第3章32 操作系统.ppt

1、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为用户提供了一个操作使用计算机的友善的用户界面 OS屏蔽了计算机中几乎所有物理设备的技术细节，为开发和运行其他软件提供了一个高效、可靠的平台,没有安装任何软件的计算机称为裸机, 裸机是无法使用的 操作系统是用于执行各种具有共性和基础性操作的软件，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

2、存储器空间,监测计算机运行和故障,维护计算机安全,进行计算机之间的通信,方便用户的操作使用,提供应用程序开发平台,操作系统的重要作用,三个主要作用： 1为运行的程序管理和分配各种软硬件资源 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： 显示系统状态 处理软硬件错误 保护系统安全,基本输入输出系统（BIOS）,BIOS是存放在主板上只读存储器(flash ROM) 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 (装入并启动OS工作) CMOS设置程序 (设定和

3、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),BIOS和操作系统的启动过程,ROM BIOS,RAM,CPU,CMOS,3.2.1 多任务处理,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

4、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

5、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

6、以运行完毕后必须由用户退出该程序。 Windows XP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，且有时不止1个，必须并且可以充分发挥CPU的效能 CPU与I/O(外围设备)可以并行工作，CPU不必等待I/O完成 各个外围设备之间可以并行工作 实现多任务处理要解决哪些问题？ 任务多，CPU少，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

7、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,任务1,任务2,任务3,任务4,任务5,时间,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

8、什么地方，正在执行的任务就会被强行暂停执行 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,附：多任务处理与多核CPU,CPU瞬间可同时执行的线程(任务)数目: 单核CPU：1 双核CPU：2 四核CPU：4,（注：假设CPU不具备超线程功能）,3.2.3 存储管理和虚拟存储器,操作系统运行时内存的态势,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

9、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(Virtual Memory),虚拟存储器的设计思想,每个程序都在各自的虚拟空间中工作,每个程序启动运行后，只有一部分代码和数据装入内存中，其余都放在硬盘的一个专门区域

10、中，该区域称为 “虚拟内存”,物理内存,虚拟内存（pagefile.sys）,虚拟空间2,虚拟空间1,程序运行时，若程序和数据在物理内存，就直接访问物理内存,若程序和数据不在物理内存，则把它们从虚拟内存装入物理内存后再使用,特点：1）整个过程自动完成； 2）程序可用内存容量超过实际物理容量；3）多个程序互不干扰,操作系统,虚拟存储器的工作过程,磁盘中的 交换区(虚拟内存),特点：1）由硬件和OS自动完成，对程序员透明； 2）程序可用内存容量允许超过实际物理容量；3）多个进程互不干扰 根据：程序的局部性原理,Windows XP的虚拟存储器,Windows XP操作系统中： 每个程序的虚存空间最

11、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,什么是文件(file) ？,程序和数据通常都存储在外存储器中，为了便于存取和管理，它们都组织成 “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 一张图片 一只MP3歌曲 一封邮件 每个文件均有自己的“文件名”，用户（或软件）使用文件名读出/写入（称为“存取”) 外存储器中的文件 文件

12、的名字由两部分组成：(主文件名) .扩展名,Windows XP 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： .exe .com .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：,选讲： 文件属性在文件管理中的作用,“系统”属性 表示该文件属于操作系统，删除时系统会给出警告，资源管理器若不特别设置为“显示全部文件” 时不会在文件列表中显示 “隐藏”属性 若资源管理器设置为“不显示隐

13、藏文件”，则不会在文件列表中显示出来 “存档”属性 文件尚未存档的标识，“文件备份程序”通过该属性来决定是否对它进行备份，新建的或备份后又修改过的文件，其存档属性为1，执行备份操作后存档属性为0； “只读”属性 该文件不能修改，若进行修改必须以不同的文件名保存 “压缩”属性 文件数据保存到外存时进行数据压缩 “加密”属性 对文件内容进行了加密，以进行保护,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,Windows XP 的文件组

14、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,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,Windows XP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

15、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按名存取 对硬盘、光盘、优盘、存储卡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,操作系统的四种类型,PC机使

16、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，提供专门的网络应用服务 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： 对外部事件能在允许的时间范围内快速作出响应， 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，存储器需求小,微软Windows操作系统的演变,特点： 提供了多任务处理能力 采用图形用户界面，简化计算机操作 在个人计算机上广泛使用

17、版本的演变：,对Windows操作系统的分析,Windows操作系统垄断了PC 机OS市场的90%左右的份额 Windows流行的原因： 有大量第三方软件和硬件产品（各种应用软件和显卡、鼠标器、打印机等） 开发了多种版本，不同版本适应不同的硬件平台和用户群体 对Windows的批评： 可靠性不够高：不稳定，系统会越来越慢，甚至死机 安全性不够好：存在安全漏洞，容易受到病毒、蠕虫、木马和其他攻击的侵扰,微软有可能使我们的所有计算机停止运作或控制所有的计算机吗？它会盗取企业或政府的机密吗？,关于UNIX和Linux操作系统,UNIX操作系统,最早由Bell实验室开发成功，在大学和科研单位广泛使用，

