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第4章操作系统 大学计算机基础 掌握操作系统的概念 特点 分类及功能 了解主流操作系统的发展概况 掌握操作系统的存储管理 设备管理和文件管理的基础知识 掌握WindowsXP操作系统的文件系统 网络配置和系统管理的基本知识 教学目标 教学内容 操作系统概述处理机管理基础 进程管理 存储管理基础设备管理基础文件管理基础用户接口操作系统实例 WindowsXP 4 1操作系统概述 操作系统基本概念操作系统功能操作系统特点操作系统分类典型操作系统简介 1 计算机系统平台 计算机系统是由硬件和软件组成的 硬件是物理设备和器件的总称 硬件是用来完成信息变换 信息存储 信息传输和信息处理的物质基础 软件是计算机程序及相关文档的总称 软件是用来描述实现数据处理的规则和流程 没有安装软件的计算机被称为 裸机 而裸机是无法进行任何工作的 4 1 1操作系统概述 为什么要有操作系统 从用户角度来看 计算机系统应该是一个稳定的 对用户友好 便于操作的平台 但是 实际上用户对硬件直接进行操作是极其困难 甚至是不可能的 怎么办 2 操作系统 操作系统 OperatingSystem 简称OS 是指控制和管理计算机软硬件资源 合理地组织工作流程 以方便用户充分有效地使用这些资源的程序集合 它是计算机系统软件的基础和核心 操作系统的作用 操作系统的主要作用体现在三个方面 管理计算机OS用来更有效地管理和分配系统的硬 软件资源 使得其能够发挥更大的作用 使用计算机用户通过OS 无需了解计算机软 硬件的有关细节就能方便地使用计算机 即为用户提供方便良好的用户界面 为软件的开发与应用提供运行环境 4 1 2操作系统功能 进程管理 处理器管理 存储器管理 设备管理 文件管理 作业管理 用户接口 1 进程管理又称处理器管理 其主要任务是对处理器 CPU 和进程 调入内存的程序 进行合理的调度和分配管理 2 存储器管理存储器管理负责管理计算机系统中的内存资源 由于允许多个程序同时在内存中运行 所以会出现多个程序共享存储器资源的情况 所以存储器管理的主要任务包括存储分配 地址转换 存储保护以及存储扩充等功能 3 设备管理设备是指输入 输出设备 根据确定的设备分配原则对设备进行分配 使设备与主机能够并行工作 为用户提供良好的设备使用界面 4 文件管理有效地管理文件的存储空间 合理地组织和管理文件系统 为文件访问和文件保护等各种文件操作提供有效的方法和手段 作业管理 用户接口 用户操作计算机的界面称为用户接口 用户界面 通过用户接口 用户只需要进行简单操作 就能实现复杂的应用处理 4 1 3操作系统的特点 1 程序执行的并发性指多个程序在执行时间上是重叠的 2 资源的共享性多个并发执行的程序可以共同使用系统的资源 资源共享的方式有互斥访问和同时访问两种 并发和共享是操作系统的2个最基本的特征 它们互为存在条件 4 1 3操作系统的特点 3 中断驱动中断就是指CPU在执行程序期间 遇到某一急需处理的事件 它可以暂时放下正在执行的程序 转去处理该事件 完成后再返回继续执行原程序 操作系统的所有功能都是由中断驱动完成的 4 虚拟性把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物 或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术 称为虚拟技术 通过虚拟技术 可以实现虚拟存储器 虚拟设备等 5 常驻内存操作系统的核心部分常驻内存 在WindowsXP下查看系统的虚拟内存 4 1 4操作系统分类 1 单用户操作系统2 批处理系统 BatchProcessingSystem 3 分时系统 Time SharingSystem 4 实时操作系统 RealTimeOperatingSystem 5 网络操作系统 NetworkOperatingSystem 6 分布式操作系统 DistributedOperatingSystem 7 嵌入式操作系统 EmbeddedOperatingSystem OS种类繁多 但基本目的只有一个 即要实现在不同环境下为不同应用目的提供不同形式和不同效率的资源管理 以满足不同用户的操作需要 4 1 4操作系统分类 APPLE IBM DOS 单用户操作系统 基本特征 每一时刻计算机只为一个用户服务 即一个用户独占计算机系统的全部资源 DOS DiskOperatingSystem 磁盘操作系统 是一种单用户 单任务的操作系统 Windows9x则是一种单用户 多任务的操作系统 单任务操作系统的管理方式是每一时刻只有一个任务独占计算机系统的有关资源 包括CPU计算时间和内存空间资源等 多任务操作系统则允许多个任务同时共享系统资源 Windows2000 