计算机操作系统第四版课件_图文.ppt

汤小丹《计算机操作系 统》官方课件 第四版
汇报人： 202X-01-05
contents
目录
• 计算机操作系统概述 • 进程管理 • 内存管理 • 文件系统 • 设备管理
计算机操作系统概
01
述
操作系统的定义与功能
总结词
操作系统的定义与功能
详细描述
操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机之间的接口。操作系统 的功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户界面管理等。
操作系统的分类
总结词
操作系统的分类
详细描述
根据不同的分类标准，操作系统可以分为多种类型。根据运行环境，操作系统可以分为单机操作系统 和网络操作系统；根据功能，操作系统可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统和通 用操作系统；根据规模，操作系统可以分为个人操作系统和多用户操作系统等。
进程管理
内存管理
03
内存管理的概念与功能
内存管理概念
内存管理是操作系统中用于管理计算 机内存的子系统，负责分配和回收内 存空间，以及管理内存中的数据。
内存管理功能
内存管理的主要功能包括内存分配、 内存回收、地址转换和内存保护等。
内存的分配策略
静态分配
在程序运行前，系统根据程序的大小 和需求一次性分配所需的内存空间， 程序运行期间不再进行内存的重新分 配。
文件的访问控制机制
文件的访问控制机制包括访问控制表（ACL）、能力表（ Capabilities）等，用于限制用户对文件的访问权限。
文件的访问安全
文件的访问安全是指通过访问控制机制来确保文件的安全性和完整 性，防止未经授权的访问和修改。
设备管理

分布式处理系统的应用
如云计算、大数据处理等。
分布式文件系统与数据库系统
分布式文件系统的基本概念
01
将文件分布在多个计算机节点上，通过网络进行访问和
管理。
分布式数据库系统的基本概念
02
将数据库分布在多个计算机节点上，通过网络进行访问
和管理，同时保持数据的一致性和完整性。
分布式文件系统和数据库系统的关键技术
文件共享是指多个用户或进程可以同时访问和使用同一文件。
文件保护
文件保护是指操作系统采取一定的措施，防止文件被非法访问、修 改或破坏。
共享与保护的实现方法
操作系统可以通过访问控制列表（ACL）、权限位和加密等机制来 实现文件的共享和保护。
文件操作及实现方法
文件操作
文件操作包括文件的创建、打开、读/写、定位和关闭等。
调度算法的性能评价指标
包括系统吞吐量、处理机利用率、周转时间、响应时间等。
典型的多处理机调度算法
如最短作业优先算法、最高响应比优先算法等。
分布式处理系统的特点与分类
分布式处理系统的特点
自治性、并发性、资源共享、透 明性等。
分布式处理系统的分类
根据系统中计算机的类型和互连 方式，可分为同构型分布式系统 和异构型分布式系统。
并行处理系统的基本结构 包括多个处理单元、互连网络、存储器等部件，通过相互 协作完成并行任务。
并行处理系统的分类 根据处理单元的数量和互连方式，可分为共享内存系统和 分布式内存系统。
多处理机调度算法及性能评价
多处理机调度算法的种类
包括静态调度算法和动态调度算法，其中动态调度算法又可分为集中式调度和分布式调度。
进程调度算法的实现需要考虑系统 效率、公平性和实时性等因素。

接耦合方式的原理如图2.3所示。
图2.3 直接耦合输入方式
4. SPOOLING系统
SPOOLING又可译作外围设备同时联机操作。SPOOLING系统的工作原理如图2.4 所示。
在SPOOLING系统中，多台外围设备通过通道或DMA器件和主机与外存连接起来。 作业的输入输出过程由主机中的操作系统控制。操作系统中的输入程序包含两个 独立的过程，一个过程负责从外部设备把信息读入缓冲区；另一个是写过程,负责 把缓冲区的信息送到外存输入井中。这里，外围设备既可以是各种终端,也可以是
vi 编辑文件 ：wq filename 保存文件 ：q! 不保存退出
Gcc test.c 编译test.c 生成a.out 文件 ./a.out 运行a.out
Find / -name ls 在根目录下查找ls文件 Grep –F test /etc/passwd 查找test用户
建立并且运行一个脚本
的编译、链接、装入和执行等。
作业说明书主要包含三方面内容，即作业的基本描述、作业控制描述和资源要求 描述。作业基本描述包括用户名、作业名、使用的编程语言名、允许的最大处理 时间等。而作业控制描述则大致包括作业在执行过程中的控制方式。资源要求描 述包括要求内存大小、外设种类和台数、处理机优先级、所需处理时间、所需库
其他的输入设备，例如纸带输入机或读卡机等。
图2.4 SPOOLING系统
5. 网络输入方式
网络输入方式以上述几种输入方式为基础。当用户需要把在计算机网络中某一台 主机上输入的信息传送到同一网中另一台主机上进行操作或执行时，就构成了网 络输入方式。因为网络输入方式涉及到不同计算机间的通信问题，且该问题的讨
脚本基础
哪个Shell来执行脚本？

