中央广播电视大学开放教育试点课程 计算机操作系统

吴企渊 梁 燕 编著 计算机操作系统 清华大学出版社 中央广播电视大学开放教育试点教材 吴企渊　梁　燕　编著 计算机操作系统 清华大学出版社

计算机操作系统 第一章 操作系统引论 第二章 作业管理 第三章 文件管理 第四章 存储管理 第五章 设备管理 第六章 进程及处理机管理 第七章 操作系统结构和程序实现

基本要求 掌握基本原理 熟悉常用主要功能特点 了解操作系统设计思想与结构

传统课程的“共性”和“个性” 教师、学生和环境（教室，教材，实验，纸，笔） “共性”：新概念、术语、新名词、定理、思路、结构；技巧、实现方法、算法、评述等 “个性”：具体内容的联想、对比、实践

学习方法 知识：需要记忆、积累 联想、对比 抓重点 技能：需要训练、经验 方法、技巧 抓特点 思路：逻辑思维 形象思维

操作系统知识体系结构 知识结构 知识面：至少记住两句话 知识点： 操作系统是计算机技术与管理技术的结合 “五大类型”和“五大功能” 的基本知识和应用技能

计算机操作系统是计算机技术和管理技术的结合 管理技术：1. 分门别类 2. 详细记录 3. 调度策略

数据结构 栈(堆) Stack 队(列) Queue 表(格) Table 树(型) Tree 图(论) Graphic、Chart、Map、Picture、Drawing 场(论) Field

第一章 操作系统引论 操作系统的概念 操作系统的生成和五大类型 操作系统的五大功能 表征操作系统的属性

操作系统的概念(1) 操作系统 Operating System，OS 操作系统是一种软件，属于系统软件 从用户角度看，操作系统可以看成是计算机的硬件扩充 人机交互方式来看，操作系统是用户与机器的接口 用管理者角度看，操作系统也是管理资源的程序扩充

操作系统的概念(2) 从计算机的系统结构看，操作系统是一种层次、模块结构的程序集合，属于有序分层法，是无序模块的有序层次调用。 操作系统是计算机技术和管理技术的结合 操作系统相当于计算机系统的“管理机构”。是为计算机用户服务的，它的主人就是用户。 OS是方便用户管理和控制计算机软硬件资源的系统软件或程序集合

第一章 操作系统引论 操作系统的概念 操作系统的生成和五大类型 操作系统的五大功能 表征操作系统的属性

操作系统的生成和类型 操作系统形成的历史 生成：产生最适合自己工作环境的os内核（kernel）。为了方便用户，又使系统开销尽量小 生成，配置过程 UNIX中 newconfig 命令 DOS中 config.sys 文件 维护：系统管理员 我们 有则后 知道愤怒

操作系统形成的历史 1946年—50年代末 当时计算机处于电子管时代，根本没有操作系统。人们把这个时期称为“手工操作阶段”。顾名思义人们当时使用的计算机大量需要人工控制，还没有“管家”来为他们服务。

操作系统形成的历史 50年代后期 计算机的运行速度有了很大的提高，从每秒几千次、几万次发展到每秒几十万次、上百万次。 联机批处理系统 脱机批处理系统 执行系统

操作系统形成的历史 50年代末—60年代中期 此时计算机进入了第二代——晶体管时代。为了解决人机矛盾，提高自动化程度，人们研制了监督程序，由该程序自动依次处理一系列任务

操作系统形成的历史 60年代中期——70年代中期 计算机进入第三代——集成电路时代。在这一时期操作系统初步形成并完善。 出现了三种最基本的操作系统类型：多道批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。

操作系统形成的历史 80年代至今 第四代计算机，大规模集成电路工艺技术飞速发展。操作系统也有了进一步发展：出现了个人计算机上的操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。

课程学习要领 时空观 静动观 软硬件新产品不断涌现 阴阳观（ “对立统一” ) 登高望远：“会当凌决顶，一觅众山小” 三大宇宙观： 计算机发展特点：速度加快和容量增大； 计算机工作：在特定时刻、特定地点建立“0”和“1” 静动观 软硬件新产品不断涌现 阴阳观（ “对立统一” ) 计算机人才和行业的剧烈竞争 用户需求和产品的矛盾

