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1、CS, ZJU4/4/2023Overview操作系统的定义操作系统的类型常见的操作系统操作系统的结构和组成Windows操作系统文件管理2023-4-42计算机科学基础4.1 操作系统的定义操作系统是计算机硬件和用户（其他软件和人）之间的接口， 位于计算机系统核心的操作系统，它使得用户能够方便地操作计算机，能有效地对计算机软件和硬件资源进行管理和使用。2023-4-43计算机科学基础机器硬件其他系统软件应用软件用户操作系统4.2 操作系统的类型操作系统有许多不同的分类方法，按照其使用环境和对程序执行的处理方式进行分类，可分为：实时系统单用户单任务系统单用户多任务系统多用户多任务系统分布式系统
2、并行系统2023-4-44计算机科学基础实时系统实时操作系统要求在规定的时间内响应，并快速处理，其响应时间一般在毫秒、微秒级甚至更快。大多数实时操作系统是专用系统。实时操作系统本身对资源的使用和控制都必须优化以满足系统要求。2023-4-45计算机科学基础单用户单任务系统计算机只能由一个人使用，且一次只能执行一个任务。大多数实时操作系统是专用系统。早前PC机的DOS（Disk OS）系统就是这种单用户单任务操作系统。虽然这种操作系统的效率低，但是系统对计算机硬件的要求不高。2023-4-46计算机科学基础单用户多任务系统仍然只能支持一个人使用计算机，但允许同时执行多个任务。目前最为常见的PC机
3、操作系统，包括Windows、Apple公司的Mac OS、Linux。采用任务是一种分时处理技术，将CPU的执行时间划分为若干个时间片，在一个时间片内执行一个任务，在下一个时间片内执行另外一个任务，循环不息。可以在多个程序之间进行数据交换。由于需要支持多个任务，要在用户界面处理、系统资源的分配和调度等方面进行大量的处理，因此整个系统比较庞大，且比较复杂。2023-4-47计算机科学基础多用户多任务系统允许多个用户使用一台主机，而且支持每个用户的多任务处理。早期硬件资源非常昂贵，多采用使用主机的多用户多任务系统，这种结构演变到今天就是网络服务器，终端工作站变成了PC机。最早的操作系统UNIX就
4、是多用户系统，今天它也是高端网络服务器的操作系统，而Windows的服务器版也具有这种功能。2023-4-48计算机科学基础并行系统并行操作系统是针对计算机系统的多处理器要求设计的，它除了完成单一处理器系统同样的作业与进程控制任务外，还需要完成在系统的多个处理器之间活动的分配、调度。并行系统要解决 “负载平衡”（Load Balancing）问题和“缩放”问题。2023-4-49计算机科学基础分布式系统通过网络将物理上分布（分散）的具有独立功能的计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。侧重且扩大了操作系统对网络资源的控制范围，并实现统一控制。“云计算”。2023-
5、4-410计算机科学基础4.3 常见的操作系统单用户操作系统。DOS采用字符界面，其中的命令一般都是英文单词或缩写。在Windows中成为一个任务（命令提示符窗口）被保留下来。2023-4-411计算机科学基础基于图形用户界面(GUI)的操作系统。它可以同时运行多个应用程序(多任务)众多版本Windows 3.X、Windows NT、Windows 95、97、 98Windows 7个人版、专业版、企业版，乃至支持庞大用户量的数据中心版。2023-4-412计算机科学基础UNIX/Linux不仅是一个运行可靠、稳定的系统，而且由其开创的操作系统技术一直为其他操作系统所遵循，因此它成了事实上
