高校計算機教學(xué)第四章計算機操作系統(tǒng)配套課件

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操作系統(tǒng)

（OperatingSystem）

硬件到底是怎么動起來的？預(yù)引導(dǎo)引導(dǎo)加載內(nèi)核初始化內(nèi)核登錄計算機硬件是如何動起來的？計算機需要一個管家來指揮各個部件工作第四章計算機操作系統(tǒng)

為了使計算機系統(tǒng)所有的資源（包括中央處理器、存儲器、各種外部設(shè)備和各種軟件）協(xié)調(diào)一致地工作，就必須有一個軟件來進行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，這種軟件稱為操作系統(tǒng)。

計算機發(fā)展到今天，從微機到小型、中型、大型機仍至巨型機，無一例外地都配置了一種或多種操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)已成為現(xiàn)代計算機系統(tǒng)不可分割的重要組成部分。

本章主要講述操作系統(tǒng)概念及構(gòu)成；重點講述操作系統(tǒng)中的幾個基本功能及相關(guān)概念。4.1操作系統(tǒng)概念及構(gòu)成4.1.1操作系統(tǒng)的概念

操作系統(tǒng)：是管理計算機軟硬件資源的程序，同時它又是用戶與計算機硬件的接口。系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序操作系統(tǒng)硬件層用戶沒有操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件如同空中樓閣，無法運行。4.1.2操作系統(tǒng)的構(gòu)成4.1操作系統(tǒng)概念及構(gòu)成操作系統(tǒng)①進程管理②內(nèi)存管理③文件管理④輸入/輸出系統(tǒng)管理⑤二級存儲管理用戶接口⑥

聯(lián)網(wǎng)、保護系統(tǒng)和命令解釋程序系統(tǒng)就是對CPU的管理。就是如何合理分配和使用內(nèi)存。就是對文件及文件夾進行管理。就是對外部各種輸入輸出設(shè)備進行管理。主要是指對硬盤進行管理。就是提供對網(wǎng)絡(luò)管理、對進程工作過程的保護及提供用戶與操作系統(tǒng)的接口程序。動畫4.2.1操作系統(tǒng)的類別4.2操作系統(tǒng)類別與計算環(huán)境批處理系統(tǒng)1多道程序系統(tǒng)2分時系統(tǒng)3實時系統(tǒng)4桌面系統(tǒng)5多處理機系統(tǒng)6網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)7分布式系統(tǒng)8嵌入式系統(tǒng)9

經(jīng)過多年的發(fā)展，先后出現(xiàn)了各種類型的操作系統(tǒng)。從早期的批處理操作系統(tǒng)、多道程序發(fā)展到分時操作系統(tǒng)；另外，還有為滿足計算機處理實時事件的需要研發(fā)的實時操作系統(tǒng)；為適應(yīng)個人計算機系統(tǒng)的需要出現(xiàn)的桌面操作系統(tǒng)；為適應(yīng)并行系統(tǒng)的需要開發(fā)多處理機操作系統(tǒng)；為滿足網(wǎng)絡(luò)和分布計算的需要，就有了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)；此外，還有為支持嵌入式計算機的嵌入式操作系統(tǒng)。動畫4.2.2計算環(huán)境

操作系統(tǒng)總是在某種計算環(huán)境中設(shè)置和使用，就目前來看計算環(huán)境可分為以下幾類：4.2操作系統(tǒng)類別與計算環(huán)境1.傳統(tǒng)計算環(huán)境指普通意義下的獨立或聯(lián)網(wǎng)工作下所形成的計算環(huán)境。2.基于Web的計算環(huán)境互聯(lián)網(wǎng)的普及使得計算被延伸到Web環(huán)境。3.嵌入式計算環(huán)境嵌入式計算機就是安裝在某些設(shè)備上的計算部件，其計算相對比較簡單。4.3.1進程的概念4.3進程管理