XP是一种多用户 多任务的操作系统 批处理系统 批处理系统要求用户事先准备好作业 指用户在一次计算过程中要求计算机系统所要完成工作的集合 它是用户向计算机提交一项工作的基本单位 然后交给系统操作员 由系统操作员将用户提交的作业输入到外存 形成一个作业队列 每批作业由操作系统控制执行 用户按指定时间收取运行结果 批处理操作系统 批处理操作系统可以分为 单道批处理系统和多道批处理系统 1 单道批处理系统作业一个一个进入内存 任何时候内存中只保持一道作业 缺点 解决作业间自动转接问题 减少了时间的浪费 不管作业大小 独占cpu和内存 资源利用率低 对短作业不公平 交互性差 批处理操作系统 2 多道批处理系统引入原因 为了提高系统资源利用率和系统吞吐量 指系统在单位时间内所完成的总工作量 多道 是指多个程序同时存在于主存中 按照某种原则分派CPU 逐个执行这些程序 特点 多道 成批 高效 但作业周转时间长 交互性差 小测试 批处理系统的主要缺点是 CPU的利用率不高缺少交互性不具备并行性以上都不是 分时操作系统 多用户 多道程序共享一个CPU的操作系统 将CPU处理时间划分为很小的时间片 采用循环轮转方式将这些CPU时间片分配给排队队列中等待处理的每个程序的处理方式 分时操作系统的特征 多路性 同时性 若干用户可同时上机使用计算机系统 交互性 用户能方便地与系统进行人一机对话 独立性 系统中各用户可以彼此独立地操作 互不干扰或破坏 用户感觉到就像他一个人独占主机 及时性 用户能在很短时间内得到响应 此时间间隔以人能够等待的时间为限 小测试 在下列性质中 不是分时系统的特征 A 多路性B 交互性C 成批性D 及时性 实时操作系统 实时OS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地运行 实时OS是实时控制系统和实时处理系统的统称 实时控制系统用于过程控制 例如 控制飞行器 导弹发射 飞行过程的自动控制系统 实时处理系统主要指对信息进行及时的处理 例如 利用计算机预订飞机票 火车票等 实时系统与分时系统的比较 小测试 实时操作系统追求的目标是 高吞吐率充分利用内存快速响应减少系统开销 网络操作系统 主要功能则是把网络中各台计算机配置的各自的操作系统有机地联合起来 提供网络内各台计算机之间的通讯和网络资源共享 如Netware WindowsNT 2000 XP UNIX和Linux等 分布式操作系统 分布式操作系统是在物理上分散的计算机上实现逻辑上集中的操作系统 它通过通信网络将物理上分布的具有自治功能 即可独立工作 的数据处理系统或计算机系统互连起来 多台计算机间无主次之分 均分任务负荷 提供特定功能以实现数据交换和资源共享 协作完成一个共同任务 分布式操作系统 分布式操作系统的优点 分布性它集各分散结点计算机资源为一体 以较低的成本获取较高的运算性能 可靠性由于在整个系统中有多个CPU系统 因此当某一个CPU系统发生故障时 整个系统仍旧能够工作 特点比较 批处理系统 提高作业的吞吐量和系统资源的利用率 但人机会话的能力较差 分时系统 通用系统 交互性强 多用户同时使用一台计算机 响应不太及时 实时系统 注重系统的实时性和可靠性 多用于特殊场合 网络操作系统 除了具有一般操作系统的功能外 还具有网络管理的功能 实现计算机之间的通信和网络中所有软件和硬件资源的共享 嵌入式操作系统 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 它是集软硬件于一体的可独立工作的 器件 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件 它由一个体积很小的内核及一些可根据需要进行定制的系统模块组成 能够运行在各种不同的硬件平台上 提供最基本的程序运行环境和接口 如手机用操作系统 PDA用操作系统等 小测试 如果操作系统具有很强的交互性 可同时供多个用户使用 但时间响应又不太及时 则属于 类型 如果操作系统可靠 时间响应及时但仅有简单的交互能力 则属于 类型 如果操作系统在用户提交作业后不提供交互能力 它所追求的是计算机资源的高利用率 大吞吐量和作业流程的自动化 则属于 类型 分时操作系统 实时操作系统 批处理操作系统 Linux MacOS UNIX OS 2 Windows DOS 4 1 5主流操作系统发展概况 DOS DOS DiskOperatingSystem 是一个使用广泛的磁盘操作系统 常见的DOS有两种 分别是IBM公司的PC DOS和微软公司的MS DOS 它们的功能 命令格式基本相同 比较常用的是MS DOS 1985年Windows1 01990年Windows3 01992年Windows3 11993年Windows3 2 Windows98 Windows95 