大學計算機基礎第四章計算機操作系統(tǒng)

1、計算機科學與工程系計算機科學與工程系大學計算機基礎大學計算機基礎（第四章）（第四章）計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)華南農業(yè)大學信息學院華南農業(yè)大學信息學院主講教師朱梅階主講教師朱梅階計算機科學與工程系計算機科學與工程系第四章第四章 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) 計算機發(fā)展到今天，從微機到小型、中型、大計算機發(fā)展到今天，從微機到小型、中型、大型機仍至巨型機，無一例外地都配置了一種或多種型機仍至巨型機，無一例外地都配置了一種或多種操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)已成為現(xiàn)代計算機系統(tǒng)不可分操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)已成為現(xiàn)代計算機系統(tǒng)不可分割的重要組成部分。割的重要組成部分。 本章主要講述操作系統(tǒng)概念及構成；重點講述本章主

2、要講述操作系統(tǒng)概念及構成；重點講述操作系統(tǒng)中的幾個基本功能及相關概念。操作系統(tǒng)中的幾個基本功能及相關概念。計算機科學與工程系計算機科學與工程系計算機科學與工程系計算機科學與工程系操作系統(tǒng)：是管理計算機軟硬件資源的程序，同時它又是操作系統(tǒng)：是管理計算機軟硬件資源的程序，同時它又是用戶與計算機硬件的接口。用戶與計算機硬件的接口。沒有操作系沒有操作系統(tǒng)，應用軟統(tǒng)，應用軟件如同空中件如同空中樓閣，無法樓閣，無法運行。運行。 計算機科學與工程系計算機科學與工程系計算機的用戶大致可以分兩類：普通用戶，程序員。計算機的用戶大致可以分兩類：普通用戶，程序員。方便用戶使用計算機方便用戶使用計算機對于普通用戶，只

3、需要掌對于普通用戶，只需要掌握最簡單的操作系統(tǒng)命令和操握最簡單的操作系統(tǒng)命令和操作。對于程序員，他們在編寫作。對于程序員，他們在編寫程序時需要了解操作系統(tǒng)的程程序時需要了解操作系統(tǒng)的程序員級接口，通過它來使用系序員級接口，通過它來使用系統(tǒng)的資源。如向磁盤寫一些數統(tǒng)的資源。如向磁盤寫一些數據、要喇叭發(fā)出聲音等。程序據、要喇叭發(fā)出聲音等。程序員是通過操作系統(tǒng)了解這些硬員是通過操作系統(tǒng)了解這些硬件具體的使用方法。件具體的使用方法。 計算機科學與工程系計算機科學與工程系一臺計算機就是一組資源，一臺計算機就是一組資源，這些資源用于對數據的傳輸、這些資源用于對數據的傳輸、存儲和處理。而操作系統(tǒng)通過存儲和處

4、理。而操作系統(tǒng)通過管理這些資源，把它們合理地管理這些資源，把它們合理地分配給需要的用戶，來達到充分配給需要的用戶，來達到充分利用系統(tǒng)資源、保證系統(tǒng)效分利用系統(tǒng)資源、保證系統(tǒng)效率，并盡量提高用戶滿意程度率，并盡量提高用戶滿意程度的目的。的目的。提高計算機系統(tǒng)效率提高計算機系統(tǒng)效率 操作系統(tǒng)是作用和地位比較特殊的軟件，它是能使用戶有效、方便操作系統(tǒng)是作用和地位比較特殊的軟件，它是能使用戶有效、方便地共享一套計算機系統(tǒng)資源的一種系統(tǒng)軟件。方便用戶使用計算機和提地共享一套計算機系統(tǒng)資源的一種系統(tǒng)軟件。方便用戶使用計算機和提高計算機系統(tǒng)效率是操作系統(tǒng)的兩大任務。高計算機系統(tǒng)效率是操作系統(tǒng)的兩大任務。計算

5、機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 進程管理進程管理 內存管理內存管理 設備管理設備管理 管理文件管理文件用戶接口用戶接口就是對就是對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內存。用內存。就是對文件就是對文件及文件夾進及文件夾進行管理。行管理。就是對外部各就是對外部各種輸入輸出設種輸入輸出設備進行管理。備進行管理。操作系統(tǒng)的功能可從資源管理和用戶使用兩個角度來看。操作系統(tǒng)的功能可從資源管理和用戶使用兩個角度來看。從資源管理的角度來看，操作系統(tǒng)具有進程管理、存儲管理、從資源管理的角度來看，操作系統(tǒng)具有進程管理、存儲管理

6、、設備管理和文件管理的功能；從用戶使用的角度來看，操作設備管理和文件管理的功能；從用戶使用的角度來看，操作系統(tǒng)對用戶提供訪問計算機資源的接口。系統(tǒng)對用戶提供訪問計算機資源的接口。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 在使用計算機的時候，人們會發(fā)現(xiàn)自己常常同時運行幾個在使用計算機的時候，人們會發(fā)現(xiàn)自己常常同時運行幾個程序，如在編輯一個文檔的時候，會同時打開程序，如在編輯一個文檔的時候，會同時打開Email進行郵件進行郵件的發(fā)送，打開音樂播放器聽音樂。那么，此時的操作系統(tǒng)是的發(fā)送，打開音樂播放器聽音樂。那么，此時的操作系統(tǒng)是如何為這如何為這3個軟件分配分配個