THANK YOU
感谢观看
避免死锁、检测并恢复 死锁、预防死锁。
按顺序申请资源、请求 和持有、预先分配、静 态重分配。
检测死锁、停止进程、 撤销进程、恢复进程。
避免“请求和持有”、 避免“不剥夺”。
03
内存管理
内存的基本概念
内存
01
计算机中重要的硬件资源之一，用于存储运行中的程
序和数据。
内存种类
02 RAM、ROM、Cache等。
设备管理主要是对计算机设备进行管理，包括设备的分配、使 用、维护等。
02
进程管理
进程的基本概念
1 2
进程
程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系 统进行资源分配和调度的基本单位。
进程的特征
独立性、并发性、异步性、结构特征。
3
进程的状态
就绪状态、等待状态、运行状态、结束状态。
进程的创建和终止
进程的创建
内存共享
02
03
内存锁定
多个程序可以共享一些公共的内 存区域，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实现数据交换和协作 。
一些关键数据和代码可以被锁定 在内存中，防止被其他程序修改 或破坏。
04
文件系统
文件的基本概念
文件
文件是计算机中存储信息的单位，由数据项、 数据格式和数据结构组成。
文件类型
根据使用需求和存储内容，文件可分为文本文 件、二进制文件、图像文件等。
01
02
03
虚拟内存
通过将内存分为多个逻辑 分区，实现了一种类似于 硬盘的内存管理方式。
页面置换算法
当内存空间不足时，操作 系统会将一些不常用的页 面置换到硬盘上，以释放 内存空间。
页面调度

4
计算机系统的层次结构(1)
用户1
用户2
用户3
用户4
… 用户n
财务系统 航空订票 上网浏览 电子商务 … 科学计算 (应用软件)
编译程序 汇编程序 数据库 … 实用程序 (支撑软件)
操作系统 (系统软件)
计操算作机系硬统件 (系统软件)
5
计算机系统的层次结构(2)
• 硬件层
提供基本的可计算性资源，如处理器、寄存器、存储器 及各种I/O设备。
设设 备备
时分复用共享 空分复用共享
物理计算机
17
1.1.3 操作系统的作用与功能
➢ 操作系统的作用：对内是“管理员”，对外是“ 服务员”：
OS作为用户接口和服务提供者 OS作为作为扩展机或虚拟机 OS作为资源管理者和控制者
18
OS作为用户接口和服务提供者
• 操作系统提供友善的人机接口，使得用户能够方 便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程 序；
数据卡或数据带 • 产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上
输出
38
人工操作阶段的缺点
• 用户上机独占全机资源，造成资源利用率不 高，系统效率低下
• 手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生 差错
• 数据的输入，程序的执行、结果的输出均联 机进行，从上机到下机的时间拉得非常长
39
1.2.2 管理程序阶段(1)
算机系统的主存储器并启动进行计算的方法
从宏观上看是并行的 从微观上看是串行的
• 引入多道程序设计技术的目的:可以提高CPU的利 用率，充分发挥计算机硬件的并行性。
44
多道程序设计例(1)
时间
78
130 150
操作系统中，能分配给用户使用的硬件和软件设施 总称为资源，包括两类：硬件资源和信息资源。

