作业 单道性 每次只能执行一道作业 2 1 3多道批处理系统 科学计算 商业数据处理不同当一个作业等待I O操作时 另一个作业可以使用CPU20世纪60年代中期 将内存划分为几个分区 每一个分区存放不同的作业 特征资源利用率高平均周转时间长无交互能力 2 1 4分时系统 与批处理系统相比增加了交互功能多个用户分享使用同一台计算机 多个程序分时共享硬件和软件资源将处理器的时间分成很短的时间片 每个用户依次轮流使用时间片 分时系统的特征 独立性 各用户独立操作及时性 用户所能接受的等待时间交互性 人机对话 2 1 5实时系统 系统能及时响应外部事件的请求 在规定的时间内完成对该事件的处理 并控制所有实时任务协调一致的运行 实时系统的特征 响应及时 可靠性高 化学生产反应堆的控制图 2 1 6操作系统的进一步发展 1 微机操作系统单用户单任务操作系统 MS DOS单用户多任务操作系统 Windows多用户多任务操作系统 UNIX 大中小型机 2 嵌入式操作系统在控制设备的计算机中运行 微波炉 电视机 手机 具有某些实时系统的功能 大小 内存等的限制 实时操作系统 面向控制 通信等领域非实时操作系统 面向消费电子产品 PDA 移动电话 电子书等 手机嵌入式操作系统 手机嵌入式系统 Symbian 多任务32位操作系统 功耗低 内存占用少等 NokiaC6 6788Linux 摩托罗拉V8 诺基亚N900WindowsMobile 多普达Palm 曾经是掌上电脑上的霸主 PalmTreo600 680 2 2操作系统的主要功能 2 2 1处理机管理2 2 2存储器管理2 2 3设备管理2 2 4文件管理2 2 5操作系统与用户之间的接口管理 2 2 1处理机管理 程序 由程序员编写的一组稳定指令 存于外存中作业 从程序被选中执行到其运行结束并再次成为程序的这段过程中 程序被成为作业显然程序运行过程中需要占有计算机的各种资源才能运行下去 如果单道程序系统 程序则在整个运行过程中独占计算机全部资源 整个程序运行的过程就非常简单 管理起来也非常容易 不过为了提高资源利用率和系统处理能力 现代计算机系统都是多道程序系统 即多道程序并发执行 程序的并发执行带来了一些新的问题 如资源的共享与竞争 它会改变程序的执行速度 如果程序执行速度不当 就会导致程序的执行结果失去封闭性和可再现性 这是我们不希望看到的 所以必须采取措施来制约 控制各并发程序段的执行速度 由于程序是静态的 我们看到的程序是存储在存储介质上的 它无法反映出程序执行过程中的动态特性 而且程序在执行过程中是不断申请资源 程序作为共享资源的基本单位是不合适的 所以需要引入一个概念 它能描述程序的执行过程而且可以作为共享资源的基本单位 这个概念就是进程 进程 正在运行着的程序就是进程 进程的两个基本特征进程是可拥有资源的独立单位进程是一个可以独立调度和分派的基本单位 这两个基本属性使之能够独立运行 也能够并发运行 进程的主要操作 创建进程 并为之分配其所必需的资源 撤销进程 对资源进行回收进程切换 它需要保留当前进程的CPU环境和设置新选中进程的CPU环境 为此需要花费不少处理时间 正因为进程拥有资源 所以在并发执行进程的时候 在创建 撤销和切换中 系统需要付出较大的开销 因此 系统中设置的进程不能太多 进程切换的频率也不能过高 这就限制了并发程度的提高 为了解决这一问题 于是产生并引入了线程概念 线程 比进程更小的执行单元 是进程中的一个实体它的基本思想是将程序的执行和资源分开 只拥有一点必不可少的资源 一个进程可用有多个线程 且必须至少包含一个线程 一个进程内的所有线程共享进程的虚拟地址空间和资源 同一进程中的线程之间可以并发执行 这样的话 并发程度可以获得显著的提高 线程也具有许多进程所具有的特征 因此被称为轻型进程 例如 当在一台PC上同时用两个不同的QQ号登录时 每一个QQ是一个进程 而当在一个QQ上和多人同时聊天时 每一个聊天窗口就是一个线程 2 进程的三种状态 就绪状态 当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源后 只要在获得CPU 便可立即执行 可多个执行状态 进程已获得CPU 其程序正在执行 单处理机环境下只有1个阻塞状态 正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时 便放弃处理机而处于暂停状态 可多个 进程的状态转换图 阻塞状态 就绪状态 I O请求 进程调度 I O完成 时间片完 3 调度 作业调度作业运行状态 外存 盘 交换区 作业后备状态 作业提交状态 作业完成状态 终止作业 就绪态 阻塞态 外存 中级调度 三级调度 作业调度 一般用于批处理系统 用于决定把外存上后备队列中哪些作业调入内存 