7、軟件分配分配CPU的運行時間？此外，計算機還的運行時間？此外，計算機還常常同時多次運行同一個程序，如使用常常同時多次運行同一個程序，如使用QQ與多個人進行對話，與多個人進行對話，或者多次打開記事本程序，那么此時的操作系統(tǒng)又是如何區(qū)或者多次打開記事本程序，那么此時的操作系統(tǒng)又是如何區(qū)分這個程序的每個運行過程呢？下面我們先介紹兩個重要的分這個程序的每個運行過程呢？下面我們先介紹兩個重要的概念：多道程序設計和進程。概念：多道程序設計和進程。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 單道程序設計技術是指在內存中一次只能允許一個程序單道程序設計技術是指在內存中一次只能

8、允許一個程序運行，在該程序運行結束前，其它程序不允許使用內存。這運行，在該程序運行結束前，其它程序不允許使用內存。這是早期的操作系統(tǒng)所使用的技術。是早期的操作系統(tǒng)所使用的技術。 多道程序設計技術是指在內存同時放若干道程序，使它多道程序設計技術是指在內存同時放若干道程序，使它們在系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各種資源。當一道程序們在系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各種資源。當一道程序暫停執(zhí)行時，暫停執(zhí)行時，CPU立即轉去執(zhí)行另一道程序。在多道程序設立即轉去執(zhí)行另一道程序。在多道程序設計下，系統(tǒng)通過某種調度策略交替執(zhí)行程序，它是現(xiàn)代操作計下，系統(tǒng)通過某種調度策略交替執(zhí)行程序，它是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要方案。

9、系統(tǒng)的主要方案。 多道程序系統(tǒng)：操作系統(tǒng)同時將多個作業(yè)保存在內存的作業(yè)池中，多道程序系統(tǒng)：操作系統(tǒng)同時將多個作業(yè)保存在內存的作業(yè)池中，多道程序設計通過組織作業(yè)使得多道程序設計通過組織作業(yè)使得CPU總有一個作業(yè)可執(zhí)行，從而提高總有一個作業(yè)可執(zhí)行，從而提高CPU的利用率。的利用率。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 什么是進程？它與程序有什么區(qū)別？什么是進程？它與程序有什么區(qū)別？ 程序：用戶為完成某一個特定問題而編寫的操作步驟。程序：用戶為完成某一個特定問題而編寫的操作步驟。 進程：是計算機中正在運行的程序的一個實例，也即程進程：是計算機中正在運行的程序的

10、一個實例，也即程序的一次執(zhí)行過程。進程需要一定的資源來完成它的任務序的一次執(zhí)行過程。進程需要一定的資源來完成它的任務(例例如如CPU時間、內存、文件和時間、內存、文件和I/O設備設備) 。 進程與程序的區(qū)別在于進程是動態(tài)的、有生命力的，而進程與程序的區(qū)別在于進程是動態(tài)的、有生命力的，而程序是靜態(tài)的。一個程序加載到內存，系統(tǒng)就創(chuàng)建一個進程，程序是靜態(tài)的。一個程序加載到內存，系統(tǒng)就創(chuàng)建一個進程，程序執(zhí)行結束后，該進程也就消亡了。程序執(zhí)行結束后，該進程也就消亡了。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 我們可以通過我們可以通過Windows系統(tǒng)的任務管理器進一步

11、了解和系統(tǒng)的任務管理器進一步了解和查看程序與進程的區(qū)別。連續(xù)兩次打開查看程序與進程的區(qū)別。連續(xù)兩次打開Word程序，打開一個程序，打開一個酷我音樂播放器程序、再打開一個畫圖程序。然后分別觀察酷我音樂播放器程序、再打開一個畫圖程序。然后分別觀察任務管理器的應用程序和進程列表。任務管理器的應用程序和進程列表。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 在計算機中，由于多個程序共享系統(tǒng)資源，就必然引發(fā)在計算機中，由于多個程序共享系統(tǒng)資源，就必然引發(fā)對對CPU的爭奪。如何有效地利用的爭奪。如何有效地利用CPU資源，如何在多個請求資源，如何在多個請求CPU的進程中選擇取

12、舍，這就是進程管理要解決的問題。的進程中選擇取舍，這就是進程管理要解決的問題。進程的調度進程的調度 在某一時刻，計算機的在某一時刻，計算機的CPU(單核單核)只能運行一個進程，如只能運行一個進程，如果存在多個進程，其它進程就需要等果存在多個進程，其它進程就需要等CPU空閑時才能被調度執(zhí)空閑時才能被調度執(zhí)行。當一個進程處于等待或行。當一個進程處于等待或CPU時間片用完時，操作系統(tǒng)就會時間片用完時，操作系統(tǒng)就會從該進程中拿走從該進程中拿走CPU控制權，然后再交給其它進程使用，這就控制權，然后再交給其它進程使用，這就是進程的調度。是進程的調度。 計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主

13、要功能操作系統(tǒng)主要功能 進程的狀態(tài)及狀態(tài)轉移進程的狀態(tài)及狀態(tài)轉移 進程是動態(tài)的，因程序的執(zhí)行而被創(chuàng)建，并被調度執(zhí)行，進程是動態(tài)的，因程序的執(zhí)行而被創(chuàng)建，并被調度執(zhí)行，直至最后消亡。期間，進程會處于不同的狀態(tài)。直至最后消亡。期間，進程會處于不同的狀態(tài)。 運行態(tài)運行態(tài)(running)：占有處理器正在運行。：占有處理器正在運行。 就緒態(tài)就緒態(tài)(ready)：進程得到了除處理器外的所有資源，具：進程得到了除處理器外的所有資源，具備運行條件，正在等待被分配處理器。備運行條件，正在等待被分配處理器。 等待態(tài)等待態(tài)(blocked)：不具備運行條件，正在等待某個事件：不具備運行條件，正在等待某個事件的出現(xiàn)