6、的标准。Linux被认为是一种高性能、低开支的，可以替换其他昂贵操作系统的软件。劣势在于需要更多的修补，且其运行应用程序的数量远没有Windows那么多。2023-4-413计算机科学基础Mac OSMac OS是Apple公司为其Macintosh系列计算机设计的操作系统。早于Windows，且也是基于GUI的 。具有很强的图形处理能力，被公认为是最好的图形处理系统。2023-4-414计算机科学基础移动设备操作系统Palm OS由最早生产PDA (个人数据助理)的Palm公司开发。Windows Mobile微软公司开发的适用于移动设备的Windows系统。 Symbian OSNokia
7、和Sony Ericsson等手机生产商联合开发的智能手机操作系统。 AndroidGoogle公司收购了原开发商Android后，联合多家制造商推出的面向平板电脑、移动设备、智能手机的操作系统。基于Linux开放的源代码开发且仍然是免费系统。 iOSApple公司为其生产的移动电话iPhone 开发的操作系统。2023-4-415计算机科学基础4.4 操作系统的结构和组成各种类型操作系统的功能基本相同，其结构也差不多，只是实现方法不同。操作系统的结构基于软件的层次结构，把操作系统分为内核（Kernel）和用户接口（Shell）两层。操作系统的组成包括：进程管理、存储管理、文件管理和设备管理。
8、2023-4-416计算机科学基础层次结构：内核（kernel）包括操控计算机各种资源的基本模块、设备驱动（Device Driver、内存管理Kernel的调度程序决定哪一个任务被执行，控制程序为这些任务分配时间片。用户接口（shell）Shell（外壳程序）负责接收用户（包括用户执行的应用程序）的操作命令，并将这个命令解释后交给Kernel去执行。Shell命令有两种方式，一种是会话式输入，另一种是命令文件方式。DOS的Shell叫命令解释器（Command）在Windows系统中Shell是 “窗口管理器”2023-4-417计算机科学基础内核用户接口用户/程序PC机的操作系统已经发展成
9、一个极为庞大和复杂的系统：它的内核相对稳定，其主要变化是为了适应处理器芯片功能的变化；而它的外壳则占到整个庞大系统的大部分。图形用户界面（GUI）改变了用户使用计算机的方式，而对界面的管理，则成了操作系统最主要的开销，一方面界面要美观、流畅，另一方面要为用户定制界面提供各种方案。2023-4-418计算机科学基础功能组成：进程管理 存储器管理设备管理文件管理 2023-4-419计算机科学基础进程管理 程序、作业和进程“程序”成为“作业”进而成为“进程”，并被按照一定规则进行调度。程序、作业和进程分别定义了计算机工作过程的不同状态。存放在磁盘上的程序看成它的一个静止状态。作业（Job）是程序的
10、另一个状态，它是指程序从被选中运行直到运行结束的整个过程。当一个作业被选中后进入内存运行，这个作业就成为进程。所有的进程都是作业，但不是所有的作业都是进程。换言之，正在运行的程序才是进程。2023-4-420计算机科学基础进程: 程序的一次运行.现代操作系统支持多任务处理，成为进程的程序已经被调入内存，在一般情况下，CPU给每个进程分配时间片并轮流去执行，也可以根据需要对进程进行调度。2023-4-421计算机科学基础状态的转换过程状态的转换过程程序外存储器作业保持终止成为作业恢复为程序内存就绪运行CPU等待I/O需要I/OI/O结束进入内存退出内存进程进程调度一个进程是否被选中运行取决于调度
11、算法：一种算法是，给每个进程设定优先级，CPU响应高级别的进程，在同等级别的情况下顺序执行；还有一类算法是，使得处理器和外设处于同时“忙”的状态，尽可能使系统“并行”，提高系统的运行效率；也有算法使得每个进程都得到“公平”的响应。进程同步和死锁同步，即保证不同的进程使用不同的资源。死锁就是多个进程同时占有对方需要的资源而同时请求对方的资源，而它们在得到请求之前不会释放所占有的资源，即进程不能同步。2023-4-424计算机科学基础避免死锁的方法：当某个资源不空闲时，让需要这个资源的进程处于等待状态。限制进程占用资源的时间。发生死锁会导致系统处于无效等待状态，因此必须撤销其中的一个进程。例如在W
