大学《计算机基础》课件-第3章操作系统基础知识

1、第3章 操作系统基础知识北京xx大学计算机基础程序的存储、运行及操作系统的基本概念一个程序的执行过程：一个程序为了长期保存，应先将其保存在外存(硬盘)中；在执行时，操作系统将程序从外存装载到内存；依据程序中内容，逐条执行指令，每条指令的执行又分为三步：取指令、分析指令、执行指令；运行结束，释放占用的CPU、内存等资源。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？（6）. 操作系统要解决和处理的问题，即操作系统的基本

2、功能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，分配设备操作系统的基本概念操作系统的定义： 操作系统是计算机系统中的最基本的系统软件有效地管理和分配计算机的软、硬件资源合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，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、灵活地使用计算机本质：一组规模庞大、功能复杂的程序的集合，每个程序完成特定的功能操作系统的基本概念2. 操作系统在计算机系统中的地位操作系统是其他软件和硬件之间的接口，以及其他软件的共同环境按需管理和调度硬件

3、资源，保证程序正常运行提供统一硬件访问接口，即系统调用，如：API函数安装了操作系统的计算机是一种用户及其应用系统的工作“平台”操作系统的基本概念基于OS构建各类应用环境操作系统的基本概念操作系统的三种使用方式 命令方式、图形用户界面、系统调用操作系统的两种工作界面操作系统是用户与计算机之间的接口和界面操作系统提供的用户工作界面一般有两种：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CLI（Command Line Interpreter）用户在命令行中输入一系列操作命令来操作使用计算机 必须学习、掌握该计算机的操作命令不同的操作系统提供的操作命令

4、是不同的如DOS图形工作界面GUIGraphical User Interfaces 通过图形界面进行交互和操作，只需点击鼠标即可实现和完成操作Windows操作系统的类型（自学，P47）单用户单任务操作系统单用户多任务操作系统多用户多任务操作系统分时操作系统实时操作系统个人计算机/网络操作系统分布式操作系统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，分配设备操作系统的基本功能计算机系统资源管理 硬件资源：各种硬件设备，处理器、存储器、输入输出设备等 处理器管理、存储管理、I/O设备管理（设备管理）

5、 软件资源：存放于计算机系统中的各种数据、文档、程序 文件管理（数据、程序、文档都是通过不同扩展名的文件存放在外存储器）操作系统的基本功能程序控制用户程序的执行自始至终是在操作系统控制下进行的，也需考虑运行效率及异常处理等程序运行方式的发展：单一程序运行 多道程序运行 分时多任务 分时多用户多任务 作业管理操作系统的基本功能人机交互接口操作系统的重要作用是为了方便用户使用计算机，其中关键在于：人机交互功能、人机交互接口功能丰富、接口方式多样：交互界面：命令行、图形界面人机接口方式：标准外设、智能化人机接口基于语音、手写体、姿势、视线跟踪、表情等输入手段的多通道交互目的：使人能以声音、动作、表情

6、等自然方式进行交互操作操作系统的基本功能资源管理程序控制人机交互CPU管理存储管理设备管理文件管理作业管理操作系统五 大 功 能 模 块处理机管理(CPU管理)目的：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 把CPU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顺序执行图示一个程序的执行过程可分为三段：输入：I计算与处理：C输出： P多个程序执行过程：I1I2C1C2P1P2程序并发执行图示I1I2I3C1C3C2P1P2P3T2T3T4T5T1在T2、T3、T4时，都是并发的，资源共享多道处理图示（了解）CPUI/O设备程

7、序A程序B程序B等待分时处理图示（了解）程序并发执行多程序并发执行时，CPU的资源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；各个程序间相互竞争共享资源，相互制约。系统在给程序分配资源时，不仅仅要了解程序本身，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引入了“进程”的概念进程的定义进程是现代操作系统的基本概念，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

8、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 vs 列车 程序 vs 进程信息包时刻、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进程的概念进程和程序的区别程序是一个文件，是指令的集合，静止的概念；进程是程序的执行过程，进程是动态的程序可以脱离机器长期保存，是永久的；进程是执行着的程序，执行完毕，进程也就不存在了，即 进程的生命是暂时的，有自己的生命周期程序只需要固定的存储空间；进程需要

9、分派到系统资源后才能创建和执行进程具有并发性，多进程分时使用资源；多个程序可同时存放，但决不会并发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；被执行中的程序一定属于一个或多个进程；不同的进程可以包含同一个所需的程序进程的描述方法对所分配的资源状况、管理信息、执行状态等记录 进程控制块PCB进程标识运行信息状态信息管理信息进程控制块PCB是OS进行进程控制的基础创建、执行、撤销、阻塞、唤醒进程的三种基本状态就绪状态已经获得其他资源，一旦分到CPU即可执行运行状态获得全部资源并正在运行等待状态资源不足，运行受限，处于暂停状态三种状态交替出现，直到进程运行结束；三种状态的转换由操作系统的进