第一章 操作系统引论 操作系统的概念 操作系统的生成和五大类型 操作系统的五大功能 表征操作系统的属性

操作系统的类型 五大类型： （单道批处理系统 、多道程序设计技术、 多道批处理操作系统） 批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 （单道批处理系统 、多道程序设计技术、 多道批处理操作系统） 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统 分布式操作系统

多通道批处理操作系统 单道运行：每次只调一个用户程序进入内存让它运行 多道程序设计：即在系统内（内存）同时存放并运行几道相互独立的程序。 多道程序设计的基础：是将运行过程进一步细化成几个小的步骤，从而实现宏观上的并行。但从微观上看，内存中的多道程序轮流地或分时地占用处理机，交替执行。

多道程序系统 ≠ 多重处理系统 ≠ 多用户 ≠ 多终端 多道是指内存中驻留多个程序或一个程序的多个程序段，因此，多用户系统一定是采用多道技术。而多道系统不一定是多用户系统。多重处理系统一般指多CPU系统。当然，一个CPU的系统采用分时技术可以为多用户服务。多用户的关键技术是在用户之间要有保密保安措施。终端指用户使用的硬件设备，即使一个终端也可为多用户使用，例如，银行的自动取款机(ATM)。 纯码 = 可重入代码

分时 实时 分时技术：把CPU的时间分成很短的时间片（例如，几十至几百毫秒）工作 分时 实时 分时技术：把CPU的时间分成很短的时间片（例如，几十至几百毫秒）工作 随着时间片的时间减少，对换时间所占的比例随之增大。随着用户数目的不断增加，这种矛盾会越来越突出 特点是计算机规定人（用户） 实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速反应 交互作用能力较差 特点是人（用户）规定计算机

第一章 操作系统引论 操作系统的概念 操作系统的生成和五大类型 操作系统的五大功能 表征操作系统的属性

操作系统的五大功能(1) 作业管理 文件管理 存储管理 包括任务管理、 界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等 又称为信息管理 实质是对存储“空间”的管理，主要指对内存的管理

操作系统的五大功能(2) 设备管理 进程管理 实质是对硬件设备的管理，其中包括对输入输出设备的分配、启动、完成和回收 又称处理机管理，实质上是对处理机执行“时间”的管理，即如何将CPU真正合理地分配给每个任务

第一章 操作系统引论 操作系统的概念 操作系统的生成和五大类型 操作系统的五大功能 表征操作系统的属性

表征操作系统的属性(1) 响应比，响应系数：Rp = 作业响应时间/运行时间（估计值） 影响因素:CPU速度，内外存对换，I/O调度，用户数，时间片，事件优先权等

表征操作系统的属性(2) 并发性也叫“共行性”（concurrent） 表现在： 多个作业并发执行或一个用户作业的多个程序段间并发执行 多个输入输出设备间并发工作 信息的共享、保密与保护,常见方法有： 给用户设置登录口令 给文件加权限 给文件加密

表征操作系统的属性(3) 可扩充性、可移植性、可读性、可“生成”性 “可扩充性”表示该操作系统可灵活地按照用户的需要增加功能 “可读性”和“可移植性”均表现操作系统的适应性 安全可靠性 “行业评测性能比较”法

表征操作系统的属性(4) 可测试性 测试程序（Benchmark）有： 中央处理单元（CPU）：每秒百万条指令MIPS 事件（Event）：每秒处理事务数TPS MIPS是指CPU速度，对于数学运算的应用项目有重要意义。但对于一般的数据处理，涉及输入输出的动作较多，TPS测试更为切合实际。

计算机操作系统 第一章 操作系统引论 第二章 作业管理 第三章 文件管理 第四章 存储管理 第五章 设备管理 第六章 进程及处理机管理 第七章 操作系统结构和程序实现

