大学计算机基础教学课件1

第三章操作系统

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大学计算机基础

FundamentalsofComputers

・太原理工大学理学院计算机基础教学部

中,

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Computers

主要内容

3.1操作系统概述

3.2进程管理

3.3存储管理

3.4设备管理

3.5文件管理

3.6用户接口

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3.1操作系统概述

3.1.1操作系统的基本概念

1.操作系统在计算机系统中的地位(3)

计算机系统包括硬件和软件两个组成部分

没有任何软件支持的计算机称为裸机

安装了操作系统的计算机通常称为虚拟机(Virtual

Machine):裸机+操作系统=虚拟计算机

Fundamentalsof

操作系统是位于计算机硬件之上的第一层软

件，它对计算机硬件做首次扩充和改造。而操作

系统上层的其他软件可以获得较硬件所能提供的

更多的功能上的支持，为用户提供更加友好的人

机界面。

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2.操作系统的定义（1）

操作系统是管理和控制计算机硬件和软件资源，

合理组织计算机工作流程并方便用户使用计算机的一

种系统软件。

引入操作系统的目的：

（1）从系统管理人员的观点来看：操作系统是计算机

系统的资源管理者。

（2）从用户的观点来看：操作系统是用户与计算机硬

件之间的接口，操作系统为用户使用计算机提供了一

个良好的界面。

（3）从发展的观点看：操作系统是计算机系统功能扩

展的支撑平台。

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3.操作系统的引导(4)

操作系统是一组非常重要的程序，其中的核心程序在

机器运行当中常驻内存，另一部分程序放在辅助存

储器中，需要的时候从外存调入内存。

在计算机的电源接通，硬件开始工作后，首先必须把

操作系统的常驻内核从磁盘装入内存，并且使它进

入正常的工作状态，这样的一个过程称为操作系统

的引导(SystemBooting)。

DOS操作系统的引导

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v

3.1.2操作系统的分类（3）

1.批处理操作系统

批处理操作系统能支持一批用户程序预先输入到计算机

中，然后由操作系统自动依次执行其中的作业，处理

完毕后将结果交给用户。

批处理操作系统分为单道批处理操作系统和多道批处理

操作系统。

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2.分时操作系统

分时操作系统允许多个用户在各自的终端上共同使用一台计算机，

用户可在各自的终端上输入命令来控制计算机任务的执行，也可

以从终端上了解计算机任务的执行情况。

UNIX操作系统是世界上最著名的分时操作系统之一

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分时操作系统将处理器的时间划分成许多片段，称为

时间片（Timeslice,通常是几十毫秒）。

操作系统以时间片为单位，把处理器轮流地分配给每

个终端用户，每个用户在不同时刻轮流使用处理器,

感觉上好像自己拥有一台独立的计算机。

▲

用户程序5―

用户程序4。

用户程序3<

用户程序2<'

用户程序2

A工

02Q406080100120140.

分时操作系统的时间片

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3.实时操作系统

实时操作系统是一种能在限定时间内对输入（外部事

件）做出响应并进行快速处理的计算机操作系统。

根据对响应时间限定的严格程度，实时操作系统可以

分为硬实时操作系统和软实时操作系统。

硬实时操作系统主要用于工业生产的过程控制、航空

航天系统的跟踪和控制、武器的制导等。

软实时操作系统主要用于如情报资料检索、订票系统、

银行财务管理系统等。

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4.个人计算机操作系统

从20世纪70年代中期到80年代早期，微型计算机上运

行的一般是单用户单任务操作系统。例如：MS

DOS（Microsoft磁盘操作系统）的早期版本。

80年代以后到90年代初，微机操作系统开始支持单用

户多任务和分时操作。例如：MSDOS的后期版本

90年代后，由于个人计算机硬件功能的急剧增加和用

户对安全性、网络功能的要求增强，个人计算机操

作系统也从DOS转向了通用操作系统Windows系列

和Unux系列。

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5.分布式操作系统

分布式计算机系统是若干计算机的集合，每台计算机都

有自己的局部存储器、外部设备和一个操作系统内核，

用来实现对该计算机的基本控制，系统的其他部分则不

均匀地分布在各台计算机上，这样它的处理和控制功能

及系统中的任务就可以动态地分配到各个计算机去完成。

分布式操作系统就是为分布式计算机系统配置的操作系

统。它负责整个系统的资源分配和调度、任务划分、信

息传输、控制协调等工作，并为用户提供一个统一的标

准界面。

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6.网络操作系统

网络操作系统是为计算机组网而配置的操作系统，即

在通用操作系统的基础上，扩充了按照网络体系结构

和协议所开发的软件模块，在这些软件模块及有关网

络硬件的支持下，计算机可以互联成网，实现网络中

的计算机之间数据通信和资源共享等功能。

工作站

I____________、罕

通信介质]I[工

作

—I帖

丁

后修一里务普廛，

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操作系统种类繁多，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。

