1、Chapter 4Chapter 4操作系统操作系统 CS,ZJU1/10/2023FCS Total 60Overview操作系统的定义操作系统的类型常见的操作系统操作系统的结构和组成Windows操作系统文件管理2FCS Total 60QuestionHow to Use Your Computer?CoreHardwareSoftware:Operating System3FCS Total 60Core Software。操作系统本身是一个软件，它的任务是管理计算机的所有资源在计算机的内部活动之间进行协调为用户使用计算机提供界面等在操作系统的帮助下，我们才能够较为容易地使用计算机。4
2、FCS Total 604.1 操作系统的定义n计算机硬件和用户（其他软件和人）间的接口n 位于计算机系统核心n使用户能够方便地操作计算机，能有效地对计算机软件和硬件资源进行管理和使用。5FCS Total 60Platform平台WindowsiOS一个计算机的软件系统，严格意义上是“基于操作系统”的 任何软件，都需要操作系统支持因此我们把操作系统视为一个“环境”多引导6FCS Total 60And more事实上的软件标准？软件的可移植性从一个平台转移到另一个平台数据交换垄断地位？7FCS Total 604.2 操作系统的类型操作系统有许多不同的分类方法按照其使用环境和对程序执行的处理
3、方式进行分类：1.实时系统2.单用户单任务系统3.单用户多任务系统4.多用户多任务系统5.分布式系统6.并行系统8FCS Total 60实时操作系统要求在规定的时间内响应，并快速处理，其响应时间一般在毫秒、微秒级甚至更快大多数实时操作系统是专用系统实时操作系统本身对资源的使用和控制都必须优化以满足系统要求9FCS Total 60单用户单任务系统计算机只能由一个人使用，且一次只能执行一个任务（运行一个程序）早前PC机的DOS（Disk OS）系统就是这种单用户单任务操作系统该系统的效率低，但是系统对硬件的要求不高10FCS Total 60单用户多任务系统个人机允许同时执行多个任务目前最为常
4、见的PC机操作系统，包括Windows、Apple公司的Mac OS、Linux。一种分时处理技术将CPU的执行时间划分为若干个时间片在一个时间片内执行一个任务在下一个时间片内执行另外一个任务，循环不息可以在多个程序之间进行数据交换支持多任务：要在用户界面处理、系统资源的分配和调度等方面进行大量的处理，因此整个系统比较庞大，且比较复杂11FCS Total 60多用户多任务系统多个用户使用一台主机每个用户的多任务早期硬件资源非常昂贵，多采用使用主机的多用户多任务系统，这种结构演变到今天就是网络服务器，终端工作站变成了PC机。最早的操作系统UNIX就是多用户系统，今天它也是高端网络服务器的操作系
5、统，而Windows的服务器版也具有这种功能。12FCS Total 60并行系统并行操作系统是针对计算机系统的多处理器要求设计的，它除了完成单一处理器系统同样的作业与进程控制任务外，还需要完成在系统的多个处理器之间活动的分配、调度。并行系统要解决“负载平衡”（Load Balancing）问题和“缩放”问题。13FCS Total 60分布式系统通过网络将物理上分布（分散）的具有独立功能的计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。侧重且扩大了操作系统对网络资源的控制范围，并实现统一控制。“云计算”14FCS Total 604.3 常见的操作系统MS-DOS单用户
6、操作系统。DOS采用字符界面，命令一般都是英文单词或缩写由于DOS系统有广泛的用户群，在Windows中成为一个任务（命令提示符窗口）被保留下来15FCS Total 60Windows基于图形用户界面(GUI)的操作系统。它可以同时运行多个应用程序(多任务)众多版本Windows 3.X、Windows NT、Windows 95、97、98Windows 7个人版、专业版、企业版，乃至支持庞大用户量的数据中心版。16FCS Total 60UNIX/LinuxUNIX非常著名的多用户多任务操作系统运行可靠、稳定的系统其开创的操作系统技术一直为其他操作系统所遵循，事实标准Linux是一套免费