Windows3 x Windowsme 2000 WindowsXP 1995年Windows95 1998年Windows98 2000年Windows2000 2002年WindowsXP 发展历史 UNIX UNIX系统是美国麻省理工学院 MIT 在1965年开发的分时操作系统Multics的基础上不断演变而来的 主要特点 多用户的分时操作系统 可移植性好 可靠性强 将所有的外部设备当作文件看待等 Linux Linux是一种类UNIX系统 是一个免费的操作系统 用户可以免费获得其源代码 并能够随意修改 它具有许多UNIX系统的功能和特点 能够兼容UNIX 完全免费多用户 多任务良好的界面丰富的网络功能可靠的安全 稳定性能 MacOS 苹果 率先在操作系统中使用了图形用户界面 Macintosh是世界上第一种具有图形操作界面的个人电脑 与以往的命令行操作系统 例如MS DOS 相比 MacOS提供了直观 方便 人性化的电脑操作方式 OS 2 OS 2最初是作为IBM和微软合作开发的GUI 图形用户界面 操作系统面世的 历史比Windows还要悠久一些 OS 2系统的操作界面直观 丰富 但是现在 OS 2已退出操作系统舞台 4 2处理器管理 进程的概念进程控制进程调度 进程管理是OS的重要功能之一 进程是什么 进程和程序有什么内在的联系 又有什么区别 处理机管理 处理机管理又称进程管理 即如何合理地把CPU分配给每一个进程 其涉及进程的概括 进程的状态及其转换 进程的控制 进程的通信 进程的同步与互斥等概念 程序 所谓计算机程序是指用户为完成某一个特定问题而编写的操作步骤 程序的顺序执行 t0 t1 t2 输入设备 t3 处理器 打印机 处理机管理 程序的并发执行 程序B 程序A 程序C CPU时间 程序C 程序B 程序A 处理机管理 进程的静态描述主要由3部分组成 进程控制块 PCB ProccessControlBlock 程序段数据结构集 进程 程序的一次执行就是一个进程 一个进程是一个程序对某个数据集的执行过程 是分配资源的基本单位 处理机管理 进程与程序的关系 进程的状态 就绪状态进程已经获得了除CPU之外所需资源 一旦得到CPU 就可以立即执行 执行状态进程获得了CPU及其它一切所需资源 正在运行 阻塞状态由于某种资源得不到满足 进程运行受阻 处于暂停状态 等待分配到所需资源后 再投入运行 程序与进程的关系 1 程序程序是文件的形式存放在外储存器 一个程序开始执行 首先将程序文件从外存储器被调入内存开始运行 2 进程一个正在执行的程序或者说 进程是一个程序与其数据一道在计算机上顺序执行时所发生的活动 3 线程目的 充分共享资源 减少内存开销提高并发性 切换速度相对较快目前许多操作系统把进程再 细分 成线程 threads 在UNIX中 进程仍然是CPU的分配单位在Windows中 线程是CPU的分配单位 4 3存储器管理 存储管理概述存储管理方法 存储管理是OS的又一重要功能 存储管理涉及哪些功能呢 如何管理存储器的分配 如何提高存储管理的效率 问题提出 计算机处理的数据和程序都是存放在外存中 使用时才调入内存 调入内存过程中如何分配存储空间 多个程序的存储空间怎样分配 在小内存中能否运行大程序 同一程序多次装入内存其地址相同吗 即如何解决程序的重定位问题 怎样解决存储保护 4 3 1存储管理概述 存储器管理主要有4个功能 存储分配按分配策略和算法分配内存空间 地址变换将程序在外存中的逻辑地址转换为在内存中的物理地址 存储保护保护各类程序 系统的 用户的 应用程序的 及数据区免遭破坏 存储扩充解决在小的存储空间中运行大程序的问题 即虚拟存储问题 1 存储分配 要解决的问题 当有多个进程同时运行时 如何合理地分配内存 当一个进程运行完毕后 操作系统如何回收这些内存空间 以便用于其它进程的运行 解决方法 把整个内存划分为若干个 存储块 并借助于一张内存使用表来实现内存的分配与回收 在内存使用表中记录哪些存储块是已使用的 哪些是空闲的 1 编辑程序 2 编译程序 3 链接程序 2 地址变换 2 地址变换 由源程序中的符号名空间 目标程序的逻辑地址空间 内存中的物理地址空间 在各种程序设计语言编写的源程序中规定 必须用符号名来定义被处理的数据 将其称为符号名空间 2 地址变换 源程序经编译后产生目标程序 存放在外存 它是以逻辑地址 相对地址 存放的 不是实际运行的内存地址 称为逻辑地址空间或程序地址空间 2 地址变换 当程序运行时装入内存 则要将逻辑地址转换成内存中的物理地址 绝对地址 称为物理地址空间 要把目标代码装入内存执行 需要确定装入内存的实际物理地址 也就是要把程序在外存中的逻辑地址转换成所占用内存的物理地址 这一过程叫做地址转换 地址重定位 3 存储保护 用 分隔法 把各类程序使用区域隔开 使得各类程序之间不可能发生有意或无意的损害行为 