18、因特网也首先在UNIX系统上流行 特色： 结构简练、功能强大、可移植性好、可伸缩性和互操作性强、网络通信功能强、安全可靠等。 直到Linux开始流行，UNIX系统一直是使用最广泛、影响最大的主流操作系统之一,针对不同机型（个人计算机、工作站、服务器、大型机和巨型机） ，UNIX有许多不同版本的产品,资料：LINUX的起源,Linux是一种“类UNIX”的操作系统，原创者是芬兰的一名青年学者林纳斯托瓦兹(Linus Torvalds)，1991年时（21岁）他决定自己做一个操作系统。 开发工作在UNIX 的一个教学版本Minix基础上进行，托瓦兹把源程序在网上发布，供他人试用和修改，然后再传回给

19、他。最后的成果就成为后来众所周知的Linux内核,紧接着的两年里，Linux内核日臻完善，完全可以作为一个产品。但托瓦兹并没有申请专利权，也不把Linux作为商品来出售。他在自由软件联盟申请了普通公共许可证(General Public License，GPL)，Linux内核成为一个完全自由的软件。 按GPL规定，任何人可以对Linux内核进行修改、传播甚至出售，Linux的源代码始终是公开的，全世界有数以千计的程序员参与了开发工作，开发了各种不同的版本，使Linux逐渐成为一个功能强大、用途广泛的产品,资料：Linux内核版本的变化,1991年，Linus Torvalds 公开了 Lin

20、ux 内核 1993年，Linux 转向 GPL 版权协议 1994年，Linux 1.0 的第一个商业发行版 Slackware 问世 1996年，美国国家标准技术局确认 Linux 版本 1.2.13（由 Open Linux 公司打包）符合 POSIX 标准 1999年，Linux 的简体中文版问世 2001年，Linux2.4版发布 2003年，Linux2.6版发布 目前的最新版本是：2.6.39（2011.05.19发布）,资料：Linux内核的组成,Linux发行版及其应用,Linux发行版就是常所说的“Linux操作系统”，它包括Linux内核，安装工具，各种GNU软件以及其他

21、一些自由软件 发行版是为了各种不同领域不同目的而开发的，用户遍及商业、政府、教育以及家庭等不同领域 Linux操作系统在网络服务器、个人计算机、巨型机、嵌入式系统（如手机、游戏机、电子书阅读器、路由器等）中发挥了巨大的威力 全球现在已经有超过300个Linux发行版，最普遍使用的发行版有十多个,附1：智能手机的操作系统,智能手机与操作系统,什么是智能手机（SmartPhone） ？ 可以自行安装和卸载应用软件的手机 智能手机的特点： 安装有手机OS，功能可扩展 具备无线接入互联网的能力 支持多任务处理 具有PDA和多媒体功能 手机操作系统的主要类型,3G智能手机,3G智能手机的功能： 电话，短

22、信，PIM，WiFi和3G无线上网，GPS，电子邮件，Web浏览器，多媒体播放，照相，收音机，手机电视等 3G智能手机的配置要求： 1高速CPU芯片。功能强大、功耗低、具有多媒体处理能力 2存储容量大并可扩展。GPS导航图需要超过1GB的存储空间 3良好的用户界面，配备面积较大的触摸显示屏 4支持广播方式的CMMB手机电视 5支持GPS导航 6配备大容量电池，电量的消耗都是一个大问题，必须要配备高容量的电池，1500mAh是标准配备。,安卓(Android)操作系统,Google两年前推出，属于以Linux为基础的开放源代码操作系统 ，是自由及开放源代码软件 支持的处理器类型：ARM、MIPS

23、、Power Architecture、Intel x86 采用Android系统的手机厂商： 宏达电、三星电子、摩托罗拉、乐喜金星、索尼爱立信、华为等 2010年末数据显示，Android已经超越称霸十年的诺基亚（Nokia）Symbian OS，跃居全球智能手机平台首位 Android也在平板电脑市场急速扩张 版本：2.3.3(手机)和3.0(平板),Apple iOS操作系统,iOS是苹果公司为 iPhone 、iPod touch、iPad 及 Apple TV 开发的操作系统，占用约240MB的存储空间 用户界面：使用多点触控直接操作。控制方法包括：滑动、轻按、挤压及旋转 支持硬件：

24、基于ARM架构的CPU 限制： JAVA Flash SVG,附2：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 (Master Boot Record，MBR)，它包含如下3部分内容：,指出每个分

25、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：,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（n0） 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5 000 000 个簇

26、 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：91611025 共5个簇 YOURS的簇是：26292417 共4个簇,文件名 扩