第三章操作系統基礎知識吉林大學公共計算機教學與研究中心概念

操作系統OS(Operation

System):計算機系統中重要系統軟件。

功能：管理和控制計算機軟件和硬件資源，使計算機各部分協調工作；合理組織計算機工作流程；為用戶使用計算機提供友好的人機接口，方便用戶使用計算機系統。OS硬件2應用程序其他系統程序第一節操作系統簡介

計算機系統層次結構可以分為四部分:硬件、操作系統、其他系統程序和應用程序。

硬件：所有軟件運行的物質基礎；操作系統位于硬件之上，是與硬件關系最密切的系統軟件，是對硬件功能的首次擴充。操作系統硬件計算機系統的層次結構:裸機33.1.1操作系統發展歷程1.手工操作階段計算機誕生初期根本沒有操作系統。機器碼時代,將這個時期稱為“手工操作階段”。顧名思義,當時使用計算機需要大量的人工控制,只有通曉計算機硬件的專業人員才能使用計算機。手工操作階段典型的作業處理步驟:用戶用機器語言編寫程序程序和數據手工記錄在穿孔紙帶上將紙帶裝入紙帶輸入機啟動紙帶輸入機將程序和數據讀入計算機計算機處理作業用戶拿走結果作業：由程序、數據及程序運行控制說明組成。4特點:用戶獨占全機CPU等待人工操作串行性缺點:有效機時嚴重浪費效率低為了解決人機矛盾,20世紀50年代末出現了脫機輸入/輸出技術。在主機與輸入輸出設備之間設一臺外圍控制機，由它完成輸入輸出任務。5讀卡機打印機外圍控制機輸入磁帶輸出磁帶主機監督程序以脫機方式成批裝入磁帶的作業用戶作業結果操作系統的萌芽

1)單道批處理系統作業成批進入系統，但逐個完成在磁帶上選一個作業進入內存2.批處理階段計算機系統6讀卡機打印機I/O處理機通道磁帶主機用戶作業結果

2)假脫機技術計算機系統中斷請求通道：輸入／輸出(I/O)處理機，與CPU并行中斷：執行某程序過程中，出現某突發事件時，CPU暫停現程序，轉去執行事件處理程序，執行完處理程序再回到被暫停的程序繼續執行。73)多道批處理系統批處理系統+多道程序設計技術多道批處理操作系統輸出機輸入機作業結果作業1作業2：作業m輸入井結果1結果2：結果k輸出井內存+CPU進程1進程2：進程n主機后備隊列內存中有多個進程交替運行算法作業預先在外存中排成(后備)隊列，由作業調度程序從后備隊列中選若干個作業裝入內存，交替運行。8多道程序運行原理程序1程序2程序3調度程序CPU時間t1t7t3t9t5t2t4t6t8t10需要I/O或時間到9監督程序要解決下系列管理問題：作業調度：合理調度作業，使系統中硬件資源有效利用；CPU管理：多個作業交替運行，需要合理安排處理機時間；內存管理：為每道程序分配內存空間；I/O設備管理：為程序分配輸入/輸出設備。10為了實現人機交互，必須改變批處理系統中作業處理方式。3.操作系統的完善

分時操作系統：將CPU時間分成若干個相等的時間片，一個時間片運行一個作業，下一個時間片運行另一個作業，在短時間內所有作業都能得到輪流執行。113.1.2常見操作系統簡介1.DOS操作系統DOS是磁盤操作系統(DiskOperatingSystem)，是一種單用戶、單任務的微型機操作系統。主要功能：命令處理、文件管理和設備管理。主要特點：系統開銷小,運行效率高,但資源管理功能簡單，字符型用戶界面,操作不太方便。122.Windows操作系統1985年11月到現在，Windows操作系統的優良性能奠定了微軟在操作系統上的壟斷地位。優點：直觀、易用的面向對象圖形界面用戶界面統一與設備無關性：支持即插即用