10、程管理功能管理和实现进程状态转换某事件被解除后进入就绪状态进程因某事件(如I/O事件)受阻塞，转为等待状态操作系统将处理机分配给进程使用，开始运行分配的“时间片”已用完，需重新申请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)操作系统的基本功能资源管理程序控制人机交互CPU管理存储管理设备管理文件管理作业管理操作系统五 大 功 能 模 块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

11、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存储管理存储管理包括四个方面的功能：内存分配与回收地址转换存储保护存储扩充存储分配按一定的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（了解）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（了解）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

12、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（了解）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)地址转换的定义：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地址转换(重定位) （了解） 物理地址 vs 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）物理地址从0开始编号；最大值取决于内存容量对应的值物理地址的编号使用二进制数，并以十六进制表示，如采用2

13、0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（重定位）在程序装入内存时，将逻辑地址转换成为物理地址，然后实现存储地址转换的过程是逻辑地址到物理地址的“映射”的过程实质是为程序和数据重新确定存储地址；也称为地址重定位程序将按照重新确定的物理地址，被存储到系统内存空间中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

14、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存储管理将需要共享的程序或数据的存储区域实行“共享”管理，允许各进程访问调用存储管理将需要保护的程序或数据的存储区域实行“保护”管理，不允许他进程访问调用存储扩充（了解）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存储扩充的一般方法有三种：自动覆盖技术交换技术虚拟存储技术让不同时执行的程序段共享同一块内存区将需要执行的程序段调入内存区，覆盖已经执行结束的程序段将处于等待状态的进程换出内存到外存，而将可以立即运行的程

15、序从外存换入内存虚拟存储技术在外存中开辟虚拟的内存空间；CPU将按照内存的管理方式管理该区域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；称为虚拟存储技术虚拟存储技术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位地址总线的管理能力，最大的存储空间可以达到4GB(即232B)理论上可扩充的虚拟容量为4GB减去已有的内存容量虚拟存储图示虚拟存储设置最佳设置：一般为物理内存的1.5倍操作系统的基本功能资源管理程序控制人机交互CPU管理存储管理设备管理文件管理作业管理操作系统五 大 功 能 模 块设备管理设备管理为用户和

16、设备之间提供一个桥梁，方便用户使用设备；管理对象：设备（除CPU和内存之外的所有I/O设备）设备分类（按资源分配方式）：（了解） 独占设备：显示器、打印机 共享设备：硬盘 虚拟设备：局域网中提供给多个用户共享的打印机设备管理的功能设备的分配与回收提供独立于设备的接口利用各种I/O技术，有效地实现I/O操作提供即插即用技术，方便设备安装扩充根据需要合理将设备分配给进程；并及时收回使用完毕的设备接口是特殊的设备，完成设备信息的转换，屏蔽不同设备的差异细节，方便用户使用和操作I/O操作主要指设备与内存间的数据传输；“有效”是指：最大限度地快、最大程度地并行、对CPU最小地依赖即插即用技术解决的问题包

17、括：识别设备并为用户选择和指定设备的驱动程序、为扩充的设备自动确定“中断号”设备管理及目标图示内部存储器CPU数据交换与CPU相比，设备的特点是运行速度慢；有效、合理的设备管理体现为： 1、提高设备的利用率 2、与CPU并行工作，降低对CPU的依赖I/O设备的控制管理方式（了解）为体现和实现设备管理有效、合理的原则，操作系统有四种控制管理方式：程序直接控制方式（同步方式）中断控制方式（异步方式）直接存取控制方式(DMA)通道控制方式实质：在数据的输入输出过程中，减少依赖，与CPU并行工作程序控制(同步)中断控制(异步)CPU外设CPU外设查询查询CPU等待外设闲开始传送继续工作外设闲开始传送浪

18、费了宝贵的CPU时间中断控制数据首先经外设送到数据缓冲区；此时并不影响CPU进行其他的工作全部送达后，外设向CPU“报告”，并发出中断请求CPU只有接到I/O中断请求时，才中断其他工作，进行I/O操作，实现数据输入（输出的过程类似）从键盘上输入一个字符串时，只有“回车”时，数据才被CPU送到内存中回车发出一个中断请求直接存取控制DMA方式 Direct Memory Access在外部设备与内存之间建立一个直接的数据交换通路，负责数据在I/O设备和内存之间的相互传送通路由专门的硬件-DMA控制处理器管理DMA方式下，除在开始启动前需向CPU“报告”，并由CPU中断其他工作进行初始化(数据传送的

19、方向、存放数据的地址、数据块长度)处理外，后续工作与CPU无关该方式的传送速度快，适用于速度快且成批传送数据的设备Windows下的设备管理操作系统的基本功能资源管理程序控制人机交互CPU管理存储管理设备管理文件管理作业管理操作系统五 大 功 能 模 块问题核心：程序、数据如何在计算机中存储？引入已知：外存储器用来存放暂时不需要处理的数据和暂时不需要运行的程序外存储器里存放着什么？安装在计算机中的所有程序：操作系统、Office办公软件、高级语言处理软件.用户的各种文档：程序文件，作业，课件，音乐文件，视频文件.计算机如何存储和组织管理这些程序、数据呢？ 操作系统的文件管理模块要做的事情基本内