12、indows中，可用“任务管理器” 终止没有响应也就是无效的进程。线程（Thread)进程概念的延伸。如果程序只有一个进程就可以处理所有的任务，那么它就是单一线程的。如果程序可以被分解为多个进程共同完成程序的任务，那么被分解的不同进程就叫做线程，也叫轻量级进程（Light Weight Processes）2023-4-426计算机科学基础存储器管理操作系统动态监控计算机内存空间的使用情况，当某个程序执行结束后，系统就会自动将它占用的内存单元收回以供其他程序使用。操作系统记录每个程序使用内存的情况，根据进程执行情况，不断变换内存空间的分配。存储器管理还负责管理内存、外存之间数据交换。内存管理内
13、存和外存数据交换虚拟内存2023-4-427计算机科学基础内存管理 操作系统的一个重要任务就是要解决“内存不足”以致程序无法运行的问题。存储器管理器（Memory Manage Unit，MMU）管理方式一般可以分为单道程序和多道程序方式。单道程序 运行的程序被整体装入内存运行，运行结束后再由一个新的程序使用内存。多道程序 操作系统在内存中装入多个程序并“同时”执行这些程序，由CPU轮流执行。2023-4-428计算机科学基础单道程序：内存大部分被单一的程序所使用，内存中的另一个较小的部分是装载操作系统。多见于早期的计算机、专用计算机；存在的问题是：被运行的程序大小（Size）受到内存的限制。
14、数据空间随着程序执行的进展而扩大，程序会出现运行异常。只能够运行一个程序。2023-4-429计算机科学基础多道程序MMU需要给每一个程序（进程）分配内存空间，并将各个程序的内存地址传给进程管理器的进程表。按照内存和外存是否交换程序和数据进行划分，有两种实现多道程序的技术：非交换技术，程序运行期间全部在内存进行，不和外存交换数据。交换技术，程序在运行期间需要和外存交换数据。2023-4-430计算机科学基础多道程序非交换技术交换技术分区调度请求分段调度请求分页调度分页调度多道程序技术类型 非交换技术分区调度:内存被分成不定长的几个区,每个程序占有一个区,CPU按照进程调度在各个分区(程序)之间
15、轮流执行.分页调度:对程序和内存都进行了划分内存被分成大小相等的”帧”，而程序被划分成与帧的大小相等的“页”，系统根据页的数量装载进帧中。它可以使用多种帧的组合实现内存分配的需要。操作系统帧1内存帧7帧8帧5帧3帧2页1页1页3页2页2页1程序A程序B程序C帧4帧6页3页4多道程序的分页调度交换技术请求分页调度:在分页调度技术的基础上，不必整体调入所有页，而根据程序运行情况确定。请求分段调度:程序执行的内存空间是动态决定被划分的。内存被划分成若干个段，程序的一个执行部分（子程序）“段”被装载进内存运行。内存和外存数据交换 MMU是操作系统的一部分，在操作系统中，MMU负责处理：何时将程序或数据
16、从外存装载到内存中？ CPU如何在内存中寻找所需要的程序和数据的地址。如何对内存分区或者分块，以存放不同的程序。2023-4-435计算机科学基础MMU存储管理器逻辑地址由CPU执行处理时形成MMU从CPU得到逻辑地址并转换成内存的实际物理地址,并发出控制信号将外存上的数据或程序与内存交换.虚拟内存在磁盘上开辟一个比内存要大的空间（Windows建议为1.5倍），把被执行的程序装载到这个区域中，按照内存的结构进行组织 ，当需要调入内存时直接进行映射操作，减少了数据转换过程。引入虚拟内存技术的好处可在较小的可用内存中执行较大的用户程序；可在内存中容纳更多程序并发执行；不必影响编程时的程序结构；提供给用户可用的虚拟内存空间通常大于物理内存(real memory)；2023-4-437计算机科学基础操作系统内存外存 虚拟内存原理 任何一个I/O设备都包含了设备硬件和使用这个设备的软件对操作系统而言，凡是接入计算机的设备都应该被纳入它的管理范围，问题：有成千上万种各式各样的设备，为每一个设备建立一个管理？不现实！不同设备访问策略 有效管理，是操作系统I/O设备管理的主要任务2023-4-43
