第3章3.2 操作系统73046

3 2计算机操作系统 3 2 1什么是操作系统3 2 2多任务处理3 2 3文件与文件管理3 2 4存储管理3 2 5设备管理3 2 6常用操作系统 3 2 1什么是操作系统 什么是操作系统 OS OS屏蔽了计算机中几乎所有物理设备的技术细节 为使用 开发和运行其他软件提供了一个高效 可靠的平台 OS非常庞大和复杂 它由许多程序模块组成 没有安装任何软件的计算机称为裸机 裸机是无法使用的操作系统是最重要的一种系统软件 几乎所有计算机都要安装OS 为什么需要操作系统 控制基本的输入 输出操作 分配系统中的资源 管理存储器空间 监测计算机运行和故障 维护计算机安全 操作系统的重要作用 三项主要作用 1 为计算机中运行的程序管理和分配系统中的各种软硬件资源 2 为用户提供友善的人机界面 图形用户界面 3 为开发和运行应用程序提供高效率的平台其它辅助功能 辅导用户操作 帮助功能 显示系统状态处理软硬件错误保护系统安全 复习 基本输入输出系统BIOS 基本输入 输出系统是存放在主板上只读存储器 flashROM 中的一组程序 也称为firmware 固件 主要包含4个部分 加电自检程序 诊断计算机故障 系统自举 装入 程序 启动计算机工作 CMOS设置程序 设定和修改计算机配置 基本外围设备的驱动程序 控制基本的I O操作 计算机断电后 BIOS程序和CMOS中的数据仍保持不变需要时BIOS程序可以升级 update 操作系统的启动 bootup ROMBIOS RAM CPU CMOS 操作系统运行时内存的态势 3 2 1多任务处理 问题1 如何安装应用程序 应用程序买来以后或者从网上下载以后 必须使用安装程序进行安装安装程序一般称为setup exe或install exe 此外还有一个安装说明 文件名一般称为readme 软件安装时可能需要使用该软件的产品序列号 产品序列号贴在包装盒上或存放在sn txt文件中安装程序 安装说明 序列号等通常就包含在该软件的文件夹中有些软件安装时会启动一个安装响导 wizard 用户只要按照该响导的提示一步一步进行即可安装成功后 会在开始菜单的 所有程序 菜单中有一个启动它运行的选项 问题2 如何启动运行应用程序 最基本的方法是从 开始菜单 进行启动在桌面上双击应用程序的快捷方式图标来启动应用程序 很多程序在安装后都会将该程序的快捷方式图标放到桌面上以便经常使用 最近最常使用的应用程序可使用 开始 菜单左侧的一列程序按钮进行启动通过双击需要处理的文档来启动处理该文档的应用程序通过任务栏中的 快速启动 栏中的按钮进行启动 有无 快速启动 栏可以自己设置 在开始菜单的 运行 对话框中输入命令 什么是任务 什么是多任务处理 任务 指的是要计算机做的一件事 计算机执行一个任务通常就对应着运行一个应用程序 单任务处理 与 多任务处理 单任务处理 前一个任务完成后才能启动后一个任务的运行 任务是顺序执行的多任务处理 Multitasking 允许计算机同时执行多个任务 任务是并发执行的多任务处理举例 编辑PPT讲稿 播放音乐 收发邮件多任务处理的优点 大大提高了用户的工作效率大大提高了计算机的使用效率 多任务处理举例 制作PPT讲稿 查看文件夹内容 收发电子邮件 播放音乐 如何知道有哪些任务在运行 每启动一个应用程序 OS就会打开一个相应的窗口 通常一个窗口就是一个任务每启动一个应用程序 OS就会在任务栏上显示一个相应的任务按钮 程序按钮 通常一个按钮就是一个任务窗口可以放大或缩小 甚至可以 最小化 但任务的运行不受其影响使用 任务管理器 程序可以了解每个任务的运行情况 什么是前台任务与后台任务 前台任务 能接受用户输入 击键或按击鼠标 的窗口只能有一个 称为活动窗口 它所对应的任务称为前台任务后台任务 除前台任务外 