ssd2计算机系统基础中文版

1、 PAGE 66 PAGE 67 PAGE 51 第3章操作系统基础每一台计算机，无论是个人计算机还是巨型计算机系统，都必须配置至少一种操作系统。本章首先扼要地介绍下计算机软件的分层结构及操作系统的形成和发展过程，并给出操作系统的基本定义及常用功能，最后介绍几种常用操作系统。3.1 操作系统概述正如计算机的硬件部分，计算机软件也具有相应的层次结构。操作系统不是单一的实体，而是由多个有着各自管理区域的层次组成，计算机系统软件层次结构如表3.1所示。表3.1 软件层次用户编写的脚本或宏用户界面层应用层运行库应用程序界面操作系统操作系统内核设备驱动程序BIOS硬件其中，硬件作为计算机的最低层，是构成

2、计算机的物理组件，如主板、接口板、电源、机箱等。BIOS是基本输入/输出系统，是软件层中最基本的层次，直接处理控制每个硬件组件的信号，其大部分工作是在计算机开机时执行。 设备驱动作为辅助程序，是操作系统与相应设备连接工作的桥梁。机器中添加新的硬件，必须给系统安装相应的设备驱动程序。操作系统内核是操作系统的心脏，确保程序设备保持运行。该部分对内存进行管理，决定任务运行的顺序，并处理可能发生的各种中断。应用命令通过操作系统内核传递到BIOS，然后再传送到相关硬件。 操作系统包含的功能比操作系统内核要大。它实现了所有的操作系统应当执行的职能。当它需要执行某些基本操作时，就会与操作系统内核进行通信。

3、应用程序界面（API）为应用程序可用以与计算机操作系统交换信息和命令的标准集。运行库是一种被编译器用来实现编程语言的内置函数，以提供该语言程序运行时支持的一种特殊的计算机程序库，一般包括基本的输入输出。应用层根据用户要求，为应用程序提供服务以保证通信。用户界面层负责用户与应用层的通信，通常是以图形用户界面方式运行。脚本或宏是应用程序允许用户所创建的基于应用程序的一系列内置命令。脚本和宏允许用户将他们经常用到的操作按所需的顺序进行自动处理。脚本位于上述软件层次结构中的应用层，类似于应用程序的指令生成。3.1.1 操作系统定义计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机硬件通常是由中央处理机、存

4、储器、输入设备和输出设备等部件组成。计算机软件包括系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、多种语言处理程序( 汇编和编译程序等 )、连接装配程序、系统实用程序、多种工具软件等。 应用软件是为多种应用目的而编制的程序。没有任何软件支持的计算机称为裸机，裸机位于计算机系统层次结构的最里层，其外层是操作系统，安装了操作系统的裸机为用户提供了基本的资源管理功能和各种服务功能。各种实用程序和应用程序运行在操作系统之上，它们以操作系统作为支撑环境，同时又向用户提供完成其作业所需的各种服务。 综上所述，操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统中的一个系统软件，是完成以下功能的程序

5、模块集合这些程序模块管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，以此有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。因而操作系统是一个庞大的管理控制程序，包括5个方面的管理功能:进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。目前微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。3.1.2 操作系统的发展 为了更好地理解操作系统的基本概念、功能和特点，首先回顾一下操作系统形成和发展的历史过程。操作系统伴随着计算机技术本身及其应用的日益发展而逐渐

6、发展并不断完善，功能由弱到强，至今已成为计算机系统中的核心，通常按照计算机发展过程将操作系统分为多个阶段。1手工操作阶段在第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，计算机运算速度慢，没有操作系统，甚至没有任何软件。用户直接用机器语言编制程序，并在上机时独占全部计算机资源。上机完全是手工操作：先把程序纸带(或卡片)装上输入机，然后启动输入机把程序和数据送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行。计算完毕，打印机输出计算结果，用户取走并卸下纸带(或卡片)。50年代后期，计算机的运行速度有了很大提高，手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成矛盾。唯一的解决办法是摆脱人的手工操作，实现作业的自

7、动过渡。因而形成了批处理系统。2批量处理阶段为减少用户使用机器时间，出现了批量的操作系统。在这个阶段操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列，每一批作业将有专门编制的监督程序自动依次处理。批处理可分为两种方式：联机批处理阶段和脱机批处理阶段。3操作系统形成阶段多道程序和分时系统的出现，标志着操作系统的正式形成。多道程序运行顾名思义，是把多个相互独立的程序同时存放在计算机内存中，并且同时处于运行过程中，但是实际上各道程序轮流独占CPU，交替执行。分时操作系统就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完

