高校计算机教学第四章计算机操作系统配套课件

操作系统操作系统 （Operating System）硬件到底是怎么动起来的？预引导预引导预引导预引导引导引导引导引导加载内核加载内核加载内核加载内核初始化内核初始化内核初始化内核初始化内核登录登录登录登录计算机硬件是如何动起来的？第四章第四章 计算机操作系统计算机操作系统 为为了了使使计计算算机机系系统统所所有有的的资资源源（包包括括中中央央处处理理器器、存存储储器器、各各种种外外部部设设备备和和各各种种软软件件）协协调调一一致致地地工工作作，就就必必须须有有一一个个软软件件来来进进行行统统一一管管理理和和统统一一调度，这种软件称为操作系统。调度，这种软件称为操作系统。计计算算机机发发展展到到今今天天，从从微微机机到到小小型型、中中型型、大大型型机机仍仍至至巨巨型型机机，无无一一例例外外地地都都配配置置了了一一种种或或多多种种操操作作系系统统，操操作作系系统统已已成成为为现现代代计计算算机机系系统统不不可可分分割的重要组成部分。割的重要组成部分。本本章章主主要要讲讲述述操操作作系系统统概概念念及及构构成成；重重点点讲讲述述操作系统中的几个基本功能及相关概念。操作系统中的几个基本功能及相关概念。4.1操作系统概念及构成操作系统概念及构成4.1.1 操作系统的概念操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同时它又是用户与计算机硬件的接口。时它又是用户与计算机硬件的接口。系统程序和应用程序系统程序和应用程序操操 作作 系系 统统硬硬 件件 层层用户用户用户用户没有操作系没有操作系统，应用软统，应用软件如同空中件如同空中楼阁，无法楼阁，无法运行。运行。4.1.2 操作系统的构成4.1操作系统概念及构成操作系统概念及构成操作系统操作系统进程管理进程管理内存管理内存管理文件管理文件管理输入输入/输出系统管理输出系统管理二级存储管理二级存储管理用户接口用户接口 联网、保护系统和命令解释程序系统联网、保护系统和命令解释程序系统就是对就是对CPU的的管理。管理。就是如何合就是如何合理分配和使理分配和使用内存。用内存。就是对文件就是对文件及文件夹进及文件夹进行管理。行管理。就是对外部各就是对外部各种输入输出设种输入输出设备进行管理。备进行管理。主要是指对主要是指对硬盘进行管硬盘进行管理。理。就就是是提提供供对对网网络络管管理理、对对进进程程工工作作过过程程的的保保护护及及提提供供用用户户与与操操作作系系统统的接口程序。的接口程序。动动画画4.2.1 操作系统的类别4.2操作系统类别与计算环境操作系统类别与计算环境批处理系统批处理系统1 1多道程序系统多道程序系统2 2分时系统分时系统3 3实时系统实时系统4 4桌面系统桌面系统5 5多处理机系统多处理机系统6 6网络系统网络系统7 7分布式系统分布式系统8 8嵌入嵌入式系统式系统9 9经经过过多多年年的的发发展展，先先后后出出现现了了各各种种类类型型的的操操作作系系统统。从从早早期期的的批批处处理理操操作作系系统统、多多道道程程序序发发展展到到分分时时操操作作系系统统；另另外外，还还有有为为满满足足计计算算机机处处理理实实时时事事件件的的需需要要研研发发的的实实时时操操作作系系统统；为为适适应应个个人人计计算算机机系系统统的的需需要要出出现现的的桌桌面面操操作作系系统统；为为适适应应并并行行系系统统的的需需要要开开发发多多处处理理机机操操作作系系统统；为为满满足足网网络络和和分分布布计计算算的的需需要要，就就有有了了网网络络操操作作系系统统和和分分布布式式操操作作系系统统；此此外外，还还有有为为支支持持嵌嵌入入式式计计算算机机的的嵌嵌入入式式操操作作系统。系统。动动画画4.2.2 计算环境 操作系统总是在某种计算环境中设置和使用，就目前来看计算环境可分为以下几类：4.2操作系统类别与计算环境操作系统类别与计算环境1.传统计算环境传统计算环境指指普普通通意意义义下下的的独独立立或或联联网网工工作作下下所所形形成成的的计计算环境。算环境。2.基于基于Web的计算环境的计算环境互联网的普及使得计算被延伸到互联网的普及使得计算被延伸到Web环境。环境。3.嵌入式计算环境嵌入式计算环境嵌嵌入入式式计计算算机机就就是是安安装装在在某某些些设设备备上上的的计计算算部部件，其计算相对比较简单。件，其计算相对比较简单。4.3.1 进程的概念4.3进程管理进程管理什么是进程？它与程序有什么区别？什么是进程？它与程序有什么区别？程程序序：用用户户为为完完成成某某一一个个特特定定问问题题而而编编写写的的操操作步骤。作步骤。进进程程：可可简简单单地地看看作作是是正正在在执执行行的的程程序序。但但是是进进程程需需要要一一定定的的资资源源来来完完成成它它的的任任务务(例例如如CPU时时间间、内存、文件和内存、文件和I/O设备设备)。4.3进程管理进程管理 在在计计算算机机中中，由由于于多多个个程程序序共共享享系系统统资资源源，就就必必然然引引发发对对CPU的的争争夺夺。如如何何有有效效地地利利用用CPU资资源源，如如何何在在多多个个请请求求CPU的的进进程程中中选选择择取取舍舍，这这就就是是进进程程管管理要解决的问题。理要解决的问题。动动画画进进程程与与程程序序的的区区别别在在于于进进程程是是动动态态的的、有有生生命命力力的的，而而程程序序是是静静态态的的。一一个个程程序序加加载载到到内内存存，系系统统就就创创建建一一个个进进程程，程程序序执执行行结结束束后后，该该进进程程也也就就消消亡亡了。了。4.3.2 进程的状态转移新的新的就绪就绪运行运行终止终止等待等待允许允许中断中断退出退出允许允许进程状态及转换图进程状态及转换图4.3进程管理进程管理如如CPU时间片被用完，时间片被用完，迫使进程让出迫使进程让出CPU进程等待分配进程等待分配CPU进进程程已已分分配配到到CPU，正在被执行。正在被执行。