所有其它任务均为后台任务前台任务与后台任务的区别 前台任务对应的窗口 活动窗口 位于其它窗口的前面活动窗口的标题栏比非活动窗口颜色更深 深蓝色 前台任务与后台任务的共同点 都在计算机中运行前台任务与后台任务的切换 为了输入信息到某个后台任务中去 必须切换窗口 单击要激活的后台任务窗口的任何部位 或单击任务栏中对应的任务按钮 如何结束任务的运行 每一个应用程序运行时都要占用大量的系统资源 存储器 CPU 屏幕等 所以当不再需要某个应用程序运行时 就应该退出这个应用程序 释放它所占用的资源多数应用程序都设计成交互式控制的方式 所以运行完毕后必须由用户退出该程序 WindowsXP中退出应用程序的几种方法 最快速的方法 是左击应用程序窗口右上角的红色 叉子 按钮左击窗口左上角的控制按钮 在弹出菜单中选择 关闭 在应用程序的 文件 菜单中 选择 退出 通过OS的任务管理器 强迫结束任务 OS如何支持多任务处理 为什么可以实现多任务处理 CPU速度极高 必须并且可以充分发挥CPU的效能CPU与I O 外围设备 的并行工作各个外围设备之间并行工作实现多任务处理要解决哪些问题 CPU如何管理和调度存储器空间如何分配和管理I O设备和I O操作如何管理和控制谁来解决上述问题 不是应用程序自己 而是操作系统 OS CPU的管理 处理器管理 目的 让CPU轮流为所有任务服务原则 公平性 优先级 负载均衡方法 按时间片轮转 10 20ms为1个时间片 按优先级调度 Windows中的处理器管理 Windows为了确保每个已经启动的任务都有机会运行 它采用 抢先式 多任务处理技术 由硬件计时器大约每10 20ms发出1次中断信号 Windows立即暂停当前正在运行的任务 查看当前所有的任务 选择其中的一个交给CPU去运行只要时间片结束 不管任务有多重要 也不管它执行到什么地方 正在执行的任务就会被强行暂时终止上述的任务调度 每秒钟要进行几十次 几百次实际上 操作系统本身的若干程序也是与应用程序同时运行的 它们一起参与CPU时间的分配 当然 不同程序的重要性不完全一样 它们获得CPU使用权的优先级也有区别 3 2 3存储管理和虚拟存储器 系统运行时内存储器的布局 内存储器空间划分为2个部分 系统区和用户区 用户区用来存放正在运行的应用程序 分析 允许同时运行多少程序 数目有没有限制 程序的大小和数据的规模受不受限制 程序与程序相互之间会不会互相干扰 每个应用程序运行时均有属于它自己的存储器空间 用来存储它自己的程序代码和数据 存储管理 需要解决哪些问题 为每个任务分配存储空间 任务结束之后收回存储空间对存储空间进行保护保护操作系统所在区域不被应用程序修改保护每个应用程序的私有区域不被其他程序修改对存储空间进行扩充 使应用程序的存储空间不受实际存储容量大小的限制解决方案 虚拟存储器 VirtualMemory 虚拟存储器示意图 硬盘中专门划出一个 交换区 作为物理内存的补充 称为 虚拟内存 虚拟存储器的基本思想 1 每个应用程序使用一个独立的 专用的存储空间 它不受实际内存容量的限制 称之为 虚存空间 每个应用程序的虚拟存储空间划分成为大小相同的许多 页 当启动应用程序运行时 OS仅把该程序的一部分 页 装入物理内存 其它页装到硬盘的交换区 物理存储器也划分成为与 页 相同大小的许多 块 虚拟存储器的基本思想 2 当启动应用程序运行时 OS仅把该程序的一部分 页 装入物理内存 其它页装在硬盘的交换区中 并在 页表 中进行登记 哪些页已装在内存 装在内存的什么位置哪些页留在硬盘的交换区中 在什么位置 虚拟存储器的工作过程 1 当CPU需要访问内存取指令或数据的时候 先查看 页表 如果所在页面已经装在内存 那么从页表中找到其物理地址后就可以访问内存读取数据或指令 0 1 P 1 页表 虚拟存储器的工作过程 2 3从内存中读出需要的页 