第3章操作系统

打印机
安装了操作系统的计算机
3.2 操作系统的发展过程
– 人工操作方式 – 脱机输入/输出方式 – 单道批处理系统 – 多道批处理系统 – 分时系统 – 实时系统 – 网络操作系统 – 分布式系统
3.3 操作系统的主要功能
⑴处理机管理 ⑵存储器管理 ⑶设备管理 ⑷文件管理 ⑸用户接口
处理机管理
文件开、关、文件共享 增、删、改、文件保护 复制、更名 ……
……
物理结构
连续文件 串联文件 索引文件 Hash文件
目录结构
文件目录结构
• 为了实现对文件的有效管理，要对它们进行周密的 组织。采用树形文件目录结构是最常用的一种文件 组织形式。 • 文件系统的目录结构的作用与图书中目录的作用完 全相同，实现快速检索。同时，对文件目录管理还 要求具有：
进程的状态
• 进程在其生存周期内，其执行过程是间断性的，因此 进程状态是不断变化。
• 就绪状态。进程已经获得了除CPU之外所需资源，一旦得到 CPU，就可以立即执行。 • 运行状态。进程获得了CPU及其它一切所需资源，正在运行。 • 等待状态。由于某种资源得不到满足，进程运行受阻，处于 暂停状态，等待分配到所需资源后，再投入运行。
3.5 典型操作系统简介
1．MS-DOS 是美国Microsoft公司为16位 字长计算机开发的、基于字符（命令行） 方式的单用户、单任务的个人计算机OS。 2．WINDOWS 是Microsoft开发的一个多 任务的OS，它采用图形窗口界面，使用 户对计算机的各种复杂操作只需通过点 击鼠标即可轻松地实现。
外存
虚拟存储器
内存
（3）设备管理
• 按照硬件设备类型制定分配和使用设备的策略， 最大程度地实现并行操作
– 负责控制和操纵所有I/O设备； – 实现不同类型的I/O设备之间、I/O设备与CPU之间、 I/O设备与通道和I/O设备与控制器之间的数据传输， 使它们能协调地工作； – 为用户提供高效、便捷的I/O操作服务。
CPU时间片
CPU
程序排队队列 程序1 程序1
程序2
程序3 程序3 …... 程序N
（2）存储器管理
• 主要任务是对内存进行分配、保护和扩充。
– 内存分配：按分配策略和算法分配主存空间 – 内存保护：保护各类程序（系统的、用户的、应 用程序的）及数据区免遭破坏 – 内存扩充：解决在小的存储空间中运行大程序的 问题，即虚拟存储问题。
裸机：听不懂！
• 用户面对的是一个整体的计算机系统，分为虚拟 机和物理机两个部分。 • 用户实际操作的是虚拟机，物理机是由OS管理和 操作的。 • 优点：将复杂的物理操作剥离并下移，交给OS去 处理。
我要打印这份报告。
工作！打印！
用户
接收用户输入的文档内 容；驱动打印机；将文 档放入缓冲；文档送至 打印机！
– 输入文件是指通过输入设备向主存中输入数据的文件。 – 输出文件是指通过输出设备从主存向外输出的文件。
• 文件管理
– 即实现对文件的各种操作。 – 包括：文件的建立、修改、打开、关闭、复 制、删除等等
文件系统
文件组织 逻辑结构
流式文件 记录式文件
文件存取 顺序存取 随机存取 按键存取
文件操作
文件控制
• 在多道程序系统中，由于受资源的制约，每个程序 处理过程的行为和状态是不确定的。
I1 I2 C1 I3 C2 P1 C3 P2 P3
T1
T2
T3
T
• C1和I2在T1时刻、P1、C2和I3在T2时刻、P2和C3 在T3时刻都是并发执行的。由此产生资源竞争和相 互制约问题。 • 在多道程序环境下，由于资源竞争和制约，使程序 失去了固有的特性：封闭性、可再现性。
进程调度方式
• 进程调度方式分为两种： • 非剥夺式调度 是让正在执行的进程继续执行， 直到该进程完成或发生其它事件，才移交CPU 控制权。
• 剥夺式调度 是当“重要”的或“系统”的进程 出现时，便立即暂停正在执行的进程，将CPU 控制权分配给“重要”的或“系统”的进程。
进程调度算法
• 选择调度算法要考虑的因素：
• 文件系统 FILE SYSTEM
– 以某种方式在外存中组织的文件集合，及实 现对文件集合进行管理的操作机制。 – 简单地说：文件系统是专用于组织、管理、 操作文件的应用系统。 – 文件系统可实现对文件的“按名操作”。
文件分类
• 按用途分类：
– 系统文件是由系统软件构成的文件。 – 用户文件是用户委托文件系统保存的文件。 – 库文件指系统提供给用户使用的各种标准过程、函数和应用程序等构 成的文件。
– – – – 按名存取 快速检索 通过合理地组织目录结构，实现快速检索。 文件共享 允许多个用户共享一个文件。 允许文件重名 允许不同用户按自己的习惯和实际需要命 名文件。
文件共享与文件保护
