汤小丹--计算机操作系统-官方课件-第四版
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汤小丹《计算机操作系统》官方课件 第四版
汤小丹《计算机操作系 统》官方课件 第四版
汇报人： 202X-01-05
contents
目录
• 计算机操作系统概述 • 进程管理 • 内存管理 • 文件系统 • 设备管理
计算机操作系统概
01
述
操作系统的定义与功能
总结词
操作系统的定义与功能
详细描述
操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机之间的接口。操作系统 的功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户界面管理等。
操作系统的分类
总结词
操作系统的分类
详细描述
根据不同的分类标准，操作系统可以分为多种类型。根据运行环境，操作系统可以分为单机操作系统 和网络操作系统；根据功能，操作系统可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统和通 用操作系统；根据规模，操作系统可以分为个人操作系统和多用户操作系统等。
进程管理
内存管理
03
内存管理的概念与功能
内存管理概念
内存管理是操作系统中用于管理计算 机内存的子系统，负责分配和回收内 存空间，以及管理内存中的数据。
内存管理功能
内存管理的主要功能包括内存分配、 内存回收、地址转换和内存保护等。
内存的分配策略
静态分配
在程序运行前，系统根据程序的大小 和需求一次性分配所需的内存空间， 程序运行期间不再进行内存的重新分 配。
文件的访问控制机制
文件的访问控制机制包括访问控制表（ACL）、能力表（ Capabilities）等，用于限制用户对文件的访问权限。
文件的访问安全
文件的访问安全是指通过访问控制机制来确保文件的安全性和完整 性，防止未经授权的访问和修改。
设备管理
汇报人： 202X-01-05
contents
目录
• 计算机操作系统概述 • 进程管理 • 内存管理 • 文件系统 • 设备管理
计算机操作系统概
01
述
操作系统的定义与功能
总结词
操作系统的定义与功能
详细描述
操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机之间的接口。操作系统 的功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户界面管理等。
操作系统的分类
总结词
操作系统的分类
详细描述
根据不同的分类标准，操作系统可以分为多种类型。根据运行环境，操作系统可以分为单机操作系统 和网络操作系统；根据功能，操作系统可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统和通 用操作系统；根据规模，操作系统可以分为个人操作系统和多用户操作系统等。
进程管理
内存管理
03
内存管理的概念与功能
内存管理概念
内存管理是操作系统中用于管理计算 机内存的子系统，负责分配和回收内 存空间，以及管理内存中的数据。
内存管理功能
内存管理的主要功能包括内存分配、 内存回收、地址转换和内存保护等。
内存的分配策略
静态分配
在程序运行前，系统根据程序的大小 和需求一次性分配所需的内存空间， 程序运行期间不再进行内存的重新分 配。
文件的访问控制机制
文件的访问控制机制包括访问控制表（ACL）、能力表（ Capabilities）等，用于限制用户对文件的访问权限。
文件的访问安全
文件的访问安全是指通过访问控制机制来确保文件的安全性和完整 性，防止未经授权的访问和修改。
设备管理
汤小丹 计算机操作系统 官方课件 第四版
(2) 进程是一个程序及其 数据在处理机上顺序执行时所 发生的活动。
(3) 进程是具有独立功能 的程序在一个数据集合上运行 的过程，它是系统进行资源分 配和调度的一个独立单位。
所没有的PCB结构外，还具有 下面一些特征：
(1) 动态性。 (2) 并发性。 (3) 独立性。 (4) 异步性。
运行过程中呈现间断性的运行 规律，所以进程在其生命周期 内可能具有多种状态。一般而 言，每一个进程至少应处于以 下三种基本状态之一：
直接后继。在前趋图中，把没 有前趋的结点称为初始结点 (Initial Node)，把没有后继的 结点称为终止结点(Final Node)。此外，每个结点还具 有一个重量(Weight)，用于表 示该结点所含有的程序量或程 序的执行 时间。
P7→P9，P8→P9 或表示为：
P={P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9}
，即程序运行时独占全机资源 ，资源的状态(除初始状态外) 只有本程序才能改变它，程序 一旦开始执行，其执行结果不 受外界因素影响；③ 可再现性
：指只要程序执行时的环境和 初始条件相同，当程序重复执 行时，不论它是从头到尾不停 顿地执行，还是“停停走走” 地执行，都可获得相同的结果 。程序顺序执行时的这种特性 ，为程序员检测和校正程序的 错误带来了很大的方便。
个有向无循环图，可记为 DAG(Directed Acyclic Graph) ，它用于描述进程之间执行的 先后顺序。图中的每个结点可 用来表示一个进程或程序段， 乃至一条语句，结点间的有向 边则表示两个结点之间存在的 偏序(Partial Order)或前趋关系 (Precedence Relation)。
终结，它将进入终止状态。进 入终止态的进程以后不能再执 行，但在操作系统中依然保留 一个记录，其中保存状态码和 一些计时统计数据，供其他进 程收集。一旦其他进程完成了 对其信息的提取之后，操作系 统将删除该进程，即将其PCB 清零，并将该空白PCB返还系 统。图2-6示出了增加了创建 状态和终止状态后进程的五种 状态及转换关系图。
汤小丹计算机操作系统官方课件第四版共143页文档
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汤小丹计算机操作系统官方课件第四版
61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
汤小丹计算机操作系统官方课件第四版共143页
汤小丹计算机操作系统官方课件第四 版
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
37、我们唯一不会人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
37、我们唯一不会人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
汤小丹计算机操作系统官方课件第四版计算机操作系统课件PPT课件
