大学计算机基础第3章 操作系统基础知识

命令行工作界面CLI （Command Line Interpreter）
用户在命令行中输入一系列操 作命令来操作使用计算机
必须学习、掌握该计算机的操 作命令
不同的操作系统提供的操作命 令是不同的
如DOS
图形工作界面GUI ——Graphical User Interfaces
通过图形界面进行交互和操作，只需点击鼠标即 可实现和完成操作
整个程序一次性装入；如此时的内存空间不足，则 此程序不能运行
管理方法简单；但利用效率低
动态分配（了解）
程序不是一次性装入；只在需要时才装入需要的部分 已经装入的程序的存储位置也可以变化 存储空间分配实际上是： 动态申请、动态确定、动态调
整 管理复杂；但存储器的使用效率高 在现代多程序运行系统中，普遍采用此方式
系统区，存放操作系统和其他系统程序和数据 用户区，存放用户程序和数据
存储管理
存储管理包括四个方面的功能：
内存分配与回收 地址转换 存储保护 存储扩充
存储分配
按一定的策略或算法为各个并发的进程及相 关数据分配内存空间，最终目标是提高内存 利用率，并保证正常运行
策略和算法
直接分配 静态分配 动态分配
进程的概念
进程和程序的区别
程序是一个文件，是指令的集合，静止的概念； 进程是程序的执行过程，进程是动态的
程序可以脱离机器长期保存，是永久的； 进程是执行着的程序，执行完毕，进程也就不存在了，即 进程的生命是暂时的，有自己的生命周期
程序只需要固定的存储空间； 进程需要分派到系统资源后才能创建和执行
输入：I 计算与处理：C 输出： P
多个程序执行过程：
I1
C1
P1
I2
C2
P2
程序并发执行图示
I1
I2
I3
在T2、T3、T4时， 都是并发的，资
源共享
C1
C2
C3
P1
P2
P3
T1
T2
T3
T4
T5
多道处理图示（了解）
CPU
程序A
程序B
I/O设备
程序B等待
分时处理图示（了解）
程序并发执行
常用策略
先来先服务 优先级服务 时间片轮换服务 分级调度服务(优先级服务结合先来先服务)
操作系统的基本功能
CPU管理
资源管理 程序控制 人机交互
操作系统
存储管理 五 大
功 设备管理 能
模 文件管理 块
作业管理
存储管理
存储管理是操作系统的主要功能之一，负责管 理主存储器
主存一般划分为两大区域：
操作系统的基本功能
② 程序控制 用户程序的执行自始至终是在操作系统控制下进行的，也需
考虑运行效率及异常处理等 程序运行方式的发展：单一程序运行 多道程序运行
分时多任务 分时多用户多任务… 作业管理
操作系统的基本功能
③ 人机交互接口 操作系统的重要作用是为了方便用户使用计算机，其中关键
的程序或更多个程序
将需要执行的程序段调入
内存区，覆盖已经执行结 存储扩充的一般方法有三种： 束的程序段
自动覆盖技术
交换技术 虚拟存储技术
将处于等待状态的进程换 出内存到外存，而将可以 立即运行的程序从外存换
入内存
虚拟存储技术
在外存中开辟虚拟的内存空间；CPU将按照内存的 管理方式管理该区域
存储共享与保护图示
存储管理将需要共享的程序或数据的存储区 域实行“共享”管理，允许各进程访问调用
存储管理将需要保护的程序或数据的存储区 域实行“保护”管理，不允许他进程访问调 用
存储扩充（了解）
计算机的存储空间总是有限的 让不同时执行的程序段共
存储扩充的目的是利用有限的内享部同存一储块空内间存运区行更大
Windows
操作系统的类型（自学，P47）
单用户单任务操作系统 单用户多任务操作系统 多用户多任务操作系统 分时操作系统 实时操作系统 个人计算机/网络操作系统 分布式操作系统
主要内容
什么是操作系统？ 操作系统的功能有哪些？ 程序、数据如何在计算机中存储？
——文件管理 程序、数据如何在计算机中运行处理？
第3章 操作系统基础知识
程序的存储、运行及操作系统的基本概念
一个程序的执行过程：
① 一个程序为了长期保存，应先将其保存在外存(硬盘)中； ② 在执行时，操作系统将程序从外存装载到内存； ③ 依据程序中内容，逐条执行指令，每条指令的执行又分
