第4章操作系統,4.1操作系統概述4.2操作系統的功能4.3典型操作系統,手工操作階段（沒有操作系統的世界，第一代計算機）資源獨占、操作困難、人機矛盾嚴重管理程序階段（第二代計算機）計算機自我管理、半自動化操作系統階段（第三代計算機以后）-自動化管理,4.1操作系統概述,一、操作系統的形成,操作系統的概念：管理和控制計算機軟硬件資源的系統軟件。,直接運行在“裸機”上的最基本的系統軟件，任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。,二、操作系統的概念與作用,操作系統是用戶和計算機的接口。操作系統是計算機硬件和其它軟件的接口。,作用：,1、管理計算機系統中的各種資源,資源包括硬件和軟件資源，操作系統承擔系統資源管理的任務，負責對系統中的各類資源進行合理調度和分配，以提高各類資源的利用率。,2、為用戶提供各種界面服務,操作系統提供了各種形式的用戶界面，使用戶有一個好的工作環境。為其它軟件的開發提供必要的服務和相應的接口。,三、操作系統的分類,按硬件平臺系統結構分類單機OS、多機OS按功能特征分類批處理、分時、實時、網絡、分布式操作系統按處理的任務數分類單任務、多任務操作系統按可同時使用OS的用戶數分類單用戶、多用戶操作系統按用戶界面分類字符界面、圖形界面,操作系統的分類體系,1.批處理系統2.分時處理系統3.實時系統4.個人計算機操作系統5.網絡操作系統6.分布式操作系統7.嵌入式操作系統,三、操作系統的分類,1.批處理系統（BatchProcessingSystem）,功能：操作人員將待處理的計算任務成批地裝入計算機，由操作系統將作業按規定的格式組織好存入磁盤的指定區域，然后按照某種調度策略選擇一個或幾個搭配得當的作業調入內存加以處理。,目的：提高系統資源利用率增大作業吞吐量實現作業流程的自動化,特點：“批量處理”,2.分時處理系統（Time-sharingProcessingSystem）,功能：允許多個用戶同時聯機使用計算機。操作系統接收每個用戶的命令，采用“時間片輪轉”的方式處理用戶的服務請求，使每個用戶得以完成自己的任務。目的：多個用戶同時聯機使用計算機。,特點：“時間片輪轉”,時間片輪轉,3.實時系統（RealTimeSystem）,功能：實時操作系統能夠及時響應隨機發生的外部事件，并在規定的時間范圍內完成對該事件的處理。應用：實時控制系統實時信息處理系統,特點：實時響應,4.個人計算機操作系統（PC-OperatingSystem）,功能：此類系統采用有效的方法把相關文件組織成目錄和文件。文件的傳送、復制、刪除，重命名等操作都很方便。,特點：為個人計算機安裝的操作系統是一種聯機交互的單用戶操作系統。,單用戶單任務單用戶多任務,5.網絡操作系統（NetworkOperatingSystem）,功能：在傳統的計算機操作系統上，按照網絡體系結構的各個協議標準擴充其功能，包括網絡管理、通信、資源共享、系統安全和多種網絡應用服務等。網絡操作系統一般包括兩個部分：服務器部分客戶機部分,特點：管理網絡資源。,6.分布式操作系統（DistributedOperatingSystem）,功能：分布式操作系統是建立在網絡操作系統之上，對用戶屏蔽了系統資源的分布而形成的一個邏輯整體系統。負責分布式系統的資源分配和調度、任務劃分、信息傳輸，控制協調等工作，并為用戶提供一個統一的操作界面，用以使用系統資源。,特點：用來管理分布式系統中的所有資源。,適用于分布式計算和處理。,7.嵌入式操作系統（EmbeddedOperatingSystem）,功能：嵌入式操作系統是一種運行在嵌入式系統環境中的操作系統，它對整個嵌入式系統以及它所操作、控制的各種部件、裝置等資源進行協調、調度、指揮和控制。應用：工業控制、軍事及民用設施。,特點：運行在嵌入式系統環境中。,4.2操作系統的功能,操作系統的主要功能是有效地管理計算機系統資源，主要包括：,處理器管理,設備管理,作業管理,存儲管理,文件管理,其他功能：,網絡與通信安全機制與設施資源多媒體資源,一.處理器管理,實質上是對處理器執行“時間”的管理，即如何將CPU合理地分配給每個任務。處理器管理是操作系統中最重要的管理功能。,在多道程序環境下，處理器的分配和運行都是以進程為基本單位的，因此對處理器的管理可以歸結為對進程的管理。,一.處理器管理,為什么不以程序為基本單位？,CPU,CPU,單道程序系統中程序的執行,多道程序系統中程序的執行,單道程序系統與多道程序系統,操作系統引入進程的目的是為了描述和實現多道程序的并發執行。,P1,I1,C1,作業1,t1,t2,t3,t4,t5,t6,作業1,作業2,作業3,順序執行,并發執行,宏觀上同時執行,微觀上交替執行,定義：進程是程序的執行活動。