进程正在被创建进程正在被创建进程已完成进程已完成进程等待一些事件的出现进程等待一些事件的出现如进程可能要使用某个如进程可能要使用某个I/O设备而进入等待状态，等待设备而进入等待状态，等待使用相应的设备，当使用相应的设备，当I/O完成后进程进入就绪队列。完成后进程进入就绪队列。4.3.3 进程控制块PCB(略)4.3进程管理进程管理为为了了控控制制进进程程，操操作作系系统统就就必必须须知知道道进进程程存存储储在哪里，以及进程的一些属性。在哪里，以及进程的一些属性。进进程程控控制制块块是是进进程程实实体体的的一一部部分分，是是操操作作系系统统中中记记录录进进程程的的专专用用数数据据结结构构。一一个个新新的的进进程程创创建建时时，操操作作系系统统就就会会为为该该进进程程建建立立一一个个进进程程控控制制块块。操操作作系系统根据进程控制块对并发进程进行控制。统根据进程控制块对并发进程进行控制。4.3.4 进程调度及队列图4.3进程管进程管理理在在某某一一时时刻刻，计计算算机机的的CPU(单单核核)只只能能运运行行一一个个进进程程，如如果果存存在在多多个个进进程程，其其它它进进程程就就需需要要等等CPU空闲时才能被调度执行。空闲时才能被调度执行。当当一一个个进进程程处处于于等等待待或或CPU时时间间片片用用完完时时，操操作作系系统统就就会会从从该该进进程程中中拿拿走走CPU控控制制权权，然然后后再再交交给其它进程使用，这就是进程的调度。给其它进程使用，这就是进程的调度。进程进程B进程进程A进程进程CCPU时间时间进程进程C进程进程B进程进程A4.3.5 CPU调度及其准则4.3进程管进程管理理在设计在设计CPU调度程序时主要应该考虑的准则包括：调度程序时主要应该考虑的准则包括：(1)CPU使用率。让使用率。让CPU尽可能地忙。尽可能地忙。(2)吞吐量。让吞吐量。让CPU在一定时间内完成的进程数尽可能多。在一定时间内完成的进程数尽可能多。(3)周转时间。让进程从提交到运行完成的时间尽可能短。周转时间。让进程从提交到运行完成的时间尽可能短。(4)等待时间。让进程在就绪队列中等待所花时间之和尽可等待时间。让进程在就绪队列中等待所花时间之和尽可能短。能短。(5)响应时间。让进程从提交请求到产生第一响应之间的时响应时间。让进程从提交请求到产生第一响应之间的时间尽可能短。间尽可能短。4.3.7 进程的同步与互斥4.3进程管理进程管理 进进程程的的同同步步就就是是指指相相互互协协作作的的进进程程不不断断调调整整它它们之间的相对速度，以实现共同有序地推进。们之间的相对速度，以实现共同有序地推进。换换句句话话说说,在在操操作作系系统统中中，允允许许多多个个进进程程并并发发运运行行。然然而而，有有些些进进程程之之间间本本身身存存在在某某种种联联系系，它它们们在在系系统统中中需需要要一一种种协协作作，以以保保证证进进程程能能正正确确有有序序地地执行并维护数据的一致性。执行并维护数据的一致性。动动画画4.3进程管理进程管理把数据从键盘送入缓冲区把数据从键盘送入缓冲区给给B发信号发信号(缓冲区已满缓冲区已满)等待等待B发回信号发回信号(再送数据到缓冲区再送数据到缓冲区)A进程进程B进程进程等待等待A信号信号(等待取数据并计算等待取数据并计算)取缓冲区中的数据进行计算取缓冲区中的数据进行计算给给A发信号发信号(缓冲区数据已取走缓冲区数据已取走)例例:A、B两两进进程程同同步步工工作作如如下下图图（A进进程程负负责责从从键键盘盘读读数数据据到到缓缓冲冲区区，B进进程程从从缓缓冲冲区区取取数数据据并并计算。计算。动动画画4.3进程管理进程管理 在在操操作作系系统统中中，可可能能存存在在着着多多个个进进程程。而而系系统统中中一一些些资资源源一一次次只只允允许许一一个个进进程程使使用用，这这类类资资源源被被称称为为临临界界资资源源。在在进进程程中中访访问问临临界界资资源源的的那那段段程程序序称称为为临临界界区区。当当一一个个进进程程进进入入临临界界区区执执行行时时，其其它它进进程程就就不不允许进入临界区执行，否则就会导致错误结果。例如：允许进入临界区执行，否则就会导致错误结果。例如：多个进程在竞争使用打印机时表现为互斥。多个进程在竞争使用打印机时表现为互斥。一一个个文文件件可可供供多多个个进进程程共共享享，其其中中有有一一个个进进程程在在写写操操作作时时，其其它它进进程程则则不不允允许许同同时时写写或或读读，表表现现为为互互斥。由此得出斥。由此得出:多多个个进进程程并并发发执执行行时时，只只允允许许一一个个进进程程进进入入临临界区运行，这就是进程的互斥。界区运行，这就是进程的互斥。动动画画在在多多道道程程序序设设计计中中，多多个个进进程程可可能能竞竞争争一一定定数数量量的的资资源源。一一个个进进程程在在申申请请资资源源时时，如如果果所所申申请请资资源源不不足足，该该进进程程就就必必须须处处于于等等待待状状态态。如如果果所所申申请请的的资资源源被被其其它它进进程程占占有有，那那么么进进程程的的等等待待状状态态就就可可能能无无法法改改变变，从从而而形形成成进进程程之之间间相相互互一一直直等等待待的的局局面，这就是死锁。面，这就是死锁。4.3.8 进程的死锁及处理方法4.3进程管理进程管理竞争资源引起死锁竞争资源引起死锁竞争资源引起死锁竞争资源引起死锁 死锁举例：死锁举例：四四方方街街区区的的车车辆辆阻阻塞塞。每每个个方方向向都都希希望望其其它它方方让让出出通道，但谁也不能够让出。通道，但谁也不能够让出。引起死锁的四个必要条件：引起死锁的四个必要条件：(1)互互斥斥：某某一一资资源源任任一一时时刻刻只只能能有有一一个个进进程程独独占占，若若另另一一进进程程申申请请该该资资源源则则需需延延迟迟到到该该资资源源释释放放为止。为止。(2)占占有有并并等等待待：即即该该进进程程占占有有部部分分资资源源后后还还在等待其它资源，而该资源被其它进程占有。在等待其它资源，而该资源被其它进程占有。