7、使用和自由传播的类Unix操作系统Linux被认为是一种高性能、低开支的，可以替换其他昂贵操作系统的软件劣势在于需要更多的修补，且其运行应用程序的数量远没有Windows那么多17FCS Total 60Mac OSMac OSApple公司为其Macintosh系列计算机设计的操作系统早于Windows，且也是基于GUI的很强的图形处理能力，被公认为是最好的图形处理系统18FCS Total 6019FCS Total 6020FCS Total 60移动设备操作系统Palm OS由最早生产PDA的Palm公司开发。Windows Mobile微软公司开发的适用于移动设备的Windows系统
8、。Symbian OSNokia和Sony Ericsson等手机生产商联合开发的智能手机操作系统。AndroidGoogle公司收购了原开发商Android后，联合多家制造商推出的面向平板电脑、移动设备、智能手机的操作系统。基于Linux开放的源代码开发且仍然是免费系统。iOSApple公司为其生产的移动电话iPhone 开发的操作系统。21FCS Total 6022FCS Total 604.4 操作系统的组成各种操作系统功能基本相同，结构类似不同的实现操作系统的结构基于软件的层次结构内核（Kernel）用户接口（Shell）操作系统组成进程管理存储管理文件管理设备管理。23FCS To
9、tal 60层次结构内核（kernel）操控计算机资源的基本模块设备驱动（Device Driver内存管理调度程序决定哪一个任务被执行控制程序为这些任务分配时间片用户接口（shell 外壳程序）负责接收用户（包括用户执行的应用程序）的操作命令解释后交给Kernel去执行。Shell命令有两种方式会话式输入命令文件式24内核用户接口用户/程序FCS Total 60PC OSPC机的操作系统Windows极为庞大和复杂的系统内核相对稳定为适应处理器芯片功能的变化它的外壳则占到整个庞大系统的大部分图形用户界面（GUI）改变了用户使用计算机的方式界面管理为最主要的开销界面要美观、流畅为用户定制界面
10、提供各种方案25FCS Total 60组成26FCS Total 60进程管理 Processing Manager or CPU Manager“程序”成为“作业”进而成为“进程”，并被按照一定规则进行调度程序、作业和进程：计算机工作过程的不同状态程序存放在磁盘上的程序静止状态作业（Job）程序从被选中运行直到运行结束的整个过程进程当一个作业被选中后进入内存运行，这个作业就成为进程27FCS Total 60Processing Manager问题：计算机如何运行程序特别是，OS本身也是程序Relationship所有的进程都是作业，但不是所有的作业都是进程。换言之，正在运行的程序才是进程
11、。28FCS Total 60进程调度现代操作系统支持多任务处理，成为进程的程序已经被调入内存，在一般情况下，CPU给每个进程分配时间片并轮流去执行，也可以根据需要对进程进行调度。29时间轴进程1时间片进程2进程n进程1时间片时间片时间片进程切换时间进程切换时间进程切换时间进程切换时间FCS Total 60进程调度一个进程是否被运行取决于调度算法一种算法是，给每个进程设定优先级，CPU响应高级别的进程，在同等级别的情况下顺序执行；还有一类算法是，使得处理器和外设处于同时“忙”的状态，尽可能使系统“并行”，提高系统的运行效率；也有算法使得每个进程都得到“公平”的响应。30FCS Total 6
12、0进程同步和死锁同步占有不同资源的不同进程同步保证不同的进程使用不同的资源死锁多个进程同时占有对方需要的资源而同时请求对方的资源，而它们在得到请求之前不会释放所占有的资源Windows任务管理器31FCS Total 60线程线程 Thread提升程序运行效率，进程概念的延伸如果程序只有一个进程就可以处理所有的任务，那么它就是单一线程的如果程序可以被分解为多个进程共同完成程序的任务，那么被分解的不同进程就叫做线程，也叫轻量级进程（Light Weight Processes）线程的模式单线程单元线程模式自由线程模式32FCS Total 60Memory Manager存储器管理给运行程序分配