什么是進程？它與程序有什么區(qū)別？

程序：用戶為完成某一個特定問題而編寫的操作步驟。進程：可簡單地看作是正在執(zhí)行的程序。但是進程需要一定的資源來完成它的任務(wù)(例如CPU時間、內(nèi)存、文件和I/O設(shè)備)。

4.3進程管理

在計算機中，由于多個程序共享系統(tǒng)資源，就必然引發(fā)對CPU的爭奪。如何有效地利用CPU資源，如何在多個請求CPU的進程中選擇取舍，這就是進程管理要解決的問題。動畫

進程與程序的區(qū)別在于進程是動態(tài)的、有生命力的，而程序是靜態(tài)的。一個程序加載到內(nèi)存，系統(tǒng)就創(chuàng)建一個進程，程序執(zhí)行結(jié)束后，該進程也就消亡了。4.3.2進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移新的就緒運行終止等待允許中斷退出允許進程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換圖4.3進程管理如CPU時間片被用完，迫使進程讓出CPU進程等待分配CPU進程已分配到CPU，正在被執(zhí)行。進程正在被創(chuàng)建進程已完成進程等待一些事件的出現(xiàn)

如進程可能要使用某個I/O設(shè)備而進入等待狀態(tài)，等待使用相應(yīng)的設(shè)備，當I/O完成后進程進入就緒隊列。4.3.3進程控制塊PCB(略)4.3進程管理

為了控制進程，操作系統(tǒng)就必須知道進程存儲在哪里，以及進程的一些屬性。進程控制塊是進程實體的一部分，是操作系統(tǒng)中記錄進程的專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個新的進程創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)就會為該進程建立一個進程控制塊。操作系統(tǒng)根據(jù)進程控制塊對并發(fā)進程進行控制。4.3.4進程調(diào)度及隊列圖4.3進程管理

在某一時刻，計算機的CPU(單核)只能運行一個進程，如果存在多個進程，其它進程就需要等CPU空閑時才能被調(diào)度執(zhí)行。

當一個進程處于等待或CPU時間片用完時，操作系統(tǒng)就會從該進程中拿走CPU控制權(quán)，然后再交給其它進程使用，這就是進程的調(diào)度。

進程B進程A進程CCPU時間進程C進程B進程A4.3.5CPU調(diào)度及其準則4.3進程管理

在設(shè)計CPU調(diào)度程序時主要應(yīng)該考慮的準則包括：

(1)CPU使用率。讓CPU盡可能地忙。

(2)吞吐量。讓CPU在一定時間內(nèi)完成的進程數(shù)盡可能多。

(3)周轉(zhuǎn)時間。讓進程從提交到運行完成的時間盡可能短。

(4)等待時間。讓進程在就緒隊列中等待所花時間之和盡可能短。

(5)響應(yīng)時間。讓進程從提交請求到產(chǎn)生第一響應(yīng)之間的時間盡可能短。4.3.7進程的同步與互斥4.3進程管理

進程的同步就是指相互協(xié)作的進程不斷調(diào)整它們之間的相對速度，以實現(xiàn)共同有序地推進。換句話說,在操作系統(tǒng)中，允許多個進程并發(fā)運行。然而，有些進程之間本身存在某種聯(lián)系，它們在系統(tǒng)中需要一種協(xié)作，以保證進程能正確有序地執(zhí)行并維護數(shù)據(jù)的一致性。動畫4.3進程管理把數(shù)據(jù)從鍵盤送入緩沖區(qū)給B發(fā)信號(緩沖區(qū)已滿)等待B發(fā)回信號(再送數(shù)據(jù)到緩沖區(qū))A進程B進程等待A信號(等待取數(shù)據(jù)并計算)取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行計算給A發(fā)信號(緩沖區(qū)數(shù)據(jù)已取走)

例:A、B兩進程同步工作如下圖（A進程負責從鍵盤讀數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，B進程從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)并計算。動畫4.3進程管理