(3)非非抢抢占占：某某进进程程已已占占用用资资源源且且不不主主动动放放弃弃它它所所占占有有的的资资源源时时，其其它它进进程程不不能能强强占占该该资资源源，只只有等其完成任务并释放资源。有等其完成任务并释放资源。(4)循循环环等等待待：在在出出现现死死锁锁的的系系统统中中，一一定定存存在在这这样样一一个个进进程程链链，其其中中每每个个进进程程至至少少占占有有其其它它进进程所必需的资源，从而形成一个等待链。程所必需的资源，从而形成一个等待链。4.3进程管理进程管理4.3进程管理进程管理进程进程进程进程A A进程进程进程进程B B打印机打印机打印机打印机CD-ROMCD-ROM 死锁举例：死锁举例：进程进程A：获得：获得CD-ROM使用权，申请打印机使用权，申请打印机进程进程B：获得打印机使用权，申请：获得打印机使用权，申请CD-ROM死锁：此时进程死锁：此时进程A、B均被阻塞，无法运行均被阻塞，无法运行动动画画处理死锁处理死锁问题的三种方式问题的三种方式：(1)使使用用协协议议预预防防和和避避免免死死锁锁，确确保保系系统统从从不不进进入死锁状态。入死锁状态。(2)允允许许系系统统进进入入死死锁锁状状态态，然然后后检检测测出出死死锁锁，并加以恢复。并加以恢复。(3)可可忽忽略略进进程程死死锁锁问问题题，并并假假装装系系统统中中死死锁锁从从来不会发生。即没有必要把精力花在小概率事件上。来不会发生。即没有必要把精力花在小概率事件上。4.3进程管理进程管理处理死锁优先考虑的顺序：处理死锁优先考虑的顺序：先先预防预防和避免和避免再再检测检测和恢复和恢复4.4内存管理内存管理内内存存是是现现代代操操作作系系统统的的核核心心，是是可可被被CPU和和I/O设设备备所所共共同同访访问问的的数数据据仓仓库库。计计算算机机的的所所有有程程序序运行时都要调入内存。运行时都要调入内存。内内存存管管理理的的主主要要工工作作是是：为为每每个个用用户户进进程程合合理理地地分分配配内内存存，以以保保证证各各个个进进程程之之间间在在存存储储区区不不发发生生冲冲突突；当当内内存存不不足足时时，如如何何把把内内存存和和外外存存结结合合起起来来，给给用用户户提提供供一一个个比比实实际际内内存存大大得得多多的的虚虚拟拟内内存存，使使得程序能顺利执行。得程序能顺利执行。4.4.1 用户程序执行与地址映射(了解)4.4内存管理内存管理 用用户户编编写写程程序序在在执执行行前前，需需要要多多个个处处理理步步骤骤，然然后后在在内内存存中中等等待待执执行行。当当然然有有时时并并非非每每个个步步骤骤都都是必需的。是必需的。源程序源程序编译器或编译器或汇编器汇编器目标模块目标模块链接编辑器链接编辑器加载模块加载模块加载器加载器内存中内存中二进制内存二进制内存映像映像其它目其它目标模块标模块动态装入动态装入的系统库的系统库系统库系统库动态链接动态链接编译阶段编译阶段加载阶段加载阶段执行阶段执行阶段图图4.4用户程序多步骤处理用户程序多步骤处理说说明明：编编译译器器和和汇汇编编器器用用于于将将高高级级语语言言源源程程序序翻翻译译成成二二进进制制代代码码的的机机器器语语言言程程序序。链链接接器器将将编编译译后后不不同同的的程程序序、函函数数库库文文件件等等连连接接生生成成EXE文文件件。当当运运行行EXE文文件件时时，操操作作系系统统的的加加载载器器读读取取EXE文文件件并并将将它它们们加加载载到到内内存存中中。预预先先编编译译好好的的在在调调入入内内存存前前加加载载的的库库文文件件就就是是静静态态链链接接库库文文件件。运运行行时时动动态态装装入入的的库文件叫动态链接库文件。库文件叫动态链接库文件。OBJ文件文件EXE文件文件4.4内存管理内存管理 1.1.编编译译阶阶段段:如如果果在在编编译译时时就就知知道道进进程程将将在在内内存存中中的的什什么么位置驻留，那么编译器就可以直接以生成绝对地址代码。位置驻留，那么编译器就可以直接以生成绝对地址代码。2.加加载载阶阶段段:不不知知道道进进程程将将驻驻留留在在什什么么位位置置，那那么么编编译译器器就就必必须须生生成成程程序序的的逻逻辑辑地地址址，在在加加载载阶阶段段再再转转变变成成内内存存的的绝绝对地址。对地址。3.执执行行阶阶段段:如如果果进进程程在在执执行行时时可可以以从从一一个个内内存存段段移移动动到到另另一一个个内内存存段段，那那么么进进程程的的绝绝对对地地址址映映射射工工作作只只能能延延迟迟到到执行时进行。执行时进行。通通常常，将将指指令令和和数数据据的的地地址址映映射射成成内内存存地地址址可可以以发发生生在在以下三个执行阶段。以下三个执行阶段。(了解了解)4.4.2 物理地址空间与逻辑地址空间 4.4内存管理内存管理l 几个相关概念几个相关概念物理地址物理地址:是计算机内存单元的真实地址。是计算机内存单元的真实地址。物理地址空间物理地址空间:由物理地址所构成的地址范围。由物理地址所构成的地址范围。逻辑地址逻辑地址:经编译后的用户程序地址，从经编译后的用户程序地址，从0开始编址。开始编址。逻辑地址空间逻辑地址空间:由逻辑地址所构成的地址范围。由逻辑地址所构成的地址范围。地地址址映映射射:用用户户程程序序在在运运行行时时要要装装入入内内存存，这这就就需需要要将将逻逻辑辑地地址址变变换换成成物物理理地地址址，该该过过程程称称为为地地址址映射，也称重定位。映射，也称重定位。用用户户编编写写的的源源程程序序是是不不考考虑虑地地址址的的，源源程程序序经经编编译译后后产产生生逻逻辑辑地地址址。将将逻逻辑辑地地址址转转换换为为内内存存中中的的物物理理地地址址是是由由计计算算机机中中被被称称为为内内存存管管理理单单元元的的硬硬件件设设备备来来实实现现的的，将将逻逻辑辑地地址址与与内内存存管管理理单单元元中中存存放放的的内内存存基基址址相相加加就就得得到物理地址。到物理地址。