一起，形成装入模块。子2
子2
装入：子装2 入程序
装入模块
由目装标模入块程序（Loader）将装入模块复制到内
存中。
内存
.
7
2、地址空间的概念
物理（绝对）地址——程序执00行00000001
00002
每00个0 内主 存单元的固定顺序地址. （编号）。 内50存0 ：由字或字000节0 组主 成的一维.. 线性地址空间
.
19
• 4.3.5基于索引搜索的动态分区分配算法
1、快速适应算法：空闲分区按容量大小进行分 类。对于每一类具有相同容量的所有空闲空间分 区，单独设立一个空闲分区链表。在内存中设立 一张管理索引表，每个表项对应一种空闲分区类 型。
优点：查找效率高。保留大分区也不会产生碎片
缺点：分区归还主存时算法复杂。
进行紧凑
按动态分区方式
时提高形成了连续系空闲统区 效率。
进行分配
缺点：需要动态重定位“硬件”机构支持，增加
修改有关的
修改有关的
返回分区号
了系统数成据结本构，并轻度降低了数据程结构序执行速度，及首“批 紧
凑”处理增加了系统开销。
无法分配
返回
动态重定位分区分配算法流程
.
29
4.4、对换（Swapping）
成的，以后不再改变。
5000
15000
动态重定位：地址变换是在程序指令执行
作时业进地址行空的间 。
内存空间
.
9
0 0
BR：重定位寄存器 VR: 变址寄存器
.
10
4、程序的链接
链 接把：一0个程C模a序块ll BA相; 关的一组目标模块和0 系JS统模R块”调LA”;用模块

其最主要的任务是，完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率， 以及提高设备的利用率，并能为更高层的进程方便地使用这 些设备提供手段。
6.1.1 I/O系统的基本功能
1. 隐藏物理设备的细节 I/O设备的类型非常多，且彼此间在多方面都有差异， 诸如它们接收和产生数据的速度，传输方向、粒度、数据的 表示形式及可靠性等方面。
Байду номын сангаас
6.2.1 I/O设备
1. I/O设备的类型 1) 按使用特性分类 2) 按传输速率分类
2. 设备与控制器之间的接口
通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控 制器通信，因此，在I/O设备中应含有与设备控制器间的接 口，在该接口中有三种类型的信号(见图6-3所示)，各对应一 条信号线。
3. 设备处理方式
在不同的操作系统中，所采用的设备处理方式并不完全 相同。
6.4.2 设备驱动程序的处理过程
设备驱动程序的主要任务是启动指定设备，完成上层指 定的I/O工作。但在启动之前，应先完成必要的准备工作， 如检测设备状态是否为“忙”等。在完成所有的准备工作后， 才向设备控制器发送一条启动命令。
2. 中断向量表和中断优先级
1) 中断向量表 2) 中断优先级
3. 对多中断源的处理方式
1) 屏蔽(禁止)中断 2) 嵌套中断
图6-9 对多中断的处理方式
6.3.2 中断处理程序
当一个进程请求I/O 操作时，该进程将被挂起，直到I/O 设备完成I/O操作后，设备控制器便向CPU发送一个中断请求， CPU响应后便转向中断处理程序，中断处理程序执行相应的 处理，处理完后解除相应进程的阻塞状态。
由于设备控制器位于CPU与设备之间，它既要与CPU通 信，又要与设备通信，还应具有按照CPU所发来的命令去控 制设备工作的功能，因此，现有的大多数控制器都是由以下 三部分组成：

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3. 运行时动态链接(Run-time Dynamic Linking) 在许多情况下，应用程序在运行时，每次要运行的模块可能是不相同 的。但由于事先无法知道本次要运行哪些模块，故只能是将所有可能要运 行到的模块全部都装入内存，并在装入时全部链接在一起。显然这是低效 的，因为往往会有部分目标模块根本就不运行。比较典型的例子是作为错 误处理用的目标模块，如果程序在整个运行过程中都不出现错误，则显然 就不会用到该模块。
多层结构的存储器系统 1. 存储器的多层结构 对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为CPU寄
存器，中间为主存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具 体的功能细分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可 移动存储介质等6层。如图4-1所示。
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• 图4-1 计算机系统存储层次示意 第3页/共101页
第30页/共101页
• 图4-9 内存回收时的情况 第31页/共101页
• 图4-10 内存回收流程 第32页/共101页
基于顺序搜索的动态分区分配算法 1. 首次适应(first fit，FF)算法 我们以空闲分区链为例来说明采用FF算法时的分配情况。FF算法要
求空闲分区链以地址递增的次序链接。在分配内存时，从链首开始顺序查 找，直至找到一个大小能满足要求的空闲分区为止。然后再按照作业的大 小，从该分区中划出一块内存空间，分配给请求者，余下的空闲分区仍留 在空闲链中。若从链首直至链尾都不能找到一个能满足要求的分区，则表 明系统中已没有足够大的内存分配给该进程，内存分配失败，返回。
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主存储器与寄存器 1. 主存储器 主存储器简称内存或主存，是计算机系统中的主要部件，用于保存进