2从硬盘交换区中读出该页 装入内存中的空闲位置 修改页表 Memory I Obus CPU Cache Memory I Ocontroller Reg 附 从磁盘上读一页装入内存 WindowsXP的虚拟存储器 WindowsXP操作系统中 虚存空间最大可达到4GB页面的大小通常是4KB虚拟内存是系统盘根目录下的一个名为pagefile sys的文件 其大小和位置用户可设置使用 任务管理器 可以查看 总的物理内存大小可用物理内存大小总的虚拟内存大小可用虚拟内存大小等 3 2 4文件及其管理 文件 概念的由来 按名存取 按地址存取 什么是文件 file 文件是存储在外存储器中的一组相关信息的集合 例如 一个程序 一张数码相片 一只MP3歌曲 一封电子邮件文件是外存中信息的存取 读出 写入 单位计算机中所有的程序和数据都组织成为文件存放在外存储器中 并使用其名字进行存取操作 复习 文件名和文件类型 文件的名字由两部分组成 主文件名 扩展名 主文件名 简称文件名 是文件的主要标识 不可省略文件扩展名 类型名 由 加3 4个英文字母组成 用于区分文件的类型 程序文件 可执行文件 文件中包含的是可以由CPU执行的程序的二进制代码数据文件 纯文本文件 txt PDF文件 pdf Word文件 doc 投影片文件 ppt 数码照片文件 jpg MP3音乐文件 mp3 文件中包含的是由程序处理的数据的二进制代码处理不同类型的数据文件一般需要使用 关联 不同的程序 文件名字使用西文 或中文 字符组成 但不能使用某些特殊字符 如 等 WindowsXP的文件 允许使用长文件名 即文件名最多可包含255个中文或西文字符英文字母的大 小写只在形式上加以区分 实际上不予区别 例如 Text DOC与text doc是同一个文件 常用程序文件的扩展名 dll bat常用数据文件的扩展名 文件的组成和文件说明信息 每一个文件都由2部分组成 文件在磁盘中如何存储 磁盘分成两个区域 目录区和数据区目录实质上是一张 文件名 存放位置 的对照表 从磁盘上读出一个文件时 先在目录区中找出该文件的存放位置 然后再按此位置 从磁盘的数据区中读出该文件内容 文件内容 WindowsXP的文件组织 文件目录在Windows中称为文件夹每个逻辑盘 物理盘或硬盘上的分区 是一个根文件夹文件夹中既可包含文件 也可包含文件夹 子文件夹 子文件夹又可存放文件和子文件夹 形成树状多级文件夹结构 根节点和中间节点都是文件夹 叶节点都是文件 为什么使用多级文件夹 1 有利于文件分类存储2 允许文件同名 在不同文件夹中时 3 便于文件共享和保护 WindowsXP中文件如何定位 计算机中的每个文件都有一个确定的位置文件的位置由存放文件的逻辑驱动器号 文件路径以及文件名组成 驱动器号 盘符 文件路径 文件名 例右图中文件02 ppt的位置是 D 数据 概论 讲稿 02 ppt 从根文件夹到文件所在文件夹所顺序经过的一串文件夹 其间用 相互隔开 文件管理和文件系统 文件系统需要解决的问题 有效管理外存储器的存储空间实现对文件方便而快速的存取操作对软盘 硬盘 光盘 优盘等不同外存储器实现统一管理统一本地文件 远程文件的存取操作实现文件的安全存取 文件系统是OS的一个组成部分 它负责管理计算机中的文件 使用户 和程序 能很方便地进行文件的存取操作 3 2 5设备管理 OS中的 设备管理 程序负责 对系统中的各种输入输出设备进行管理处理用户 或应用程序 的输入 输出请求 方便 有效 安全地完成输入 输出操作参看本章阅读材料3 3 3 2 6常用操作系统介绍 操作系统的几种类型 PC机使用的操作系统一般都具有多任务处理功能网络服务器上安装运行的是 网络操作系统 特点是 具有强大的多用户并发处理能力支持多种网络通信功能 提供丰富的网络应用服务安全性强 