1、操作系统基础,为什么学习操作系统?,设计操作系统或者修改现有的系统 存在人们意识不到的大量“操作系统”。 加深对使用的OS的理解，有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域 选择购买操作系统 我们并不总使用Win95/NT/2000/XP,番茄花园修改版Windows XP作者洪磊 2009.8.20一审被判三年半罚款100万元2011年09月出狱,这是我国第一起打击大规模网络软件盗版行为的案例， 番茄花园被微软称之为“中国最大软件网络盗版集团”。,涉及到计算机科学的很多领域,计算机体系结构/
2、硬件 软件设计 程序设计语言 数据结构 算法 网络,2.1 操作系统概述,2.1.1 操作系统的概念,操作系统(Operating System，OS)是直接控制和管理计算机系统的软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，方便用户充分而有效地使用这些资源的程序集合。,2.1.2 操作系统的形成与发展,程序设计全部采用机器语言，没有操作系统 . 人们采用手工操作方式来控制计算机的基本功能 .慢速的手工操作与快速的CPU之间出现矛盾，另一方面CPU与I/O设备之间速度不匹配.,从一个作业到下一个作业的自动过渡方式叫做批处理。单道批处理又分为联机批处理和脱机批处理两种类型. 联机批处理：由CPU直接
3、控制作业的输入与输出. 脱机批处理：由“卫星机”控制作业的输入输出，有效地减少了CPU等待慢速设备输入输出的时间.,通道、中断和缓冲技术的使用使得多道程序的并发执行成为可能.优点：系统资源得到比较充分的利用。 缺点：作业平均周转时间长，用户无法干预程序的执行，没有交互能力。,在分时系统中，用户通过终端设备与计算机交互作用来运行自己的作业 。 多用户分时系统是当今计算机系统中使用最普遍的一类操作系统 为了实时地对特定任务进行可靠处理，人们又开发出实时系统。 实时系统具有专用性，不同的实时系统用于不同的应用领域。,2.1.3 操作系统的常用类型,实时操作系统,3,单道批处理系统：一次只能有一个作业
4、装入计算机系统的主存储器运行 多道批处理系统 ：一次允许多个作业同时装入主存储器，使CPU轮流地执行多个作业。,优 点： 系统资源利用率高 作业吞吐量大,缺 点： 用户无法干预作业运行,分时操作系统：多个用户分享使用同一台计算机，操作系统以时间片为单位轮流为用户服务。,及时性,独占性,交互性,特征,同时性,时间片： 操作系统将CPU的时间划分成若干个片段,每个时间段称为时间片。 操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务。 每次服务一个时间片,分时操作系统工作方式:,一台主机连接了若干个终端 每个终端有一个用户在使用 交互式的向系统提出命令请求 系统接受每个用户的命令 采用时间片轮转方式处
5、理服务请求 并通过交互方式在终端上向用户显示结果 用户根据上步结果发出下道命令,分时操作系统,分时操作系统特点,同时性同时有多个用户使用一台计算机。 宏观上：是多个人同时使用一个CPU 微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU 交互性用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步) “独占”性用户感觉不到计算机为其他人服务 (OS提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰) 及时性系统对用户提出的请求及时响应,实时操作系统：是指计算机系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理。,实时操作系统,3,特征,高可靠性,高安全性,高响应性,分时操作系统与实时操作系统有哪些差别 ？
6、,交互能力 响应时间,一个用户独占计算机系统资源，系统所有的软、硬件资源都为一个用户服务，系统单独地执行该用户提交的一个任务。,基于计算机网络的，它负责网络管理、网络通信、资源共享和系统安全等工作。 是在各种计算机操作系统上, 按网络体系结构协议标准开发的软件 包括网络管理,通信,安全,资源共享和各种网络应用。 目标：相互通信及资源共享,将大量的计算机通过网络被连接在一起，以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。这种系统称作分布式系统。能使分布式系统中的若干台计算机相互协作完成一个共同任务的系统软件称为分布式操作系统。,特征,共享性,透明性,统一性,自治性,网络操作系统与分布式操作系统有哪些差别
7、 ？,网络和分布式的区别,分布是指各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络有主从关系. 分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享 (3) 分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务,对整个智能芯片及其所控制的各种部件模块等资源进行统一调度、指挥和控制的系统软件称为嵌入式操作系统.嵌入式操作系统具有高可靠性、实时性、占有资源少、成本低等优点.,2.1.4 操作系统的主要特征（笔记）,是指两个或两个以上的事件或活动 在同一时间间隔内发生， 交替进行。,是指系统中的资源 可以被多个用户共同使用。,并发性,共享性,2.1.5 操作系统的功能,CPU 管 理,存 储 管 理,设 备 管 理
8、,文 件 管 理,作 业 管 理,操作系统 的功能,主要管理计算机的内存资源。 主要功能包括：内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充,主要管理计算机的输入输出设备 主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备独立性。,主要管理系统中的信息资源。 主要功能包括：文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理、存取控制和文件系统的安全管理。,把CPU合理有效地分配给各执行程序使用。 主要功能包括进程调度、进程控制和进程通信。,2.1.6 现代主流操作系统简介,Windows操作系统是当前个人微型计算机中应用最广泛的一种操作系统。 1985年5月诞生 Windows的第一个版本 Windows1.