14、的出現(xiàn)(如如I/O完成或收到某個信號完成或收到某個信號)。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能進程狀態(tài)及轉換圖進程狀態(tài)及轉換圖進程等待分配進程等待分配CPU進程已分配到進程已分配到CPU，正在被執(zhí)行。正在被執(zhí)行。進程等待一些事件的出現(xiàn)進程等待一些事件的出現(xiàn) 如進程可能要使用某個如進程可能要使用某個I/O設備而進入等待狀態(tài)，等設備而進入等待狀態(tài)，等待使用相應的設備，當待使用相應的設備，當 I/O完成后進程進入就緒隊列完成后進程進入就緒隊列。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 進程的同步就是指相互協(xié)作的進程不斷調整它

15、們之間進程的同步就是指相互協(xié)作的進程不斷調整它們之間的相對速度，以實現(xiàn)共同有序地推進。的相對速度，以實現(xiàn)共同有序地推進。 換句話說，在操作系統(tǒng)中，允許多個進程并發(fā)運行。換句話說，在操作系統(tǒng)中，允許多個進程并發(fā)運行。然而，有些進程之間本身存在某種聯(lián)系，它們在系統(tǒng)中需然而，有些進程之間本身存在某種聯(lián)系，它們在系統(tǒng)中需要一種協(xié)作，以保證進程能正確有序地執(zhí)行并維護數據的要一種協(xié)作，以保證進程能正確有序地執(zhí)行并維護數據的一致性。一致性。 例如，有兩個并發(fā)的進程例如，有兩個并發(fā)的進程P1和和P2，其中，其中P1有語句有語句S1，而，而P2有語句有語句S2，要求只有在，要求只有在S1執(zhí)行后才能執(zhí)行執(zhí)行后才能

16、執(zhí)行S2。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 在操作系統(tǒng)中，可能存在著多個進程。而系統(tǒng)中一些資在操作系統(tǒng)中，可能存在著多個進程。而系統(tǒng)中一些資源一次只允許一個進程使用，這類資源被稱為臨界資源。在源一次只允許一個進程使用，這類資源被稱為臨界資源。在進程中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)。當一個進程進進程中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)。當一個進程進入臨界區(qū)執(zhí)行時，其它進程就不允許進入臨界區(qū)執(zhí)行，否則入臨界區(qū)執(zhí)行時，其它進程就不允許進入臨界區(qū)執(zhí)行，否則就會導致錯誤結果。例如：就會導致錯誤結果。例如： 多個進程在競爭使用打印機時表現(xiàn)為互斥。多個進程在競爭使

17、用打印機時表現(xiàn)為互斥。 一個文件可供多個進程共享，其中有一個進程在寫操作一個文件可供多個進程共享，其中有一個進程在寫操作時，其它進程則不允許同時寫或讀，表現(xiàn)為互斥。由此得出時，其它進程則不允許同時寫或讀，表現(xiàn)為互斥。由此得出: : 多個進程并發(fā)執(zhí)行時，只允許一個進程進入臨界區(qū)運行，多個進程并發(fā)執(zhí)行時，只允許一個進程進入臨界區(qū)運行，這就是進程的互斥。這就是進程的互斥。 計算機科學與工程系計算機科學與工程系在多道程序設計中，多個進程可能競爭一定數量的資源。在多道程序設計中，多個進程可能競爭一定數量的資源。一個進程在申請資源時，如果所申請資源不足，該進程就必一個進程在申請資源時，如果所申請資源不足，

18、該進程就必須處于等待狀態(tài)。如果所申請的資源被其它進程占有，那么須處于等待狀態(tài)。如果所申請的資源被其它進程占有，那么進程的等待狀態(tài)就可能無法改變，從而形成進程之間相互一進程的等待狀態(tài)就可能無法改變，從而形成進程之間相互一直等待的局面，這就是死鎖。直等待的局面，這就是死鎖。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 死鎖舉例：死鎖舉例： 四方街區(qū)的車輛阻塞。每個四方街區(qū)的車輛阻塞。每個方向都希望其它方讓出通道，但方向都希望其它方讓出通道，但誰也不能夠讓出。誰也不能夠讓出。計算機科學與工程系計算機科學與工程系 引起死鎖的四個必要條件：引起死鎖的四個必要條件： 互斥：某一資源任一時刻只能有一個進程獨占，

19、若另互斥：某一資源任一時刻只能有一個進程獨占，若另一進程申請該資源則需延遲到該資源釋放為止。一進程申請該資源則需延遲到該資源釋放為止。 占有并等待：即該進程占有部分資源后還在等待其它資占有并等待：即該進程占有部分資源后還在等待其它資源，而該資源被其它進程占有。源，而該資源被其它進程占有。 非搶占：某進程已占用資源且不主動放棄它所占有的資非搶占：某進程已占用資源且不主動放棄它所占有的資源時，其它進程不能強占該資源，只有等其完成任務并釋放源時，其它進程不能強占該資源，只有等其完成任務并釋放資源。資源。 循環(huán)等待：在出現(xiàn)死鎖的系統(tǒng)中，一定存在這樣一個進循環(huán)等待：在出現(xiàn)死鎖的系統(tǒng)中，一定存在這樣一個進