存储区域划分为 用户区域和系统区域 内存中存放了各类程序 如系统程序 应用程序和用户程序 为确保它们在各自的存储区内独立运行 互不干扰 系统必须提供安全保护功能 硬件隔离装置 4 存储扩充 主导思想是如何在有限的内存空间中 处理大于内存容量的程序 扩充内存常用的有效方法 自动覆盖 技术 交换 技术 虚拟存储 技术 自动覆盖技术 将大的程序划分为在内存中可以容纳的独立的分段 每次只调入其中的一段进行处理 后调入的程序使用前面程序使用过的存储空间 早期程序设计中 经常采用类似的方法处理大程序的问题 交换技术 交换技术的要点是 根据需要将运行的程序在内 外存之间进行调入或调出的交换 即把执行了一段时间 因故暂停的进程由系统调出内存 以文件的形式存入外存 而将下一个程序装入内存运行 请求交换 转外存 交换 装入 交换技术是对自动覆盖技术的改进 其目的是为了更加充分地利用系统的各种资源 包括内 外存储器 CPU等 虚拟存储器技术 虚拟存储器技术的基本思想把部分外存空间作为内存使用 以此为用户提供足够大的地址空间 虚存空间 用户可以在这个地址空间内编程 而完全不考虑内存的大小 将实实在在的物理内存称为实际内存 简称实存 实存的空间地址称为实地址 将外存模拟的内存称为虚拟内存 简称虚存 虚存的空间地址则称为虚地址 实现虚存管理的基本条件 一个大的外存储器虚存的容量受限于内存和外存容量之和 只有大容量的外存才有可能提供大容量的虚存 具有请求调入功能和置换功能操作系统能够 发现 不在内存的部分 并且能够 不知不觉 地将它调入内存 必要时还可以调出一部分 动态地址转换机构由于数据的不断调入调出 因而其在内存的位置是不固定的 物理地址的形成需要在指令的执行过程中进行 4 3 2存储管理策略 存储管理的目的是为了充分 合理地利用有限的内存空间 满足多道程序处理对存储空间的需求 人们在管理方法和实现技术上进行了不断的研究和探索 让你来分配存储空间 你会怎样分 方案A 整个内存只运行一个程序 问题是 方案B 内存分为N个大小相等的区域 最多运行N个程序 问题是 方案C 4 3 2存储管理策略 常用的存储管理的方法单一连续分区固定分区可变分区分页存储管理分段存储管理段页式存储管理 1 单一连续区分配法 方法要点 把内存分为两个固定的存储区域 分别固定地分配给OS和一个用户进程 用户区全部被一个用户进程独占 进程必须一次全部装入内存 这种管理策略仅适用于单用户单任务操作系统 如DOS系统 已分配空间 自由空间 2 固定分区 在系统启动时 此时进程还未装入内存 由操作员或操作系统将内存固定划分为相等或不等的区域 称为分区 分区一旦划定 在执行过程中分区大小和个数将不再变化 每个分区用于存储一个进程 每个进程要一次完全载入内存 并且要占用连续的地址 固定分区示意图 通过建立一个分配表 记录每个分区的大小 区号 起始地址 及占用标志等信息 3 可变分区 内存中分区的大小和个数是根据装入的进程的大小动态划分的 因此也被称为动态分区 在进程装入内存时 根据进程大小把可用的内存空间 切出 一个连续的区域分配给该作业 可变分区举例 4 分页存储管理 将进程的地址空间 逻辑地址空间 划分成大小固定的片 称为页面 简称页 将内存空间 物理地址空间 划分成与页的大小相同的片 称为物理块 简称块 特别强调 页和块的大小相等 系统以块为单位分配存储空间 一页装入一块 块与块之间既不要求顺序也不要求连续 进程A 进程B 进程C 分页管理法示意图 要求进程一次全部装入内存 对整个进程来说 只有可能在最后一块存在碎片 5 分段存储管理 方法要点 按用户的观点将进程划分为若干个段 各段相互独立 具有一定逻辑功能 长度不一定相同 每段都有自己的名字 通常用段号来代替段名 每段都从0开始编址 并采用一段连续的地址空间 进程地址空间由段号和段内地址构成 即 系统为进程的每段分配一个连续的内存区域 而各段之间可以不连续存放 A 1234 01K 0500 0100300 0200 LOAD1 2 100 Y C 0段 1段 2段 3段 段号长度起始地址 01K6K 1500B8K 2300B4K 3200B920K 分段地址空间 逻辑地址 分段表 OS 02K4K6k8k920K DATA段 LOAD1 2 6 主程序段 子程序SUB段 WORK段 1234 内存空间 物理地址 分段存储管理示意图 A的绝对地址 4 1024 100 6 段页式存储管理 段页式存储管理的基本原理 将分段与分页结合 各取所长 将用户进程先划分成若干个段 再把每个段划分为若干个页 当一个用户进程装入内存时 系统为该进程各段中的每个页分配一个内存块 而各个段以及各个页之间可以不连续存放 分页管理的优点 有利于消除内存碎片 提高内存利用率 分段管理的优点 方便用户编程 有利于段的共享和内存保护 段页式存储管理示意图 4 