• 文件共享多个用户同时使用一个文件 • 现代文件共享方法，就是解决在一个文件副本 的情况下多用户共享的技术和方法。不同的是， 共享的范围不断扩大，从单机系统、多机系统、 局域网系统，到现在的互联网范围中的文件共 享。 • 文件保护实际上有两层含义：文件保护和文件 保密；文件保护是指避免因有意或无意的误操 作使文件受到破坏；文件保密是指未经授权不 能访问文件。
为什么要有操作系统？
• 从用户角度来看，计算机系统应该是一个稳 定的、对用户友好、便于操作的平台。
对计算机我一窍不通，如 何进行操作！！？
用户
应用系统 语言编译系统 操作系统 机器系统


但是，实际上用户对硬件直接进行操作是极其困难、 甚至是不可能的。 怎么办？……
用户：我要打印这 份报告。
打印机：没反应！
（5）用户接口
• 两种接口
– 命令接口 – 程序接口
3.4 操作系统的特征
1．并发性。可以同时执行多个程序。 2．共享性。多个并发执行的程序可以共同使用 系统的资源。 3．虚拟性。是把逻辑部件和物理实体有机结合 为一体的处理技术。通过虚拟技术，可以实现 虚拟处理器、虚拟存储器、虚拟设备等。 4．不确定性。由于系统共享资源有限，并发程 序的执行受到一定的制约和影响。
• 目的：
– ①方便用户操作。 – ②提高设备利用率和处理效率。 – ③设备独立于用户程序。
（4）文件管理
• 文件与文件系统
– 文件。特指存放于计算机中、具有唯一文件名的一组相关 信息的集合。 – 文件系统。顾名思义是管理和操作文件的系统。与人工管 理文件系统一样，它要解决文件的组织管理（分类编目）， 在此基础上实现文件操作。 – 文件系统功能。从OS管理资源的角度看，文件系统应具有 以下功能：
存储管理
操作系统
文件管理
设备管理
⑴处理机管理
• 在多任务程序环境下，处理机的分配和 运行是以进程为基本单位的。
– – – – 进程控制 进程同步 进程通信 进程调度
程序的特性
• 假设一个程序分为三个程序段；输入(I)、计算(C） 和输出(P)。显然，在单道程序处理系统中，因为程 序独占全部系统资源，它们将按I→C→P的顺序执行， 即只有输入了信息才能进行计算，只有计算产生了结 果才能输出。这种方式被称为程序的顺序执行。 • 程序顺序执行具有3个特征：
• PCB是进程控制的核心机制（数据表格）， OS就是通过PCB实现对进程的控制和管理的。
进程控制块及其作用
• 每当系统创建一个进程时，即自动创建一个PCB。 • PCB中包含的主要信息有：
序号 1 表项 进程标识 进程名称 内容说明
2
3 4 5
进程调度信息
进程现场信息 进程控制信息 进程家族信息
进程控制
• 进程控制的主要任务是调度和管理进程 从“创生”到“消亡”整个生存周期过 程中的所有活动，包括创建进程、转变 进程的状态、执行进程、撤消进程等操 作。 • 如何控制进程？通过怎样的机制实现控 制？
– 进程的组成 – 进程控制块及其作用
进程的组成
• 进程由三部分组成：
– 程序块。就是程序本身，用于描述进程所要完成的 操作； – 数据集合。它包括进程执行时所需要的数据集和工 作区； – 进程控制块 PCB（Process Control Block）。PCB 用于记录进程的各种信息，反映进程动态特性的变 化。
• • • • 解决如何组织和管理文件。 实现文件的“按名存取”操作机制。 提供文件共享功能及保护措施。 实现用户要求的各种操作。包括文件的创建、修改、复制、删除 等。
• 文件 FILE
– 存于计算机中且具有唯一名字的一组相关信息 的集合。 – 计算机中的所有信息、包括各种不同类型的程 序都是以文件的形式存放的。 – 对计算机的操作，实际上是对文件的操作。
虚拟存储器技术
• 它的基本思想是： • 把部分外存空间作为主存使用，以此为用户提供足 够大的地址空间——虚存空间。用户可以在这个地 址空间内编程，而完全不考虑主存的大小。 • 虚拟存储器技术实际上是采用内、外存结合的办法 实现的。硬件负责虚实地址的转换；软件负责实存 （主存）和虚存（外存）之间的信息调度管理。
进程调度 运行状态 等 待 资 源
就绪状态 就绪状态
时间用完
获得资源 等待状态
进程与程序的区别
• 静和动。程序是“静止”的，它描述的是静态的指 令集合及相关的数据结构；进程是“活动”的，它 描述程序执行起来的动态行为。 • 程序可以脱离机器长期保存。而进程是执行着的程 序，当程序执行完毕，进程也就不存在了。进程的 生命是暂时的。 • 程序不具有并发特征，不会受到其他程序的制约和 影响。进程具有并发性，因此受到其他进程的制约 和影响(争夺资源)。 • 进程与程序不一一对应。一个程序多次执行，可以 产生多个不同的进程；一个进程也可以对应多个程 序。
图3-8 多道程序并发执行