计算机概论第四讲：操作系统

内存保护—保证进程间互不侵犯
进程对内存空间访问的规则
虚拟地址映射—使程序摆脱地址依赖
为每个进程提供连续的逻辑空间地址 更完善的内存保护机制
内存扩充—应付空间的不时之需
使用外存储器虚拟内存
内存管理
请按下述概念进行类比
内存—著作 分页—书本页面 用户进程—章 系统进程—封面、序、目录、索引、参考、跋 地址扩充—附页、增补、临时增加的床位
设备名：标准外部设备的特殊名字，将设备当作 文件一样进行管理和使用
常见的 CON LPT1/PRN COM1/AUX 不能将设备名用于用户文件名 COM2
树形结构
对资源采取分组多级管 理，形状就象一棵树。 最上面是树根、接下来 有树枝、最后是树叶
文件目录组织形式
Windows 2000的文件目录采用树形结构 每个盘的第一级称为根目录，用\表示 以下各级称为文件夹（子目录）
硬盘控制器
硬盘
文件
连续的文件
用户接口
命令接口：用户可以直接从键盘终端键入 各种命令来取得操作系统的服务。 程序接口：这是应用程序与操作系统的接 口，用户通过在程序中安排系统调用来取 得操作系统的服务。 图形用户接口：将系统的各项功能及各种 应用程序，都以各种形式的图标逼真的表 示出来，再利用鼠标进行操作，使计算机 的操作更为方便简单、生动有趣。
计算机的分类
通用计算机
采用冯·诺依曼“存储程序”结构的计算机，不同计 算问题的解体现为不同的程序，所以具备“通用” 性。其特点是CPU，存储器，外部设备由不同程 序所共享。
专用计算机
为解决特殊问题设计的计算机。计算过程单一固 化，设备不共享。
通用计算机问题
外存储器共享问题； 多个活动程序的CPU、内存、I/O设备共享 问题； 设备访问的便利性问题； 答案：公共资源的使用需要强制性的规范 和一个管理机构。在计算机中，为了保证 有序、高效、安全地使用计算机公共资 源，我们需要一个公共程序为我们提供服 务—操作系统！
天河一号：千万亿次并行计算机
6144颗英特尔CPU和5120颗AMD GPU， 其峰值性能达每秒1206万亿次双精度浮点运算
实时系统
计算任务必须按外部的节拍来完成； 必须保证及时和可靠； 主要应用于控制领域（飞行器、工业过程 等）。
内存管理
内存分配—活动空间的合理分配
规划操作系统进程和用户进程的空间分配
批处理系统工作示意图
CБайду номын сангаасU
作业1
读卡机
后备 作业
作业2
打印机
作业N
磁盘
输出设备
多道批处理系统示意图
CPU分时系统—酒吧服务
一台主机连接了若干个终端； 每个终端有一个用户在使用； 交互式地向系统提出命令请求； 系统接受每个用户的命令； 采用时间片轮转方式处理服务请求 ； 通过交互方式在终端上向用户显示结果； 用户根据上步结果发出下道命令； 与批处理系统最大的不同点是：运行过程是 交互式发展的。
什么是操作系统
操作系统是用来管理计算机系 统的全部资源（包括硬件、软 件资源及数据资源）、控制程 序运行、改善人机界面、为其 它应用软件提供支持等的系统 软件。
操作系统的基本功能
处理机管理（进程管理） 内存管理 文件管理 设备管理 用户接口
处理机管理（进程管理）
原始的人工操作 批处理
CPU独占方式—单道程序 CPU共享方式—多道程序
文件管理系统类比
请将文件系统与《辞海》做一对比
文件系统（硬盘）--《辞海》 分区--《辞海》分册（卷）
C盘，D盘—“语词分册（上）”，“语词分册（下）”
分区表--《辞海》封面 分区文件分配表—“笔画查字表” 簇（多个相邻扇区）—书页 扇区—词条
文件管理
软件
硬件
文 件 管 理 系 统 （ 资 源 管 理 器 ） 用户文件系统接口：目录结构 文件管理 系统 分散存储的文件“簇” 外 存 储 器 驱 动 程 序
在实际操作中，保存文件时要告诉系统“保存位置” 和文件名 在实际操作中，打开文件时要告诉系统“查找范围” 和文件名
小结
了解操作系统的发展过程； 了解分时系统的基本原理； 了解操作系统的基本功能； 熟练掌握Windows操作系统的系 统设置、资源管理、文件共享等基 本操作。
内存管理图示
地址映射 用 户 内 存 用 户 进 程 06H 用 01H 用 户 03H 程 进 线 性 连 续 的 进 程 逻 辑 虚 拟 地 址
公共内存
进 程 操作系统进程 IO设备驱动
索引
户
系 统 内 存
BIOS引导 地址分配示意 内存分页 地址扩充
硬盘
设备管理（I/O）
设备管理的主要任务是完成用户提出的输 入/输出请求，为用户（程序）提供规范的 设备使用接口； I/O设备调度； Windows设备管理器
外存储器
程序
保持
终止
作业
内 存 中 的 进 程 状 态
进程调度 就绪状态
运行状态
等 待 I/O
时间片用完 I/O 完成I/O
想象一下你去医院看病的过程。
并行系统—大饭店
多处理器； 多个任务在多处理器上的调度（负载平衡 Load-Balancing）； 一个任务在多处理器上的任务分解和并行 处理（缩放：Scaling）； 各处理器可以有独立内存或共享内存
文件名规则
文件名由文件主名和扩展名组成
文件主名又称文件名，表示文件的名称 文件扩展名又称文件的副名、文件的后缀，表示文件的类 型
文件名规则