8、成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是好像他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己终端向系统发出各种操作控制命令，完成作业的运行。4操作系统标准化阶段20世纪60年代中期开始，国际上开始研制大型通用操作系统，UNIX操作系统是典型案例，它是通用多用户分时交互型操作系统。目前广泛使用的各种工作站级的操作系统如SUN公司的Solaris，IBM公司的AIX，linux系统等都是基于UNIX操作系统。Windows系列操作系统，其主要原理也是基于UNIX系统的。至此，操作系统的基本概念、功能、基本结

9、构和组成都已形成并渐趋完善。3.1.3 操作系统的功能 根据操作系统定义，其功能主要包括五大功能模块。处理器管理：当多个程序同时运行时，解决处理器（CPU）时间的分配问题。作业管理：完成某个独立任务的程序及其所需的数据组成一个作业。作业管理的任务主要是为用户提供一个使用计算机的界面使其方便地运行自己的作业，并对所有进入系统的作业进行调度和控制，尽可能高效地利用整个系统的资源。存储器管理：为各个程序及其使用的数据分配存储空间，并保证它们互不干扰。设备管理：根据用户提出使用设备的请求进行设备分配，同时还能随时接收设备的请求（称为中断），如要求输入信息。文件管理：主要负责文件的存储、检索、共享和保护

10、，以提供文件操作的方便。3.1.4 操作系统的分类 根据其使用环境和作业处理方式，操作系统的基本类型包括批处理操作系统(batch processing operating system)、分时操作系统(time sharing operating system)、实时操作系统(real time operating system)、个人计算机操作系统(personal computer operating system)、网络操作系统(network operating system)和分布式操作系统(distributed operating system)。1批处理操作系统现代操作系统大

11、都具有批处理功能，批处理系统的主要特征包括：用户脱机使用计算机。用户提交作业之后直到获得结果之前就不再和计算机打交道。作业提交的方式可以是直接交给计算中心的管理操作员，也可以是通过远程通信线路提交。提交的作业由系统外存存储成为后备作业。成批处理。操作员把用户提交的作业分批进行处理，每批中的作业将由操作系统或监督程序负责作业间的自动调度执行。多道程序运行。按多道程序设计的调度原则，从一批后备作业中选取多道作业调入内存并组织它们运行，成为多道批处理。多道批处理系统的优点是由于系统资源为多个作业所共享，其工作方式是作业之间自动调度执行，在运行过程中用户不干预自己的作业，从而大大提高了系统资源的利用率

12、和作业吞吐量。其缺点是无交互性，用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力；而且是批处理的，作业周转时间长，用户使用不方便。2分时操作系统 分时操作系统一般采用时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端用户服务。对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力，分时系统具有下述特点。 交互性：用户可以在程序动态运行情况下对其加以控制，并可以方便的提交作业。多用户同时性：多个用户同时在自己的终端上上机，共享CPU和其他资源，充分发挥系统的效率。 独立性：客观效果上用户彼此间感觉不到有别人也在使用该台计算机，如同自己独占计算机一样。 分时操作系统是一个联机的多用户交互式的操作系统。UNIX是最流

13、行的一种多用户分时操作系统。 3实时操作系统实时操作系统主要随着计算机应用于实时控制和实时信息处理领域中而发展起来。实时系统的主要特点是提供即时响应和高可靠性，系统必须保证对实时信息的分析和处理的速度比其进入系统的速度要快，而且系统本身要安全可靠。实时系统往往具有一定的专用性，与批处理系统、分时系统相比，实时系统的资源利用率可能较低。 4通用操作系统 批处理系统、分时系统和实时系统是操作系统的三种基本类型，在此基础上又发展了具有多种类型操作特征的操作系统，称为通用操作系统。它可以同时兼有批处理、分时、实时处理和多重处理的功能，或其中两种以上的功能。5个人计算机操作系统 个人计算机操作系统是联机

14、交互式的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统所提供的很相似。由于是个人专用，因此在多用户和分时所要求的对处理机调度、存储保护方面会简单得多。另外由于多媒体技术迅速进入微型计算机系统，它要求计算机具有高速信号处理、大容量的内存和外存、大数据量宽频带传输等能力，能同时处理多个实时事件。要求有一个具有高速数据处理能力的实时多任务操作系统。目前在个人计算机上使用的操作系统以Windows系列和Linux系统为主。 6网络操作系统 网络操作系统的研制开发是在原来各自计算机操作系统的基础上进行的，按照网络体系结构的各个协议标准进行开发，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务