作业管理 作业(Job) ,任务(Task): 让计算机完成一件事或任务,可大可小,可多可少 第二章 作业管理（高级处理机管理） 作业管理 作业(Job) ,任务(Task): 让计算机完成一件事或任务,可大可小,可多可少 作业步(Job steps) ：顺序执行的工作单元 作业流(Job Stream) ：作业步控制流程 作业同步(Job Synchronization) ：工作条件 作业类别： 终端交互，批处理作业， 用户界面，人机界面，图形用户界面（GUI）（Graphic User Interface），多媒体技术，科学计算可视化，虚拟现实（VR）

三代用户界面 第一代用户界面：操作命令和系统调用在一维空间(命令行界面),操作员记、击（键盘）； 第二代用户界面：图形界面在二维空间(图形界面),用户看、点（图符）； 第三代用户界面：虚拟现实在三维空间(虚拟现实的界面元素),计算机对人（语音、视点、姿势）作出反应。 用户界面的设计特点 计算机不断适应人的需求,以方便用户为目标。 将涉及现代操作系统代码中的80%以上。

传统的人机接口 系统调用（System Call）： 操作命令： 联机（键盘操作命令） 脱机（作业控制语言） 用户组合自编（Shell语言）：DOS Shell；UNIX ；BShell、CShell等 系统调用（System Call）： 程序请求（Program Request）、任务调用（Task Call）、宏指令（Macro Instruction）、广义指令（Generalized Instruction）、（访问）内部指令（DOS 系统）、“开放”子程序

Shell语言 现有编程语言的综合 扩大到文件间的控制流转移 一个命令做成一个文件 外部编程可以进行适当的进程控制 举例：DOS Shell（DOS5.0以上） UNIX B Shell,C Shell

作业输入输出方式 输入、处理和输出 输入输出方式：脱机、直接耦合（交互联机）和SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On Line）（联机外围同时操作，假脱机）（排队转储，设备虚拟技术）

作业输入输出方式 JCB(作业控制块)内容简介：作业名、当前状态、资源要求清单（外设号、内存大小、文件量）、资源使用情况（时间记录：进入、开始运行、已运行时间、内存地址）、作业类型（占CPU时间、I/O吞吐量、响应时间要求）、优先权等 注：管理表格设计要记住设计原则，即要想管理得好其表项内容要记录必要的详细内容

作业调度 选中 提交进入 收容队列 运行 完成 CPU执行 SPOOLing

作业调度功能 2.按选定的算法，从后备作业队列中选出一部分（多道）或一个作业投入运行 1.采用JCB（Job Control Block）表格，记录各作业状况 2.按选定的算法，从后备作业队列中选出一部分（多道）或一个作业投入运行 3.为被选中的作业做好运行前的准备工作。例如，建立相应的执行单元（进程）和分配系统资源 4.作业运行结束的善后处理工作

JCB内容举例 作业类型、作业名 资源要求清单。例如，要求外设的类型和台数；要求内存的容量 作业建立时间、估计运算时间、最迟完成时间 优先数 当前状态 其它

作业调度算法-1 先来先服务(FCFS) 最短作业优先：在作业内容参差很不均衡时有合理性 “响应比”最高的优先： 作业调度（Scheduler） 、任务调度 先来先服务(FCFS) 作业平均周转时间=(作业完成时刻i-作业提交时刻i)/N个作业 最短作业优先：在作业内容参差很不均衡时有合理性 “响应比”最高的优先： “响应(系数)比”: 作业响应时间(等待和运行)/作业运行时间

作业调度算法-2 定时轮转法(按时间片) ：适合作业不定情况 优先数法： 事件驱动法：例如，用户窗口控制 例如，JUNE O.S. 优先数 =（等待时间）2-要求运行时间-16x输出量 事件驱动法：例如，用户窗口控制

UNIX, Linux联机命令手冊索引 /usr/man/目录下分类: man1 系统常用命令 (/bin;/usr/bin) man2 系统调用（原语）　　大部分用C语言编写 man3 文本调用 (libc); 语言函数子过程(*.o;/lib;/usr/lib) man4 特殊文件（设备管理） (/dev) man5 文件格式 man6 游戏（games）说明 man7 杂項（miscellaneous）(UNIX) ；宏命令包 (Linux) man8 系统管理与维护工具（/etc目录下） man9 核心例程 (Linux)