文件名最多可以有250个字符（突破8.3格式） 扩展名由圆点“.”开始，后跟字符（一般1～3个） 常见的.Doc .Exe .RAR .jpg .mp3 .txt .C …… 文件名中不能出现 : \ / * ? “ > < |
设备管理图示
用户进程 接口 调用
操作系统调用函数（接口）
用 户 接 口
对 用 户 隐 蔽 （ 透 明 ） 接 口 电 路
设 备 驱 动 实 现 细 节
实现
设备调度进程 设备驱动程序
总 线 控 制 器
总 线
外部 设备
内存
文件管理
文件管理的主要任务是对用户文件和系统 文件进行管理。通常以树型结构对文件目 录进行管理，并实现文件的存储、检索、 删除等功能。 Windows资源管理器
分时系统示意图
分时系统：单用户多任务
面向PC，单个用户所使用； 采用分时技术支持多任务； 支持多用户并发； Windows,Linux,Macintosh。
处理机管理（进程管理）
基本概念 程序(Code)：外存储器上的机器语言代码 文件； 作业(Job)：提交给操作系统执行的程序 (任务）； 进程（Process）：进入内存开始被CPU执 行的作业；
--以上是用于微机和小型计算机的典型操 作系统
操作系统的基本功能：层次结构
内核 Kernel
Shell 用户接口
应用程序
Windows操作系统
Windows操作系统家族
Windows 9x Windows 2000 Windows XP Windows 2003 Windows Vista Windows 7。。。
操作系统的 基本概念
浙江理工大学计算机技术基础教研部 2010-2011-1
Review
计算原理、信息的二进制表达 John Von Neurmann体系结构
中央处理器，存储器，总线，输入输出
…
本讲试图解答的问题…
为什么要有操作系统？ 操作系统的基本功能； 操作系统重要的概念。
参考条目（维基百科）
BIOS载入OS过程
reset
BIOS ROM OS RAM Loading OS FILES 外存储器
USER RAM
内存储器
其它操作系统类型
网络操作系统 分布式操作系统 网格….Matrix perhaps…
典型操作系统
MS-DOS操作系统 Windows操作系统 Unix操作系统 Linux操作系统 Mac OS操作系统
NTFS（New Technology File System） FAT（file Allocation Table） FAT32（FAT的派生文件系统）
在安装Windows 2000/xp系统或格式化磁盘时需 指定文件系统。推荐的文件系统是NTFS（可靠高 效）；但要与其他操作系统兼容，选择FAT或 FAT32。
维基百科分类：操作系统技术 操作系统 进程 虚拟内存 File systems
习题
请把到医院就诊的过程与操作系统的进程管理做 一类比，解释以下概念：程序、作业、进程、等 待、阻塞、运行等。 为什么文件系统必须把硬盘存储空间的最小分配 单位定为“扇区”或“簇”？将每个文件都连续存储在 硬盘上不是更好吗？ 请上网查阅资料，按照你的使用目的和能承担的 价格，给自己DIY一台计算机，说明理由。列出 各部件的具体型号，计算出总价。可以参阅“太平 洋电脑网”，“泡泡网”等DIY网站。
Windows操作系统特点
图形化界面 多任务 良好的网络支持 多媒体功能 良好的硬件支持（即插即用） 众多应用程序支持系列
Windows XP的文件系统
文件：一组信息的有序集合存储在外存储器上 文件系统：操作系统中与文件管理有关的软件和 被管理的文件与数据结构的集合。是文件命名、 存储和组织的总体结构 Windows 2000/xp文件系统：
日常的用户接口
用户接口（介面，interface）
系统内部实现（透明）
操作系统的启动： 基本输入输出系统:BIOS
提供最基本的I/O和硬盘访问功能； 执行POST（上电后系统自检）； 从CMOS中读取系统配置参数； 各I/O设备初始化； 实现操作系统的载入。 BIOS写在一块只读半导体芯片（ROM）中，通 电后CPU自动执行其中的程序。 CMOS：通过主板锂电池可长期保留数据的一块 可读写内存芯片。
分时系统 并行处理系统（多CPU）
处理机的人工操作阶段--家庭主妇
早期计算机的工作，基本上采用人工操作方 式：由操作员将纸带（或卡片）装入纸带输 入机（或卡片输入机），把程序和数据输入 计算机，当程序行完毕，由用户取走纸带和 计算结果后，才让下一个用户上机操作。
批处理系统—饭店厨师
单道批处理系统（系统对作业的处理是成 批地进行，且在内存中始终只保持一道作 业）。 多道批处理系统（计算机内存中同时存放 若干道已开始运行且尚未结束的程序，它 们交替运行，共享系统中的各种硬、软资 源，从而使处理机得到充分利用）。
文件夹也有名字，规则同文件名 在Windows 2000中表示为
最后一级是文件
在Windows 2000中表示为
文件名完整格式
要建立或访问一个文件，必须告诉系统三个内容： 驱动器、路径、文件名
驱动器：由盘符和冒号构成。例如 D: 路径：由一系列文件夹名和分隔符＼组成。 例如 \teach\vb02级\教学 完整文件名： 驱动器 路径\ 文件名 例如 D:\ teach\vb02级\教学\ZIFT.doc 试一试：在“开始”｜“运行”的“打开”中输入某个完整文件名 后发生了什么