3 3存储管理小结 4 3设备管理 I O系统组成I O设备分类设备的分配与驱动 计算机系统中配置的I O设备是有限的 如何有效地利用这些设备 同时尽可能地方便用户的使用 是设备管理极为重要的内容 4 3 1I O系统的组成 在一个计算机系统中 除了需要直接用于I O和存储信息的设备外 还需要有相应的设备控制器 在大 中型计算机系统中 还需有I O通道 由这些设备以及相应的总线构成了I O系统的硬件部分 4 3 1I O系统组成 I O系统由实现输入 输出的硬件和软件组成 1 I O硬件组成 总线I O系统结构多用于微机系统 利用设备的中断能力实现数据的传输 启动I O和管理I O由CPU承担 通道I O系统结构 设备控制器 传统的设备 机械部分 电子部分电子部分在操作系统的控制下驱动机械部分运转 完成I O操作 由于设备中电子部分比机械部分的速度快的多 为了降低硬件成本 将电子部分从设备中独立出来做成一个独立的部件 这就是控制器 分离之后的设备仅由机械部分构成 一个控制器可与多个设备相连 交替地或分时地控制与其相连的设备 例如 磁盘控制器可以控制多个磁盘驱动器 通道 通道 channel 计算机系统中能够独立完成输入输出操作的硬件装置 也称为 输入输出处理机 CPU并不直接操作外围设备 它连接通道 I O处理机 通道连接设备控制器 设备控制器连接设备 CPU只需把 I O 设备启动 并给出相关的操作要求 然后就由通道来处理输入输出事宜 做完后报告CPU 4 3 1 2I O软件组成 4 3 1 3I O设备分类 按设备的传输速率 可分为 低速设备 B s 传输速率为每秒钟几个至数百个字节的一类设备 如 键盘 鼠标等 中速设备 KB s 传输速率为每秒钟数千个字节至数十千个数百个字节的一类设备 如 行式打印机 激光打印机等 高速设备 MB s 传输速率为每秒钟数百千个字节至数兆个字节的一类设备 如 磁带机 磁盘机 光盘机等 I O设备分类 按设备的隶属关系 可分为 系统设备用户设备按信息的组织方式 可分为 字符设备 是指以字符为单位组织处理数据的设备 如键盘 打印机等 不支持随机访问操作 块设备 是指以字符块为单位组织和处理数据的设备 如磁盘 磁鼓等 可进行随机访问操作 I O设备分类 按设备的共享属性 可分为 独占设备 是指每一时刻只允许一个用户 进程 访问的设备 例如打印机 磁带驱动器等 共享设备 是指每一时刻允许多个用户 进程 共同使用的设备 例如磁盘 磁鼓等 虚拟设备 是指通过采用虚拟设备技术把独占设备变为可由多个用户共享的设备 虚拟设备技术的实现 在独占型设备和进程之间加入一个共享型设备作为过渡 大多数低速I O设备都属于独享设备 为了提高它们的利用率而引入了脱机输入输出方式和采用SPOOLing技术 Spooling技术 Spooling技术是多道程序设计系统中用来处理独占I O设备的一种方法 通过使用共享设备来模拟独占设备的动作 使独占设备成为共享设备 典型的例子是打印机的 共享 从而提高设备利用率和系统的效率 4 3 2设备的分配与驱动 在多道程序环境下 系统中的设备供所有进程共享 为防止各进程对系统资源的无序竞争 规定系统中的设备不允许用户自行使用 必须由系统统一分配 1 设备独立性 设备无关性 为了提高操作系统的可适应性和可扩展性 需要实现设备的独立性 也称设备的无关性 设备独立性的含义 用户程序独立于具体使用的物理设备 设备独立性的实现 为了实现设备独立性 引入了逻辑设备和物理设备两个概念 在用户程序中 使用逻辑设备名请求需要的设备 在执行程序时 系统把逻辑设备名转换成物理设备之后 再根据相应的物理设备号进行分配 实现设备独立性有以下两个好处 可以提高设备分配的灵活性 当用户程序使用逻辑设备名时 只要系统中有一台空闲的同类设备 它就可以分配到 使I O重定位的实现变得更为容易 I O重定位是指用于I O操作的物理设备可以更换 而不必改变用户程序 更不会影响其它进程 在程序开发阶段 为了简化调试 把所有的输出写到显示器上 当调试操作结束后 再执行这个程序时 可以把输出送到打印机上 即操作的物理设备可以改变 而无需改变原先的用户程序 2 设备分配原则设备分配的原则是根据设备特性 用户要求和系统配置情况决定的 它既要充分发挥设备的使用效率 尽可能使设备忙 又要避免由于不合理的分配方法而造成进程死锁 死锁是两个或两个以上的进程中的每一个 都在等待其中另一个进程释放资源而被封锁 它们都无法向前推进 称这种现象为死锁现象 静态分配是在进程开始执行之前 由系统一次分配该进程所要求的全部设备 控制器和通道 并且一旦分配成功就一直为该进程占用 直到该进程被撤消 动态分配是在进程执行的过程中根据执行需要进行分配 当进程需要设备时 通过系统调用命令向系统发出设备请求 由系统按照事先规定的策略 为进程分配所需要的设备 控制器和通道 一旦用完之后 