20、程鏈，其中每個進程至少占有其它進程所必需的資源，從而程鏈，其中每個進程至少占有其它進程所必需的資源，從而形成一個等待鏈。形成一個等待鏈。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 死鎖舉例：死鎖舉例： 進程進程A：獲得：獲得CD-ROM使用權，申請打印機使用權，申請打印機 進程進程B：獲得打印機使用權，申請：獲得打印機使用權，申請CD-ROM 死鎖：此時進程死鎖：此時進程A、B均被阻塞，無法運行均被阻塞，無法運行4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 處理死鎖處理死鎖問題的三種方式問題的三種方式： 使用協(xié)議預防和避免死鎖，

21、確保系統(tǒng)從不進入死鎖狀態(tài)。使用協(xié)議預防和避免死鎖，確保系統(tǒng)從不進入死鎖狀態(tài)。 允許系統(tǒng)進入死鎖狀態(tài)，然后檢測出死鎖，并加以恢復。允許系統(tǒng)進入死鎖狀態(tài)，然后檢測出死鎖，并加以恢復。 可忽略進程死鎖問題，并假裝系統(tǒng)中死鎖從來不會發(fā)生。可忽略進程死鎖問題，并假裝系統(tǒng)中死鎖從來不會發(fā)生。即沒有必要把精力花在小概率事件上。即沒有必要把精力花在小概率事件上。處理死鎖優(yōu)先考慮的順序：處理死鎖優(yōu)先考慮的順序：先先預防預防和避免和避免再再檢測檢測和恢復和恢復4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 內存是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的核心，是可被內存是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的核心，是可被CPU和和I/

22、O設備所設備所共同訪問的數據倉庫。計算機的所有程序運行時都要調入共同訪問的數據倉庫。計算機的所有程序運行時都要調入內存。內存。 內存管理的主要工作是：為每個用戶進程合理地分配內內存管理的主要工作是：為每個用戶進程合理地分配內存，以保證各個進程之間在存儲區(qū)不發(fā)生沖突；當內存不存，以保證各個進程之間在存儲區(qū)不發(fā)生沖突；當內存不足時，如何把內存和外存結合起來，給用戶提供一個比實足時，如何把內存和外存結合起來，給用戶提供一個比實際內存大得多的虛擬內存，使得程序能順利執(zhí)行。際內存大得多的虛擬內存，使得程序能順利執(zhí)行。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系進程進程A操

23、作系統(tǒng)操作系統(tǒng)未用內存區(qū)未用內存區(qū)進程進程C未用內存區(qū)未用內存區(qū) 內存分配主要考慮如何提高有限存儲空間的利用率問題。內存分配主要考慮如何提高有限存儲空間的利用率問題。在多道程序操作系統(tǒng)中，為了將多個進程同時放入到內存中，在多道程序操作系統(tǒng)中，為了將多個進程同時放入到內存中，就必須考慮在內存中如何放置進程，也就是如何把內存有效就必須考慮在內存中如何放置進程，也就是如何把內存有效地分配給多個進程使用，即內存分配問題。地分配給多個進程使用，即內存分配問題。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 連續(xù)內存分配連續(xù)內存分配 開始時所有內存是一個大的空閑空間，隨著開始時所有內存是一個大的空閑空間，隨著內

24、存分配、回收的不斷進行就會形成位置上不連內存分配、回收的不斷進行就會形成位置上不連續(xù)的、大小不一的空閑空間。當有新進程需要內續(xù)的、大小不一的空閑空間。當有新進程需要內存時，就為該進程尋找一個能容納它的空閑空間，存時，就為該進程尋找一個能容納它的空閑空間，并劃分出一塊滿足長度要求的連續(xù)空間給該進程，并劃分出一塊滿足長度要求的連續(xù)空間給該進程，而多余的部分則保留下來待下次分配。需要注意而多余的部分則保留下來待下次分配。需要注意的是，分配給進程的內存空間是一塊位置上連續(xù)的是，分配給進程的內存空間是一塊位置上連續(xù)的、完整的內存區(qū)。的、完整的內存區(qū)。計算機科學與工程系計算機科學與工程系 分頁管理基本思想

25、：分頁管理基本思想： 內存物理地址空間劃分為若干個大小相等的塊內存物理地址空間劃分為若干個大小相等的塊(頁框頁框) 進程的邏輯地址空間也劃分為同樣大小的塊進程的邏輯地址空間也劃分為同樣大小的塊(頁面頁面) 內存分配時每個頁面對應地分配一個頁框，而一個進程內存分配時每個頁面對應地分配一個頁框，而一個進程所分得頁框在位置上不必是連續(xù)的。所分得頁框在位置上不必是連續(xù)的。頁表：操作系統(tǒng)頁表：操作系統(tǒng)為每個用戶程序為每個用戶程序建立一張頁表，建立一張頁表，該表記錄用戶程該表記錄用戶程序的每個邏輯頁序的每個邏輯頁面存放在哪一個面存放在哪一個內存物理頁框。內存物理頁框。7頁頁6頁頁5頁頁4頁頁3頁頁2頁頁1

26、頁頁0頁頁用戶程序用戶程序1191076425塊號塊號76543210頁號頁號頁表頁表11109876543210內存內存頁面頁面頁框頁框4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 程序員使用高級語言編程時，沒有必要也無法知道程程序員使用高級語言編程時，沒有必要也無法知道程序將被存放在內存中什么位置，因此一般用符號來代表地序將被存放在內存中什么位置，因此一般用符號來代表地址。編譯程序將源程序編譯成目標程序時將符號地址轉換址。編譯程序將源程序編譯成目標程序時將符號地址轉換為從為從0開始編址的邏輯地址，但邏輯地址也不是真正的內存開始編址的邏輯地址，但邏輯地址也不是