9、0 1995年8月24日诞生的Windows95操作系统，是真正的操作系统 。 2001年推出的 Windows XP是第一个既适合家庭用户，又适合商业用户使用的新型操作系统。,Windows操作系统的特点：,易学易用的面向对象的图形用户界面 支持多任务多窗口 即插即用功能 支持多媒体技术 内置网络和通信功能,UNIX系统正式发布于1974年，1975年发布的第6版中引入了多道程序技术，这时UNIX系统才成为真正的多用户分时系统。,内核,裸机,shell,用户或应用程序,UNIX系统组成结构,UNIX操作系统的特点：,开放性、可移植性多用户、多任务的分时操作系统 设备独立性 强大的网络与通信功
10、能 内核短小 系统结构清晰，有利于操作系统的教学和实践,Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，它主要用于基于Intel x86系列CPU的计算机上。,Linux操作系统的特点：,免费、源代码开放 多平台 具有出色的稳定性和速度性能 功能完善，具有丰富的网络功能 硬件需求低,Mac OS操作系统 Mac OS 操作系统是美国 Apple 公司推出的操作系统，运行在 Macintosh 计算机上。Netware操作系统Netware 是Novell 公司开发的网络操作系统 NOS。,2.2 CPU 管理,2.2.1 进程的引入,进程是CPU管理中的一个重要的概念，对CPU的管理可
11、以归结为对进程的管理。,2.2.2 进程的描述,进程的概念进程(Process)是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。是系统进行资源分配和调度的独立单位。,。,动态性：进程的实质是程序的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行。 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位。 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。,进程的特征,2.2.3 进程的状态及其状态转换,就绪状态,执行状态,阻塞状态,当进程已经获得 除了CPU以外 的全部资源，一
12、 旦得到CPU便 可立即执行，这 时的进程状态称 为就绪状态。,当进程获得 CPU并在 CPU上运 行时， 该进程所处 的状态称为 执行状态。,正在执行中的进程，由于发生了某事件而使之暂时无法执行下去，便放弃CPU而等待，这时进程所处的状态称为阻塞状态。,2.3 作业管理,2.3.1 作业的定义,作 业是指用户在一次计算过程中或一次事务处理中要求计算机系统所做的工作的总和，它是用户向计算机提交一项工作的基本单位。 工作步在处理一个作业时所经过的步骤,2.3.2 作业的分类,在批处理系统上运行的作业叫做批量型作业， 也称作脱机作业。 （后台作业） 用户不能直接与计算机系统交互,系统运行作业的效率
13、比较高。作业周转时间比较长。,批量型作业,优 点,缺 点,2.3.2 作业的分类,在分时系统上运行的作业叫做终端型作业， 又称交互型作业。（前台作业） 用户和计算机系统直接交互,终端型作业,作业的周转期大大缩短 。人工干预有时会影响系统效率,优 点,缺 点,2.3.3 作业管理功能,按照系统规定的某种策略，选择后备作业队列中的若干作业进入内存，且为被选中的作业做好运行前的准备工作。,指在操作系统控制下， 用户如何组织作业并且控制作业的运行。作业控制块JCB感知作业的存在。,作业调度,作业控制,1提交状态 将某作业从外部设备输入到外存储器的过程称为提交过程，此时作业所处的状态称为提交状态。 2准
