计算机科学导论 课件 第7章 操作系统

第七章

操作系统目录7.2操作系统的发展史7.3处理机管理7.4存储管理7.1初识操作系统7.5设备管理7.6文件管理7.8操作系统的分类7.9主流操作系统7.10自主研发之路7.7用户接口7.11未来OS发展趋势7.12小结

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操作系统7.1初识操作系统

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操作系统7.1初识操作系统操作系统（OperatingSystem，简称OS）

是一组管理计算机内的硬件和软件资源，同时提供用户接口，方便用户使用计算机资源的程序的集合。

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操作系统7.1初识操作系统工具、件软用应软件计算机硬件操系作统站在用户的角度：操作系统就是人机接口站在系统的角度：操作系统就是计算机系统资源的管理者

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操作系统7.1初识操作系统计算机的启动过程a)引入自举程序前b)引入自举程序后引入自举程序前后计算机的启动过程

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操作系统7.2操作系统的发展史手工操作手工操作方式有两个特点：(1)用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。(2)CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。纸带

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操作系统7.2操作系统的发展史批处理系统实现了作业到作业的自动转接。(1)联机批处理系统优点：有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。缺点：主机处于“忙等”状态。(2)脱机批处理系统优点：极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。缺点：每次主机内存中仅存放一道作业；输入输出的过程CPU空闲。

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操作系统7.2操作系统的发展史多道程序系统（多道批处理系统）

指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。单道程序的运行过程多道程序的运行过程

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操作系统7.2操作系统的发展史多道程序系统（多道批处理系统）多道程序运行时的特点：(1)多道性(2)宏观上并行(3)微观上串行多道处理系统的特点：(1)多道性(2)批

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操作系统7.2操作系统的发展史分时系统分时技术：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。分时系统的特点：(1)多路性。(2)交互性。(3)独立性。(4)及时性。(5)可靠性。分时系统的主要目标：对用户响应的及时性，即不能使用户等待每一个命令的处理时间过长。

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操作系统7.2操作系统的发展史实时系统即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。实时系统可分成两类：(1)实时控制系统。(2)实时信息处理系统。可靠性和及时性对实时系统而言是最重要的。

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操作系统7.2操作系统的发展史通用操作系统操作系统的三种基本类型：批处理系统、分时系统、实时系统。通用操作系统是指具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。例如：实时处理+批处理=实时批处理系统。再如：批处理+分时处理=分时批处理系统。

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操作系统7.2操作系统的发展史操作系统的进一步发展(1)个人计算机操作系统(2)网络操作系统(3)分布式操作系统(4)嵌入式系统

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操作系统7.3处理机管理进程的定义程序、作业和进程三者之间的关系进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和处理机调度的独立单位。

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操作系统7.3处理机管理进程的三种基本状态之间的变迁过程

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操作系统7.3处理机管理处理机管理的功能：(1)进程管理(2)处理机调度

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操作系统7.3处理机管理进程管理：(1)进程控制控制进程生命周期的各个阶段，以及进程的状态变迁过程。(2)进程同步并发进程之间的执行次序，保证并发执行的结果正确可再现。(3)进程通信合作进程之间的信息交换。

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操作系统7.3处理机管理处理机调度：处理机调度包括作业调度和进程调度。作业调度是指按照某种调度算法从后备作业队列中选择若干个作业调入内存，为其分配相应的资源并创建进程，将创建的进程插入就绪队列。进程调度是指按照某种调度算法从就绪队列中选择一个进程把处理机分配给它使之投入运行。

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操作系统7.3处理机管理处理机调度：处理机调度过程图

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操作系统7.4存储器管理

存储器管理管理的是内存中的用户空间。存储器管理的功能：

(1)内存的分配和回收(2)地址的映射

(3)内存保护

(4)内存的扩充

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操作系统7.4存储器管理内存的分配和回收

内存空间单道程序多道程序多道程序下内存的分配和回收技术

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操作系统7.4存储器管理地址映射

在多道程序技术下，每道程序经编译和链接后形成的可装入程序地址（逻辑地址）都是从0开始的，而内存地址（物理地址）只有一个起始0，因此各程序段的地址空间中的地址（逻辑地址）与其所在内存空间中的地址（物理地址）之间不一致。为了确保程序正确运行，需将逻辑地址转换为其所在的内存空间中的地址，这个过程称为地址映射。

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操作系统7.4存储器管理内存保护

内存保护的任务是设置相应的内存保护机制，确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰，而且不允许用户访问系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其他用户程序中去执行。

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操作系统7.4存储器管理内存扩充

内存扩充是指借助虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存空间而非增加实际的物理内存空间，从而使用户从感官上认为内存容量比实际的物理内存容量大得多，以便让更多的用户程序并发运行。这也就是我们通常所说的虚拟内存。