27、真正的內存地址。在程序進入內存時，由操作系統(tǒng)把程序中的邏輯地地址。在程序進入內存時，由操作系統(tǒng)把程序中的邏輯地址轉換為真正的內存地址，這就是物理地址。這種把邏輯址轉換為真正的內存地址，這就是物理地址。這種把邏輯地址轉換為物理地址的過程稱之為地址映射。地址轉換為物理地址的過程稱之為地址映射。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能內存物理地址空間內存物理地址空間符號名空間符號名空間int a;float b;char c;a的邏輯地址的邏輯地址b的邏輯地址的邏輯地址c的邏輯地址的邏輯地址a的物理地址的物理地址b的物理地址的物理地址c的物理地址的物理地址000002006匯編匯編編譯編譯鏈接鏈接裝

28、配裝配2FF02FF22FF6邏輯地址空間邏輯地址空間計算機科學與工程系計算機科學與工程系虛擬內存是一個容量很大的存儲器的邏輯模型，它不是虛擬內存是一個容量很大的存儲器的邏輯模型，它不是任何實際的物理存儲器。虛擬內存包括物理內存和一部分外任何實際的物理存儲器。虛擬內存包括物理內存和一部分外存存(這里所指的外存一般是指硬盤這里所指的外存一般是指硬盤)。 4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系虛擬內存：對于一個進程來講，如果僅將當前要運行的虛擬內存：對于一個進程來講，如果僅將當前要運行的幾個頁面裝入內存便可以開始運行，而其余頁面可暫時留在幾個頁面裝入內存便可以

29、開始運行，而其余頁面可暫時留在磁盤上，需要時再調入內存，并且調入時也不占用新的內存磁盤上，需要時再調入內存，并且調入時也不占用新的內存空間，而是對原來運行過的頁面進行置換。這樣，就可以在空間，而是對原來運行過的頁面進行置換。這樣，就可以在計算機有限的內存中同時駐留多個進程。從用戶的角度看，計算機有限的內存中同時駐留多個進程。從用戶的角度看，雖然插在主板上的內存條實際上只有很小的容量，但用戶感雖然插在主板上的內存條實際上只有很小的容量，但用戶感覺到程序的大小不受系統(tǒng)物理內存空間的限制，或者在進行覺到程序的大小不受系統(tǒng)物理內存空間的限制，或者在進行程序設計時不必考慮內存的大小，或者說感覺系統(tǒng)提供了

30、足程序設計時不必考慮內存的大小，或者說感覺系統(tǒng)提供了足夠大的物理內存空間，這就是虛擬內存。夠大的物理內存空間，這就是虛擬內存。 4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 在虛擬內存技術中，進程運行時并沒有將所有頁面裝在虛擬內存技術中，進程運行時并沒有將所有頁面裝入到內存，在運行過程中進程會不斷地請求頁面，如果訪入到內存，在運行過程中進程會不斷地請求頁面，如果訪問的頁面已在內存，就繼續(xù)執(zhí)行下去；但如果要訪問的頁問的頁面已在內存，就繼續(xù)執(zhí)行下去；但如果要訪問的頁面尚未調入內存，便請求操作系統(tǒng)將所缺頁面調入內存，面尚未調入內存，便請求操作系統(tǒng)將所缺頁面調入內存，以

31、便進程能繼續(xù)運行，這個過程叫頁面請求。以便進程能繼續(xù)運行，這個過程叫頁面請求。 如果請求頁面調入內存時，分配給該進程的頁框已用如果請求頁面調入內存時，分配給該進程的頁框已用完，就無法立即裝入所請求頁面。此時，必須將進程中的完，就無法立即裝入所請求頁面。此時，必須將進程中的某個頁面從內存的頁框調出到磁盤上，再從磁盤上將所請某個頁面從內存的頁框調出到磁盤上，再從磁盤上將所請求的頁面調入到內存該頁框中，這個過程叫頁面置換。用求的頁面調入到內存該頁框中，這個過程叫頁面置換。用于決定將進程在內存中的哪個頁面置換出去的算法叫頁面于決定將進程在內存中的哪個頁面置換出去的算法叫頁面置換算法。置換算法。4.3

32、操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 每臺計算機都配備了許多外部設備，它們的性能和操作每臺計算機都配備了許多外部設備，它們的性能和操作方式都不一樣。操作系統(tǒng)對設備方式都不一樣。操作系統(tǒng)對設備管理管理的主要目標是方便用戶的主要目標是方便用戶使用外部設備，提高使用外部設備，提高CPU和設備的利用率。和設備的利用率。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能4.3.3 設備管理設備管理設備驅動程序設備驅動程序 設備驅動程序與具體設備有關，用戶安裝好硬件后還要設備驅動程序與具體設備有關，用戶安裝好硬件后還要再安裝驅動程序，計算機才能識別和使用該設備。每個外部再安裝驅動程序