15、等达到上述诸方面的要求。由于网络计算的出现和发展，现代操作系统的主要特征之一就是具有上网功能，因此，除了在20世纪90年代初期时，Novell公司的Netware等系统被称为网络操作系统之外，人们一般不再特指某个操作系统为网络操作系统。3.2 操作系统原理概述下面从资源管理和用户接口的观点分五个方面来说明操作系统基本功能的原理。3.2.1 处理机管理 处理机的管理主要是对处理机进行分配，可分为进程控制、进程同步、进程通信和调度几个功能。进程控制是指为作业创建一个或者几个进程，并对该进程分配必要的资源。在进程运行过程中，控制进程状态的转换，进程结束时负责收回该进程所占用的所有资源，并且撤销该进程

16、。进程同步是指对多个进程之间进行协调和控制，协调常用的方法有两种，进程互斥和进程同步。进程互斥是指进程对临界资源的访问，进程同步是指由同步机构对进程执行的顺序加以调节。进程通信是指多个进程在完成同一个程序时，相互之间进行信息的交互。调度分为作业调度和进程调度，后备作业上的任务只有经过这两个调度才能被处理机进行处理。作业调度的任务是按照一定的算法从后备作业中选择作业分配资源并调入内存，建立进程，按照一定的算法插入就绪队列。进程调度的任务就是按照一定的算法选择进程分配处理机进行处理。每个进程都有几个状态：运行，就绪或者阻塞。在一个时间段，每个CPU只有一个进程能够实际运行；阻塞的进程是等待其他事件

17、发生，如大多数时间打印后台处理程序就是阻塞的，只在用户选择打印命令激活打印过程时，才成为可运行的。在Windows机器，可以通过调用任务管理器看到当前任务和进程的列表。在Windows中，一个任务是用户正在运行的一个应用程序，一般由一个或多个进程实现。为了使多个进程同时运行，内核使用抢先多任务策略。抢先多任务策略利用实时时钟产生时钟中断，内核利用时钟中断查看运行队列，如有进程需要立即运行，则抢占目前正在运行的进程，并将其运行状态是从执行变为就绪，同时记录该进程执行进度，保存其运行所需要的一些基本内容，以便以后可以恢复进程的执行。如进程转换频繁，给用户的感觉是在所有进程都在同一时间执行。抢先多任

18、务机制在进程切换时需要上下文切换，在进行切换时不仅需要时间，而且在执行上下文切换时处理器必须保存进程中所有寄存器内容，并要求加载新页表等，因而每个进程切换都必须占用开销。例如，为了使Web浏览器支持同时打开多个窗口，浏览器需要为每个窗口创建进程。但是，如果机器运行多个进程开销比较大，因为每个进程需要它自己的地址空间、页面表、文件描述符等，而且，很多应用程序在运行过程中并不需要进程之间的完全切换。因此，较新的操作系统都提供了轻量级进程称为线程，即所有线程共享同一地址空间并且共用其文件描述符。3.2.2 存储管理存储管理是指操作系统对存储器资源的管理，存储资源包括三个层次，即高速缓存、内存和外存，

19、操作系统中的存储管理主要是指对高速缓存和内存的管理，同时关注外存的操作与维护，包括数据的存储、处理以及恢复。存储管理必须确保数据存储的物理安全，包括对系统中所有数据的定义、跟踪并维护数据和数据资源。存储管理的主要工作是对内部存储器进行分配、保护和扩充，其中包括：内存分配，如何分配内存，以保证系统及各用户程序的存储区互不冲突； 存储保护，保证程序在执行过程中不破坏另一程序的运行，保证用户程序不会破坏系统程序； 内存扩充，当用户作业所需要的内存量超过计算机系统所提供的内存容量时，把内部存储器和外部存储器结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器。1BIOS系统BIOS（Basic

20、 Input Output System）为“基本输入输出系统”，一般BIOS固化到计算机主板ROM芯片上，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序，其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。BIOS执行三项主要职能：当计算机第一次打开时BIOS初始化硬件，加载操作系统，并为设备提供基本支持，如键盘、鼠标和串行端口。BIOS驻留在主板上的ROM（只读存储器）芯片中，ROM是非易失存储单元，机器电源关闭时仍保留所储存的数据。在通电过程中，由于ROM比RAM速度慢，大多数系统中的BIOS立即从ROM中复制其自身到RAM上，并告知处理器从