13、内存程序执行结束后回收内存根据进程执行情况，不断变换内存空间的分配存储器管理还负责管理内存、外存之间数据交换。内存管理内存和外存数据交换虚拟内存33FCS Total 60Question内存不足以致程序无法运行Memory Manage Unit，MMU单道程序，内存被单一的程序所使用问题被运行的程序大小（Size）受到内存的限制数据空间随着程序执行的进展而扩大，程序会出现运行异常只能够运行一个程序34FCS Total 60多道程序MMU每一个程序分配内存空间内存和外存是否交换程序和数据?非交换技术，程序运行期间全部在内存进行，不和外存交换数据交换技术，程序在运行期间需要和外存交换数据35
14、FCS Total 60内存和外存数据交换Problem何时将程序或数据从外存装载到内存中？CPU如何在内存中寻找所需要的程序和数据的地址36FCS Total 60虚拟存储Virtual Memory在磁盘上开辟一个比内存要大的空间（Windows建议为1.5倍），按照内存的结构进行组织引入虚拟存储技术的好处较小内存运行较大的程序；内存中可容纳更多程序并发执行；不影响编程时的程序结构；虚拟内存的实现有两种方法：按需调页（Demanded Paging）按需调段（Demanded Segmentation）37FCS Total 60Virtual Memory38操作系统内存外存FCS To
15、tal 60设备管理Device Manager如何管理各种不同的设备？分类块设备，如磁盘字符设备，如键盘、鼠标I/O内核I/O调度缓冲区假脱机设备驱动程序操作系统通过管理设备的驱动程序来间接使用设备39FCS Total 60Timer System时钟也叫定时器提供系统的时间防止一个进程垄断CPU或者其他资源硬件时钟简单的晶体振荡器电子计数器软件时钟建立并维护系统的时间和日期防止进程超时运行记录CPU的使用情况处理用户进程Alarm系统调用为计算机各系统提供定时器功能40FCS Total 60显示系统操作系统管理的另一类设备是显示系统，也叫做存储映像终端操作系统如何管理显示系统？41显示
16、器显示存储器视频转换器显卡视频输出显示扫描期主存显示回扫期FCS Total 604.5 Windows操作系统Windows绝对的市场份额特点使得计算机的操作、应用变得非常容易。基于图形用户界面和支持即插即用。运用了多种先进的技术。能处理多媒体信息，内置了多种网络协议。提供了应用程序接口（API）、设备驱动程序开发工具。安全性Update42FCS Total 60Windows Model内核和外壳模型结构43FCS Total 60系统管理注册表、服务、管理规范3种管理机制Windows的注册表存放系统和应用程序信息的一个表（数据库）在命令行中输入regedit就可以打开Windows的
17、注册表注册表中的数据在系统启动、用户登录、应用程序启动这3个时间点上被读取。通常，安装或改变应用程序、设备驱动程序，或更改系统设置，都会影响注册表And，启动和停机44FCS Total 604.6 文件管理Problem 计算机的不可感知部分Software 程序、数据，都是以电子、磁或光等不同的物理形态表示并以位模式组织和存储的 用户是无法直接感受其存在的 Solution 抽象的、概念化的、易于理解的数据组织方式 用户可以不必关心其物理形态和存储模式这种方式就是文件和文件系统45FCS Total 60File and Files SystemFileDefine 计算机文件是一个存储在