可靠性好军事指挥和武器控制系统 电网调度和工业控制系统 证券交易系统等 安装运行的是 实时操作系统 特点是 对外部事件能快速作出响应 具有很高的可靠性和安全性嵌入式计算机应用中运行的是 嵌入式操作系统 特点是 快速 高效 具有实时处理功能代码非常紧凑 存储需求小 微软Windows操作系统 特点 提供了多任务处理能力在个人计算机上广泛使用采用图形用户界面 简化计算机操作版本的演变 UNIX和Linux操作系统 都是主流操作系统 主要用于 在巨型机 大型机上作为网络操作系统使用经过裁剪后可用于嵌入式系统关于Linux属于自由软件 开源软件 原创者是芬兰青年学者李努斯 托瓦尔兹 LinusTorvalds 应用软件越来越多 用户正在快速壮大 许多商业软件公司也加入了这一行列参看本章阅读材料3 4 附 磁盘空间管理 磁盘存储空间的结构 磁盘存储空间可以看作是由大量扇区 512B 组成的1维阵列存储容量 扇区总数x512字节 109 单位 GB 一个硬盘可以划分为几个分区 Partition 分区所包含的扇区号应连续 分区相互间应无重叠每个分区称为1个逻辑驱动器 它有自己的盘符 用户可以将它视同为1个物理存储器不同的分区可以安装不同的操作系统 主引导扇区MBR 硬盘上开始的几个扇区 用于管理目的 其中0 扇区特别重要 称为主引导扇区 MasterBootRecord MBR 它包含如下3部分内容 指出每个分区的起始扇区号和包含的扇区数目 操作系统的类型 自举装入程序在计算机启动时被BIOS读出并执行 由它再读出相应分区中引导扇区内的引导程序 CPU执行引导程序即可再从磁盘上读入系统启动文件 从而启动操作系统 引导扇区 每个硬盘分区的空间划分 硬盘在格式化或分区时 软件会自动将每个分区均划分为如下5个部分 引导扇区 它包含如下信息 引导程序及系统启动文件的文件名文件系统的类型簇的大小根目录允许的最大目录项数目文件分配表 FAT 2份 用于记录数据区的使用情况根目录区 包含该分区根目录中所有文件及文件夹的说明信息 数据区 划分为数以百万计的簇 存放该分区所有文件和文件夹的数据 簇 Cluster 和文件分配表FAT 磁盘数据空间的分配单位是2n个扇区 称为 簇 簇的大小与磁盘分区容量的大小有关 软盘的簇固定为512字节 n 0 硬盘的簇可以是2或4KB 40GB以上硬盘 簇可以8KB以上若某分区容量为40GB 簇大小为8KB 则一共有5000000个簇每一个簇都有一个簇号 12 16 32 64位 簇号是分区中所有簇的顺序号 从簇号很容易计算出磁盘上属于该簇的物理扇区的位置文件分配表 FAT 是用来记录数据空间分配情况的一张表 它指出每个簇是 使用 空闲 或 损坏 其中 空闲 簇和 坏 簇分别用 全0 和 全1 表示 其它数值表示 已分配 FAT在格式化时自动生成 一式两份 一份为备份 坏簇在磁盘格式化过程中发现并进行登记 只要1个扇区有问题整个簇就不能使用 数据空间中簇的分配方法 磁盘分区中数据空间是用来存储文件 和子文件夹 数据的 将簇分配给各个文件的方法主要有3类 连续分配索引分配链接分配链接分配的优点 可以分散在任何地方 空间利用率高简单 只需记录文件的起始簇号文件的扩展很容易 Windows系统磁盘空间的分配 每个文件分配若干簇 同一文件所有簇的簇号组织成一个 数字链 其起始簇号在FDT中指出 FAT表中该簇的状态值则是下一个簇的簇号 直至最后一个簇 文件的最后1个簇状态值为 EOF 例如 MYFILE的簇是 9 16 1 10 25共5个簇YOURS的簇是 26 29 24 17共4个簇 文件名扩展名创建日期时间文件大小属性起始簇号 MYFILETXT1 23 200413 2440 3639 YOURSDOC6 8 200423 3531 32926 根目录表 FDT 分区中的数据区 文件目录