物理物理地址地址Base+X逻辑逻辑地址地址XCPU重定位重定位寄存器寄存器Base+内存内存内存管内存管理单元理单元4.4内存管理内存管理LOAD1,50012345LOAD1,500123450100500700程序程序A A的逻辑地址的逻辑地址空间空间程序程序A A的物理在址的物理在址空间空间.5000510055005700动动画画4.4.3 进程使用内存的交换技术为为更更加加有有效效地地使使用用内内存存，进进程程在在不不运运行行时时，可可以以暂暂时时从从内内存存移移至至外外存存，需需要要再再运运行行时时再再重重新新调调回回到到内内存存中中。也也就就是是说说内内存存管管理理程程序序可可将将刚刚刚刚运运行行过过的的进进程程从从内内存存中中换换出出以以释释放放占占用用的的内内存存空空间间，然然后后将将另另一一个要运行的进程占据前者释放的内存空间。个要运行的进程占据前者释放的内存空间。4.4内存管理内存管理进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程C未用内存区未用内存区操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程C未用内存区未用内存区操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程B进程进程C进程进程D注：这种交换技术多用于分时系统注：这种交换技术多用于分时系统4.4.4 内存分配方案-连续4.4内存管理内存管理进程进程A操作系统操作系统未用内存区未用内存区进程进程C未用内存区未用内存区在内存分配中，在内存分配中，常常把内存中还常常把内存中还没有被分配的可没有被分配的可用空间称为孔用空间称为孔(hole)。开开始始时时所所有有内内存存是是一一个个大大的的孔孔，随随着着内内存存分分配配的的进进行行就就会会形形成成许许多多不不连连续续的的大大小小不不同同的的孔孔。在在连连续续内内存存分分配配方方案案中中，当当新新进进程程需需要要内内存存时时，就就为为其其寻寻找找合合适适的的孔孔，实实现现内内存存分分配配。该方案需要为每个进程分配连续的内存物理空间。该方案需要为每个进程分配连续的内存物理空间。4.4.5 内存分配方案-分页式4.4内存管理内存管理分页管理基本思想：分页管理基本思想：内存物理地址空间划分为若干个大小相等的块内存物理地址空间划分为若干个大小相等的块(页框页框)进程的逻辑地址空间也划分为同样大小的块进程的逻辑地址空间也划分为同样大小的块(页面页面)内内存存分分配配时时每每个个页页面面对对应应地地分分配配一一个个页页框框，而而一一个个进进程程所分得页框在位置上不必是连续的。所分得页框在位置上不必是连续的。页页表表：操操作作系系统统为为每每个个用用户户程程序序建建立立一一张张页页表表，该该表表记记录录用用户户程程序序的的每每个个逻逻辑辑页页面面存存放放在在哪哪一一个个内存物理页框。内存物理页框。7页页6页页5页页4页页3页页2页页1页页0页页用户程用户程序序1191076425块号块号76543210页号页号页表页表11109876543210内存内存页面页面页框页框pdfCPUpdfdff00000000f11111111逻辑地逻辑地址址物理地物理地址址页表页表物理内物理内存存分页式内存管理从逻辑地址到物理地址的映射分页式内存管理从逻辑地址到物理地址的映射：(了解了解)页号页号p页内地址页内地址d（偏移量）（偏移量）注：逻辑地址的表示：注：逻辑地址的表示：4.4内存管理内存管理4.5.1 基本思想4.5虚拟内存方案虚拟内存方案虚虚拟拟内内存存是是一一个个容容量量很很大大的的存存储储器器的的逻逻辑辑模模型型，它它不不是是任任何何实实际际的的物物理理存存储储器器。虚虚拟拟内内存存包包括括物物理理内内存和一部分外存存和一部分外存(这里所指的外存一般是指硬盘这里所指的外存一般是指硬盘)。4.5虚拟内存方案虚拟内存方案虚虚拟拟内内存存：对对于于一一个个进进程程来来讲讲，如如果果仅仅将将当当前前要要运运行行的的几几个个页页面面装装入入内内存存便便可可以以开开始始运运行行，而而其其余余页页面面可可暂暂时时留留在在磁磁盘盘上上，需需要要时时再再调调入入内内存存，并并且且调调入入时时也也不不占占用用新新的的内内存存空空间间，而而是是对对原原来来运运行行过过的的页页面面进进行行置置换换。这这样样，就就可可以以在在计计算算机机有有限限的的内内存存中中同同时时驻驻留留多多个个进进程程。而而对对用用户户来来讲讲感感觉觉到到系系统统提提供供了了足足够够大大的的物物理理内内存存，而而实实际际上上并并非非真真实实的的，这这就就是是虚虚拟拟内存。内存。4.5.2 页面请求与页面置换算法4.5虚拟内存方案虚拟内存方案 在在虚虚拟拟内内存存技技术术中中，进进程程运运行行时时并并没没有有将将所所有有页页面面装装入入到到内内存存，在在运运行行过过程程中中进进程程会会不不断断地地请请求求页页面面，如如果果访访问问的的页页面面已已在在内内存存，就就继继续续执执行行下下去去；但但如如果果要要访访问问的的页页面面尚尚未未调调入入内内存存，便便请请求求操操作作系系统统将将所所缺缺页页面面调调入入内内存存，以以便便进进程程能能继继续续运运行行，这这个过程叫页面请求。个过程叫页面请求。如如果果请请求求页页面面调调入入内内存存时时，分分配配给给该该进进程程的的页页框框已已用用完完，就就无无法法立立即即装装入入所所请请求求页页面面。此此时时，必必须须将将进进程程中中的的某某个个页页面面从从内内存存的的页页框框调调出出到到磁磁盘盘上上，再再从从磁磁盘盘上上将将所所请请求求的的页页面面调调入入到到内内存存该该页页框框中中，这个过程叫页面置换。这个过程叫页面置换。动动画画4.6.1 文件的概念4.6文件管理文件管理 文件：保存在外存上的相关信息的集合。文件：保存在外存上的相关信息的集合。文件命名：文件主名文件命名：文件主名+扩展名扩展名文件的扩展名一般用来标明文件的类型。