并分配资源 创建进程 分时系统和实时系统没有作业调度 进程调度 决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机 每种类型的OS中 都必须配置进程调度 中级调度 将那些暂时不能运行的进程从内存中调换至外存上去等待 当这些进程重又具备运行条件且内存又稍有空闲时 由中级调度来决定把外存上的哪些具备运行条件的就绪进程 重新调入内存 并修改其状态为就绪状态 挂在就绪队列上等待进程调度 4 进程同步 司机与售票员的任务 进程之间为了完成某个任务而互相合作 互相等待 使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程同步 事情必须一步一步去做 直接制约和间接制约 进程同步 司机与售票员的同步 司机进程 while true 询问关门了吗 启动车辆正常驾驶到站停车通知售票员开门 售票员进程 while true 关门通知司机开车售票询问停车了吗 开门 死锁 多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局 当进程处于这种僵持状态时 若无外力作用 它们都将无法再向前推进 死锁举例 设系统有一台打印机和一台扫描仪 进程A B并发执行 在某时刻T 进程A和B分别占用了打印机和扫描仪 在时刻T1 T1 T A又要申请扫描仪 但扫描仪被B占用 A只有等待 在时刻T2 T2 T B又申请打印机 但打印机被A占用 B只有等待 A在干什么 B在干什么 产生死锁的必要条件 互斥条件 进程对所分配到的资源进行排它性使用 请求和保持条件 进程在等待一新资源时继续占有已分配的资源 不剥夺条件 进程已获得的资源 在未使用完之前 不能被剥夺 环路等待条件 存在一种进程的循环链 链中的每一个进程已获得的资源同时被链中的下一个进程所请求 2 2 2存储器管理 1 连续分配方式2 离散分配方式 存储器的管理 内存储器可被CPU直接访问 在OS中 把管理内存的部分称为存储器管理 外存储器与CPU之间在输入输出控制系统的管理下完成 连续分配 单一连续分配 最简单的一种存储管理方式 但只能用于单用户 单任务的OS中采用这种存储管理方式时可把内存分为 系统区 仅提供给OS使用 通常是放在内存的低址部分用户区 提供给用户使用 操作系统 用户程序 0 a a 1 n 连续分配 固定分区分配 可运行多道程序把内存固定地划分为若干个大小相等或不等的区域 每个分区装入一道作业 分区划分由计算机的操作员或由OS给出 分区说明表记录每个分区的起始地址 大小及状态 分区大小相等 分区大小不等 固定分区使用表 三个进程A 6K B 25K 和C 100K 装入到内存中的情形 OS 20K 28K 60K 124K 256K 进程A 6K 2K 进程B 25K 7K 进程C 100K 32K 已分配 已分配 已分配 a 分区说明表 b 存储空间分配情况 连续分配 动态分区分配 在作业装入内存时 从可用的内存中划出一块连续的区域分配给它 且分区大小正好等于该作业的大小解决了固定分区严重浪费内存的问题 是一种较为实用的存储管理方法 作业1申请32KB 作业2申请14KB 作业3申请64KB 作业4申请100KB 动态分区的分配过程 动态分区的回收过程 2离散分配方式 1 基本分页存储管理方式2 基本分段存储管理方式3 请求分页存储管理方式4 请求分段存储管理方式5 虚拟存储器 连续分配方式简单 但是容易形成碎片 内存利用率降低 离散分配方式允许将一个进程直接分散地装入不相邻的分区中 提高了内存利用率 1 基本分页存储管理方式 将一进程逻辑地址空间分成若干大小相等的片 称为页面或页 为各页从0开始编号 页内地址是相对于0编址的 把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块 称为块或页框 为它们加以编号 如0 块等 在为进程分配内存时 以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中 基本分页存储管理 页表 地址变换 逻辑地址 物理地址 4196 1024 4 100 4196 页表控制寄存器 物理地址 块号 页长 页内地址 2 基本分段存储管理方式 推动存储管理方式从固定分区 动态分区 基本分页存储管理 主要动力是提高内存利用率 为了满足用户在编程和使用方面的要求 成为当今其它存储管理方式的基础 把每个作业的地址空间按照程序的自然逻辑关系分成若干段 每个段有自己的段名和段号 段式存储管理以段为单位进行存储空间分配 系统为每个进程建立一张段映射表 简称段表 利用段表地址实现映射 3 请求分页存储管理方式 