在操作系統(tǒng)中，可能存在著多個進程。而系統(tǒng)中一些資源一次只允許一個進程使用，這類資源被稱為臨界資源。在進程中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)。當一個進程進入臨界區(qū)執(zhí)行時，其它進程就不允許進入臨界區(qū)執(zhí)行，否則就會導(dǎo)致錯誤結(jié)果。例如：多個進程在競爭使用打印機時表現(xiàn)為互斥。一個文件可供多個進程共享，其中有一個進程在寫操作時，其它進程則不允許同時寫或讀，表現(xiàn)為互斥。由此得出:

多個進程并發(fā)執(zhí)行時，只允許一個進程進入臨界區(qū)運行，這就是進程的互斥。

動畫在多道程序設(shè)計中，多個進程可能競爭一定數(shù)量的資源。一個進程在申請資源時，如果所申請資源不足，該進程就必須處于等待狀態(tài)。如果所申請的資源被其它進程占有，那么進程的等待狀態(tài)就可能無法改變，從而形成進程之間相互一直等待的局面，這就是死鎖。4.3.8進程的死鎖及處理方法4.3進程管理競爭資源引起死鎖

死鎖舉例：

四方街區(qū)的車輛阻塞。每個方向都希望其它方讓出通道，但誰也不能夠讓出。

引起死鎖的四個必要條件：

(1)

互斥：某一資源任一時刻只能有一個進程獨占，若另一進程申請該資源則需延遲到該資源釋放為止。

(2)占有并等待：即該進程占有部分資源后還在等待其它資源，而該資源被其它進程占有。

(3)非搶占：某進程已占用資源且不主動放棄它所占有的資源時，其它進程不能強占該資源，只有等其完成任務(wù)并釋放資源。

(4)循環(huán)等待：在出現(xiàn)死鎖的系統(tǒng)中，一定存在這樣一個進程鏈，其中每個進程至少占有其它進程所必需的資源，從而形成一個等待鏈。4.3進程管理4.3進程管理進程A進程B打印機CD-ROM

死鎖舉例：進程A：獲得CD-ROM使用權(quán)，申請打印機進程B：獲得打印機使用權(quán)，申請CD-ROM死鎖：此時進程A、B均被阻塞，無法運行動畫處理死鎖問題的三種方式：

(1)使用協(xié)議預(yù)防和避免死鎖，確保系統(tǒng)從不進入死鎖狀態(tài)。

(2)允許系統(tǒng)進入死鎖狀態(tài)，然后檢測出死鎖，并加以恢復(fù)。

(3)可忽略進程死鎖問題，并假裝系統(tǒng)中死鎖從來不會發(fā)生。即沒有必要把精力花在小概率事件上。4.3進程管理處理死鎖優(yōu)先考慮的順序：先預(yù)防和避免

再檢測和恢復(fù)4.4內(nèi)存管理

內(nèi)存是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的核心，是可被CPU和I/O設(shè)備所共同訪問的數(shù)據(jù)倉庫。計算機的所有程序運行時都要調(diào)入內(nèi)存。

內(nèi)存管理的主要工作是：為每個用戶進程合理地分配內(nèi)存，以保證各個進程之間在存儲區(qū)不發(fā)生沖突；當內(nèi)存不足時，如何把內(nèi)存和外存結(jié)合起來，給用戶提供一個比實際內(nèi)存大得多的虛擬內(nèi)存，使得程序能順利執(zhí)行。4.4.1用戶程序執(zhí)行與地址映射(了解)4.4內(nèi)存管理