33、，計算機才能識別和使用該設備。每個外部設備都有相應的設備驅動程序，它也是硬件的身份識別標志，設備都有相應的設備驅動程序，它也是硬件的身份識別標志，負責完成設備具體的各種動作負責完成設備具體的各種動作(輸入輸入/輸出操作輸出操作)。 一旦為一旦為I/O設備安裝了驅動程序，那么應用程序在使用設備安裝了驅動程序，那么應用程序在使用I/O設備時，就不必關心設備的特性、設備時，就不必關心設備的特性、I/O控制方式，這樣就控制方式，這樣就實現(xiàn)了應用程序與設備的無關性。實現(xiàn)了應用程序與設備的無關性。 計算機科學與工程系計算機科學與工程系雖然，外部設備的速度在不斷提高，但它與雖然，外部設備的速度在不斷提高，但

34、它與CPU的速的速度仍相差甚遠。這樣就出現(xiàn)了度仍相差甚遠。這樣就出現(xiàn)了CPU處理數據的速度與外設處理數據的速度與外設I/O速度不匹配現(xiàn)象。系統(tǒng)中各個部件的并行程度仍不能得速度不匹配現(xiàn)象。系統(tǒng)中各個部件的并行程度仍不能得到充分發(fā)揮。為到充分發(fā)揮。為I/O設備設置緩沖區(qū)，暫存數據，等到數據設備設置緩沖區(qū)，暫存數據，等到數據積累到一定數量時，再做批量處理。積累到一定數量時，再做批量處理。 引入緩沖的好處：引入緩沖的好處： (1) 緩和緩和CPU與與I/O設備間速度不匹配的矛盾；設備間速度不匹配的矛盾； (2) 減少對減少對CPU中斷頻率；中斷頻率； (3) 提高提高CPU與與I/O設備間的并行性。設

35、備間的并行性。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 上述三種管理是針對計算機硬件資源的管理。文件管理則上述三種管理是針對計算機硬件資源的管理。文件管理則是對系統(tǒng)的信息資源的管理。是對系統(tǒng)的信息資源的管理。 文件管理的主要任務是對用戶文件和系統(tǒng)文件進行有效管文件管理的主要任務是對用戶文件和系統(tǒng)文件進行有效管理，實現(xiàn)按名存??；實現(xiàn)文件的共享、保護和保密，保證文件理，實現(xiàn)按名存??；實現(xiàn)文件的共享、保護和保密，保證文件的安全性；并提供給用戶一套能方便使用文件的操作和命令。的安全性；并提供給用戶一套能方便使用文件的操作和命令。 (1) 文件的概念文件的概念4.3

36、操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 文件：保存在外存上的相關信息的集合。文件：保存在外存上的相關信息的集合。 文件命名：文件主名文件命名：文件主名+ +擴展名擴展名計算機科學與工程系計算機科學與工程系 文件的擴展名一般用來標明文件的類型。例如：文件的擴展名一般用來標明文件的類型。例如： .EXE 可執(zhí)行文件可執(zhí)行文件 .SYS 系統(tǒng)文件系統(tǒng)文件 .TXT 文本文件文本文件 .BAS Basic源程序源程序 .DOC Word文檔文檔 .BAK 備份文件備份文件 在在Windows系統(tǒng)中，我系統(tǒng)中，我們還可以通過圖標的不同來們還可以通過圖標的不同來區(qū)分文件的類型，但是顯示區(qū)分文件的類型，但是顯示文

37、檔圖標的依據仍然是文件文檔圖標的依據仍然是文件的擴展名，所以修改文件的的擴展名，所以修改文件的擴展名，會使系統(tǒng)無法識別擴展名，會使系統(tǒng)無法識別文件的類型。文件的類型。 常見的幾種文件圖標常見的幾種文件圖標 4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系只讀：只允許授權用戶進行讀操作。只讀：只允許授權用戶進行讀操作。 讀寫：只允許授權用戶進行讀和寫的操作。讀寫：只允許授權用戶進行讀和寫的操作。 文檔：允許任何用戶進行讀寫操作。文檔：允許任何用戶進行讀寫操作。 隱藏：不允許用戶直接看到文件名。隱藏：不允許用戶直接看到文件名。一個文件可以有不同的存取屬性，例如：一個文件

38、可以有不同的存取屬性，例如：4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 通常，一個磁盤至少應包含一個分區(qū)，每個分區(qū)用來保通常，一個磁盤至少應包含一個分區(qū)，每個分區(qū)用來保存文件和目錄結構存文件和目錄結構 。 一個磁盤上的文件成千上萬，如果把所有的文件存放在根一個磁盤上的文件成千上萬，如果把所有的文件存放在根目錄下會有許多不便。為了有效地管理和使用文件，大多數文目錄下會有許多不便。為了有效地管理和使用文件，大多數文件系統(tǒng)允許用戶在根目錄下建立子目錄，在子目錄下再建立子件系統(tǒng)允許用戶在根目錄下建立子目錄，在子目錄下再建立子目錄，也就是將目錄建構成樹型結構，然后讓用戶

39、將文件分門目錄，也就是將目錄建構成樹型結構，然后讓用戶將文件分門別類地存放在不同的目錄中。樹型目錄結構是目前使用最為廣別類地存放在不同的目錄中。樹型目錄結構是目前使用最為廣泛的一種目錄結構。泛的一種目錄結構。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 樹型目錄結構在邏輯上的構成是一棵樹，子目錄是樹枝，樹型目錄結構在邏輯上的構成是一棵樹，子目錄是樹枝，而文件是樹葉。而文件是樹葉。 Windows系統(tǒng)采用了文件夾樹型結構。系統(tǒng)采用了文件夾樹型結構。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能計算機科學與工程系計算機科學與工程系 (3) 常見的文件系統(tǒng)常見的文件系統(tǒng) 文