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3. 运行时动态链接(Run-time Dynamic Linking) 在许多情况下，应用程序在运行时，每次要运行的模块可能是不相同 的。但由于事先无法知道本次要运行哪些模块，故只能是将所有可能要运 行到的模块全部都装入内存，并在装入时全部链接在一起。显然这是低效 的，因为往往会有部分目标模块根本就不运行。比较典型的例子是作为错 误处理用的目标模块，如果程序在整个运行过程中都不出现错误，则显然 就不会用到该模块。
多层结构的存储器系统 1. 存储器的多层结构 对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为CPU寄
存器，中间为主存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具 体的功能细分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可 移动存储介质等6层。如图4-1所示。
第2页/共101页
• 图4-1 计算机系统存储层次示意 第3页/共101页
第30页/共101页
• 图4-9 内存回收时的情况 第31页/共101页
• 图4-10 内存回收流程 第32页/共101页
基于顺序搜索的动态分区分配算法 1. 首次适应(first fit，FF)算法 我们以空闲分区链为例来说明采用FF算法时的分配情况。FF算法要
求空闲分区链以地址递增的次序链接。在分配内存时，从链首开始顺序查 找，直至找到一个大小能满足要求的空闲分区为止。然后再按照作业的大 小，从该分区中划出一块内存空间，分配给请求者，余下的空闲分区仍留 在空闲链中。若从链首直至链尾都不能找到一个能满足要求的分区，则表 明系统中已没有足够大的内存分配给该进程，内存分配失败，返回。
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主存储器与寄存器 1. 主存储器 主存储器简称内存或主存，是计算机系统中的主要部件，用于保存进
3. 运行时动态链接(Run-time Dynamic Linking) 在许多情况下，应用程序在运行时，每次要运行的模块可能是不相同 的。但由于事先无法知道本次要运行哪些模块，故只能是将所有可能要运 行到的模块全部都装入内存，并在装入时全部链接在一起。显然这是低效 的，因为往往会有部分目标模块根本就不运行。比较典型的例子是作为错 误处理用的目标模块，如果程序在整个运行过程中都不出现错误，则显然 就不会用到该模块。
多层结构的存储器系统 1. 存储器的多层结构 对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为CPU寄
存器，中间为主存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具 体的功能细分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可 移动存储介质等6层。如图4-1所示。
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• 图4-1 计算机系统存储层次示意 第3页/共101页
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• 图4-9 内存回收时的情况 第31页/共101页
• 图4-10 内存回收流程 第32页/共101页
基于顺序搜索的动态分区分配算法 1. 首次适应(first fit，FF)算法 我们以空闲分区链为例来说明采用FF算法时的分配情况。FF算法要
求空闲分区链以地址递增的次序链接。在分配内存时，从链首开始顺序查 找，直至找到一个大小能满足要求的空闲分区为止。然后再按照作业的大 小，从该分区中划出一块内存空间，分配给请求者，余下的空闲分区仍留 在空闲链中。若从链首直至链尾都不能找到一个能满足要求的分区，则表 明系统中已没有足够大的内存分配给该进程，内存分配失败，返回。
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主存储器与寄存器 1. 主存储器 主存储器简称内存或主存，是计算机系统中的主要部件，用于保存进
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图1-3 脱机I/O示意图
1.2.2 单道批处理系统 1. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)
的处理过程 为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方
式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)，在它 的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。
(3) 平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理， 因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。
(4) 无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至 作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试 程序极不方便。
3. 多道批处理系统需要解决的问题 多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统， 为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述 一系列问题： (1) 处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要， 又要能提高处理机的利用率。 (2) 内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必 要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出 现异常情况而破坏其它程序。 (3) I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系 统中的I/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能 提高设备利用率的目的。
(1) 用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用 户所独占。
(2) CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡) 等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。