便立即释放 如果申请进程得不到它所申请的资源时 将被放入资源等待队列中等待 进程转为阻塞状态 直到所需要的资源被释放 设备分配方式设备分配方式常见的有静态分配 动态分配和虚拟分配三种 虚拟分配采用缓冲池技术 也称为Spooling技术 其基本思想是 利用磁盘设备虚拟其他外设 即在磁盘上某个特定的存储区域 称为缓冲区 暂存用户输入输出数据 称为预输入 或缓输出 这些数据在具体的设备空闲时才真正被输入输出的 虚拟分配示意图 3 设备驱动 设备驱动程序是对连接到计算机系统的设备进行控制驱动 以使其正常工作的一种软件 计算机中所有的外设都需要设备驱动程序 只不过一些常用设备 如键盘 鼠标和硬盘等 的接口规范已经标准化 它们的设备驱动程序通常已经在机器出厂时就被固化在BIOS中或由操作系统预先安装了 因此这些设备一旦连接上就能正常使用 4 即插即用 plug play 简称PnP PnP是由Intel和microsoft两大公司联合制定的 用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准 也是Windows操作系统最显著的特征之一 具有PnP功能的设备连接到计算机并启动计算机进入Windows系统后 Windows将自动检测新的PnP设备 并自动安装所需要的软件 4 5文件管理 文件和文件系统概述文件目录结构文件存储空间管理文件共享与文件保护 大量的程序和数据都是以文件的形式存储在外存中的 操作系统的文件管理功能就是对文件的存储空间进行组织和管理 以及控制对文件的访问 4 5 1文件管理概述 计算机是专门处理数据的设备 计算机处理的数据 包括处理数据的程序都是以文件的形式存放在计算机中 文件特指存放于计算机中 具有唯一文件名的一组相关信息的集合 计算机中的所有信息 包括各种不同类型的程序都是以文件的形式存放的 对计算机的操作 实际上是对文件的操作 文件系统是管理和操作文件的系统 是操作系统的文件管理部分 用于组织和管理文件的存储空间 外存 和控制对文件的访问 1 文件系统功能图 4 4 1文件系统的建立 1 文件子系统 卷 的概念它是一个外存区域 是该区域内的所有空闲空间信息 所有文件和目录及其属性信息的一个闭合体 通常又称为卷 ex 一张格式化的软盘是一个文件系统一个格式化的硬盘分区是一个文件子系统2 操作系统 文件系统 文件子系统间的关系 OS1 1文件系统1 m文件子系统 通过格式化盘来建立软盘 format一步完成硬盘 1 执行低级格式化程序 2 运行fdisk命令 硬盘分区 3 执行format命令 高级格式化 文件系统的建立 硬盘分区 为了便于用户对硬盘的管理和使用 允许将一个物理磁盘逻辑划分为几块来使用 这些块就称为分区 一个硬盘最多只能有四个基本分区 主分区 即是包含操作系统启动时所必需的文件和数据的硬盘分区 为了突破此局限 又引入了扩展分区 扩展分区通过使用一个单向链表把一个基本分区再细分成多个子分区 称为逻辑分区 硬盘分区 硬盘分区遵循着 主分区 扩展分区 逻辑分区 的次序原则 而删除分区则与之相反 一个硬盘最多可有三个基本分区和一个扩展分区 该扩展分区中可包含若干个逻辑分区 在DOS下 首先使用FDISK 磁盘分区程序 将硬盘分区 然后再使用FORMAT 磁盘格式化程序 将所有分区初始化 1 DOS文件系统的建立 1 硬盘主引导记录MBR 硬盘主引导记录 MainBootRecord 简称MBR 位于硬盘0柱面 0磁道的第1个扇区 一个硬盘只有一个MBR MBR包括主引导程序 硬盘分区表和结束标志三部分 硬盘分区表记录每个分区的位置界限 分区活动状态和文件系统类型等 主引导程序负责检查分区表是否正确 以及确定那个分区是活动分区 即操作系统引导分区 并负责把活动分区中的启动程序调入内存 系统启动过程 启动PC机时 BIOS首先对硬件设备进行测试 测试成功后读系统磁盘0柱面 0磁头 1扇区的主引导记录 MBR 内容并执行MBR程序段 MBR的主引导程序负责确定那个分区是活动分区 即主分区是包含操作系统启动时所必需的文件和数据的硬盘分区 系统启动必须通过它才能执行 然后将CPU控制权交给主分区 活动分区 内的操作系统引导记录 操作系统引导记录将检查该分区表 判断本分区根目录前两个文件是否为操作系统引导文件 如IO sys和msdos sys 如果是 就把第一个文件读入内存 并将控制权交给该文件 2 分区引导扇区 分区引导扇区有两种 操作系统引导扇区 是操作系统可直接访问的第一个扇区 包含操作系统引导记录和本分区参数记录表 一般分区引导扇区 它包含本分区引导记录和本分区参数记录表 3 文件分配表 FAT 文件分配表 FileAllocationTable 简称FAT 用于记录磁盘各扇区的使用情况 以实现对文件存储空间的有效分配 FAT采用以簇 它由一组相邻扇区构成 