计算机操作系统 第一章 操作系统引论 第二章 作业管理 第三章 文件管理 第四章 存储管理 第五章 设备管理 第六章 进程及处理机管理 第七章 操作系统结构和程序实现

第三章 文件管理 文件管理任务与功能 文件的分类 文件的物理结构和逻辑结构 文件目录 文件存取控制 文件系统的数据结构和表示

文件管理任务与功能 文件管理任务 文件管理功能 文件组织机构

文件管理任务 文件管理是软件（程序与数据集合）资源管理，涉及用户作业和内部硬件管理 任务：把存储、检索、共享和保护文件的手段，提供给本身和用户，以方便用户及资源利用 功能： 分配与管理外存 提供合适的存储方法 文件共享，保护解决冲突

文件管理功能 分配与管理外部存储器，用户以文件形式存放信息，“按名存取”，文件的机内码与磁盘、光盘等外存的地址建立起相对应的表格联系 提供合适的存储方法，例如，鍵盘命令以及程序中使用系统调用控制。包括文件的创建(Create)、打开(Open)、关闭(Close)、读写(Read/Write)、刪除(Delete, Erase)和重命名或改名(Rename)等 文件的共享与保护，解决文件命名中的冲突和存取权限的控制

文件组织结构 文件（File） 文件元素(File Element) 文件系统(File System)

文件 文件是软件机构，软件资源的管理方式 具有符号名的一组相关元素的有序序列，是一段程序或数据的集合 一组赋名的相关联字符流的集合，或者是相关联记录。而记录是有意义的信息集合 OS 中文件特点

OS中文件特点 比较 结构 解释 本身作成文件，系统启动后引导入内存常驻 仅涉及简单逻辑组织 把慢速I/O设备也看成一文件 O S 无 无 结构 解释 O S 无 无 D S 有 无 D B 有 有

文件组织结构 文件（File） 文件元素(File Element) 文件系统(File System)

文件元素 物理上: 由位（bit）、字节（byte）、块（block）、页（page）、盘(disk)等组成 逻辑上: 有字（word）、字段（segment）、记录（record）、虚拟块（virtual block）、文件（file）、文件目录(file directory) 、文件夹（Folder）和文件卷（volume）等

文件组织结构 文件（File） 文件元素(File Element) 文件系统(File System)

文件系统 文件系统 = 文件管理程序（文件和目录的集合）+ 它所管理的全部文件 是用户与外存的接口 系统软件为用户提供统一方法（以数据记录的逻辑单位），访问存储在物理介质上的信息 文件系统特点

文件系统特点 “树根”是所有用户有用的工具性程序 使用方便，灵活，用户按名存取 安全可靠， 保护系统和用户 提供保密与共享 UNIX文件系统特点 分层“倒树”型文件系统 每一用户可以是树的一个分支，分支独立，可以与别的“叶”重名 “树根”是所有用户有用的工具性程序

第三章 文件管理 文件管理任务与功能 文件的分类 文件的物理结构和逻辑结构 文件目录 文件存取控制 文件系统的数据结构和表示

文件分类 文件分类原因 分类 按文件性质与用途分类 按操作保护分类 按使用情况分类 按用户观点分类(UNIX或Linux操作系统) 按存取的物理结构分类 按文件中的数据形式分类

文件分类原因 文件的分类是为了更好地管理和使用，要科学地分门别类，对不同的文件进行不同的管理。这样，不仅提高了文件的存取速度，对文件的共享和保护也有利 一般系统级与用户级要进行不同的管理，例如，一个系统文件工作时要读入内存，放在内存的某一固定区，有较高的保护级别，一般用户不允许进入。而一般用户的用户文件是在另外管辖的可用区，有空闲时才能被调入指定的内存用户区

按文件性质与用途分类（1） 系统文件 由系统软件构成的文件，只允许用户通过系统调用或系统提供的专用命今来执行它们，不允许对其进行读写和修改 主要有操作系统核心和各种系统应用程序或实用工具程序和数据组成 例如：ibmbio.com,ibmdos.com,\comand.com, /unix

按文件性质与用途分类（2） 库文件 文件允许用户对其进行读取和执行，但不允许对其进行修改 主要由各种标准子程序库组成 例如：C语言、FORTRAN子程序库存放在子目录下 *.LIB,/lib/,/usr/lib/