为三步：取指令、分析指令、执行指令； ④ 运行结束，释放占用的CPU、内存等资源。
独占设备：显示器、打印机 共享设备：硬盘 虚拟设备：局域网中提供给多个用户共享的打印机
设备管理的功能 根据需要合理将设备分配给进程；
并及时收回使用完毕的设备
设备的分配与回收 提供独立于设备的接口
接口是特殊的设备，完成设备信 息的转换，屏蔽不同设备的差异 细节，方便用户使用和操作
操作系统的基本概念
基于OS构建各类应用环境
操作系统的基本概念
操作系统的三种使用方式 —— 命令方式、图形用户界面、系统调用
操作系统的两种工作界面 操作系统是用户与计算机之间的接口和界面 操作系统提供的用户工作界面一般有两种： • 命令行界面与命令操作方式，如DOS • 图形界面与可视化操作方式，如Windows
直接分配（了解）
程序员在设计编写程序时，就将运行时使用 的内存物理地址写在源程序代码中
早期的程序一般使用此方法 对程序员要求高；ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用不方便；但操作系统
管理简单
静态分配（了解）
在程序装入内存之前，就将所需内存的全部物理地 址一次性申请并一次性确定
存储空间确定后，在程序的整个运行过程中保持不 变
——分配内存，分配cpu，分配设备
操作系统的基本功能
① 计算机系统资源管理 硬件资源：各种硬件设备，处理器、存储器、输入输出设
备等 处理器管理、存储管理、I/O设备管理（设备管理） 软件资源：存放于计算机系统中的各种数据、文档、程序 文件管理（数据、程序、文档都是通过不同扩展名的文件 存放在外存储器）
存放的内存地址，所以只能在编
物理地址的编号使用二进制数，并以十 六进制表示，如采用20译位时的以物“理0地”址为，基准地址，开始为
某存储单元的地址表示源为程20序00中0H的数据和指令编排地址
称为“逻辑地址”
地址转换（重定位）
在程序装入内存时，将逻辑地址转换成为物理地址， 然后实现存储
地址转换的过程是逻辑地址到物理地址的“映射”的 过程
进程状态转换
操作系统将处 理机分配给进 程使用，开始 运行
运行状态
进程因某事件 (如I/O事件)受 阻塞，转为等 待状态
就绪状态
等待状态
分配的“时间片”已 用完，需重新申请
某事件被解除后 进入就绪状态
进程控制与策略
进程的管理与控制：按一定的策略有效管理各 个进程整个生命周期的所有活动，包括创建、 撤销、挂起、结束、改变运行优先级等
虚拟存储图示
虚拟存储设置
最佳设置：一般为物理内存的1.5倍
操作系统的基本功能
CPU管理
资源管理 程序控制 人机交互
操作系统
存储管理 五 大
功 设备管理 能
模 文件管理 块
作业管理
设备管理
设备管理为用户和设备之间提供一个桥梁，方便用户 使用设备；
管理对象：设备（除CPU和内存之外的所有I/O设备） 设备分类（按资源分配方式）：（了解）
进程具有并发性，多进程分时使用资源； 多个程序可同时存放，但决不会并发
程序是进程的一个组成部分；进程存在必然需要程序的存在 ；被执行中的程序一定属于一个或多个进程；不同的进程可 以包含同一个所需的程序
进程的描述方法
对所分配的资源状况、管理信息、 执行状态等记录 ——进程控制块PCB
进程标识 运行信息 状态信息 管理信息
存储管理系统把进程中某些程序段和数据先放入虚 拟内存中；待需要运行和处理它们时再将它们调入 真正的内存；称为虚拟存储技术
虚拟存储技术
最大可扩充的虚拟存储器的容量受地址总线宽度的 限制 对于一个系统，若具有32位地址总线的管理能力， 最大的存储空间可以达到4GB(即232B) 理论上可扩充的虚拟容量为4GB减去已有的内存 容量
实质是为程序和数据重新确定存储地址；也称为地址 重定位
程序将按照重新确定的物理地址，被存储到系统内存 空间中
存储共享与保护
共享是指：在内存中存储的程序或数据段可供不同 的用户进程访问使用；这种资源共享将会提高内存 的利用率