21、RAM取得下一步的指令。另一种特殊内存类型是CMOS存储器，CMOS存储器通常利用其中的64字节，存储BIOS的参数设置。CMOS存储器是易失的，计算机关闭时其数据会丢失，因此为保证其数据不丢失，机器主板上会用电池进行充电。因此，具有低功耗的CMOS是非常重要的，CMOS技术的主要缺点是它比一般的DRAM慢。当BIOS开始执行时，BIOS启动POST（开机自检）序列，启动视频卡，并检查一系列设备信息，如内存、串并口等。2虚拟内存管理系统的内存是操作系统的工作核心，系统中一部分内存保留给操作系统，其余大部分则是供用户程序使用。比如，一个用户在运行一个Web浏览器、编辑器和一个计算机游戏，三个程序

22、都需要一定量的内存，但每个都不需要占用所有的内存，因而系统内核为每个程序分配一些内存，并跟踪程序运行动态。Linux和Windows操作系统都提供虚拟内存，以增加程序灵活性，但是MS-DOS以及Unix不存在虚拟内存，所有的程序占用真实的地址空间来运行。在机器中可执行程序都是用二进制代码编写，当编写一个程序时，编译器就必须为每一条指令和数据都计算出确定的地址。比如，从地址零开始按顺序分配所有的指令和数据，那么整个程序是从0到4096依次占用内存。假设每个人都按此方法从地址零开始写程序，则不可能同时运行具有相同地址中的两个程序。在虚拟内存提出来之前，大多采用重定解决该问题。当用户运行程序时，操作

23、系统为它分配内存并加载到相应的内存地址上运行，也就是操作系统将所有程序地址进行排序，建立索引，使它们能指向正确的位置。例如，初始程序中包含一个信息表，该信息表是从700这个位置开始。程序运行时，说明在210的位置写着该表的地址值（比如，值700）。如果操作系统加载该程序到内存中时是从30 000位置开始，当运行到210时，读取地址信息，就将30 210的位置改成30 700，这个过程被称为重置。重定向的优点是实现简单，不需要进行硬件的改变，但它也存在很严重的缺陷。首先，内存分配给程序必须是连续的；其次，运行程序的大小受限于机器的物理内存的大小。而且一个拥有大地址空间的程序也许仅仅需要访问几千指

24、令和几千字节的数据，如果将此程序的一部分分配在RAM里，剩下部分分配在其他地方，如硬盘上，以此扩展内存空间，这就是虚拟内存的功能。在虚拟内存中，每一个程序运行在私有地址空间中，因此，该程序加载到内存时不需要任何重定位。虚拟地址空间可以大于或小于处理器的物理内存，而且需要硬件支持。首先，内存被划分成很多页，一个页是分配到程序中的最小内存块，在奔腾处理器平台上，一个页的大小是4KB。其次，处理器必须将虚拟地址转换为物理地址。支持虚拟内存的处理器，如奔腾，可以运行两种模式。在实模式下，地址指向RAM物理位置；在虚拟模式下，每一个地址是由一个页表翻译成物理内存位置。对于虚拟地址空间中的每一页，页表给出

25、了该页在RAM中的实际地址。有了虚拟内存结构，则每个程序都有自己的页表，由内核维护，分配给程序的物理内存不必是连续的。假设程序的页表可以说为，“在零页的真实地址从30 000开始，第一页从34 000开始，第二页从62 000开始；以此类推。”如果程序指向第七页的一个内存位置，而这个地址没有加载到RAM中，则地址转换电路检查页表，发现不在RAM中的标记，并生成一个页错误，产生一个中断，该处理器停止执行用户程序并将控制权交给内核。内核监测某些状态寄存器，以找出其中的页的来源，同时加载虚拟页7中的程序，并将控制权返回给用户程序，该程序继续运行。通过引入虚拟内存，提供给用户程序一个非常简洁的抽象内存