例如：文件的扩展名一般用来标明文件的类型。例如：.EXE可执行文件可执行文件.SYS系统文件系统文件.TXT文本文件文本文件.BASBasic源程序源程序.DOCWord文档文档.BAK备份文备份文件件在在Windows系统中，系统中，我们还可以通过图标的不同我们还可以通过图标的不同来区分文件的类型，但是显来区分文件的类型，但是显示文档图标的依据仍然是文示文档图标的依据仍然是文件的扩展名，所以修改文件件的扩展名，所以修改文件的扩展名，会使系统无法识的扩展名，会使系统无法识别文件的类型。别文件的类型。常见的几种文件图标常见的几种文件图标 4.6文件管理文件管理只读：只允许授权用户进行读操作。只读：只允许授权用户进行读操作。读写：只允许授权用户进行读和写的操作。读写：只允许授权用户进行读和写的操作。文档：允许任何用户进行读写操作。文档：允许任何用户进行读写操作。隐藏：不允许用户直接看到文件名。隐藏：不允许用户直接看到文件名。一个文件可以有不同的存取属性，例如：一个文件可以有不同的存取属性，例如：4.6文件管理文件管理操操作作系系统统对对文文件件的的基基本本操操作作包包括括：创创建建文文件件、文文件件写写、文文件件读读、文文件件内内重重定定位位、文文件件删删除除、文文件件截短等操作。截短等操作。(1)创创建建文文件件：就就是是首首先先要要在在文文件件系系统统中中寻寻找找可可用用的的空空间间并并进进行行分分配配，然然后后再再在在目目录录中中为为新新文文件件建建立立一个目录条。一个目录条。(2)文文件件写写：根根据据指指定定的的文文件件名名在在目目录录中中搜搜索索到到目录条，以确定文件所在具体位置；完成写操作。目录条，以确定文件所在具体位置；完成写操作。(3)文文件件读读：根根据据指指定定的的文文件件名名在在目目录录中中搜搜索索到到目录条，完成读操作。目录条，完成读操作。4.6文件管理文件管理 (4)文文件件内内重重定定位位：根根据据相相应应搜搜索索条条件件设设置置当当前前文件读文件读/写位置（即不必每次都从文件开始端读写）。写位置（即不必每次都从文件开始端读写）。(5)文文件件删删除除：根根据据指指定定的的文文件件名名在在目目录录中中搜搜索索到到目目录录条条，以以确确定定文文件件所所在在具具体体位位置置；释释放放文文件件所所占占用的空间；在目录中删除相应目录条。用的空间；在目录中删除相应目录条。(6)文文件件截截短短：删删除除文文件件的的内内容容而而保保留留其其属属性性，只只是将文件的长度设置为是将文件的长度设置为0并释放所占的空间。并释放所占的空间。以以上上6个个基基本本操操作作组组成成了了文文件件操操作作的的最最小小集集合合。对对文文件件的的其其它它操操作作还还包包括括文文件件复复制制、文文件件重重命命名名、为为文件追加信息、更改文件属性等。文件追加信息、更改文件属性等。4.6.2 文件的物理结构和逻辑结构文件的逻辑结构文件的逻辑结构无结构文件无结构文件有结构文件有结构文件流式文件流式文件索引顺序文件索引顺序文件顺序文件顺序文件索引文件索引文件4.6文件管理文件管理 文文件件结结构构分分物物理理和和逻逻辑辑结结构构。其其中中物物理理结结构构是是文文件件在在外外存存上上的的存存储储形形式式(如如：顺顺序序结结构构、链链接接结结构构、索索引引结结构构)，它它与与具具体体的的存存储储设设备备有有关关。文文件件逻逻辑辑结结构构是是指指用用户户能能直直接接感感受受到到的的文文件件组组织织结结构构，它与具体的存储设备无关。它与具体的存储设备无关。(1)(1)无结构文件无结构文件无结构文件无结构文件main()int a,b,sum;scanf(%d%d,&a,&b);sum=a+b;printf(sum=%d,sum);4.6文件管理文件管理(2)(2)有结构文件有结构文件有结构文件有结构文件学号学号姓名姓名性别性别电话电话邮箱地址邮箱地址0001张为华张为华男男0002赵国迎赵国迎男男0003韩莹莹韩莹莹女女可以看成是由无结构可以看成是由无结构的字符序列组成的文件。的字符序列组成的文件。如文档、源程序等。如文档、源程序等。是带有结构的、性质相同的记录的集合。是带有结构的、性质相同的记录的集合。顺顺序序文文件件：文文件件所所包包含含的的一一系系列列记记录录按按照照某某种种顺顺序序依依次次连连续续存存储储。顺顺序序文文件件是是按按记记录录进进入入文文件件的的先后顺序存放、其逻辑顺序和物理顺序一致的文件。先后顺序存放、其逻辑顺序和物理顺序一致的文件。4.6文件管理文件管理根根据据用用户户和和系系统统管管理理的的需需要要，有有结结构构文文件件可可有有以下几种：以下几种：3210逻辑顺序序42ABC块数数起起始始 文件文件名名例例10123456710111213141516171819 物物理理存存储储8970ABC结束束起起始始文文件名件名3210逻辑顺序序例例20 9481216159 213172 7610141837-1111519物物 理理存储存储4.6文件管理文件管理索引文件：由主文件和索引表构成。在文件目索引文件：由主文件和索引表构成。在文件目录中指定索引表的位置，就可以实现快速访问。录中指定索引表的位置，就可以实现快速访问。按输入记录的先后次序建立数据区和索引表。按输入记录的先后次序建立数据区和索引表。全部记录输入完毕后对索引表进行排序，排序全部记录输入完毕后对索引表进行排序，排序后的索引表和主文件一起就形成了索引文件。后的索引表和主文件一起就形成了索引文件。索引顺序文件：顺序文件和索引文件的结合。索引顺序文件：顺序文件和索引文件的结合。4.6文件管理文件管理15ABC索引表索引表地址地址 文件文件名名索引举例索引举例0123456710111213141516171819 物理存储物理存储8915581760123关关键键字字物物理理地地址址(略略)4.6.3 文件的访问方式1.1.顺序访问方式顺序访问方式4.6文件管理文件管理主主要要适适合合于于对对顺顺序序文文件件的的访访问问。