按文件性质与用途分类（3） 用户文件 是用户通过操作系统保存的用户文件，由文件的所有者或所有者授权的用户才能使用 主要由用户的源程序源代码、可执行目标程序的文件和用户数据库数据等组成 例如：*.c,*.for,*.f,*DBF,*.OBJ,*.o

按操作保护分类 只读文件：只允许文件主及被核准的用户去读文件，而不允许写文件。标记为：-r----- 可读可写文件：允许文件主及被核准的用户去读和写文件。标记为： -rw---- 可执行文件：允许文件主及被核准的用户去调用执行该文件而不允许读和写文件，标记为： ---x--- 各个操作系统的保护方法和级别有所不同 DOS操作系统三种保护：系统、隐藏、可写 UNIX或Linux操作系统有九个级别的保护

按使用情况分类 临时文件：用于系统在工作过程中产生的中间文件，一般有暂存的目录，正常工作情况下，工作完毕会自动删除，一旦有异常情况往往会残留不少临时文件 永久文件: 指一般受系统管理的各种系统和用户文件，经过安装或编辑、编译生成的文件，存放在软盘、硬盘或光盘等外存上 档案文件: 系统或一些实用工具软件包在工作过程中记录在案的文挡资料文件，以便查阅历史挡案

文件分类 原因 分类 按文件性质与用途分类 按操作保护分类 按使用情况分类 按用户观点分类(UNIX或Linux操作系统) 按存取的物理结构分类 按文件中的数据形式分类

按用户观点分类（1） 是指系统中最一般组织格式的文件，一般是字符流组成的无结构文件 普通文件(常规文件) 是指系统中最一般组织格式的文件，一般是字符流组成的无结构文件 用ls -l命令列文件清单，首项特征为： “-”，即 -rwxrwxrwx 目录文件 是由文件的目录信息构成的特殊文件，操作系统将目录也做成文件，便于统一管理 用ls -l命令列文件清单时，可见到首项特征为“d”（directory）： drw-rw-rw-

按用户观点分类（2） 在UNIX或Linux操作系统中，所有的输入输出外部设备都被看作特殊文件便于统一管理 特殊文件（设备驱动程序） 在UNIX或Linux操作系统中，所有的输入输出外部设备都被看作特殊文件便于统一管理 操作系统会把对特殊文件的操作转接指向相应的设备操作，真正的设备驱动程序不包含在这特殊文件中，而是指向与链接到操作系统核心中。（存放在内存高端部分） 用ls -l命令列文件清单，首项特征为： “c” ，即crw-rw-rw- （character,字符型）以及“b”，即 brw-rwrw-（block,块型）

按存取的物理结构分类(1) 顺序（连续）文件 文件中的纪录，顺序地存储到连续的物理盘块中，顺序文件中所记录的次序，与它们存储在物理介质上存放的次序是一致的 链接文件 文件中的纪录可存储在并不相邻接的各个物理块中，通过物理块中的链接指针组成一个链表管理，形成一个完整的文件,又称指针串连文件或直接存取文件

按存取的物理结构分类(2) 索引文件 文件中的纪录可存储在并不相邻接的各个物理块中，纪录和物理块之间通过索引表项按关键字存取文件，通过物理块中的索引表管理，形成一个完整的文件

按文件的逻辑存储结构分类 有结构文件 由若干个记录所构成的文件，故又称为记录式文件 无结构文件 这是直接由字符序列所构成的文件，故又祢为流式文件

按文件中的数据形式分类 源文件 由源程序和数据构成的文件 一般是由美国信息交换标准码（ASCII）、EBCD码或汉字编码组成 目标文件 由源程序经过相应的计算机语言编译程序编译，但尚未经过链接程序链接的目标代码所形成的文件（一般地址从零开始） 后缀名为“.OBJ”（DOS系统）或“.o”（UNIX或Linux操作系统）