用戶編寫程序在執(zhí)行前，需要多個處理步驟，然后在內(nèi)存中等待執(zhí)行。當然有時并非每個步驟都是必需的。源程序編譯器或匯編器目標模塊鏈接編輯器加載模塊加載器內(nèi)存中二進制內(nèi)存映像其它目標模塊動態(tài)裝入的系統(tǒng)庫系統(tǒng)庫動態(tài)鏈接編譯階段加載階段執(zhí)行階段圖4.4用戶程序多步驟處理說明：編譯器和匯編器用于將高級語言源程序翻譯成二進制代碼的機器語言程序。鏈接器將編譯后不同的程序、函數(shù)庫文件等連接生成EXE文件。當運行EXE文件時，操作系統(tǒng)的加載器讀取EXE文件并將它們加載到內(nèi)存中。預(yù)先編譯好的在調(diào)入內(nèi)存前加載的庫文件就是靜態(tài)鏈接庫文件。運行時動態(tài)裝入的庫文件叫動態(tài)鏈接庫文件。OBJ文件EXE文件4.4內(nèi)存管理1.編譯階段:如果在編譯時就知道進程將在內(nèi)存中的什么位置駐留，那么編譯器就可以直接以生成絕對地址代碼。

2.加載階段:不知道進程將駐留在什么位置，那么編譯器就必須生成程序的邏輯地址，在加載階段再轉(zhuǎn)變成內(nèi)存的絕對地址。

3.執(zhí)行階段:如果進程在執(zhí)行時可以從一個內(nèi)存段移動到另一個內(nèi)存段，那么進程的絕對地址映射工作只能延遲到執(zhí)行時進行。

通常，將指令和數(shù)據(jù)的地址映射成內(nèi)存地址可以發(fā)生在以下三個執(zhí)行階段。(了解)4.4.2物理地址空間與邏輯地址空間4.4內(nèi)存管理

幾個相關(guān)概念物理地址:是計算機內(nèi)存單元的真實地址。物理地址空間:由物理地址所構(gòu)成的地址范圍。邏輯地址:經(jīng)編譯后的用戶程序地址，從0開始編址。邏輯地址空間:由邏輯地址所構(gòu)成的地址范圍。地址映射:用戶程序在運行時要裝入內(nèi)存，這就需要將邏輯地址變換成物理地址，該過程稱為地址映射，也稱重定位。用戶編寫的源程序是不考慮地址的，源程序經(jīng)編譯后產(chǎn)生邏輯地址。將邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存中的物理地址是由計算機中被稱為內(nèi)存管理單元的硬件設(shè)備來實現(xiàn)的，將邏輯地址與內(nèi)存管理單元中存放的內(nèi)存基址相加就得到物理地址。物理地址Base+X邏輯地址XCPU重定位寄存器Base+內(nèi)存內(nèi)存管理單元4.4內(nèi)存管理LOAD1,50012345LOAD1,500123450100500700程序A的邏輯地址空間程序A的物理在址空間..................5000510055005700動畫4.4.3進程使用內(nèi)存的交換技術(shù)

為更加有效地使用內(nèi)存，進程在不運行時，可以暫時從內(nèi)存移至外存，需要再運行時再重新調(diào)回到內(nèi)存中。也就是說內(nèi)存管理程序可將剛剛運行過的進程從內(nèi)存中換出以釋放占用的內(nèi)存空間，然后將另一個要運行的進程占據(jù)前者釋放的內(nèi)存空間。4.4內(nèi)存管理進程A操作系統(tǒng)未用內(nèi)存區(qū)進程A操作系統(tǒng)未用內(nèi)存區(qū)進程B進程A操作系統(tǒng)未用內(nèi)存區(qū)進程B進程C未用內(nèi)存區(qū)操作系統(tǒng)未用內(nèi)存區(qū)進程B進程C未用內(nèi)存區(qū)操作系統(tǒng)未用內(nèi)存區(qū)進程B進程C進程D注：這種交換技術(shù)多用于分時系統(tǒng)4.4.4內(nèi)存分配方案-連續(xù)4.4內(nèi)存管理進程A操作系統(tǒng)未用內(nèi)存區(qū)進程C未用內(nèi)存區(qū)在內(nèi)存分配中，常常把內(nèi)存中還沒有被分配的可用空間稱為孔(hole)。