为分配单位的链表方式组织管理文件区 它的每一个表目 或称记录项 对应文件存储区的一个簇 都记录了一个簇的使用状态 在创建一个文件时 FAT文件系统把文件存入未使用的簇上 当文件大小超过一个簇时 它将用多个连续或不连续的簇来存储 4 文件目录表 FDT 一个文件包含文件体 文件的内容 和文件说明 文件控制块FCB 两部分 若干个文件的FCB汇集在一起就称为文件目录表FDT FileDirectoryTable 每个文件的FCB对应文件目录表中的一个目录项 所以FCB也称为文件的目录项 文件的 按名存取 实现 按名存取 主要依赖于文件目录表 FDT 和文件分配表 FAT 大致可分为两个步骤 根据用户提供的文件名 对文件目录表 FDT 进行查询 找到该文件的文件控制块 FCB 根据文件控制块 FCB 中所记录的文件的起始簇号 找到文件在磁盘上的第一个簇 读取数据 再根据文件分配表 FAT 中相应的记录找到文件的下一个簇 如此重复 直到遇到文件结束标志为止 FILE FILE 文件目录表FDT 文件存储区 数据区 文件名 fi 2 fi 3 fi 4 首地址fi 1 第1块 第2块 第3块 第4块 FILE fi 1 fi 2 fi 3 fi 4 文件 按名存取 示意图 文件分配表FAT 5 数据区 数据区占据了硬盘的大部分存储空间 用于存储文件体 即文件的内容 所以数据区是真正意义上的文件存储区域 低级格式化与高级格式化 低级格式化 简称低格 是在每个磁面上划分与标记磁道和扇区 并标记出坏扇区 使其不再被使用 俗称利用FORMAT程序完成的初始化为高级格式化 高级格式化 利用FORMAT程序初始化磁盘时 实际上只是重写了FAT表 而并未真正清除数据区的数据 当我们删除一个文件时 系统仅仅是改变了该文件的FCB中起始簇的记录值 至于给硬盘分区 也只是修改了硬盘主引导扇区和分区引导扇区 数据区的绝大部分数据并没有发生改变 这也就是为什么被有意或无意破坏的磁盘数据能够得以恢复的原因 4 4 1 2Windows文件系统的建立 Windows的文件管理是建立在DOS文件管理的基础之上的 在Windows下 文件系统的存储结构和组织方式 文件的构成和安全保护等 都是和DOS一致的 但与DOS相比 Windows提供的集磁盘 目录和文件的管理于一体的浏览器界面的文件管理器 极大地方便了用户的使用 4 4 2文件目录的组织与管理 1 文件目录结构单级目录二级目录树型目录 单级目录结构 在整个系统中只建立一个文件目录表 FDT 每个文件占据其中的一个表项 它能够实现 按名存取 且简单 但是查找速度慢 不允许文件重名 也不便于实现文件共享 因此 单级目录结构只适用于单用户环境 二级目录结构 为了管理 创建两个表 一个是主文件目录表MFDT 每个用户目录文件占一个表项 表项中存放用户名以及指向该用户目录文件的指针 另一个是用户文件目录表 每个用户一个表 表中存放该用户所有文件的FCB信息 系统角度 树型目录举例 为了方便用户管理自己的各种文件 将二级目录扩充成多级目录 也叫树型目录 多级目录结构 多级目录结构 现代文件系统中多采用树形目录结构 2 路径 当前目录 用户当前正在使用的目录 文件夹 也称工作目录 工作文件夹 绝对路径 从根目录 根文件夹 开始到所要访问的文件止 由所经过的目录 文件夹 序列和文件名组成 相对路径 从当前目录 当前文件夹 开始到所要访问的文件止 所经过的目录 文件夹 和文件名序列 文件的组织结构 思考 到底采用什么样的组织形式才便于文件系统对文件进行操作呢 在计算机中文件组织形式有两种 从用户视角看到的被称为文件的逻辑结构 是用户可以看见和直接处理的数据组织方式 从系统实现视角看到的被称为文件的物理结构 即文件存放在存储介质上的方式 也称为文件的存储结构 4 4 3 1文件的逻辑结构 文件的逻辑结构有记录式和流式文件两种形式 记录式文件 是由具有相同性质或表示相同实体的记录构成的集合 即构成文件的基本单位是记录 比如 数据库文件 4 4 3 1文件的逻辑结构 流式文件 是由若干字符构成的集合 即构成文件的基本单位是字符 流式文件是一个无结构的字符序列 是一个字节流 比如 word文件 4 4 3 2文件的物理结构 存储结构是指文件在存储设备上的存放形式 文件在逻辑上是连续的 但在存储设备上存放时却有顺序 链接和索引几种存储形式 1 顺序文件 采用连续结构组织文件 文件中的记录按照建立该文件时的先后次序顺序存储在连续的物理块中 即记录的物理顺序与逻辑顺序保持一致 物理存储 文件的物理结构 2 链接文件 又称串联文件 它采用非连续的物理块来存放文件信息 将文件的所有物理块串联组成一个链表 块之间通过指针链接 3 索引文件索引文件要求系统为每一个文件创建一张索引表 索引表的表项给出文件的逻辑块号和物理块号的对应关系 索引表 1 3 2 4 15 5 存储设备 