多任務：同時運行多個程序先進的內存管理：支持大內存，虛擬內存等13各種系統管理工具：資源管理器：從我的電腦右擊菜單中選擇資源管理器，對磁盤和文件等對象進行管理。打印管理器：單擊開始菜單→設置→打印機。系統工具：單擊開始菜單→程序→附件→系統工具，磁盤備份、磁盤清理或磁盤碎片整理。內置的網絡通信功能：支持多種網絡傳輸協議。從網上鄰居右擊菜單中選擇屬性，從對象右擊菜單中選擇屬性，可設置和安裝協議。出色的多媒體功能：對音頻、視頻可編輯和播放。

單擊開始菜單→程序→WindowsMediaPlayer

。143.UNIX操作系統家族通用、交互式分時網絡操作系統。兩大流派：BSDUNIX和AT&T公司。平臺：在大中小計算機上運行較多，也有微型機的UNIX。154.Linux操作系統Linux是芬蘭籍科學家Linus

Torvalds于1991年編寫的一種操作系統，具有UNIX的全部功能。優點：源代碼開放,免費；系統穩定可靠；速度快，效率高；功能完善；具有網絡支持優勢等。163.1.3操作系統分類1.批處理系統(BatchProcessing)

主要特征：多道性、成批性。多道性：內存同時駐留多道程序，并發執行。成批性：作業成批進入系統，成批處理。作業完成順序與進入內存順序沒有緊密聯系。

缺點：缺乏人機交互性。基本類型：批處理、分時和實時系統。

17

特征：多路性、交互性、獨占性和及時性。分時操作系統硬件層…...終端1終端2終端nCPU時間分成時間片處理終端請求

連接多個終端每個終端獨立使用自己的時間片2.分時操作系統

CPU時間18

特征：實時性：實時響應外部事件請求，在規定時間內完成事件的處理任務。可靠性：軟硬件任何故障都可能給系統帶來嚴重后果，更注重硬件穩定性和可靠性。

3.實時系統

分類：實時控制：機器人、工業和宇航控制等。實時信息處理：信息采集、信息檢索和航空訂票系統等。19基于計算機網絡。除具備普通操作系統功能外，還具有網絡管理模塊、通信、安全和資源共享等模塊。打印機主機1NOS主機2NOS主機3DOS4.網絡操作系統

20在計算機網絡基礎上，解決地域分布很廣的計算機之間資源共享、并行處理等問題。特征：統一性、共享性、可靠性和透明性。Win主機3Win主機2Win主機1統一性作業可遷移至其他主機上處理,實現處理機資源共享系統中多臺主機處于同等地位,沒有主從關系;沒有地理位置上的差異。可靠性透明性5.分布式操作系統21設計目標：易用性、響應性。特征：單用戶、虛擬內存和多任務處理。6.個人計算機操作系統7.嵌入式操作系統支持嵌入式計算機，由一個小內核及一些必要模塊組成，能運行在各種硬件平臺上，提供基本程序運行環境和接口。特征：實時性、多任務、對硬件依賴性、軟件固化和專用性等。22具有公共內存和時鐘，多個CPU，共享計算機總線和外部設備。也稱為并行操作系統或緊耦合系統。對稱多處理系統：CPU之間沒有主從關系。CPU公共內存CPUCPU…8.多處理機操作系統

23第二節操作系統的作用及特征3.2.1操作系統的作用

1.管理系統中軟件硬件資源*CPU*內存*設備*文件2.為用戶(應用程序)提供良好的界面命令接口：通過命令完成相關任務。程序接口：通過系統調用（如ＡＰＩ）獲得操作系統服務。字符型命令接口圖形命令接口243.2.2操作系統功能5.文件管理管理軟件資源，包括文件存儲空間管理、目錄管理、文件存取控制、文件共享與保護。4.設備管理分配、控制和管理外部設備(打印機、顯示器等)，用戶不必過多了解接口而方便地使用外部設備。主要功能有緩沖區管理、設備分配和設備控制。3.存儲管理管理內存資源,方便程序使用存儲器，提高內存利用率。主要包括存儲分配、存儲保護、虛擬內存和地址映射。2.進程管理