進程是可并發執行的程序在一個數據集合上的運行過程，可以申請和擁有系統資源。進程是個可以獨立調度的基本單位進程是一個動態的概念，是活動的，有產生、運行、消亡的過程,1.進程的概念,2.進程的基本特征,動態性最基本的特征,并發性最重要的特征,獨立性,異步性,計算機中進程是什么樣子？程序區（代碼區）數據區：包含進程執行時所需要的數據集和工作區。進程控制塊PCB：包括當前的活動狀態,包括進程的名字、進程當前狀態、進程優先級、CPU狀態信息、程序地址和數據地址、資源信息、通信信息、鏈接指針等。,3.進程的組成,進程的執行過程是間歇性的，所以進程的狀態也是不斷變化的，一般來說進程有以下三個基本狀態：(1)就緒狀態(2)執行狀態(3)等待狀態,4.進程的狀態,進程的基本狀態轉換圖,主要包括：進程控制進程同步進程通信進程調度,5.進程管理,（1）進程控制,進程控制的基本功能是創建和撤消進程以及控制進程狀態的轉換。進程狀態：就緒、運行、等待,（2）進程同步,進程同步是指對系統并發執行的進程進行協調。,（3）進程通信,進程間所進行的信息交換。,（4）進程調度,按照一定的算法從進程就緒隊列中選出一個進程，把處理器分配給它，為該進程設置運行現場，并使之運行。,6、線程,為了更好地實現并發處理和共享資源，提高CPU的利用率，目前許多操作系統對進程進行“細分”，一個進程可再分為多個線程。目的：實現并發處理和共享資源，提高CPU的利用率UNIX：進程是CPU的分配單位Windows：線程是CPU的分配單位,7.Windows的多任務處理,Windows系統采用“并發式多任務”方式支持多個應用程序的執行。并發式多任務：宏觀上多任務同時執行微觀上CPU輪流處理多個任務,7.Windows的多任務處理,Windows任務欄：通常用戶啟動一個應用程序，就會在任務欄顯示相應的任務按鈕。前臺任務：當前接受用戶輸入的Window所對應的任務后臺任務:除前臺任務外的其他任務,Windows的任務管理器：Ctrl+Alt+Del,系統中的任務和進程運行情況,在任務管理器中觀察各個進程的線程數,二、存儲管理,實質上是對存儲空間的管理，主要是對內存的管理。提高內存的利用率和從邏輯上擴充內存。主要包括以下四個方面的功能：（1）內存分配（2）內存保護（3）地址映射（4）內存擴充,（1）內存分配,為每道程序分配足夠完整運行的內存空間，而且要提高存儲器的利用率。,內存分配機制應具備以下功能：內存分配數據結構內存分配功能內存回收功能,（2）內存保護,保證各道程序都能在自己的內存空間運行而互不干擾，尤其防止用戶程序侵犯操作系統的內存區。,（3）地址映射,地址映射可使用戶不必關心物理存儲空間的分配細節，從而為用戶編程提供方便。,將程序地址空間中的邏輯地址轉換為物理地址。,inta;floatb;charc;,符號名空間,源程序,（4）內存擴充,利用虛擬存儲技術，從邏輯上擴充內存容量，使系統能夠運行對內存需求量遠比物理內存大的多的作業,虛擬存儲基本思想：,硬盤,利用硬盤上的一部分空間模擬內存，為用戶提供一個比實際內存大得多的內存空間。,（4）內存擴充,虛擬存儲器工作原理,磁盤中的虛擬內存:硬盤中專門劃出一個“交換區”，作為物理內存的補充，稱為“虛擬內存”,虛擬內存最大容量：與CPU的尋址能力有關。如32位地址線，虛擬內存可達到4GB。,頁面文件：虛擬內存在indows中稱為頁面文件。（pagefile.sys),虛擬內存設置：我的電腦+屬性+高級+性能,設備管理解決什么問題？對系統中的各種輸入輸出設備進行管理。處理用戶（或應用程序）的輸入/輸出請求，方便、有效、安全地完成輸入/輸出操作。,三、設備管理,對計算機系統中除了CPU和內存以外的所有I/O設備的管理。,三、設備管理,設備管理主要包括以下四個方面的功能：,（1）緩沖管理,（2）設備分配,（3）設備處理,（4）虛擬設備,（1）緩沖管理,外圍設備和主機交換信息時，要用緩沖來解決速度不匹配的矛盾，因此有必要對各種類型的緩沖進行管理。,CPU,內存,系統總線,I/O控制器,外存儲器,輸出設備,輸入設備,I/O控制器,I/O控制器,主機,外設,緩沖,（2）設備分配,對用戶請求的設備按某種分配策略進行分配；將未獲得所需設備的進程放進相應設備的等待隊列；使用完的設備回收。,（3）設備處理,由設備處理程序完成，又稱設備驅動程序，其基本任務是：實現CPU和設備控制器之間的通信，由CPU向設備控制器發送I/O指令，啟動指定的I/O設備；完成用戶規定的I/O操作；及時響應設備發來的中斷請求，并根據中斷類型進行相應處理。