反过来说，除了被允许共享的部分之外，又要限制 各进程只在自己的存储区活动，各进程不能对别的 进程的程序和数据段产生干扰和破坏，因此须对内 存中的程序和数据段采取保护措施
在于：人机交互功能、人机交互接口 功能丰富、接口方式多样：
交互界面：命令行、图形界面 人机接口方式：标准外设、智能化人机接口
• 基于语音、手写体、姿势、视线跟踪、表情等输入手段的 多通道交互
• 目的：使人能以声音、动作、表情等自然方式进行交互操 作
操作系统的基本功能
CPU管理
资源管理 程序控制 人机交互
多程序并发执行时，CPU的资源为多个程序共享 由于系统资源的限制，每个被运行起来的程序在某个时
刻的行为和状态都是不确定的；程序的执行过程也是断 续的；各个程序间相互竞争共享资源，相互制约。 系统在给程序分配资源时，不仅仅要了解程序本身，还 要了解程序在不同执行时刻的“状态”
进程概念的引入
程序是一个“静态”的概念 在多个程序并发执行的情况下，“程序”不能解 释、描述和管理程序的并发过程 操作系统无法用“程序”的概念，表述和管理对 处理机资源的分配调度
地址转换(重定位)
地址转换的定义： 将程序在外存空间中的逻辑地址转换为 内存空间中的物理地址
地址转换(重定位) （了解） ——物理地址 vs 逻辑地址
内存由若干的存储单元组成；每个存储
单元都有一个编号 源程序被编译系统编译后而产生
该编号称为内存地址（目物标理程地序址）
物存理容地量址对从应0的开值始编号 ；由最于大编值译取系决统于并内不知道将来程序
操作系统
存储管理 五 大
功 设备管理 能
模 文件管理 块
作业管理
处理机管理(CPU管理)
目的：合理、有效地调度处理器资源，满足用 户的需要，提高计算机的使用效率，利用有限 资源完成更多任务
→ 把CPU的使用权按时间段分给多个程序，实现 CPU资源共享和程序并发执行
程序顺序执行图示
一个程序的执行过程可分为三段：
本质：一组规模庞大、功能复杂的程序的集合，每个程序完 成特定的功能
操作系统的基本概念
2. 操作系统在计算机系统中的地位 操作系统是其他软件和硬件之间的接 口，以及其他软件的共同环境
• 按需管理和调度硬件资源，保证程 序正常运行
• 提供统一硬件访问接口，即系统调 用，如：API函数
安装了操作系统的计算机是一种用户及其应用系统的工 作“平台”
进程控制块PCB是OS进行进程控制 的基础
创建、执行、撤销、阻塞、唤醒
进程的三种基本状态
就绪状态 已经获得其他资源，一旦分到CPU即可执行
运行状态 获得全部资源并正在运行
等待状态 资源不足，运行受限，处于暂停状态
三种状态交替出现，直到进程运行结束；三种状态的 转换由操作系统的进程管理功能管理和实现
问题？
（1）将程序保存在外存的什么位置？如何区分不同的文件？ （2）将程序从外存装载到内存的什么位置？如何分配内存？ （3）如何获得CPU的资源？如果有多个程序要运行，CPU如 何处理？ （4）如何获得外设的资源？ （5）如何释放资源？ （6）...... → 操作系统要解决和处理的问题，即操作系统的基本功能
引入了“进程”的概念
进程的定义
进程是现代操作系统的基本概念，是并发程序出现后 必然出现的一个重要概念 进程是程序在一个数据集合上被运行的过程，即执行 起来的程序(“活起来”的程序；“活着”的程序) 在多程序执行的环境下，进程是处理机进行资源分配、 调度和程序运行的基本单位 处理机管理可归结为进程管理
主要内容
什么是操作系统？ 操作系统的功能有哪些？ 程序、数据如何在计算机中存储？
——文件管理 程序、数据如何在计算机中运行处理？
——分配内存，分配cpu，分配设备
操作系统的基本概念
1. 操作系统的定义： 操作系统是计算机系统中的最基本的系统软件 ① 有效地管理和分配计算机的软、硬件资源 ② 合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，使 整个计算机系统能高效地运行 ③ 使用户无需了解计算机硬件或系统软件的有关细节就 能够方便、灵活地使用计算机