程序只有獲得CPU才能運行，進程管理主要分配和管理處理機（CPU）。

以進程為基本單位分配和使用處理機，處理機管理歸結為進程管理。進程管理主要功能：進程控制、進程調度、進程同步及進程通信。1.作業管理合理組織工作流程，對作業進行控制和管理。主要包括作業輸入、作業調度和作業控制。253.2.3操作系統的特征在一段時間內多個程序同時運行，宏觀上同時，微觀上串行。共享性程序并發性虛擬性異步性多個程序或作業共享系統資源。一個物理實體變成邏輯上多個對應物，或將多個物理實體變成邏輯上一個對應物。

先進入內存的作業可能后完成，而后進入內存的作業可能先完成。程序并行性

在同一時刻運行多個程序，從微觀和宏觀上都是同時。26第三節作業管理

3.３.1基本概念

作業：要求計算機系統完成的任務集合。操作系統以作業為單位管理用戶任務。

作業組成：程序、數據和作業說明書。作業說明書是描述批作業處理過程中控制意圖的一種特殊程序。

作業步：處理一個作業通常經過若干個相對獨立又相互關聯的加工步驟,一個相對獨立的處理步驟稱為一個作業步(JobStep)。27按作業提交和處理方式,作業分為兩大類：批處理作業和交互式作業。1.

批處理作業

多個作業由輸入設備依次輸入到輔存中，形成作業流。2.

交互式作業又稱為終端作業或會話式作業。在分時系統中，將用戶的一次登錄作為一個作業，一次登錄可以完成多項任務。283.３.2作業管理

主要任務：作業控制和作業調度。1.

作業控制

功能：控制作業輸入、運行和輸出。

作業控制塊：操作系統為每個進入系統的作業建立一個作業控制塊(JCB)，記錄系統對作業管理所需要的信息。作業存在的標志。作業標識用戶名稱用戶帳號調度信息資源需求作業狀態

::JB001提交USER0829作業的4個狀態：提交、后備、運行和完成。spooling輸入spooling輸出輸出機輸入機作業結果作業1作業2：作業m輸入井結果1結果2：結果k輸出井進程1進程2：進程N主機提交從作業交給機房到完全進入輸入井后備從作業完全進入輸入井到進入內存之前運行調度到內存，創建第一個進程，……，直到完成完成從作業進入輸出井到退出系統作業狀態1作業狀態2302.作業調度根據作業控制塊信息，按一定策略選取若干作業進入內存，以便獲得處理機。常見作業調度算法有：先來先服務按照進入系統后備隊列先后次序選擇作業。算法容易實現，但效率低。最短作業優先選擇計算時間最短的作業投入運行。使平均作業周轉時間短，且易于實現，但效率不高。31第四節進程管理

多道程序系統中，多個程序同時進入系統，一個程序的活動規律：

推進(執行)，暫停，推進(執行)，暫停，……

暫停時：保存現場(斷點，寄存器）

推進時：恢復現場

暫停原因：

1．

自身原因——等待資源，啟動I/O

2．剝奪CPU——給其他程序運行機會323.４.1進程定義1.進程定義具有一定獨立功能的程序段關于一個數據集合的一次運行活動，是系統資源分配和CPU調度的基本單位。進程強調兩個方面：動態性：并發性：執行中的程序，體現運行性可與其他進程并發執行。332.進程組成1.程序塊2.數據塊3.進程控制塊PCB由指令代碼組成，代碼必須是純代碼,即在運行期間不修改自身。進程執行時所需數據和工作單元及開辟的工作區。

標志進程存在的數據結構,保存進程所需的信息。進程標識所屬用戶進程狀態調度參數現場信息進程地址

::PCB001就緒USER08

PCB隨進程的創建而生成，隨進程的消亡而收回。34

程序、數據和進程控制塊構成進程實體。程序和數據位于內存中用戶空間，進程控制塊位于系統空間。PCB數據代碼系統空間用戶空間353.進程的基本特征動態性：動態地產生、消亡，生存期內動態變化；動態性是進程的基本特征。并發性：可并發執行。獨立性：在系統中能獨立運行、分配資源和接受調度。進程是系統資源分配的基本單位。異步性：每個進程以各自獨立，不可預知的速度向前推進。結構性：每個進程由程序塊、數據塊和進程控制塊３部分組成。36分為系統進程和用戶進程兩類。系統進程：運行操作系統程序,完成系統功能,包括特權指令在內的所有機器指令,優先級高于用戶進程。用戶進程：運行用戶程序,只能執行非特權指令。4.進程類型