,（4）虛擬設備,與獨占設備相對使某設備成為被多個用戶共享的設備，使每個用戶都感覺到自己在獨占該設備，提高設備利用率。,Windows的設備管理器：我的電腦+屬性,四、文件管理,1.什么是文件(file)？,文件是存儲在外存儲器中的一組相關信息的集合，例如：一個程序一張數碼相片一首MP3歌曲一封電子郵件文件是外存中信息的存取(讀出/寫入)單位計算機中所有的程序和數據都組織成為文件存放在外存儲器中，并使用其名字進行存取操作,文件名和文件類型,文件的名字由兩部分組成：(主文件名).擴展名主文件名(簡稱文件名)是文件的主要標識，不可省略文件擴展名(類型名)由“.”加34個英文字母組成,用于區分文件的類型:,2.文件的邏輯組織：目錄結構根目錄、子目錄/文件夾文件、路徑,在樹狀目錄結構中，從根目錄到任何文件之間只用一條通路，這個通道表明了文件的位置，稱之為該文件的路徑。,3.文件系統對文件進行組織、管理、存取的一組系統程序；Windows常見的文件系統FATNTFS,4.文件管理的功能主要任務就是有效地支持文件的存儲、檢索和修改等操作，包括以下功能：文件目錄管理文件存儲空間管理文件共享與安全,（1）文件目錄管理,文件目錄是聯系用戶和外存中的文件之間的紐帶，用戶在使用文件時不必關心文件的存儲細節。實現按名存取。,（2）文件存儲空間管理,主要任務是如何組織和管理磁盤上的大量文件和空閑空間，如何快速檢索磁盤文件。磁盤碎片整理程序磁盤清理程序,（3）文件共享與安全,文件存取權限文件共享,5.Windows的文件管理文件和文件夾命名:文件名.擴展名,-允許使用長文件名，即文件名最多可包含255個中文或西文字符-文件名是由字母、數字和下劃線等組成，通常按照“見名知意”的原則.-英文字母的大、小寫只在形式上加以區分，實際上不予區別（例如：Text.DOC與text.doc是同一個文件）-文件名不能出現以下字符：/、:、*、?、|-擴展名不要任意修改,Windows中常見的文件擴展名及含義,（5）Windows的文件管理文件的組成：文件內容+文件說明信息文件屬性：系統、隱藏、存檔、只讀,（5）Windows的文件管理文件管理工具：資源管理器我的電腦,五、作業管理,為用戶使用系統提供一個良好環境，讓用戶有效地組織自己的工作流程使整個系統能高效地運行。,（1）命令接口,（2）系統調用接口（應用程序編程接口）操作系統對運行程序提供服務的并與之通信的一種機構，供編程使用。低級語言：直接使用高級語言：調用過程（函數）使用,（3）圖形用戶接口,操作系統作業管理為用戶提供了以下幾種接口：,4.3典型操作系統介紹,DOS操作系統WINDOWS操作系統UNIX操作系統Linux操作系統,DOS操作系統是磁盤操作系統DiskOperatingSystem的縮寫，它是一種單用戶單任務的微機操作系統，其操作界面為字符界面。特點：字符界面、單用戶單任務、受640KB常規內存限制、硬件要求低。,4.3.1DOS操作系統,DOS操作系統的產品：Microsoft公司的MS-DOSIBM公司的PC-DOS,DOS界面,（Windows下：開始+程序+附件+命令提示符）,Windows操作系統是一種在微型計算機上運行的圖形界面、多任務的操作系統。,由（美）微軟公司開發，最初作為DOS的圖形化擴充而推出的。自1985年推出Windows1.0以來，版本不斷更新。,4.3.2Windows操作系統,Windows的發展,Windows1.0Windows2.xWindows3.xWindows95Windows98WindowsMeWindows2000WindowsXPWindowsServer2003WindowsVistaWindows7,WindowsXP,WindowsXP,發布時間：2001年10月25日，特點：-既適合家庭用戶,也適合商業用戶-集成了其穩定性、安全性、多媒體和網絡功能-豐富的音頻、視頻和網絡通信功能。版本：專業版（WindowsXPProfessional）家庭版（WindowsXPEdition）媒體中心（MediaCenterEdition）平板電腦版（TabletPCEDition）,WindowsServer2003,WindowsServer2003,發布時間：2003年4月特點：對活動目錄、組策略操作和管理、磁盤管理等面向服務器的功能做了較大該進完善支持.net技術，擴展了服務器的應用范圍版本：WindowsServer2003Web2003服務器版本（WebEdition）-為網頁服務器服務WindowsServer2003標準版（StandardEdition）WindowsServer2003企業版（EnterpriseEdition）WindowsServer2