2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式 为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛 盾，20世纪50年代末出现了脱机I/O技术。该技术是事先将 装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机 的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当 CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。
第8章汤小丹计算机操作系统官方课件第四版计算机操作系统课件
8.2 文件存储空间的管理
8.2.1 空闲表法和空闲链表法 1. 空闲表法 1) 空闲表 空闲表法属于连续分配方式，它与内存的动态分配方式雷同，它为每
个文件分配一块连续的存储空间。即系统也为外存上的所有空闲区建立一 张空闲表，每个空闲区对应于一个空闲表项，其中包括表项序号、该空闲 区的第一个盘块号、该区的空闲盘块数等信息。再将所有空闲区按其起始 盘块号递增的次序排列，形成空闲盘块表，如图8-9所示。
(1) 消除了磁盘的外部碎片，提高了外存的利用率。 (2) 对插入、删除和修改记录都非常容易。 (3) 能适应文件的动态增长，无需事先知道文件的大小。
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1. 隐式链接 在采用隐式链接组织方式时，在文件目录的每个目录项中，都须含有 指向链接文件第一个盘块和最后一个盘块的指针。
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8.1.5 索引组织方式 1. 单级索引组织方式 链接组织方式虽然解决了连续组织方式所存在的问题(即不便于随机
访问)，但又出现了另外两个问题，即：① 不能支持高效的直接存取，要 对一个较大的文件进行存取，须在FAT中顺序地查找许多盘块号；② FAT 需占用较大的内存空间，由于一个文件所占用盘块的盘块号是随机地分布 在 FAT 中 的 ， 因 而 只 有 将 整 个 FAT 调 入 内 存 ， 才 能 保 证 在 FAT 中 找 到 一 个 文件的所有盘块号。
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• 图8-4 MS-DOS的文件物理结构 第12页/共85页
2) 以簇为单位的FAT12文件系统 稍加分析便可看出，如果把每个盘块(扇区)的容量增大n倍，则磁盘 的最大容量便可增加n倍。但要增加盘块的容量是不方便和不灵活的。为 此，引入了簇(cluster)的概念。
汤小丹计算机操作系统官方第四PPT课件
页面置换算法
FIFO（先进先出）算法
选择最早进入内存的页面进行置换。
LRU（最近最少使用）算法
选择最近一段时间内最久未使用的页面进行 置换。
OPT（最佳）算法
选择将来最久不会被访问的页面进行置换， 需要预知未来的页面访问序列。
04
文件系统
文件的概念与类型
文件的基本概念
文件是存储在外部介质上的数据集合，是操作 系统进行数据管理的基本单位。
06
操作系统安全与保 护
操作系统安全概述
安全威胁的类型
病毒、蠕虫、木马、黑客攻击等。
操作系统安全的重要性
保护系统资源，防止未经授权的访问和破坏 。
安全策略的制定
访问控制、加密、防火墙等。
访问控制技术
访问控制的概念
通过身份认证和权限管理， 控制用户对系统资源的访问 。
访问控制的实现方式
自主访问控制、强制访问控 制、基于角色的访问控制等 。
担。
中断驱动I/O方式
利用中断机制实现CPU与I/O设备的 并行工作，提高CPU的利用率。
通道控制方式
使用通道控制器管理多个I/O设备， 实现更高效的I/O操作。
设备分配技术
独占设备分配
为进程分配独占设备，确保进程对设备的独占性 访问。
共享设备分配
允许多个进程共享同一设备，通过时间片轮转或 优先级调度等方式实现设备的共享访问。
设备访问控制
提供设备访问接口，对用户或 应用程序的设备访问请求进行 控制和管理。
设备性能优化
对设备的性能进行监测和分析 ，提供性能优化建议，提高设 备的运行效率。
I/O控制方式
程序I/O方式
通过程序直接控制I/O操作，适用于简 单的、低速的I/O设备。
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1.2.1 未配置操作系统的计算机系统 1. 人工操作方式 早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带(或卡
片)，装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将纸带 (或卡片)上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。 仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上 机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：
图1-1 OS作为接口的示意图
2. OS作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。 归纳起来可将这些资源分为四类：处理机、存储器、I/O设 备以及文件(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是对 这四类资源进行有效的管理。处理机管理是用于分配和控制 处理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收；I/O设备 管理是负责I/O设备的分配(回收)与操纵；文件管理是用于实 现对文件的存取、共享和保护。可见，OS的确是计算机系统 资源的管理者。
图1-2 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节
1.1.3 推动操作系统发展的主要动力 1．不断提高计算机资源利用率 2. 方便用户 3. 器件的不断更新换代 4. 计算机体系结构的不断发展 5. 不断提出新的应用需求
1.2 操作系统的发展过程
在20世纪50年代中期，出现了第一个简单的批处理OS； 60年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系 统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS也相继问世。 20世纪70到90年代，是VLSI和计算机体系结构大发展的年代， 导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此 相应地，也相继开发出了微机OS、多处理机OS和网络OS， 并得到极为迅猛的发展。