Windows支持多种文件系统格式，包括：CDFS, UDF, FAT12, FAT16 ,FAT32和NTFS。
CDFS和UDF
–CDFS(CD-ROM文件系统) 是一个支持CD-ROM文件的只读文件系统 ，最大支持的文件大小为4GB，最多支持65,535个目录。UDF(通用磁
盘格式文件系统)主要提供了对DVD文件的支持。
返回到调用程序，等I/O请求处理完后，再进行数据同步。
–快速I/O：为了提高系统访问文件或高速缓存的速度，Windows还提供了一种直 接访问文件系统驱动和缓存管理器的I/O处理器制。这种I/O处理避免了发送I/O请
求包而带来的延时，可以提高访问的效率。
–映射文件I/O：通过映射文件， Windows可以将磁盘上的文件当作进程的虚拟空 间的一部分。应用可以将文件当作一个大的数组来直接访问，而内存管理器通过 映射文件I/O来完成映射文件到磁盘文件的转换。在核心操作系统服务中，映射文
FAT
–FAT（文件分配表文件系统）是一个简单的文件系统，它最初是为 DOS操作系统设计的。它适用于小容量的磁盘，文件目录也比较简单 。为了向后兼容，Windows NT体系结构的操作系统仍然支持FAT文件
系统。
–FAT文件系统是根据其组织形式（文件分配表）而命名的，文件分配 表位于卷的开头。为了防止文件系统遭到破坏，FAT文件系统保存了两 个文件分配表，当其中一个遭到破坏时，另外一个可以作为备份。而 且，文件分配表和根目录必须放在磁盘的一个固定的位置，这样系统
11.1.1设计目标
Windows I/O系统为应用程序和操作系统服务提供了一个操作设备的抽象 层，它由若干个运行在核心态的系统服务组成。我们可以从Windows I/O
系统的设计目标来了解它的主要特点：

逻辑地址
物理地址
… 500
1234
1500
1234
599
…
地址空间
1599
…
…
动态地址重定位过程
存储空间
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4. 存储器保护
防止地址越界：进程运行时产生的所有存储 器访问地址都要进行检查，确保只访问为该 进程分配的存储区域。
正确地进行存取：对所访问的存储空间的操 作方式（读、写、执行）进行检查，以防止 由于误操作，使其数据的完整性受到破坏。
用于早期的个人计算机
…… …
…
1MB 0xfffff
用户 进程区
…
0xfffff ROM中 的OS
m
0xfffff ROM中的
设备驱动
n 用户
…
m RAM中
0 的OS
…
用户 进程区
0
进程区
m RAM中 0 的OS
现在很
掌上计算机
用于运行
少使用
嵌入式系统
MS-DOS
的计算机
19
4.3 多用户多道程序的存储分配 —— 分区分配
要扫描所有的空闲区，直到找到满足进程要 求且为最大的空闲区为止。一分为二，一部 分分给进程，另一部分仍留在链表中。
目的：使剩下的空闲区可用。 缺点：要扫描所有的空闲区；大空闲区的不
断分割，可能满足不了大进程的要求。 改进：从大到小对空闲区排序，以提高查找
速度。
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回收一个释放区
若释放区与空闲区相邻接，要进行合并。
5
存储器管理的功能
（1）存储器分配：解决多道程序或多进程共享主存 的问题
（2）地址转换或重定位：研究各种地址变换方法及 相应的地址变换机构。