26、，不会与操作系统或者其他应用程序共享地址空间，也不需要顾虑机器上的物理内存大小，它们有一个完整的虚拟地址空间供使用，且由内核来实现细节。使用虚拟内存的硬盘驱动器的缺点是，由于硬盘太忙碌可能导致其他文件的访问延时。对涉及频繁文件访问，同时又需要虚拟内存的系统来说，明智的办法是将交换文件单独置于分离的驱动器上。3.2.3 设备管理操作系统的另一个功能是管理各种安装在计算机上的设备，因此设备管理主要任务是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备，并控制I/O的运行，其功能因具有缓冲管理，设备分配、设备处理和设备独立性和虚拟设备的问题。设备管理中的关键问题是CPU和I/O设备间速度不匹配的问题，

27、CPU速度快而I/O设备速度很慢，为降低两者速度不匹配的问题，减少CPU中断次数，操作系统引入缓冲区的概念。缓冲区为内存中的一部分，利用不同的缓冲机制提高系统的吞吐量。常用的缓冲机制包括单缓冲机制、双缓冲机制和公用缓冲池机制。设备中硬件控制通过内核与设备驱动程序以及BIOS相互作用实现，通过修改参数来调整计算机系统的性能，使得操作系统或设备驱动程序能更好地利用外围设备工作。1安装驱动程序每个设备在操作系统中必须有相应的驱动程序来管理各种指令、数据的传输和发生的错误。每个操作系统都指定一个以供设备驱动程序使用的接口，这意味着对于任何特定的设备，在操作系统中，它都必须有一个相应的驱动程序以确保设备

28、功能的实现，对应于不同的操作系统，其驱动程序也是不同的。驱动程序依赖于操作系统和硬件设备的制造商。在新的操作系统发布的时候，最流行的和主流的设备（如打印机、调制解调器、扫描仪等）也会同步推出。但是推出时间晚于操作系统的硬件产品，通常附带一个软盘或CD包含对应市面上各种操作系统的驱动程序。在Windows下安装一个新的硬件设备时，PnP（即插即用）控制机会进行硬件检测。如果这一设备支持即插即用，Windows会发现新设备，并要求该驱动程序的安装。该驱动程序可以是Windows自带的（需要使用Windows安装光盘），也可以是设备自带的。如果没有找到适当的驱动程序，Windows将无法使用该设备。

29、2更改驱动器的配置 驱动程序在设计完后，对于部分用户或是系统环境而言，可能会有一些变化，因而驱动程序要求升级，同样在系统中也可以进行相应的升级。设备管理的任务就是根据一定的分配策略，把通道、控制器和输入/输出设备分配给请求输入输出操作的程序，并启动设备完成实际的输入/输出操作。为了尽可能发挥设备和主机的并行工作能力，常需要采用虚拟技术和缓冲技术。设备管理为用户提供一个良好的界面，而不必去涉及具体的设备特性，使用户能方便、灵活地使用这些设备。 3.2.4 文件系统管理上述三种管理是针对计算机的硬件资源的管理。文件系统管理是对系统的软件资源的管理。文件管理是解决用户文件和系统文件的存储、共享、保密

30、和保护，文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写以及文件的共享和保护等功能。 1文件组织计算机的主要功能之一是用来存储和检索信息。信息被存储在一个或多个文件中，这些文件又组织成文件夹。微软Windows文件系统支持四种实体：文件、文件夹、驱动器和快捷方式。图3.1从一个Windows操作系统的用户的角度说明了文件的组织结构。图3.1 Windows的文件组织结构（1）文件每个文件包含数据、文件名等内容。在Windows中，文件名最多可以有255个字符，可以包含字母、数字和一些特殊字符，包括空格。每个文件还有一个与之相关的属性，最重要的属性是文件类型，表明对操作系统使用什么应用程

31、序打开该文件，其它属性包括日期、创建时间和文件大小，以及文件最后修改的日期和时间。 （2）文件夹 文件保存在文件夹下，也被称为目录，每个文件夹有一个存储空间。文件系统允许不同的文件夹中的项目有相同的名称，但是同一文件夹中不能有相同的名称。（3）驱动器 文件夹安装在计算机的驱动器中。一台计算机可以有多个驱动器，驱动器A、驱动器C、驱动器D、驱动器E等。（4）路径 由于在不同的文件夹的项目可以有相同的名称，同时文件夹可以嵌套其他文件夹，因此利用路径来指示系统中的文件对象，一般路径是从根目录开始指定对象的完整的路径。（5）文件名称和类型在原来的DOS文件系统和早期的Windows版本中，文件名被限制