14、备状态 作业提交后，系统为作业建立作业控制块JCB，等待调度运行。此时作业所处的状态称为准备状态。 3执行状态 当一个后备作业被作业调度程序选中而进入主存开始运行，这个作业就又准备状态转变为执行状态。 4完成状态 当作业正常运行完毕或因发生错误而异常结束时，作业便进入完成状态。,2.3.4 作业的状态及其转换,作业终止,作业调度,作业注册,作业输入,执 行,2.3.4 作业的状态及其转换,存储器结构：大部分的计算机都有一个存储器层次结构，它由少量的非常快速、昂贵的高速缓存(cache)，若干兆字节的中等速度、中等价格的主存储器(RAM)，和数百兆或数千兆字节的低速、廉价的磁盘组成。操作系统的工
15、作就是协调这些存储器的使用。,2.4 存储管理,主要任务,为多道程序的并发执行提供良好的环境 提高存储器利用率 从逻辑上扩充主存空间，使大程序能在小主存中运行 方便用户使用存储器,基本功能,存储空间的分配和回收 地址转换 存储区共享与存储保护 扩充内存容量,设备管理:是指计算机系统对除CPU和内存以外的所有输入/输出设备的管理。设备管理的基本任务:是为用户提供统一方便的接口。,2.5 设备管理,设备管理的主要任务是管理各类外部设备，主要完成用户提出的I/O请求、加快I/O信息的传送速度、发挥I/O设备的并行性、提高I/O设备的利用率，以及提供每种设备的驱动程序和中断处理程序，向用户屏蔽硬件使用
16、细节等。,设备管理的任务,缓冲技术（笔记）,1. 在操作系统中引入缓冲 技术的主要目的: 改善CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾 减少I/O设备对CPU的中端次数，放宽对CPU中端响应时间的要求。,2. 缓冲技术实现基本思想:在CPU和外设之间设立缓冲区，用以暂存CPU和外设之间交换的数据，从而缓和CPU与外设速度不匹配所产生的矛盾。,缓冲的实现方法,硬件缓冲在设备中设置缓冲区，由硬件实现软件缓冲在内存中开辟一个空间，用作缓冲区,2.6 文件管理,2.6.1 文件的概念及文件分类,文件：是具有一定名称的一组相关数据的集合。每个文件都要用一个名字来标识，称为文件名。文件的命名：文件名.扩展名
17、,Windows系统中的文件名最多可包含256个字符。可以是字母、汉字、数字和部分符号。通配符：* ？,文件常用扩展名及其说明,按文件的性质和用途,按文件存放时间限制,按文件的保护级别,按文件的信息流向,系统文件 用户文件 库文件,临时文件 永久文件 档案文件,只读文件 读写文件 执行文件 不保护文件,输入文件 输出文件 输入输出文件,文件的分类,2.6.4 文件目录管理,文件目录文件由文件说明和文件体两部分组成 ，文件说明的集合称为文件目录。,文件目录功能：实现按名存取 提高检索速度 允许文件同名 允许文件共享,文件说明又称为文件控制块（FCB）文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构
18、，存放了为管理文件所需的所有有关信息（文件属性）文件控制块是文件存在的标志,文件控制块中的三类信息： 一、基本信息（文件名、文件物理存储位置文件结构） 二、存取控制信息（各类用户的存取权限，实现文件的共享与保密） 三、使用信息（文件的创建时间与日期、当前使用的状态信息等）,目录结构,所有的文件在一个目录下，组成一个线性表。,单级目录结构 ：,优点： 结构简单，容易实现,缺点： 不允许文件重名, 文件查找速度慢,目录结构,二级目录结构：,由主文件目录和用户文件目录组成。,二级目录结构缺乏灵活性， 无法反映真实世界复杂的文件组织形式,目录结构,多级目录结构 ：把二级目录结构加以拓展，在文件目录中再建立子目录，对子目录也做同样的扩充，子目录不但可以包含文件，而且可以包含下一级的子目录。绝对路径名：是指从根目录“”开始直至指定文件所在位置的目录名序列 相对路径名：是指从当前目录出发到指定文件所在位置的目录名序列。,从根目录到末端的数据文件之间只有一条唯一路径,优点：层次结构清晰，便于管理和保护；有利于文件分类；解决重名问题；提高文件检索速度；能进行存取权限的控制 缺点：查找一个文件按路径名逐层检查，由于每个文件都放在外存，多次访盘影响速度,