40、件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)是在磁盤上組織文件的方法。也指文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)是在磁盤上組織文件的方法。也指用于存儲文件的磁盤或分區(qū)，或文件系統(tǒng)種類。它負責為用用于存儲文件的磁盤或分區(qū)，或文件系統(tǒng)種類。它負責為用戶建立文件，存入、讀出、修改、轉儲文件，控制文件的存戶建立文件，存入、讀出、修改、轉儲文件，控制文件的存取，當用戶不再使用時撤銷文件等。取，當用戶不再使用時撤銷文件等。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 文件系統(tǒng)使用文件分配表文件系統(tǒng)使用文件分配表(File Allocation Table, FAT)來記來記錄文件所在位置，它對于硬盤的使用是非常重要的，假如操錄文件所在位置，它對于硬盤的使用

41、是非常重要的，假如操作系統(tǒng)丟失文件分配表，那么硬盤上的數據就會因為無法定作系統(tǒng)丟失文件分配表，那么硬盤上的數據就會因為無法定位而不能使用。位而不能使用。FAT16、FAT32、NTFS是目前最常見的三種是目前最常見的三種文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)。計算機科學與工程系計算機科學與工程系 FAT16：FAT16文件系統(tǒng)最大可以管理大到文件系統(tǒng)最大可以管理大到2GB的分的分區(qū)，但每個分區(qū)最多只能有區(qū)，但每個分區(qū)最多只能有65525個簇。隨著硬盤或分區(qū)容個簇。隨著硬盤或分區(qū)容量的增大，每個簇所占的空間將越來越大，從而導致硬盤空量的增大，每個簇所占的空間將越來越大，從而導致硬盤空間的浪費。間的浪費。 FAT32

42、：FAT32采用了采用了32位的文件分配表，可以支持位的文件分配表，可以支持大到大到2TB的分區(qū)，方便了用戶對磁盤的綜合管理。另外的分區(qū)，方便了用戶對磁盤的綜合管理。另外FAT32分區(qū)每個簇的容量都比分區(qū)每個簇的容量都比FAT16小，從而使得到磁盤的小，從而使得到磁盤的利用率得到很大的提高。利用率得到很大的提高。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 NTFS：是從：是從Windows XP系統(tǒng)開始逐漸成為主流的文系統(tǒng)開始逐漸成為主流的文件系統(tǒng)。件系統(tǒng)。NTFS文件系統(tǒng)主要優(yōu)點是比文件系統(tǒng)主要優(yōu)點是比FAT32文件系統(tǒng)安全、文件系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，單個文件的大小突破了穩(wěn)定，單個文件的大小突破了F

43、AT32的的4GB的限制。缺點是的限制。缺點是對對Flash 閃存材料存儲器不一定適用。閃存材料存儲器不一定適用。計算機科學與工程系計算機科學與工程系 為了使用戶能靈活、方便地使用計算機和操作系統(tǒng)，操作為了使用戶能靈活、方便地使用計算機和操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)還提供了友好的用戶接口，這也是操作系統(tǒng)的另一個重要系統(tǒng)還提供了友好的用戶接口，這也是操作系統(tǒng)的另一個重要功能。功能。4.3 操作系統(tǒng)主要功能操作系統(tǒng)主要功能 操作系統(tǒng)提供的兩類接口操作系統(tǒng)提供的兩類接口具體如下：具體如下： (1) 操作接口：提供給用戶操作接口：提供給用戶在鍵盤終端上使用，又可進一在鍵盤終端上使用，又可進一步分為兩類：命令接口

44、和圖形步分為兩類：命令接口和圖形用戶接口。用戶接口。 (2) 系統(tǒng)調用接口：也供操系統(tǒng)調用接口：也供操作系統(tǒng)的其它組成部分，特別作系統(tǒng)的其它組成部分，特別是命令處理程序使用。是命令處理程序使用。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng)計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng) Unix是一個交互式、是一個交互式、分時多用戶并支持網絡分時多用戶并支持網絡的操作系統(tǒng)，是可以運的操作系統(tǒng)，是可以運行在從微機到巨型機在行在從微機到巨型機在內的各種機型上的通用內的各種機型上的通用操作系統(tǒng)。目前主要用操作系統(tǒng)。目前主要用于網絡服務器、大中小于網絡服務器

45、、大中小型機。型機。主流產品：主流產品：FreeBSD運行界面運行界面主流產品：主流產品：Solaris運行界面運行界面 1969年，貝爾年，貝爾電話實驗室的電話實驗室的專家開發(fā)了專家開發(fā)了-Unix操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng) DOS DOS是微型計算機早期所使用的桌面操作系統(tǒng)。是單用是微型計算機早期所使用的桌面操作系統(tǒng)。是單用戶、單任務和字符界面的操作系統(tǒng)，主要為戶、單任務和字符界面的操作系統(tǒng)，主要為16位微型計算機位微型計算機而設計，屬于淘汰產品。而設計，屬于淘汰產品。 MS-DOS運行的界面運行的界面1981年，年，IBM發(fā)布

46、了發(fā)布了IBM 5150 PC，采用了，采用了Microsoft提供的提供的DOS（Disk Operating System）。）。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng) Windows是是Microsoft公司為個人計算機及其服務器開發(fā)公司為個人計算機及其服務器開發(fā)的操作系統(tǒng)。從的操作系統(tǒng)。從1985年發(fā)展至今，開發(fā)了眾多的版本，對個年發(fā)展至今，開發(fā)了眾多的版本，對個人計算機的普及及應用起到了重要的作用。人計算機的普及及應用起到了重要的作用。Windows95之前的發(fā)展歷程之前的發(fā)展歷程 Windows 1.0 1985 年 11 月 Windows 2.0