32、为8个大写字符加上个字符的扩展名，文件的扩展名指定了文件的类型。例如，一个购物清单存储为纯文本文件可能被称为SHOPPING.txt，而转换为Microsoft Word文档时创建可能是RESUME.doc。常用文件类型的扩展名列表，如表3.2所示。表3.2 文件扩展名扩展名文件类型.txt 纯文本文件.doc 微软Word文档.htm HTML (超文本标记语言) 文档.xls Excel电子表格.gif GIF 图片 (图形交换格式）.jpg JPEG 图片(联合图像专家小组).wav 音频文件.exe 可执行文件 (二进制机器码).com MS-DOS 可执行文件 .drv 驱动 (外围

33、设备).bat 基于DOS命令的批处理（脚本）文件在较新版本的系统中，如Windows 9x/2000/NT/XP，文件类型信息是自动从扩展名获得。更新的Windows版本实际上隐藏了文件的扩展名。例如，在Windows NT下创建一个Word文档，实际的文件名称是Wedding_Invitation.doc，该文件的图标将被标记Wedding_Invitation。但是，也可以显示文件的扩展名。从视图下拉菜单，选择选项，查看选项卡，取消选中复选框隐藏已知文件类型的扩展名标识。现在，该图标会显示为Wedding_Invitation.doc。 2文件分配表（FAT）和NT文件系统（1）簇和文件

34、分配表磁盘分为磁道和扇区，如图3.2所示。图3.2 磁盘图图4.4磁盘上的磁道道与扇区磁盘上储存的信息资料是按一定规则排列的，其形状像一条条“轨道”，称为“磁道”。磁盘上最小可寻址存储单元称为扇区，通常每个扇区为512个字节（或字符）。多数文件比扇区大得多，如果对一个文件分配最小的存储空间，则存储器能存储更多数据，这个最小存储空间即称为簇。根据存储设备（磁盘、闪卡和硬盘）的容量，簇的大小可以不同，以使存储空间得到最有效的应用。在早期的360KB磁盘上，簇大小为2个扇区（1024字节）；第一批10MB硬盘的簇大小增加到8个扇区（4 096字节）；现在的小型闪存设备上典型的簇大小是8KB或16KB

35、。2GB以上的硬盘驱动器有32KB的簇。表3.3列出了在给定簇大小和FAT类型的最大分区。图4.4磁盘上的磁道道与扇区表3.3 簇与FAT的对应关系FAT位数簇数量124 0961665 536324 294 967 296通常，存储设备上的空间分配是随机的。在一个新存储设备上，文件进行连续存储时，记录下文件开始和结束的扇区以及长度，在读取文件时可以根据这些信息得到所存储的文件内容。但是，过一段时间后，有些文件会被删除，同时有些文件可能增大，这时就不能保证同一个文件存储在连续的一系列扇区里。因此，需要辨别哪个扇区被分配到哪些文件，有哪些扇区可用。这时可以采用表结构来实现这种功能，使每个扇区对应

36、一个表记录，或者采用每个记录代表一个固定数量扇区将更有意义，这个固定扇区被称为簇。文件存储过程中必须利用一些方法来标明某个簇是否可用或者已分配给一个文件；如果已将一个簇分配给一个文件，就必须知道这个簇分配给文件的哪部分了。一般采用链表来实现这些功能，该链表称之为文件分配表(FAT)。FAT是包含N个整数的列表，其中N是存储设备上最大的簇数。表中每个记录的位数称为FAT大小，如FAT16或FAT32。操作系统根据表现整个磁盘空间所需要的簇数量来确定使用多大的FAT。如果磁盘要求的簇小于65536但大于4096个簇，则使用16位FAT；否则，必须采用32位FAT。 （2）FAT16FAT16使用了

37、16位的空间来表示每个扇区(Sector)配置文件的情形，故称之为FAT16。FAT16由于受到先天的限制，因此每超过一定容量的分区之后，它所使用的簇(Cluster)大小就必须扩增，以适应更大的磁盘空间。FAT16各分区与簇大小的关系如表3.4所示：表3.4 FAT16各分区与簇大小的关系分区大小FAT16簇大小16MB-127MB2KB128MB-255MB4KB 256MB-511MB 8KB 512MB-1023MB 16KB1024MB-2047MB32KB FAT16文件系统有两个最大的缺点： 磁盘分区最大只能到2GB。FAT16文件系统已不能适应当前大容量的硬盘。 使用簇的大小不