18、存储器上的数据的有序集合，并以一个名字标记1.存储在存储器上（外存储器）2.数据之间有关联。3.有名字（按照规则命名）46FCS Total 60File Systemn管理计算机中所存储的程序和数据n建立文件、删除文件、读/写文件、修改文件、复制文件、移动文件n责完成对文件的按名存取并进行存取控制功能1.对计算机的外存空间进行统一管理，以便合理组织和存放文件2.建立用户能够看见（显示或打印）的文件的逻辑结构3.支持对存储设备上的文件进行检索、查找和提供文件的访问控制47FCS Total 60给文件取名字母和数字的组合唯一标识一个文件不同操作系统的文件命名规则也不同48FCS Total 6
19、0For ExampleMS文件名是由字符和数字组成的，分三部分，格式 .扩展名扩展名 C:TEXT.TXTC盘中的“text”的文件，扩展名为“.txt”中表示可以省略盘符存放文件的磁盘驱动器号 A、B为软盘，CZ为硬盘或光盘 49FCS Total 60文件扩展名MS文件扩展名：由“.”开始的13个字符组成扩展名的一个重要作用计算机的程序的属性有些软件在创建文件的同时给出文件扩展名。MS系统中文件的扩展名指示文件的基本属性扩展名：操作系统是根据它们判断其用途的对数据文件建立和程序的关联操作系统注册表中有能被识别的文件类型的清单。通配符：*？50FCS Total 6051FCS Total
20、 60MS常用的文件类型执行文件 .exe .com .bat数据文件文档（Document）、电子表格、数据库数据文件等程序执行所需要的、或产生的其他文件都是数据文件 图形图像文件图形图像的数据存储也是按照一定的规则进行组织不同的图形图像程序使用不同格式的图形图像数据文件 视频文件 动画文件和影像文件 52FCS Total 6053目录结构系统观点文件系统是对文件存储器的存储空间进行组织、分配和回收，负责文件的存储、检索、共享和保护用户观点文件系统主要是实现“按名存取”，用户只要知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而无需知道这些文件究竟存放在什么地方MS-DOS“目录”（Direc
21、tory）Windows“文件夹”（folder）53FCS Total 60文件存取文件存取方法决定了文件系统的检索策略。顺序存取只能按照一个接着一个的信息单位（或数据单位）进行存取，最典型的就是磁带文件存取过程；顺序文件不记载相关的地址信息，只根据文件结尾标志判断是否结束；随机存取按照文件名存取的方式进行存取，随机查找的方式主要有索引、哈希以及二分法等，可以将关键字和数据记录关联；54FCS Total 60索引文件 Index55FCS Total 60文件的存储结构文件是如何存放在磁盘上的，即它的存储结构簇（Cluster）：相邻的磁道和扇区组成扇区组把一个扇区或一个簇当作一个存储单位
22、一个文件可以使用一个或多个扇区或簇一个扇区或簇被一个文件存放了数据，哪怕存放了一位数据，这个扇区或簇就被标记为全部被这个文件所使用Why？系统提供的文件大小和存储空间不同原因。存储器的物理区块划分越小，存储器的使用率就越高划分得越细，管理这种划分需要的开销就越大扇区一般在512B到几KB之间选择 56FCS Total 60FAT系统File Allocation Table，文件分配表操作系统通过建立文件分配表FAT，记录磁盘上的每一个簇是否存放数据。FAT特点：系统开销小，系统损坏有可能被恢复。大容量系统，分区数目增加，性能迅速下降。三种类型：FAT12：磁盘容量在16MB以下FAT16：16MB到2GB4GB的磁盘。FAT32：512MB到2TB（2000GB）的磁盘空间，57FCS Total 60NTFSNew Technology File SystemWindows高版本用NTF保留了FAT16和FAT32系统供用户安装时选择。系统可存在NTFS盘的任何物理位置：意味着任何磁道损坏都不会导致整个磁盘不可用。支持的磁盘分区最大达16EB。提供了长文件名、支持大的分区和磁盘空间、扩展属性以及安全性等功能58FCS Total 60文件系统安全吗？QuestionAnswerThinking aboutHow to do59FCS Total 6060思考题思考题