47、1987 年 10 月 Windows 3.0 1990 年 5 月 Windows 3.1 1992 年 Windows 3.11 1993 年 11 月 Windows 3.2 1994 年 計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng)Windows95之后的發(fā)展歷程之后的發(fā)展歷程 Windows 95 1995 年 8 月 Windows NT4.0 1996 年 8 月 Windows 98 1998 年 6 月 Windows Me 2000 年 9 月 Windows 2000 2000 年 12 月 Windows XP 2001 年 10 月 Windo

48、ws 2003 2003 年 4 月 Windows Vista 2006 年 11 月 Windows 7 2009 年 10 月 Windows 8 2012年10月計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng) Windows操作系統(tǒng)被廣泛使用，主要是因為其具有以下操作系統(tǒng)被廣泛使用，主要是因為其具有以下基本特點：基本特點： (1) 界面圖形化，操作便捷界面圖形化，操作便捷 以前以前DOS的字符界面使得一些用戶操作起來十分困難。的字符界面使得一些用戶操作起來十分困難。采用了圖形界面和使用鼠標后，人們不必學習太多的操作系采用了圖形界面和使用鼠標后，人們不必學習太多的操

49、作系統(tǒng)知識，只要會使用鼠標就能進行工作。統(tǒng)知識，只要會使用鼠標就能進行工作。 (2) 采用多任務機制采用多任務機制 用戶使用計算機時可以同時運行多個程序完成多種任務。用戶使用計算機時可以同時運行多個程序完成多種任務。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng) (3) 支持網絡功能。支持網絡功能。 用戶可以很方便地在用戶可以很方便地在Windows中實現(xiàn)資源共享。中實現(xiàn)資源共享。 (4) 出色的多媒體功能出色的多媒體功能 可以進行音頻、視頻的編輯可以進行音頻、視頻的編輯/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” 技術，這使

50、得新硬件的安裝更加簡單。技術，這使得新硬件的安裝更加簡單。只要有其驅動程序，只要有其驅動程序， Windows就能自動識別并進行安裝。就能自動識別并進行安裝。 (6)具有眾多應用程序的支持具有眾多應用程序的支持 市面上有足夠多的在市面上有足夠多的在Windows下運行的應用程序可以滿足下運行的應用程序可以滿足用戶各方面的需求。用戶各方面的需求。計算機科學與工程系計算機科學與工程系 Linux是是Unix家族中的一員，是一個誕生于網絡、成長于家族中的一員，是一個誕生于網絡、成長于網絡且成熟于網絡的操作系統(tǒng)。網絡且成熟于網絡的操作系統(tǒng)。Linux是一個免費、源代碼開是一個免費、源代碼開放、自由傳播

51、的操作系統(tǒng)。它既可以做各種服務器操作系統(tǒng)，放、自由傳播的操作系統(tǒng)。它既可以做各種服務器操作系統(tǒng)，也可以安裝在微機上，我國自行開發(fā)的有紅旗、藍點、麒麟也可以安裝在微機上，我國自行開發(fā)的有紅旗、藍點、麒麟Linux等。等。4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng)國產紅旗國產紅旗Linux運行界面運行界面1991年，芬蘭赫爾年，芬蘭赫爾辛 基 大 學 的 學 生辛 基 大 學 的 學 生Linus Torvalds編寫編寫了了Linux，并把源碼，并把源碼放在放在Internet上，得上，得到了迅猛發(fā)展。到了迅猛發(fā)展。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng) Mac OS Mac

52、 OS是運行在蘋果系列微機上的操作系統(tǒng)。蘋果機是運行在蘋果系列微機上的操作系統(tǒng)。蘋果機多用于圖形領域，它往往代表了潮流和時尚，代表精美的多用于圖形領域，它往往代表了潮流和時尚，代表精美的工業(yè)設計，但它不兼容工業(yè)設計，但它不兼容Windows軟件。軟件。Mac OS運行界面運行界面1984年，年，Apple公司發(fā)布了公司發(fā)布了System 1，這是世界上第一，這是世界上第一款圖形化用戶界面操作系統(tǒng)?？顖D形化用戶界面操作系統(tǒng)。從從System 7.6版開始，更名版開始，更名為為Mac OS。計算機科學與工程系計算機科學與工程系4.4 典型操作系統(tǒng)典型操作系統(tǒng) 6 手機操作系統(tǒng)手機操作系統(tǒng) 三種典型的手機操作系統(tǒng)：三種典型的手機操作系統(tǒng)： (1) Android，中文稱安卓，是一個以，中文稱安卓，是一個以Linux為基礎的半為基礎的半開放原始碼作業(yè)系統(tǒng)，主要用于移動設備，由開放原始碼作業(yè)系統(tǒng)，主要用于移動設備，由Google持續(xù)領持續(xù)領導與開發(fā)中。導與開發(fā)中。 (2) iOS，原名，原名iPhone OS，是由蘋果公司為移動設備所，是由蘋果公司為移動設備所開發(fā)的操作系統(tǒng)，開發(fā)的操作系統(tǒng)，iOS不支持非蘋果硬件的設備。不支持非蘋果硬件的設備。 (3) Windows Phone 8是微軟發(fā)布的一款手機操作系統(tǒng)，是微軟發(fā)布的一款手機操作系統(tǒng)，是谷歌是谷歌Android和蘋果和蘋果iOS