解决了文件的组织存放问题 很自然就会联想到如何存取文件中的信息 常用的存取方法有 顺序存取法按照文件的逻辑地址顺序存取 如果当前记录为Ri 则下一次要存取的记录为Ri l 4 4 3 3文件的存取方式 直接 随机 存取法是指允许跳跃式地随意存取文件中的任何记录 取第i个记录 P 文件的存储结构与其存取方式 4 4 4文件的分类与保护4 4 4 1文件的分类 1 按文件的用途分类系统文件 由系统建立 是支持操作系统实现基本功能的文件 库文件 系统为用户提供的实用程序 标准子程序 动态链接库等 用户文件 由用户建立 是用户委托系统保存的文件 如源程序 目标程序 用户数据文件 计算结果等 2 按文件的有效期限分类 临时文件 是解题过程中的 中间文件 暂存在磁盘上 随用户退出而撤消 永久文件 长期保存的有价值的文件 以备用户经常使用 档案文件 保存在作为 档案 用的磁带或磁盘区域上 以备查证和恢复时使用的文件 按操作权限分类只读文件指允许对文件读 但不能写的文件 读写文件指既能读 又能写的文件 执行文件指可以执行 但不允许进行读写操作的文件 按文件中数据形式分类文本文件通常是由ASCII字符或汉字组成的文件 可执行文件是计算机系统可以直接识别并执行的文件 按信息流向分类输入文件是指通过输入设备向主存中输入数据的文件 输出文件是指通过输出设备从主存向外输出的文件 4 4 4 2文件的保护 文件保护文件保护实际上有两层含义 文件保护和文件保密 文件保护是指避免因有意或无意的误操作使文件受到破坏 通过文件的备份实现 文件保密是指未经授权不能访问文件 通过文件的存取控制实现 4 4 5用户接口 接口 指操作系统为用户提供的人机交互界面 分为命令接口和程序接口 字符形式 终端命令方式 由用户使用键盘键入具体命令来获取操作系统的服务 较灵活 但因繁琐而难记 1 DOS的命令窗口 2 Linux的字符界面 3 Windows系列操作系统的字符界面 开始 运行 command 确定 3 批处理命令方式 是指将若干命令放在一个文件中 启动该程序文件时 计算机将自动连续地执行其中的每一条命令 这个文件就称为批处理文件 几乎所有的操作系统都提供批处理功能 在具有图形用户界面的操作系统下 通过图标 窗口 菜单 对话框和命令按钮等获取系统资源 2 图形界面方式 4 5操作系统实例 WindowsXP 4 5 1WindowsXP概述WindowsXP通过集成Windows2000的强项与Windows98 Me的最佳功能 实现了Windows系统的统一 XP意为 体验 experience 象征着将给用户在应用上带来更多的新体验 WindowsXP建立在增强的Windows2000代码库之上 针对家庭用户和商业用户有不同的版本 Windows的文件管理是建立在DOS文件管理的基础之上的 在Windows下 文件系统的存储结构和组织方式 文件的构成和安全保护等 都是和DOS一致的 微软在DOS Windows系列操作系统中先后使用了4种不同的文件系统 它们分别是 FAT12 FAT16 FAT32和NTFS 其中的FAT12现在已经不再使用 FAT16 外存中存储数据的基本单位是扇区 文件存储的分配单位是簇 簇由一组扇区组成 它是计算机可以访问的最小单位 不同文件系统的簇 其扇区的数目不尽相同 在微软的DOS和Windows系列中 一个簇只分配给一个文件使用 不管这个文件占用整个簇容量的多少 这样 即使一个很小的文件也要占用一个簇 剩余的簇空间便全部闲置 造成磁盘空间的浪费 由于分区表容量的限制 FAT16分区创建得越大 磁盘上每个簇的容量也越大 最大可达32KB 从而造成的浪费也越大 所以 FAT16分区格式存在严重的缺点 大容量磁盘利用效率低 FAT32 FAT32的磁盘管理能力大大增强 突破了FAT16的2GB的分区容量的限制 对于不同的硬盘空间 FAT32分区格式的每个簇的大小不一样 如磁盘分区大小在2GB 8GB时 簇的大小为4KB 分区大小在8GB 16GB时 簇的大小为8KB 分区大小在16GB 32GB时 簇的大小则达到了16KB 与FAT16相比 大大减少了磁盘空间的浪费 进而提高了磁盘的利用率 NTFS NTFS NTFileSystem NT文件系统 可以支持的分区大小高达2TB 当分区大小在2GB以上时 2GB 2TB NTFS簇的大小为4KB 当分区大小在2GB以下时 NTFS簇更小 相比之下 NTFS可以更有效地管理磁盘空间 最大限度地避免磁盘空间的浪费 NTFS NTFS分区对用户权限做出了非常严格的限制 每个用户都只能按照系统赋予的权限进行操作 任何试图越权的操作都将被系统禁止 同时它还提供了容错日志 可以将用户的操作全部记录下来 从而保护了系统的安全 初始化磁盘 建立文件系统 以E 盘为例 在 我的电脑 中右击E 盘图标 在弹出的快捷菜单中