38、恰当。如果一个只有1KB大小的文件放置在一个1000MB的磁盘分区中，它所占的空间并不是1KB，而是16KB，足足浪费了15KB！当前流行的HTML文件，其大小几乎多为1KB、2KB，而制作一个网站往往用到数十个HTML文件。如果硬盘中有100个这种小文件的话，浪费的磁盘空间可从700KB（511MB的分区）到3.1MB（2047MB的分区）。 （3）FAT32Windows 9x/2000/XP支持FAT32文件系统。在这个系统中，每个簇都使用32位（4字节），但第4位被保留。因此，它有一共2(32-4) = 228 = 268 435 456个簇。在FAT32文件系统，可以使用更小的簇，而

39、不是更大的FAT16簇。FAT32的硬盘最大可高达2 TB（1TB=1024GB）的容量。（4）NT文件系统NTFS是Windows NT以及之后的Windows 2000、Windows XP、Windows Server 2003、Windows Server 2008、Windows Vista和Windows 7的标准文件系统。NTFS取代了文件分配表（FAT）文件系统，为Microsoft的Windows系列操作系统提供文件系统。在NTFS，簇大小是可变的，取决于逻辑驱动器的大小。簇大小由NTFS决定，这样也提高了灵活性。这种灵活性是FAT16或FAT32所没有的。同时也得到了更有效

40、率的磁盘空间分配。 NTFS的一个重要特点是可恢复性。NTFS使用的维护日志数据的一致性，保存了每个I / O操作的逻辑驱动器内修改系统文件的日志。如果系统出现故障，在I / O操作的历史记录被保存于系统文件中的基础上，文件目录结构可以得到恢复。Windows 2000/XP上的NTFS的另一个特点是加密的文件系统（EFS）。EFS将数据进行加密后保存到磁盘。NTFS还支持数据的访问权限和所有权限设置，以限制在多用户环境中对数据的未经授权访问。表3.5对NTFS和FAT文件系统进行了比较。表3.5 NTFS与FAT的比较NTFSFAT32FAT16操作系统Windows XP Windows

41、2000 Windows NT Windows XP Windows 2000 Windows 98 Windows ME Windows 95 OEM Service Release 2 (OSR2) All versions of Microsoft Windows DOS 最大容量2 TB32 GB2 GB每卷文件大小 4 billion 4 million 64 000续表NTFSFAT32FAT16文件最大容量2 TB4 GB2 GB3.2.5 用户接口 前述的四项功能是操作系统对资源的管理，操作系统还提供了一个友好的用户接口。一般来说，操作系统提供两种方式的接口来为用户服务。 一种

42、用户接口是程序一级的接口，即提供一组广义指令（或称系统调用、程序请求）供用户程序和其他系统程序调用。当这些程序要求进行数据传输、文件操作或有其他资源要求时，通过这些广义指令向操作系统提出申请，并由操作系统代为完成。 另一种接口是作业一级的接口，提供一组控制操作命令(称为作业控制语言，或UNIX中的Shell命令语言)供用户去组织和控制自己作业的运行。作业控制方式分两大类：脱机控制和联机控制。操作系统提供脱机控制作业语言和联机控制作业控制语言。3. 3常用的操作系统简介操作系统是使用计算机所必备的软件。PC(Personal Computer)个人计算机上的操作系统以OS内核为标准划分主要有两大

43、类，一个是Windows类，另一个是Unix类。其中Windows类操作系统是桌面操作系统，主要适用于个人计算机，而Unix类操作系统则属于网络操作系统，主要适用于网络服务器。1常用操作系统在计算机的发展过程中，出现过许多不同的微型计算机操作系统，其中最为常见的有DOS、Mac Os、Windows、Linux、UNIX、OS/2 等，下面介绍常见微型计算机操作系统的发展过程和功能特点。（1）DOS 操作系统DOS是英文Disk Operating System的缩写，意思是“磁盘操作系统”，从1981年问世至今，经历了七次大的版本升级，从1.0版本到7.0版本，不断改进和完善，但是DOS操作

44、系统的单用户、单任务、字符界面、和16位的大格局并没有发生变化，因此它对内存的管理也局限在640KB的范围内。DOS家族包括MS-DOS、PC-DOS、DR-DOS、FreeDOS、PTS-DOS、ROM-DOS、JM-OS等，其中以MS-DOS最为著名，最初的DOS是为了IBM个人计算机研发的操作系统，它对硬件的开发平台要求很低，因此适用性较广泛，当前的DOS操作系统已经逐渐的退出历史舞台，为了实现对过去产品的兼容，微软公司在之后的Windows产品中仍然以“命令提示符”的方式，提供对DOS命令的兼容，在开始菜单的“运行”中输入命令“cmd” 就能打开操作窗口，或者单击“附件”的“命令提示符