注：從Windows的任務管理器中可以查看到各類進程。375.進程與程序的關系及區別

程序是靜態的，進程是動態的。

程序是指令及所需數據集合,可以長期保存在存儲介質上；進程具有創建性、運行性和消亡性。程序與進程是一對多關系。38６.作業與進程的關系

作業是任務實體，進程是完成任務的執行實體;作業進入內存后變為進程，通常一個作業對應多個進程；在某時刻，一個運行的作業可能有多個進程處于活動狀態（就緒、運行或等待）。沒有作業任務就沒有進程，反過來，沒有進程，就不能完成作業任務。典型作業輸入進程計算進程……完成（消亡）活動待創建393.４.2進程的狀態和轉換CPU是執行進程的必要資源，而資源有限。操作系統不會讓一個進程一直占用CPU。因此一個進程不會一直處于運行狀態，進程可能有多種狀態。進程的三種基本狀態為：40就緒等待運行所等事件發生阻塞時間到進程調度創建進程運行態(run):獲得CPU，正在運行進程中指令。就緒態(ready):進程本身具備運行條件,等待獲得CPU資源

等待態(wait):進程本身不具備運行條件，正等待某一事件發生或釋放某資源。消亡完成進程標識所屬用戶進程狀態調度參數現場信息進程地址

::PCB001就緒USER08運行恢復現場保存現場等待占用413.3.3進程調度在多道程序環境下，進程數往往多于處理機數，致使它們爭用處理機。系統按某種算法，動態地把處理機分配給就緒隊列中的一個進程。分配處理機的任務由進程調度程序完成，所以進程調度也稱為處理機調度。42常用進程調度算法1.

先到先服務(FCFS)按進程到達先后順序分配處理機。進程執行過程中操作系統不會強行搶占處理機。特點：比較有利于計算時間長的進程，而不利于頻繁輸入/輸出的進程。進程處理時間P127P230P335P1P2P30275792等待時間:P10P227P357到達順序執行順序FCFS432.

高優先級優先在就緒隊列中選取優先級最高的進程運行。優先級1優先級2……優先級n就緒隊列進程按優先級排隊靜態優先級：在進程創建時確定，進程運行期間保持固定不變。動態優先級：在進程的生命期內，隨著進程的運行情況而不斷動態變化。44將CPU時間分成固定大小的時間片，所有就緒進程按先來先服務原則分配處理機，一次使用一個時間片。當時間片用完時，如果該進程既未結束也未因某種原因而等待，則剝奪其處理機，將它送到就緒隊列末尾，等待下一次調度。3.

時間片輪轉法

以上進程調度的討論都是局限于單處理機情況，在實際操作系統中，往往使用多種調度算法或某些算法的混合體。45第五節存儲管理功能包括存儲分配、存儲保護、虛擬存儲器管理和地址映射。目的：為多道程序提供運行環境，提高存儲器利用率，從邏輯上擴充存儲容量。3.5.1基本概念

系統區：存放操作系統核心程序和一些標準子程序以及例行程序

用戶區：存放用戶程序和數據存儲管理：指內存儲器管理，主要對用戶區進行管理。461)

物理地址：內存被分為許多單元（存一個字節），將每個單元從0編號，內存單元順序號稱為物理地址。每個單元物理地址惟一，ＣＰＵ通過物理地址讀寫內存。32根地址總線，內存物理地址為32位，ＣＰＵ可尋址0~232-1，4GB。２）邏輯地址：由程序員編寫的程序經過編譯后所產生的地址稱為邏輯地址，也叫相對地址或偏移地址。每個程序中邏輯地址都從0開始，程序中其他地址都相對起始地址進行計算。012:N程序2012:K程序1012:M47操作系統在程序裝入內存時，將程序中指令和數據的邏輯地址轉換為物理地址，其轉換過程稱作地址映射或地址重定位。靜態重定位：在程序裝入內存時完成地址轉換，在執行程序時，地址不再變化

