第2章操作系统讲义

第二章操作系统 本章主要内容 2 1操作系统概述2 1 1什么是操作系统2 1 2操作系统的引导过程2 1 3用户界面 主要内容 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 主要内容 2 3典型操作系统2 3 1DOS2 3 2MicrosoftWindows系列2 3 3MacOS2 3 4Unix和Linux2 3 5手持设备操作系统 本章最重要的内容 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 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 2 1操作系统概述 2 1 1什么是操作系统2 1 2操作系统的引导过程2 1 3用户界面 2 1 1什么是操作系统 关于计算机操作系统的定义有好多种 操作系统是由程序和数据结构组成的大型系统软件 它负责计算机的全部软硬件资源分配 调度与管理 控制各类程序的正常执行 并为用户使用计算机提供良好的环境 2 1 1什么是操作系统 操作系统是管理计算机软 硬件资源 控制程序运行 改善人机界面和为应用软件提供运行环境的系统软件 操作系统是这样一些程序模块的集合 它们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 为用户提供一个功能强大 使用方便的工作环境 从而在计算机与其用户之间起到接口的作用 2 1 1什么是操作系统 关键词 系统软件 资源 软件和硬件 管理 人机交互的接口 2 1 2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 在计算机运行时 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 则只有在需要时才载入 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 2 1 3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 命令行界面 图形用户界面 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 2 1处理器管理 处理器的管理包含两部分的内容 中断处理 进程管理 中断处理 硬件发现中断事件 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 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管理进程的方式有多任务 多线程以及多进程 任务管理器查看进程列表 多任务和多线程 多任务是指用户可以在同一时间内运行多个应用程序 每个应用程序被称作一个任务 当今多数操作系统都提供的是多任务服务 当操作系统接受到多个任务后 会为每个任务分配CPU时间 每个任务使用分配的时间片轮流使用CPU 在一个程序中 独立运行的程序片段叫做 线程 多线程就是允许多个部分或线程同时运行 多线程能够提升单处理器或多处理器计算机的性能 2 2 2存储器管理 存储管理是操作系统的重要组成部分 它负责管理计算机系统的重要资源 主存储器 也就是我们通常说的计算机内存 操作系统的存储功能主要包含以下四个方面 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 1 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 虚拟内存设置 对话框 2 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 主存分配记录表 3 地址的转换 逻辑地址 程序设计人员在进行程序设计中 用来访问信息时所用到的一系列地址单元的集合称为逻辑地址 物理地址 主存的地址在多道程序环境下 程序不是事先约定存放位置 而是在执行过程中可以动态浮动 所以程序的逻辑地址和物理地址是不一致的 因此需要存储管理机制提供地址映射功能 把程序地址空间中的逻辑地址转换为主存空间中对应的物理地址 4 存储共享与保护 由于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 2 2 3设备管理 设备管理是指计算机系统对除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 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 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 通用即插即用 为了应对计算网络化 家电信息化的发展趋势 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 集中 统一管理 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 设备管理器 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 现代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 缓冲区 一个介于两个设备或设备与应用程序之间传递数据的内存区域 主要作用是提供给不同速度的设备之间传递数据 高速缓存 高速缓存是一种先将数据复制到速度较快的内存中再访问的做法 由于高速缓存的访问速度比一般内存快很多 所以访问高速缓存中的数据会比访问内存的数据更快 缓冲区 2 2 4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 1 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 如磁盘等 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或信息管理系统 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 1 文件的基本概念 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 Windows中常见的文件扩展名及其表示的意义见表1 1 文件的基本概念 1 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 1 文件的基本概念 文件操作 一个文件中所存储的可能是数据 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 2 文件的组织 现代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 树状的目录结构 目录路径 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 3 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 3 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或NTFS 而UNIX则使用NFS 3 文件系统 Windows支持的文件系统有FAT FAT32和NTFS FAT 只能支持512MB以下的容量 目前用在软盘和移动硬盘 FAT32 卷最大容量2TB 不支持512MB以下的卷 用在硬盘分区 NTFS 兼顾了磁盘空间的使用与访问效率 提供高性能 安全性 可靠性和许多FAT或FAT32没有的高级功能的文件系统 2 3典型操作系统 2 3 1DOS2 3 2MicrosoftWindows系列2 3 3MacOS2 3 4Unix和Linux2 3 5手持设备操作系统 2 3 1DOS DOS DiskOperationSystem 代表磁盘操作系统 DOS是基于字符界面的一种单用户 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 DOS能够提供非常方便的故障诊断程序 例如Ping Tracert和netstat等 2 3 2Windows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 2 3 3MacOS MacOS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 2 3 4Unix和Linux UNIX操作系统 是美国AT T公司于1971年在PDP 11上运行的操作系统 具有多用户 多任务的特点 支持多种处理器架构 最早由肯 汤普逊 KennethLaneThompson 丹尼斯 里奇 DennisMacAlistairRitchie 和DouglasMcIlroy于1969年在AT T的贝尔实验室开发 目前这个操作系统已经广泛移植在微型计算机 小型计算机 工作站 大型计算机和巨型计算机上 已成为全球应用最广 影响最大的操作系统 2 3 4Unix和Linux Linux是一个UNIX操作系统的克隆 可以免费使用 可以自由修改和传播 可以说与Windows等商业操作系统不同 Linux完全是一个自由的操作系统 Linux内核最初是由芬兰籍大学生LinusTorvalds和通过Inte