開始時所有內(nèi)存是一個大的孔，隨著內(nèi)存分配的進行就會形成許多不連續(xù)的大小不同的孔。在連續(xù)內(nèi)存分配方案中，當新進程需要內(nèi)存時，就為其尋找合適的孔，實現(xiàn)內(nèi)存分配。該方案需要為每個進程分配連續(xù)的內(nèi)存物理空間。4.4.5內(nèi)存分配方案-分頁式4.4內(nèi)存管理

分頁管理基本思想：內(nèi)存物理地址空間劃分為若干個大小相等的塊(頁框)

進程的邏輯地址空間也劃分為同樣大小的塊(頁面)

內(nèi)存分配時每個頁面對應(yīng)地分配一個頁框，而一個進程所分得頁框在位置上不必是連續(xù)的。頁表：操作系統(tǒng)為每個用戶程序建立一張頁表，該表記錄用戶程序的每個邏輯頁面存放在哪一個內(nèi)存物理頁框。7頁6頁5頁4頁3頁2頁1頁0頁用戶程序1191076425塊號76543210頁號頁表……11109876543210內(nèi)存頁面頁框pdfCPUpdfdff0000…0000f1111…1111邏輯地址物理地址頁表物理內(nèi)存分頁式內(nèi)存管理從邏輯地址到物理地址的映射

：(了解)頁號p頁內(nèi)地址d（偏移量）注：邏輯地址的表示：4.4內(nèi)存管理4.5.1基本思想4.5虛擬內(nèi)存方案虛擬內(nèi)存是一個容量很大的存儲器的邏輯模型，它不是任何實際的物理存儲器。虛擬內(nèi)存包括物理內(nèi)存和一部分外存(這里所指的外存一般是指硬盤)。4.5虛擬內(nèi)存方案

虛擬內(nèi)存：對于一個進程來講，如果僅將當前要運行的幾個頁面裝入內(nèi)存便可以開始運行，而其余頁面可暫時留在磁盤上，需要時再調(diào)入內(nèi)存，并且調(diào)入時也不占用新的內(nèi)存空間，而是對原來運行過的頁面進行置換。這樣，就可以在計算機有限的內(nèi)存中同時駐留多個進程。而對用戶來講感覺到系統(tǒng)提供了足夠大的物理內(nèi)存，而實際上并非真實的，這就是虛擬內(nèi)存。

4.5.2頁面請求與頁面置換算法4.5虛擬內(nèi)存方案

在虛擬內(nèi)存技術(shù)中，進程運行時并沒有將所有頁面裝入到內(nèi)存，在運行過程中進程會不斷地請求頁面，如果訪問的頁面已在內(nèi)存，就繼續(xù)執(zhí)行下去；但如果要訪問的頁面尚未調(diào)入內(nèi)存，便請求操作系統(tǒng)將所缺頁面調(diào)入內(nèi)存，以便進程能繼續(xù)運行，這個過程叫頁面請求。

如果請求頁面調(diào)入內(nèi)存時，分配給該進程的頁框已用完，就無法立即裝入所請求頁面。此時，必須將進程中的某個頁面從內(nèi)存的頁框調(diào)出到磁盤上，再從磁盤上將所請求的頁面調(diào)入到內(nèi)存該頁框中，這個過程叫頁面置換。

動畫4.6.1文件的概念4.6文件管理文件：保存在外存上的相關(guān)信息的集合。文件命名：文件主名+擴展名

文件的擴展名一般用來標明文件的類型。例如：

.EXE

可執(zhí)行文件.SYS

系統(tǒng)文件.TXT

文本文件

.BAS

Basic源程序.DOC

Word文檔.BAK

備份文件

在Windows系統(tǒng)中，我們還可以通過圖標的不同來區(qū)分文件的類型，但是顯示文檔圖標的依據(jù)仍然是文件的擴展名，所以修改文件的擴展名，會使系統(tǒng)無法識別文件的類型。常見的幾種文件圖標4.6文件管理只讀：只允許授權(quán)用戶進行讀操作。讀寫：只允許授權(quán)用戶進行讀和寫的操作。文檔：允許任何用戶進行讀寫操作。隱藏：不允許用戶直接看到文件名。