其其访访问问的的位位置置是是由由指指针针定定位位的的。读读操操作作时时，读读取取指指针针所所指指示示位位置置的的内内容容，并并自自动动将将指指针针向向后后移移动动指指示示下下一一次次读读的的位位置置。而写操作时，所写的内容总是添加到文件的尾部。而写操作时，所写的内容总是添加到文件的尾部。所所有有存存储储在在顺顺序序存存储储设设备备(如如磁磁带带)上上的的文文件件，都都只只能能是是顺顺序序文文件件，所所以以顺顺序序访访问问方方式式是是基基于于磁磁带带的的模模型。该访问方式对直接存储设备型。该访问方式对直接存储设备(如磁盘如磁盘)也适合。也适合。文件的访问方式是由文件性质和存储介质决定的。文件的访问方式是由文件性质和存储介质决定的。文件的访问方式是由文件性质和存储介质决定的。文件的访问方式是由文件性质和存储介质决定的。2.2.直接访问方式直接访问方式4.6文件管理文件管理直直接接访访问问也也称称随随机机访访问问，它它指指的的是是允允许许跳跳跃跃式式地地随随意意存存取取文文件件中中的的任任何何记记录录，而而不不需需要要任任何何顺顺序序限限制制。直直接接访访问问是是最最为为常常见见和和高高效效的的文文件件访访问问方方式式。磁磁盘盘是是随随机机存存储储设设备备，所所以以直直接接访访问问方方式式是是基基于于磁磁盘的模型。盘的模型。3.索引访问方式索引访问方式在在进进行行文文件件访访问问时时，首首先先对对索索引引文文件件按按关关键键字字进进行行检检索索，查查找找到到指指向向数数据据记记录录的的指指针针，根根据据该该指指针实现对具体数据记录的访问。针实现对具体数据记录的访问。4.6文件管理文件管理 总总之之，文文件件的的存存取取方方式式是是与与文文件件性性质质、文文件件存存储储介质相关联的。介质相关联的。存存储介介质磁磁带磁磁盘文件的文件的逻辑结构构顺序文件序文件顺序文件序文件索引文件索引文件文件的物理文件的物理结构构顺序序结构构(连续文件文件)顺序序结构构(连续文件文件散列文件散列文件)链接接结构构(连接文件接文件)索引索引结构构(索引文件索引文件)文件文件访问方式方式顺序序顺序序/随机随机顺序序顺序序/随机随机/索引索引4.6.4 文件的目录结构4.6文件管理文件管理通通常常，一一个个磁磁盘盘至至少少应应包包含含一一个个分分区区，每每个个分分区用来保存文件和目录结构区用来保存文件和目录结构。文文件件目目录录的的组组成成：每每个个文文件件有有一一个个文文件件控控制制块块FCB，它它是是文文件件存存在在的的标标志志，存存放放了了为为管管理理文文件件所所需需的的所所有有有有关关信信息息。把把所所有有的的文文件件控控制制块块组组织织在在一一起起，就就构构成成了了文文件件目目录录，每每个个文文件件控控制制块块就就是是其其中中的的一一个个目目录录项。项。4.6文件管理文件管理文文件件的的目目录录系系统统可可以以组组织织成成单单层层目目录录结结构构、双双层层目目录录结结构构、树树型型目目录录结结构构、无无环环路路目目录录结结构构和和通通用图目录结构。用图目录结构。单层目录结构单层目录结构双层目录结构双层目录结构4.6文件管理文件管理树树型型目目录录结结构构是是目目前前使使用用最最为为广广泛泛的的一一种种目目录录结结构构。这这种种目目录录结结构构在在逻逻辑辑上上的的构构成成是是一一棵棵树树，子子目录是树枝，而文件是树叶。目录是树枝，而文件是树叶。动动画画4.7.1 I/O设备和主要术语4.7输入输出系统管理输入输出系统管理每每台台计计算算机机都都配配备备了了许许多多外外部部设设备备，它它们们的的性性能能和和操操作作方方式式都都不不一一样样。操操作作系系统统对对设设备备(即即输输入入/输输出出系系统统)管管理理的的主主要要目目标标是是方方便便用用户户使使用用外外部部设设备备，提高提高CPU和设备的利用率。和设备的利用率。I/O设备与计算机通信的连接点被称为端口设备与计算机通信的连接点被称为端口。用用于于操操作作端端口口、总总线线和和设设备备的的一一组组电电子子器器件件，是设备与总线的连接装置。是设备与总线的连接装置。1.I/O设备端口设备端口2.I/O设备控制器设备控制器中中断断的的概概念念:中中断断是是现现代代计计算算机机中中CPU处处理理外外部部突突发发事事件件的的一一个个重重要要技技术术。它它能能使使CPU在在运运行行过过程程中中对对外外部部事事件件发发出出的的中中断断请请求求及及时时地地进进行行处处理理，处处理理完完成成后后又又立立即即返返回回断断点点，继继续续进进行行CPU原原来来的的工工作。根据中断源的不同，可以把中断分为作。根据中断源的不同，可以把中断分为:中断中断硬中断硬中断软中断软中断外部中断外部中断内部中断内部中断如：键盘中断、打印机中断等如：键盘中断、打印机中断等如突然掉电、除数为零等如突然掉电、除数为零等程序运行时其它程序对它的中断程序运行时其它程序对它的中断动动画画1.IRQ（InterruptRequest）（）（线线）IRQ即即中中断断请请求求线线。计计算算机机中中有有许许多多设设备备（例例如如声声卡卡、硬硬盘盘等等）需需要要定定期期中中断断CPU，让让CPU为为其其做做一一些些特特定定的的工工作作。这这些些设设备备在在中中断断请请求求线线上上把把请请求求中中断断的的信信号号发发给给CPU。所所以以每每个个设设备备只只能能使使用用自自己己独独立立的的中中断断请请求求线线(PCI总总线线、USB总总线线上上的的设设备备可可共共享享)。一一般般微微机机共共有有16条条中中断断请请求求线线与与各各 种种 外外 设设 相相 连连 接接，(每每 个个 中中 断断 线线 有有 一一 个个 标标 号号 也也 就就 是是 中中 断断 号号)。2.DMA（DirectMemoryAccess）（）（芯片芯片）计计算算机机与与外外设设之之间间的的联联系系一一般般通通过过两两种种方方法法：一一是是通通过过CPU控控制制来来进进行行数数据据的的传传送送；二二是是在在芯芯片片控控制制下下进进行行数数据据的的传传送送。