第三章 文件管理 文件管理任务与功能 文件的分类 文件的物理结构和逻辑结构 文件目录 文件存取控制 文件系统的数据结构和表示

文件的逻辑结构 文件的逻辑结构 从用户观点看 按文件名及记录号存取文件是一维,连续,字符,序列等为存储检索或加工方便 文件由若干个逻辑记录组成命名或编号

文件的物理结构(1) 又称文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式，是与存储介质的存储性能有关 操作系统在各项管理中主要采用大量的表格数据结构 空闲表法 为每个文件分配一个连续的存储空间

文件的物理结构(2) 空闲(自由)链表法 增加一项存放指向空闲块的指针 成组链接法 在UNIX或Linux操作系统中采用,兼备了两种方法的优点而克服了两种方法表格太长的缺点

成组链接法

第三章 文件管理 文件管理任务与功能 文件的分类 文件的物理结构和逻辑结构 文件目录 文件存取控制 文件系统的数据结构和表示

文件目录 是文件系统中主要数据结构之一,文件存储后用户通过用户文件逻辑结构的索引链接找到对应的物理结构 分类 文件目录的管理

文件目录分类(1) 一级文件目录 DOS2.0版本以下采用，一个磁盘一个目录，一个文件一个说明表目 优点是简单，缺点是无法防止重名或被刪，安全保密性差，目前已淘汰 二级文件目录 产生于多用户分时系统，DOS2.0版本以上采用，文件主目录（MFD）的表目按用户分，每个用户有一个用户文件目录（UFD）

文件目录分类(2) 优点是允许重名，提高搜索速度，缺点是不太适合大量用户和大量文件的大系统 多级文件目录 产生于UNIX操作系统，已被现代操作系统广泛采用。目录与文件在一起，目录也做成文件 UNIX操作系统中每一名字由“全路径”能确定唯一文件，有根/茎/叶（端头）层次关系概念，目录数据结构等价于一个具有命名边的有向图

文件目录的管理 目录做成文件，文件系统便于内部统一管理,目录文件在使用时调入内存 在操作系统中，大量采用“表格”管理 在DOS操作系统中，有系统打开文件表，其表项和缓冲区个数可以由config.sys文件中FILES= 和BUFFER= 表项设定 在UNIX或Linux操作系统中，有系统打开文件表和用户打开文件表两类，均是i节点（node）内码表格的统一管理

第三章 文件管理 文件管理任务与功能 文件的分类 文件的物理结构和逻辑结构 文件目录 文件存取控制 文件系统的数据结构和表示

文件存取控制 解决文件保护、保密和共享 用存取控制矩阵和存取控制表 用二维空间，一维列出系统全部用户，另一维列出系统全部文件 用户权限表 使用口令 使用密码

用户权限表 以用户为单位或以文件为单位 UNIX或Linux操作系统中对每一个文件的使用权限有文件主（owner）、同组人（group）和其他人（other）三类，每一类又分可读（r）、可写(w)和可执行(x)，共有九个状态控制 DOS系统只有三个，系统（s）隐藏（h）和可写（w）

使用口令 使用口令优点是占存储空间少、方便，缺点是保护能力弱 口令应选择包含有大小写字母，甚至包含控制字符 口令至少有八位字长 不要使用陈旧的口令，而且口令应经常变化

使用密码 存储时用“密钥” （“密码钥匙”）对文件进行编码，取时译码 优点是保密性强 例如在UNIX操作系统中有一条简单的命令crypt可以对文件进行简单的加密

第三章 文件管理 文件管理任务与功能 文件的分类 文件的物理结构和逻辑结构 文件目录 文件存取控制 文件系统的数据结构和表示

文件系统的数据结构和表示 UNIX或Linux操作系统中文件系统的主要特点 磁盘文件系统结构 在文件系统中，给每一物理块一个对应的逻辑块号．在一般不涉及物理存取的操作中只用逻辑块号，在涉及到物理存取时，再将逻辑块号转变为物理块号

UNIX或Linux操作系统中 文件系统的主要特点 操作系统文件的目录组织是一个树形结构，从根结点到叶子称为文件的全路径名，文件可以由其全路径名唯一确定 文件本身是无结构的字符流 把外部设备的特殊文件和普通文件以及目录文件都统一在文件这一概念上,对于一般文件的访问、共享和保护方式也可以适用于外部设备