(1) 用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用 户所独占。
(2) CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡) 等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。
2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式 为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛 盾，20世纪50年代末出现了脱机I/O技术。该技术是事先将 装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机 的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当 CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。
图1-3 脱机I/O示意图
1.2.2 单道批处理系统 1. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)
的处理过程 为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方
式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)，在它 的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。
第一章 操作系统引论
1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 OS结构设计 习题
1.1 操作系统的目标和作用
操作系统的目标与应用环境有关。例如在查询系统中所 用的OS，希望能提供良好的人—机交互性；对于应用于工 业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实 时性；而对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方 便性。
(3) 平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理， 因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。
(4) 无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至 作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试 程序极不方便。
3. 多道批处理系统需要解决的问题 多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统， 为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述 一系列问题： (1) 处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要， 又要能提高处理机的利用率。 (2) 内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必 要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出 现异常情况而破坏其它程序。 (3) I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系 统中的I/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能 提高设备利用率的目的。
图1-6 多道程序的运行情况
2. 多道批处理系统的优缺点 多道批处理系统的优缺点如下： (1) 资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替 运行，以保持CPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可 提高内存的利用率；此外还可以提高I/O设备的利用率。 (2) 系统吞吐量大。能提高系统吞吐量的主要原因可归 结为：① CPU和其它资源保持“忙碌”状态；② 仅当作业 完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。
图1-5 单道程序的运行情况
1.2.3 多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)
1. 多道程序设计的基本概念 为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪 60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处 理系统。图1-6示出了四道程序时的运行情况。
1.1.1 操作系统的目标 1. 方便性 2. 有效性 3. 可扩充性 4. 开放性
1.1.2 操作系统的作用 1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS
处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机 系统。或者说，用户在OS帮助下能够方便、快捷、可靠地操 纵计算机硬件和运行自己的程序。图1-1是OS作为接口的示 意图。
3. OS实现了对计算机资源的抽象 对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，由于它向 用户提供的仅是硬件接口(物理接口)，因此，用户必须对物 理接口的实现细节有充分的了解，这就致使该物理机器难于 广泛使用。为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖 上一层I/O设备管理软件，如图1-2所示，由它来实现对I/O设 备操作的细节，并向上将I/O设备抽象为一组数据结构以及 一组I/O操作命令，如read和write命令，这样用户即可利用这 些数据结构及操作命令来进行数据输入或输出，而无需关心 I/O是如何具体实现的。
图1-4 单道批处理系统的处理流程
2. 单道批处理系统的缺点 单道批处理系统最主要的缺道程序，每逢该程序 在运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其 I/O完成后才继续运行。又因I/O设备的低速性，更使CPU的 利用率显著降低。图1-5示出了单道程序的运行情况，从图 可以看出：在t2～t3、t6～t7时间间隔内CPU空闲。