在在DMA方方式式下下，外外设设利利用用DMA芯芯片片直直接接将将数数据据写写入入或或读读出出存存储储器器，而而基基本本不不用用CPU参参与与，系系统统的速度会大大增加。的速度会大大增加。3.I/O端口地址（端口地址（Input/Output）（）（地址地址）每每个个端端口口都都有有自自己己唯唯一一的的一一个个端端口口号号，这这个个端端口口号号称称为为地地址址。每每一一个个和和CPU通通信信的的外外设设都都有有不不同同的的I/O地地址址，通通常常在在PC机机内内部部一一共共有有1024个个地地址。址。4.7.2 输入/输出控制方式4.7输入输出系统管理输入输出系统管理 (1)程序控制方式程序控制方式 早早期期采采用用的的方方式式。CPU向向设设备备控控制制器器发发出出一一条条I/O指指令令启启动动设设备备进进行行一一个个字字节节的的输输入入或或输输出出，然然后后CPU就就等等待待I/O设设备备进进行行数数据据传传送送，直直到到一一个个字字节节传传送完毕后送完毕后CPU再继续处理下一个字节的输入或输出。再继续处理下一个字节的输入或输出。CPU绝绝大大部部分分时时间间都都用用于于循循环环等等待待及及测测试试I/O是是否否完完成成，造造成成CPU资资源源的的极极大大浪浪费费。CPU和和外外围围设设备备只能串行工作。只能串行工作。CPU通过端口对外设进行控制的方式有以下几种：通过端口对外设进行控制的方式有以下几种：4.7.2 输入/输出控制方式4.7输入输出系统管理输入输出系统管理 (2)中断驱动方式中断驱动方式 首首先先由由CPU向向相相应应设设备备的的控控制制器器发发出出一一条条I/O命命令令，然然后后CPU立立即即返返回回继继续续执执行行原原来来的的任任务务，设设备备控控制制器器则则按按照照命命令令的的要要求求去去控控制制I/O设设备备工工作作。这这时时CPU与与I/O设备并行工作。设备并行工作。这这种种方方式式CPU的的利利用用率率较较高高。但但这这种种方方式式的的缺缺点点是是在在一一次次数数据据传传送送过过程程中中，发发生生中中断断次次数数较较多多(每每传传一一个个字字节节就就要要请请示示求求中中断断)，这这将将耗耗去去大大量量CPU处处理时间。理时间。4.7输入输出系统管理输入输出系统管理 (3)直接存储器访问方式直接存储器访问方式 引引入入DMA控控制制器器后后，在在其其控控制制下下，以以数数据据块块为为单单位位完完成成设设备备与与内内存存间间的的数数据据交交换换，当当数数据据块块传传送送完毕时才需要完毕时才需要CPU干预。该方式干预。该方式CPU的利用率高。的利用率高。(4)通道控制方式通道控制方式 通通道道实实际际上上是是一一种种比比DMA芯芯片片功功能能更更强强的的设设备备。通通道道控控制制方方式式是是DMA的的发发展展，它它把把对对每每一一块块数数据据的的读读写写变变成成对对一一组组数数据据块块的的读读写写，可可以以进进一一步步减减少少CPU的干预。更大程度地提高了系统资源的利用率。的干预。更大程度地提高了系统资源的利用率。4.7.3 I/O缓冲管理现现代代操操作作系系统统中中，I/O设设备备与与CPU(实实际际指指内内存存)交交换换数数据据时时，需需要要使使用用缓缓冲冲技技术术。也也就就是是为为I/O设设备备设设置置缓缓冲冲区区暂暂存数据，等到数据积累到一定程度时，再做批量处理。存数据，等到数据积累到一定程度时，再做批量处理。引入缓冲：引入缓冲：(1)缓和缓和CPU与与I/O设备间速度不匹配的矛盾；设备间速度不匹配的矛盾；(2)减少对减少对CPU中断频率；中断频率；(3)提高提高CPU与与I/O设备间的并行性。设备间的并行性。4.7输入输出系统管理输入输出系统管理4.7.4 设备驱动程序4.7输入输出系统管理输入输出系统管理设设备备驱驱动动程程序序与与具具体体设设备备有有关关，用用户户安安装装好好硬硬件件后后还还要要再再安安装装驱驱动动程程序序，计计算算机机才才能能识识别别和和使使用用该该设设备备。每每个个外外部部设设备备都都有有相相应应的的设设备备驱驱动动程程序序，它它也也是是硬硬件件的的身身份份识识别别标标志志，负负责责完完成成设设备备具具体体的的各种动作各种动作(输入输入/输出操作输出操作)。一一旦旦为为I/O设设备备安安装装了了驱驱动动程程序序，那那么么应应用用程程序序在在使使用用I/O设设备备时时，就就不不必必关关心心设设备备的的特特性性、I/O控制方式，这样就实现了应用程序与设备的无关性。控制方式，这样就实现了应用程序与设备的无关性。动动画画4.8典型操作系统典型操作系统你听过用过你听过用过哪些操作系统？哪些操作系统？4.8.1 Unix4.8典型操作系统典型操作系统Unix是是 一一 个个 交交互互式式、分分时时多多用用户户并并支支持持网网络络的的操操作作系系统统，是是可可以以运运行行在在从从微微机机到到巨巨型型机机在在内内的的各各种种机机型型上上的的通通用用操操作作系系统统。目目前前主主要要用用于于网网络络服服务务器器、大大中中小小型型机。机。主流产品：主流产品：FreeBSD运行界面运行界面主主流流产产品品：Solaris运运行行界界面面1969年，贝尔年，贝尔电话实验室的电话实验室的专家开发了专家开发了-Unix操作系统。操作系统。4.8典型操作系统典型操作系统 4.8.24.8.2 DOSDOS是是微微型型计计算算机机早早期期所所使使用用的的桌桌面面操操作作系系统统。是是单单用用户户、单单任任务务和和字字符符界界面面的的操操作作系系统统，主主要要为为16位微型计算机而设计，属于淘汰产品。位微型计算机而设计，属于淘汰产品。MS-DOS运行的界面运行的界面1981年，年，IBM发布了发布了IBM 5150 PC，采用了，采用了Microsoft提供的提供的DOS（Disk Operating System）。）