45、选项”。（2）Mac OS 操作系统Mac OS操作系统是美国苹果计算机公司为其Macintosh计算机研发的操作系统。Mac OS是首个在商用领域成功的图形用户界面操作系统，Mac OS 率先采用了图形操作技术（GUI），多媒体应用、鼠标等技术。苹果公司不但生产MAC的大部分硬件，连MAC所用的操作系统都是它自行开发的，因此，Mac系统成为了苹果机专用系统，一般情况下在普通PC上无法安装的该操作系统。 苹果机现在的操作系统已经到了OS 10，代号为MAC OSX(X为10的罗马数字写法)，这是MAC计算机诞生15年来最大的变化。新系统非常可靠，它的许多特点和服务都体现了苹果公司的理念。（3）

46、Windows 操作系统Windows 操作系统是Microsoft 公司在1985年发布的第一代多任务操作系统，1990年，Microsoft 公司又推出了Windows 3.0，随后又发布了3.1版本，而且推出了相应的中文版本。在1995年8月24日，微软公司发行了Windows 95版本的操作系统，这是一个混合的16位/32位Windows系统，其版本号为4.0。Windows 95是Windows操作系统中第一个支持32位的操作系统，因为以前的Windows都是由DOS引导的，也就是说它们还不是一个完全独立的操作系统，而Windows 95则是一个完全独立的系统。Windows 98，

47、是美国微软公司发行于1998年6月25日的混合16位/32位的Windows操作系统，其版本号为4.1，开发代号为Memphis。这个新系统是基于Windows 95编写的，改良了硬件标准的支持。之后又陆续推出了Windows NT，Windows 2000等操作系统。2001年10月25日，微软公司最新发布的一款视窗操作系统：Windows XP。Windows XP名称是Whistler。微软最初发行了两个版本，家庭版（Home）和专业版（Professional）。家庭版的消费对象是家庭用户，专业版则在家庭版的基础上添加了新的面向商业而设计的网络认证、双处理器等特性。字母XP表示英文单词

48、的“体验”（experience）。 Windows Vista是微软发行的一款Windows个人桌面操作系统，2005年7月22日微软正式公布了这一名称。原代号为Longhorn。Windows Vista的内部版本是6.0（即Windows NT 6.0），正式版的Build是6.0.6000。在2006年11月8日，Windows Vista开发完成并正式进入批量生产。此后的两个月仅向MSDN用户、计算机软硬件制造商和企业客户提供。在2007年1月30日，Windows Vista正式对普通用户出售，同时也可以从微软的网站下载。 Windows Vista的发行距离上一版本的作业系统Wi

49、ndows XP已有超过五年的时间，这是Windows历史上间隔时间最久的一次发布。（4）UNIX 操作系统UNIX 是一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于分时操作系统。最早由Ken Thompson、Dennis Ritchie和Douglas McIlroy于1969年在AT&T的贝尔实验室开发。最初应用于中小型计算机上，UNIX为用户提供了一个灵活的操作界面，同时运行多进程，支持用户之间共享数据。同时，UNIX支持模块化的结构，安装UNIX时，可以根据需求进行选择。从诞生到现在，UNIX已成长为一种主流的操作系统技术和基于这种技术的产品大家族。由

50、于UNIX具有技术成熟、结构简练、可靠性高、可移植性好、可操作性强、网络和数据库功能强、伸缩性突出和开放性好等特色，可满足各行各业的实际需要，特别能满足企业重要业务的需要，已经成为主要的工作站平台和重要的企业操作平台。（5）Linux 操作系统Linux是一套免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议，支持32位和64位硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。它主要用于基于Intel x86系列CPU的计算机上。这个系统是由世界各地成千上万的程序员设计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的Unix兼容产品。 2Windows XP注册表Windows XP注册表实际上是一个庞大的数据库，这个数据库记录了机器软硬件环境的各种信息，对操作系统及应用程序的正常运行至关重要。具体来讲，此数据库包含了Windows系统和应用程序的初始化信息、应用程序和文档文件的关联、硬件设备的