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3.1.3操作系统的特征与功能（2）

1.操作系统的特征

并发性

并发是两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。

对于程序而言，并发也就是多道程序在同一时间间隔内同时执

行。

对于单处理器系统而言，程序并发执行实际上是多道程序在一

个很小的时间段内交替执行。从宏观上看，他们似乎是在同

时进行，即并发执行的。

共享性

共享性就是资源共享，即计算机系统中的软、硬件资源供所有

授权程序或用户共同使用。

程序并发执行必然依赖于资源共享机制的支持。

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虚拟性

虚拟是指将一个物理上的实体变为（映射为）一个或者

多个逻辑上的对应物。

虚拟处理机、虚拟存储器、虚拟设备等。

虚拟特征使物理特征不同的同类设备呈现给用户的是同

样的操作界面和运行环境，从而方便了用户的使用。

不确定性

在操作系统中，不确定性有两层含义：

程序执行的结果不确定。这是不允许出现的，必须在设

并用手以解决。

系统中的程序在何时执行，各自执行的顺序、运行所需

的时间都是不确定的，也是不可预知的。操作系统允

许这种不确定性。

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操作系统的作用

操作系统的主要作用体现在两个方面：

一是管理计算机；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。

二是使用计算机；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。

“管家婆”兼“服务员”，就是操作系统所扮演的一

身二任的角色。

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、p

2.操作系统的功能

进程管理（处理器管理）

进程是指程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的单位。

处理器的分配主要是按进程进行的，即通过对进程的管理和调度来有效

地提高处理器的效率，使处理器的资源得到最充分的利用。

存储管理

对主存资源进行统一管理，使多个用户能够分享有效的主存资源，以及

存储在主存中的数据和程序。即进行多道程序在内存中的分配、信息保

护、地址变换和容量扩充等功能。

设备管理

对各种I/O设备进行统一管理、统一使用，以便充分发挥他们的效率并屏

蔽各种设备的物理特性，向用户提供一个使用方便的操作界面。

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文件管理

采用统一、标准的方法对文件进行相应的管理，使其能方便地存

储、检索、更新、共享和保护，并为用户提供一整套操作和使用

的方法。

许多操作系统中把I/O设备也看作是“文件”，称为设备文件。

用户接口

用户操作计算机的界面称为用户接口（或用户界面）。

用户接口为用户提供一个使用计算机的环境、手段和方法，以便

用户灵活的使用操作系统提供的各种服务。

操作系统

用户接口

设备管理存储器管理I夕e理嚣首回文件管理

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3.1.4典型操作系统简介（4）

1.MSDOS操作系统

是美国Microsoft公司为16位字长计算机开发的、基

于字符（命令行）方式的单用户、单任务的个人计

算机OS。

2.Windows操作系统

是Microsoft开发的一个多任务的OS,它采用图形窗口

界面，使用户对计算机的各种复杂操作只需通过点

击鼠标即可轻松地实现。

有代表性的版本：Windows95>Windows98>

WindowsNT、Windows2000、WindowsXP

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-J

3.UNIX操作系统

是通用、交互式、多用户、多任务应用领域的主流

OS之一，是被业界公认的工业化标准的OS。UNIX也

是目前唯一能在各种类型计算机的各种硬件平台上稳

定运行的OS。

4.Linux操作系统

是20世纪90年代推出的一个多用户、多任务的OS。

它与UNIX完全兼容，具有UNIX最新的全部功能和特

性。Linux的设计是为了在Intel微处理器上更有效的运

行。它的最大特点在于它是一个源代码公开的免费

OS,其内核源代码可以免费传播。

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+*“皆如苴工山Fundamentalsof

大于计算机基磁2进程管财1Pliters

3.2.1进程的概念

1.为什么要引入进程(Process)(3)

操作系统中引入进程的目的是为了实现程序的并发执行

及系统资源的共享利用。

»程序是一些有意义指令的有序集合。程序的执行可分为顺序执

行和并发执行两种方式。

»在多道程序处理环境中，如果有多个程序段同时在系统中运

行，且它们的执行时间是重叠的，称这几个程序段是并发执行

的。

»程序之间可以共享资源，也存在着资源的竞争使用，暂时没有

得到资源的程序必须等待。静态的程序概念难以反映程序动

态、并发的执行活动。

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进程的特征（2）

进程的概念：进程是一个具有独立功能可并发执行的程

序在其数据集上的一次运行，它是操作系统进行资源

分配的基本单元。

进程的特征：

动态性：进程的实质是特定程序的一次动态运行过

程。动态性是进程最基本也是最本质的特征。

并发性：多道程序系统内可以同时存在一个程序甚

至多个程序的多个进程，他们并发地执行。

独立性：进程能独立地申请系统资源，独立地被系

统调度执行，可以完成相对独立的功能。

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1Computers■

异步性：各进程的执行进度（指何时执行、何时暂

停、何时进行I/O等）或推进速度是异步的，与同

时驻留内存的其他进程有关。

结构特征：系统为每个进程创建一套数据结构，记

录与该进程有关的状态信息。人们借此感知进程

的存在、运行和变化

交互性：进程在执行过程中可能与其他进程产生直

接或间接的关系。

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3.进程与程序的区别和联系（2）

区另I」：

进程是动态的，程序是静态的。

进程是暂时的，程序是永久的。

进程具有并发特征，而程序没有。

联系：

通过多次执行，一个程序可对应多个进程。

通过调用关系，一个进程可包括多个程序进程，可创建

其他进程，而程序并不能形成新的程序。

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4.线程(Thread)(3)