。

動態重定位：將程序裝入內存后并不立即進行地址轉換，而執行程序過程中物理地址可能發生變化，動態進行地址轉換。３）地址映射

48LoadAdata1data1123源程序地址映射編譯連接LoadA200123邏輯地址空間0100200LoadA1100123物理地址空間10001100外存空間內存空間程序指令邏輯地址程序指令物理地址90049在多道程序系統中，內存中既有系統進程，又有許多用戶進程。要確保每道程序都只在自己的內存空間中運行。防止地址越界：保證程序不會轉移到非共享的其他程序區中執行。防止操作越權：保證程序的運行不會超過它的權限。4）存儲保護50共享區多個進程共用內存中相同區域，即它們的物理空間有相交部分。共享P1P2存放程序代碼或數據目的：節省內存空間：主要是代碼共享。實現進程通信：數據共享。513.5.2存儲器連續分配方式在程序裝入內存時，為其分配存儲區域，存儲區域分配有多種方式。1.單一連續分配程序只能分配到一個連續的存儲區域，采用靜態重定位方式，由裝入程序完成邏輯地址到物理地址的映射。適合于單用戶、單任務操作系統。52用戶內存空間劃分為若干個連續區域，每個區域位置固定，每個分區中只裝入一道程序。程序裝入時地址映射采用靜態或動態重定位方式。缺點：在內存中運行的程序數受分區數限制；小程序易造成內存資源浪費，而大程序可能又無法裝入。2.固定分區管理

程序1程序2程序3533.可變分區管理系統初始用戶區是一個空閑分區。在裝入作業時按程序大小劃內存分區，使分區正好適應程序需求。剩余部分作為一個空閑區，可裝入其他程序。分區數可變。54內存碎片：不能用于裝載程序的空閑分區。前三種方式的共同缺點：容易產生內存碎片。作業A(16K)僅有作業A操作系統作業D作業C作業B作業A(16K)操作系統加入作業B,C,D作業D作業B操作系統作業AC完成用戶區55將內存中程序位置進行移動，原來分散的碎片拼接成一個大空閑分區，用于裝入新程序。4.可重定位分區分配

作業D作業B操作系統作業B作業D操作系統用動態重定位方式才可移動內存中的程序。

移動內存中程序位置，要多占用ＣＰＵ時間，即增加系統開銷。56第六節文件管理程序和數據是計算機軟件資源，它們以文件形式存儲在計算機外部存儲器上。文件管理:對文件、目錄和文件存儲空間進行管理，為用戶提供按名存取文件的手段。文件存儲空間管理：主要是外存管理，為文件分配存儲空間，與內存分配方法類似，可以采用連續或離散分配方式。存儲空間基本分配單位是磁盤塊（扇區，512個字節）。573.6.1文件系統基礎知識文件：具有符號名的相關信息集合。文件系統：文件與文件管理程序的集合。1.文件命名當進程創建文件時，為文件命名，其他進程只要給出文件名就可以使用這個文件，操作系統根據文件名對其進行控制和管理。不同操作系統對文件的命名規則有所不同。通常，文件名是由字母、數字、分隔符組成的字符串，字母不區分大小寫。58文件主名.擴展名在Windows2000/XP中，觀察文件擴展名的方法：右擊我的電腦→資源管理器→工具菜單→文件夾選項→文件類型卡片，以觀察到很多擴展名。在Windows2000/XP中規定其長度最多不超過256個字符。定義文件類型592.文件分類

文件性質用戶文件庫文件系統文件存取屬性讀寫文件只讀文件只執行文件信息流向

輸出文件

輸入／輸出文件

輸入文件

組織形式普通文件目錄文件設備文件普通文件二進制文件ASCII碼文件60基本屬性：包括文件名、文件長度、文件創建時間、修改時間、文件所有者等。類型屬性：包括普通文件、目錄文件、系統文件、隱含文件、設備文件等；保護屬性：包括可讀、可寫、可修改、可刪除。在Windows2000/XP中，文件右擊菜單→屬性，可以觀察文件屬性。3.文件屬性