。4.8.3 Windows4.8典型操作系统典型操作系统Windows是是Microsoft公司为个人计算机及其公司为个人计算机及其服务器开发的操作系统。从服务器开发的操作系统。从1985年发展至今，开发年发展至今，开发了众多的版本，对个人计算机的普及及应用起到了了众多的版本，对个人计算机的普及及应用起到了重要的作用。重要的作用。Windows95之前的发展历程之前的发展历程4.8典型操作系统典型操作系统Windows95之后的发展历程之后的发展历程4.8典型操作系统典型操作系统Windows操作系统被广泛使用，主要是因为操作系统被广泛使用，主要是因为其具有以下基本特点：其具有以下基本特点：(1)界面图形化，操作便捷界面图形化，操作便捷以前以前DOS的字符界面使得一些用户操作起来十的字符界面使得一些用户操作起来十分困难。采用了图形界面和使用鼠标后，人们不必分困难。采用了图形界面和使用鼠标后，人们不必学习太多的操作系统知识，只要会使用鼠标就能进学习太多的操作系统知识，只要会使用鼠标就能进行工作。行工作。(2)采用多任务机制采用多任务机制用户使用计算机时可以同时运行多个程序完成用户使用计算机时可以同时运行多个程序完成多种任务。多种任务。4.8典型操作系统典型操作系统(3)支持网络功能。支持网络功能。用户可以很方便地在用户可以很方便地在Windows中实现资源共享。中实现资源共享。(4)出色的多媒体功能出色的多媒体功能可以进行音频、视频的编辑可以进行音频、视频的编辑/播放工作。播放工作。(5)硬件更容易使用硬件更容易使用支持支持“即插即用即插即用”技术，这使得新硬件的安装更技术，这使得新硬件的安装更加简单。只要有其驱动程序，加简单。只要有其驱动程序，Windows就能自动识别就能自动识别并进行安装。并进行安装。(6)具有众多应用程序的支持具有众多应用程序的支持市面上有足够多的在市面上有足够多的在Windows下运行的应用程序下运行的应用程序可以满足用户各方面的需求。可以满足用户各方面的需求。4.8典型操作系统典型操作系统 微微软软作作为为世世界界最最强强大大公公司司之之一一，90年年代代蓬蓬勃勃兴兴起起，凭凭借借着着其其成成功功的的商商业业推推广广模模式式，一一步步步步把把自自己己的操作系统做成了世界上最流行的操作系统。的操作系统做成了世界上最流行的操作系统。微微软软产产品品已已深深入入到到我我们们的的中中、小小学学课课本本，影影响响着着一一代代乃乃至至几几代代人人。我我国国在在科科研研、教教学学、商商业业等等方方面面的的软软件件投投入入都都建建立立在在Windows基基础础上上，从从军军队队到到地地方方、从从政政府府到到民民间间，微微软软产产品品横横扫扫中中国国大大江江南南北北。这就是操作系统在我国的使用现状。这就是操作系统在我国的使用现状。4.8.4 LinuxLinux是是Unix家家族族中中的的一一员员，是是一一个个诞诞生生于于网网络络、成成长长于于网网络络且且成成熟熟于于网网络络的的操操作作系系统统。Linux是是一一个个免免费费、源源代代码码开开放放、自自由由传传播播的的操操作作系系统统。它它既既可可以以做做各各种种服服务务器器操操作作系系统统，也也可可以以安安装装在在微微机机上，我国自行开发的有红旗、蓝点、麒麟上，我国自行开发的有红旗、蓝点、麒麟Linux等。等。4.8典型操作系统典型操作系统国产红旗国产红旗Linux运行界面运行界面1991年年，芬芬兰兰赫赫尔尔辛辛 基基 大大 学学 的的 学学 生生Linus Torvalds编编写写了了Linux，并并把把源源码码放放在在Internet上上，得得到了迅猛发展。到了迅猛发展。4.8典型操作系统典型操作系统 4.8.5 4.8.5 Mac OSMacOS是是运运行行在在苹苹果果系系列列微微机机上上的的操操作作系系统统。苹苹果果机机多多用用于于图图形形领领域域，它它往往往往代代表表了了潮潮流流和和时时尚尚，代表精美的工业设计，但它不兼容代表精美的工业设计，但它不兼容Windows软件。软件。MacOS运行界面运行界面1984年年，Apple公公司司发发布布了了System 1，这这是是世世界界上上第第一一款款图图形形化化用用户户界界面面操操作作系系统统。从从System 7.6版版开开始始，更更名名为为Mac OS。几种计算机操作系统比较Windows-雄霸天下雄霸天下Linux-后起之后起之秀秀MacOS-新潮时尚新潮时尚DOS-昨日黄花昨日黄花Unix-华丽高贵华丽高贵ChromeOS2009明天明天 1.在软件中的作用 操操作作系系统统对对整整个个软软件件产产业业影影响响极极大大。随随着着Windows Windows 7 7 的的推推广广应应用用，又又将将引引起起新新一一轮轮的的软软件件更更新新换换代。代。2.经济作用经济作用 使使用用国国外外(微微软软)的的操操作作系系统统，所所有有应应用用软软件件都都在在其其掌掌控控之之下下，我我国国自自主主软软件件产产业业的的发发展展将将受受制制于于人人。如如同同将将荒荒地地开开发发成成良良田田，让让大大家家种种庄庄稼稼，若若有有收获就得交土地使用费，否则侵权。收获就得交土地使用费，否则侵权。操作系统的作用操作系统的作用3.意义和价值 操操作作系系统统决决定定软软件件产产业业发发展展，是是信信息息产产业业的的基基石石，是是“两两件件一一芯芯”(操操作作系系统统、CPUCPU、数数字字化化芯芯片片)中中的的一件，地位可堪比当年的一件，地位可堪比当年的“两弹一星两弹一星”。操操作作系系统统是是硬硬件件发发展展的的标标准准和和导导向向，是是软软件件开开发基础，谁掌握操作系统，谁就统领信息领域。发基础，谁掌握操作系统，谁就统领信息领域。目目前前我我国国的的操操作作系系统统等等基基础础软软件件主主要要依依赖赖国国外外进进口口，特特别别是是在在国国防防、金金融融等等关关键键领领域域大大量量应应用