为什么要在进程中建立线程？

为了提高系统的执行效率，减少处理器的空转和调度切换(保

护现场信息)的时间，使操作系统具有更好的并发性。

线程的概念

进程内的一个基本调度单位或进程内的一个执行单位

线程基本上不拥有系统资源，只拥有少量在运行中必不可少的

资源，如程序计数器、寄存器和栈，因而线程也称为轻量级进

程(LWP,LightweightProcess)。

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进程和线程的比较

资源：进程是拥有资源的独立单位，线程不能申

请系统资源，而共享其所属进程的全部资源。

调度：在传统的操作系统中，进程既是拥有资源

的基本单位，又是独立调度的基本单位，而在引

入线程的操作系统中，线程是独立调度的基本单

位，进程才是拥有资源的基本单位，

并发性：在引入线程的操作系统中，进程之间及

同属于一个进程的多个线程之间都可并发执行。

系统开销：线程的创建、撤销及切换开销远小于

进程操作的开销。线程的同步和通信也比较容易。

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5.Windows操作系统中进程和线程的运行(3)

例3-1执行两次记事本、一次计算器和一次Word应用程序,

然后观察任务管理器中应用程序、进程和线程的变化情况。

乌Vlndovs任务管理春

文件(E)选项(Q)查看9关机@)帮助(M)

应用程序进程性能联网H户

映像名称用户名CPU内存使用线程数八

tomcatS.exeSYSTEM0020,5

svchost.exeSYSTEM001,41

Rtvxcan.exeSYSTEM002,13

n»ysqld-nt.exeSYSTEM004

MDMEXESYSTEM003

DefWatch.exeSYSTEMLIU3

CDANTSRV.EXESYSTEM0012

spoolsv.exeSYSTEM002,04812

explorerexejxri215,26814

svchost.exeLOCALSERVICE001,0165

svchost.exeNETWORKSERVICE0063667

svchost.exeSYSTEM008,1728

svchost.exeSYSTEMLUj1,31619

IsassexeSYSTEM0092016

services.exeSYSTEMHlj1,48819

winlogon,exeSYSTEM001,2569

csrss.exeSYSTEM005,644

口显示所有用户的进程啜)I结束迸程面一|

进程数：25CPU使用：5%提交更改：226808K/622336K

图3-3(a)任务管理器中应用程序列表图3-3(b)任务管理器中进程列表28

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与findovs任务管理:SBE®与findovs任务管理器

文件电)选项电)查看9关机a)帮助㈤

及用程序进程：性而I联网用户

f像名称_用户名CPU线程数A

5团792K

,^mwoRD.mCIO7

幻212K

calc,exe00％216K1

notepad,exe00s204K1

notepad,exe00c1

i00K

Ijx02313

212K

ULCDRSvrexeSYSTEMLinL412K2

svchost.exeSYSTEMLIU960K5

乙

Rtvscan.exeSYSTEMIJU348K41

mysqld-ntexeSYSTEM00796K13

MDM.EXESYSTEM0080K4

DefWatch.exeSYSTEM0072K3

CDAHTSRV.EXESYSTEM00Z060K3

spoolsv.exeSYSTEM00080K12

瓦

explorerexejx00016K10

，

svchost.exeIJ3CALSERVICEIjlj624K14

svchost.exeNETWORKSERVICELiu204K4

的

svchost.exeSYSTEM0066v

<>

□显示所有用户的进程6)|结束进程Q)|

进程数：28CPU使用：4%提交更改：227860K/622336K

图3-4(a)执行应用程序后的列表图3-4(b)相应的进程列表

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3.2.2进程控制（3）

所渭进程控制，就是系统使用一些具有特定功能的程序段来创建、撤

销进程以及完成进程各状态的转换，从而达到多进程高效率并发执

行和实现资源共享的目的。

1.进程的状态

进程在其生存周期内，其执行过程是间断性的，因此进程状态是不断

变化的。

运行状态：是指当一个进程已经获得所有资源并在处理器上运行的

状态。

就绪状态：是指当一个进程已经获得除处理器外的所有资源时所处

的状态。

阻塞状态：是指进程在等待某事件的发生（如等待输入/输出、申请

缓冲空间或等待其他进程给它发送消息）而暂时不能执行的时候

所处于的状态。

创建状态：是指进程正在创建过程中，还没有送入到就绪队列的状

5^o

退出状态：是指进程已结束运行，但还未撤销时所处的状态。30

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进程的状态及其变化

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、