61指文件的外部結構，即用戶存取、檢索和管理信息時文件的組織形式。有兩種形式：

4.文件邏輯結構

記錄式文件：由一系列記錄構成的文件，結構化。記錄是一個具有特定意義的信息單位。如數據庫文件等。流式文件：由字符流構成的文件，基本單位是字節，是有序字符集合，無結構。Word文檔、源程序屬于流式文件。62物理結構：指文件在存儲設備上的存放方法。常用結構有順序、鏈接和索引結構：順序結構：文件中的信息依次存放在連續編號的物理塊中。鏈接結構：文件中的信息依次存放在若干不連續的物理塊中，各個物理塊以指針相連。索引結構：文件中的信息依次存放在若干不連續的物理塊中，文件系統為每個文件建立一張索引表。5.文件物理結構63順序存取：從前到后依次訪問文件。對記錄式文件按記錄順序存取；對流式文件則根據當前讀寫指針位置存取。隨機存取：又稱直接存取。只有記錄式文件可以隨機存取，根據記錄編號存取文件中的任一記錄。索引存取：又稱按鍵存取，是基于索引(目錄)文件的存取方法。6.文件存取文件存取方式：由存儲器物理特性和文件結構決定。一般有：

643.6.3文件目錄為方便查找、訪問，要為文件建立目錄。文件目錄也是一種文件，由目錄項組成。一個文件信息構成一個目錄項，目錄項存儲于文件控制塊(FCB)中。文件名文件類型存儲地址文件長度記錄大小創建時間

::FN019DCHDOC目錄項結構關系到文件系統的存取速度、文件共享性和安全性。常見目錄結構有單級目錄、二級目錄和多級目錄。65整個文件系統只建立一張目錄表，每個文件占一個目錄項。這種目錄結構可以實現文件系統基本功能“按名存取”。缺點：文件查找速度慢，不允許文件重名，而且很難實現文件共享。1.單級目錄結構66建立一個主目錄文件，再為每個用戶建立一個用戶目錄文件，在主目錄文件中，為每個用戶建立一個目錄項，目錄項包括用戶名和用戶目錄文件指針。優點：二級目錄能提高目錄檢索速度，在不同目錄中可以使用相同文件名。2.二級目錄結構

67多級目錄結構又稱為樹型目錄結構。根目錄為主目錄并且只有一個。在根目錄中可以生成子目錄，子目錄文件作為樹的結點，又可以包含子目錄，……。子目錄的目錄項可以是文件控制塊，也可以是下一級子目錄的文件控制塊。binusrlibdevetcunixlpccviusersLiWangd1d2f1consolepasswdbinyaccsroot3.多級目錄結構

68路徑名：將路徑上的目錄名依次用\連起來。絕對路徑：從根目錄開始的路徑。相對路徑：從當前目錄開始的路徑。\Tools\office2003\完整安裝程序\setup.exe若當前路徑為D:\Tools，金山詞霸\readme.txt路徑：到文件的通路。69第七節設備管理設備管理：管理和控制輸入輸出設備：為用戶提供統一的接口形式；完成輸入輸出請求；提高設備使用效率。設備管理包括緩沖管理、設備分配、設備處理和虛擬設備等功能。在windows

2000/XP中：開始菜單→控制面板→性能和維護→系統→硬件選項卡上→設備管理器

703.7.1設備分類1.按用途分類輸入型設備：將程序、數據、聲音和圖像等數據和控制信息輸入到計算機系統中，如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出型設備：將處理結果以人可以識別的形式呈現出來，如顯示器、打印機和音箱等。存儲型設備：指輔助存儲器。如磁盤、磁帶和光盤等，用于長期保存信息。71字符設備：是以字符為單位組織和處理信息。通常輸入和輸出型設備(包括通訊設備)屬于字符型設備。如顯示器、鍵盤和打印機等。塊設備：以一定長度數據塊為單位組織和處理信息。長度通常為2i。存儲設備屬于塊設備。如：通常磁盤塊長度為29=512個字節。2.按信息交換基本單位分類

723.按設備共享屬性分類獨占型設備：在某一時刻只允許一個進程訪問。包括所有字符型設備和磁帶機。共享型設備：在某一時刻允許多個進程同時訪問。除磁帶機之外所有塊設備都屬于共享型設備。733.7.2設備控制器CPU與設備控制器通