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操作系统7.4存储器管理内存中的堆和栈

入栈过程

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操作系统7.5设备管理设备管理管理的是计算机系统中的输入/输出设备。设备管理的功能有：

(1)设备分配

(2)设备处理

(3)缓冲管理

(4)虚拟设备技术

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操作系统7.5设备管理输入输出设备——磁盘磁盘的结构磁盘盘面的结构

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操作系统7.6文件管理文件管理是对存放在磁盘空间中的计算机数据资源的管理。因此，文件管理包含对文件数据自身的管理，如文件的创建、查找、删除等，以及文件的共享和保护，还包含对文件存储空间，也就是磁盘存储空间的管理。

文件是具有文件名的相关信息的集合。文件名用来标记一个文件，由主名和扩展名两部分组成，其命名规则随操作系统的不同而不同。

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操作系统7.6文件管理文件的操作：• 文件的创建；• 文件的删除；• 文件的打开；• 文件的关闭；• 文件的读写；• 文件读写位置的设置；• 文件内容的删除；• 文件的重命名；• 文件的复制等。文件的访问：• 顺序访问；• 直接访问；• 索引访问。

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操作系统7.6文件管理文件的目录管理——实现文件的“按名访问”

为每个文件建立一个目录项，记录其文件名、属性、位置等相关信息，实现方便的按名存取。同时，提供快速的目录查询技术，提高对文件的检索速度。

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操作系统7.6文件管理文件的目录管理路径名：在多级目录结构中，一个文件的全名包括从根目录开始到文件为止的通路上遇到的所有子目录路径。各子目录名之间用正斜线“/”（UNIX、Linux操作系统中用正斜线“/”）或反斜线“\”（Windows操作系统中用反斜线“\”）隔开，其中子目录名组成的部分又称为路径名。系统内的每个文件都有惟一的路径名。绝对路径：从根目录开始并给出路径上的目录名直到指定的文件。相对路径：相对路径名从当前目录开始定义一个路径。

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操作系统7.6文件管理文件的目录管理路径名：上图中，文件A1的绝对路径名就是“/U1/U11/A1”；假定当前的工作目录也，就是当前目录是/U1，那么文件A1的相对路径名就是“/U11/A1”。

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操作系统7.6文件管理文件的共享文件共享是指系统允许多个用户或进程共享同一个文件。文件共享不仅是完成共同任务的多个用户所必需的，而且可以避免同一个文件保存多个副本所造成的外存空间的浪费。文件共享的方式：（1）采用文件全名访问他人文件（2）基于有向无循环图实现文件共享（3）利用符号链接实现文件共享

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操作系统7.6文件管理文件的保护

文件保护是指在文件系统中设置有效的存取控制机制以防止系统中的文件被非法窃取和破坏，包括非法用户的非法存取、破坏，合法用户对文件的错误使用等。文件保护可以通过给不同的用户设置不同的文件访问权限等方式来实现。

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操作系统7.7用户接口用户接口主要有三种：（1）命令接口（2）程序接口（系统调用）（3）图形用户

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操作系统7.8操作系统的分类

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操作系统7.9主流操作系统（1）MicrosoftWindows（2）UNIX（3）Linux（4）MacOS

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操作系统7.10自主研发之路国产操作系统的发展史可以追溯到20世纪60年代，1965年中国第一台百万次集成电路计算机“DJS-2”型操作系统编制完成，之后在石油勘探领域成功应用，从此开启了中国研发自己的操作系统的大门。目前，国产操作系统是以Linux为基础二次开发的操作系统，国内暂且还没有独立开发系统。Linux只是提供了一个系统内核，其一大特性就是源程序完全公开，并且可以任意修改，在此基础上研发的操作系统不但具有较强的创新性，还杜绝了留有“后门”的隐患。如今，国产操作系统的发展取得了一定的成绩，在我国民生及信息相关行业，包括国防、金融、政府、教育等众多行业得到广泛的应用。

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操作系统7.10自主研发之路主流国产操作系统：（1）红旗Linux（2）中标麒麟（3）深度操作系统（4）统一操作系统（5）鸿蒙操作系统（6）EulorOS

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操作系统7.11未来操作系统的发展趋势未来操作系统在向着多功能、全方位方向发展同时，将呈现如下趋势：：

（1）云端化与分布式计算

（2）安全性与合规性强化

（3）智能化与AI融合

（4）多元化与定制化

（5）开源与生态共建

（6）新兴技术的融合

（7）绿色计算与能效优化

（8）跨平台与统一体验

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操作系统7.12小结重点及要求：（