基本分页存储管理方式和基本分段存储管理方式要求把程序整体装入内存中才能执行 而请求分页存储管理方式 在进程开始运行之前 不是装入全部页面 而是装入几个或零个页面 之后根据进程运行的需要 动态装入其它页面 当内存空间已满 而又需要装入新的页面时 则根据某种算法淘汰某个页面 以便装入新的页面 5 虚拟存储器 请求分页 分段存储管理方式意味着当程序执行时 一部分程序驻留在内存中 一部分则放在硬盘上 假如内存还有400MB 将要运行10个程序 每个程序需100MB 在基本分页分段存储管理方式下 只有4个程序能同时装入内存运行 而在请求分页分段存储管理方式下 10个程序可以都装入内存同时运行 那么在任一时候10个程序中的400MB在内存中 还有600MB在硬盘上 这里实际上只有400MB内存但却有1000MB的虚拟内存 2 2 3设备管理 完成用户进程提出的I O请求为用户进程分配其所需的I O设备提高CPU和I O设备的利用率提高I O速度方便用户使用I O设备 管理计算机系统中所有的外围设备 主要任务是 1 程序查询方式 CPU和外围设备之间的数据传送完全靠计算机程序控制 由于外围设备速度慢 浪费了CPU的时间 假设幼儿园一个老师带8个小孩子 现在要给每个孩子分3种水果并且要求孩子们把3种水果都吃完 那么她采用什么方法呢 方法1 老师先给孩子甲第一种水果 盯着甲吃完 然后给甲第二种水果 盯着甲吃完 再给甲第三种水果 再盯着甲吃完 接着给孩子乙 其过程与孩子甲完全一样 依次类推 直到第8个孩子全部吃完 这种方法效率太低 重点还在于孩子们吃水果时她一直在守候 什么事也不能干 程序查询方式与上述这种情况类似 CPU大部分时间在等待 不能处理其他业务 因此当前除单片机外 很少使用程序查询方式 2 中断方式 方法2 每人发一种水果各自去吃 并约定谁吃完后就向老师举手报告 再发第二种水果 吃完后再举手报告 再发给第三种水果 这种新方法显然提高了工作效率 而且在未接到孩子们吃完水果的报告以前 老师还可以腾出时间给孩子们改作业 中断方式与上述这种情况类似 节省了CPU宝贵的时间 是管理I O操作的一个比较有效的方法 中断方式一般适用于随机出现的服务 并且一旦提出要求 应立即执行 同程序查询方式相比 硬件结构相对复杂一些 服务开销时间较大 3 DMA方式 方法3 进行批处理 每个孩子都拿3种水果各自去吃 都吃完后再向老师报告 显然这种方法工作效率大大提高 老师可以腾出更多的时间改作业 DMA方式与上述这种情况类似 主要优点是数据传送速度很高 传送速率仅受到内存访问时间的限制 与中断方式相比 需要更多的硬件 DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合 4 通道控制方式 方法4 权力下放 把发水果的事交给另一个人分管 只是必要时老师才过问一下 通道控制方式与上述这种情况类似 大大提高了CPU的工作效率 然而这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的 通道方式大都用在中 大型计算机中 2 2 4文件管理 文件系统 操作系统中实现文件统一管理的一组软件 被管理的文件以及为实施文件管理所需要的一些数据结构的总称 是操作系统中负责存取和管理文件信息的机构 功能统一管理文件存储空间 实施存储空间的分配与回收 确定文件信息的存放位置及存放形式 实现文件从名字空间到外存地址空间的映射 有效实现对文件的各种控制操作和存取操作 2 2 5操作系统与用户之间的接口管理 命令接口 应用用户程序接口 应用开发人员 2 3Windows系统的使用 2 3 1Windows发展2 3 2Windows的基本使用2 3 3Windows的控制面板2 3 4Windows的实用工具 2 3 1Windows发展 1985 Windows1 0诞生1995 Windows952001 WindowsXP2003 WindowsServer20032007 WindowsVista2009 Windows7 2 3 2Windows的基本使用 1 桌面2 窗口3 菜单4 对话框5 资源管理器6 任务管理器 1 桌面 桌面上通常放着一些常用的工具图标 我的电脑 我的文档 网上邻居 回收站 InternetExplorer等 在桌面的下方是任务栏 2 窗口 窗口之间的切换 Alt Tab 关闭窗口 Alt F4 3 菜单 图2 19菜单 菜单命令中的符号标记 表示选择了该菜单命令 复选标记 可同时选中多个同类菜单命令 表示当前选择的是相关菜单组命令中的一个 单选标记 同组其它命令不能同时被选择 表示执行该命令将弹出一对话框 表示还有下一级菜单 表示菜单比较长 不常用的命令被隐藏起来 单击菜单下方的该标记可以显示全