20、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的操作文件的定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、U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，但它不是必须的不同的操作系统有自己独立的“命名规则

21、”Windows下的文件名支持DOS的命名规则（8.3规则）支持长文件名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： / : * ? “ ” 使用各种图标标示不同类型的文件文件类型扩 展 名说 明可执行程序EXE、COM可执行程序文件源程序文件C、CPP、BAS、ASM程序设计语言的源程序文件目标文件OBJ源程序文件经编译后产生的目标文件批处理文件BAT将一批系统操作命令存储在一起，可供用户连续执行MS Office文档DOC、XLS、PPTMS Offence中Word、Excel、PowerPoint创建的文档流媒体文件WMV、RM、QT能通过Internet播放的流式媒体文件

22、压缩文件ZIP、RAR压缩文件网页文件HTM、ASP前者是静态的，后者是动态的图像文件BMP、JPG、GIF不同格式的图像文件音频文件WAV、MP3、MID不同格式的声音文件视频文件AVI、MKV、RMVB、MP4不同格式的视频文件快捷方式LNK快捷方式文件文件的基本信息 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基本信息可通过“属性”窗口查询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

23、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”目录文件及目录项图示文件名文件类型文件长度建立时间建立日期文件属性首簇号如：D盘根目录 D:子目录的概念如果在当前目录中，包含着另外的一个或多个目录，则称被包含的目录是当前目录的“子目录”子目录中还可以再包含一个或多个下一级的子目录由此形成一个多级的目录结构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，查找文件比较困难文件重名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

24、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的标识方法文件必须进行标识，以“文件标识名”进行操作在层次结构的文件系统中，文件标识名应有三个要素：盘符路径文件名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

25、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 绝对路径 . 父目录相对路径 . 当前目录相对路径绝对路径和相对路径举例通过绝对路径对3个文件的表示是：C:子目录1子目录2子目录3File1C:子目

26、录1子目录2子目录3File2C: 子目录2子目录3File1绝对路径和相对路径举例访问文件exer1的文件标识 :绝对路径: c:usrcomputer concepthomeworkexer12. 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： .homeworkexer1C:usrcomputer concepthomeworkscrip

27、texamexer1exer2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些特殊的字符就是“通配符”Windows下有两个通配符：星号（*）：可以代替一个或若干个任意字符问号（?）：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.OBJFL123.LIBAA123.FORAB123.BASAL123.LIBBL12.BAS使用通配符所能操作的文件：AA*.FOR AA1.FOR AA123.FORAA*.*AA1.EXE AA1.FOR AA1.OBJ AA123.FORAA?.*AA1.

28、EXE AA1.FOR AA1.OBJ?123.* FL123.LIB AA123.FOR AB123.BAS AL123.LIB*.BASAB123.BAS BL12.BASWindows下的文件操作创建文件夹在指定的位置创建改变文件夹内容的显示方式五种显示方式 四种排列方法创建文件不同类型的文件的创建方法不同文件及文件夹属性的查看与修改四种属性（现在只能设置2种）文件的打开与关闭用不同的方式打开不同类型的文件文件及文件夹的删除与恢复放到“回收站”与永久删除、“回收站”中文件可被“还原”到原位置文件及文件夹更名更改文件的名称文件及文件夹的移动和复制移动和复制的区别文件及文件夹的查找文件的运行

29、运行程序文件文件的快捷方式建立软连接，实现更快速的文件访问Windows下的文件操作方式文件管理工具：我的电脑(本地)、网上邻居(网络)、资源管理器(两者综合)文件操作方法：菜单项、工具按钮、鼠标拖动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实现文件名到物理地址的映射。对用户透明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“文件管理”须掌握知识要点文件的概念文件名及命名规则文件的物理结构及文件目录的概念

30、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Windows下的三种文件管理工具（特别是资源管理器）文件的属性：只读、隐藏两个通配符：* ?例打开一个Word文档，如：第3章操作系统基础.ppt操作系统将作如下工作：将PowerPoint应用程序调入内存，将应用程序处理的数据（第3章操作系统基础.ppt）调入内存，并分配存储空间为应用程序创建一个进程分配到CPU资源，进行数据处理根据用户的需求，如果需要打印，则当分配到打印机时，在CPU的控制下进行打印操作典型操作系统（了解）WindowsUNIXLinuxMac OSiOSA

31、ndroidSymbianWindows MobileBlackberryWindows12435硬件性能需求降低更好地发挥新设备的潜能更加安全、可靠更好的应用程序兼容性更具中国特色Windows 7 Starter（初级版）Windows 7 Home Basic（家庭普通版）Windows 7 Home Premium（家庭高级版）Windows 7 Professional（专业版）Windows 7 Enterprise（企业版）Windows 7 Ultimate（旗舰版）版本WIN 8新增与升级的功能Xbox Live服务和Hyper-V功能全新的复制覆盖操作窗口采用Ribbon界面的资源管理器专为触摸屏而生的Metro界面支持ARM架构支持虚拟光