一個文件可以有不同的存取屬性，例如：什么是文件系統(tǒng)？是操作系統(tǒng)對文件進行操作和管理的軟件，是用戶與外存之間的接口。該系統(tǒng)將所有文件組織成目錄結(jié)構(gòu)保存在外存，一個文件對應(yīng)其中的一個目錄條，目錄條記錄了文件名、文件位置、文件大小、創(chuàng)建時間等信息。

4.6文件管理操作系統(tǒng)對文件的基本操作包括：創(chuàng)建文件、文件寫、文件讀、文件內(nèi)重定位、文件刪除、文件截短等操作。(1)創(chuàng)建文件：就是首先要在文件系統(tǒng)中尋找可用的空間并進行分配，然后再在目錄中為新文件建立一個目錄條。

(2)文件寫：根據(jù)指定的文件名在目錄中搜索到目錄條，以確定文件所在具體位置；完成寫操作。

(3)文件讀：根據(jù)指定的文件名在目錄中搜索到目錄條，完成讀操作。

4.6文件管理(4)文件內(nèi)重定位：根據(jù)相應(yīng)搜索條件設(shè)置當前文件讀/寫位置（即不必每次都從文件開始端讀寫）。

(5)文件刪除：根據(jù)指定的文件名在目錄中搜索到目錄條，以確定文件所在具體位置；釋放文件所占用的空間；在目錄中刪除相應(yīng)目錄條。

(6)文件截短：刪除文件的內(nèi)容而保留其屬性，只是將文件的長度設(shè)置為0并釋放所占的空間。以上6個基本操作組成了文件操作的最小集合。對文件的其它操作還包括文件復(fù)制、文件重命名、為文件追加信息、更改文件屬性等。4.6.2文件的物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)文件的邏輯結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)文件有結(jié)構(gòu)文件流式文件索引順序文件順序文件索引文件4.6文件管理

文件結(jié)構(gòu)分物理和邏輯結(jié)構(gòu)。其中物理結(jié)構(gòu)是文件在外存上的存儲形式(如：順序結(jié)構(gòu)、鏈接結(jié)構(gòu)、索引結(jié)構(gòu))，它與具體的存儲設(shè)備有關(guān)。文件邏輯結(jié)構(gòu)是指用戶能直接感受到的文件組織結(jié)構(gòu)，它與具體的存儲設(shè)備無關(guān)。(1)

無結(jié)構(gòu)文件main(){inta,b,sum;scanf("%d%d",&a,&b);sum=a+b;printf("sum=%d",sum);}4.6文件管理(2)

有結(jié)構(gòu)文件學(xué)號姓名性別電話郵箱地址0001張為華男0002趙國迎男0003韓瑩瑩女

可以看成是由無結(jié)構(gòu)的字符序列組成的文件。如文檔、源程序等。

是帶有結(jié)構(gòu)的、性質(zhì)相同的記錄的集合。①順序文件：文件所包含的一系列記錄按照某種順序依次連續(xù)存儲。順序文件是按記錄進入文件的先后順序存放、其邏輯順序和物理順序一致的文件。4.6文件管理

根據(jù)用戶和系統(tǒng)管理的需要，有結(jié)構(gòu)文件可有以下幾種：3210邏輯順序42ABC塊數(shù)起始

文件名例10123456710111213141516171819

物理存儲8970ABC結(jié)束起始

文件名3210邏輯順序例2094812161592131727610141837-1111519物理存儲4.6文件管理②索引文件：由主文件和索引表構(gòu)成。在文件目錄中指定索引表的位置，就可以實現(xiàn)快速訪問。

·按輸入記錄的先后次序建立數(shù)據(jù)區(qū)和索引表。

·全部記錄輸入完畢后對索引表進行排序，排序后的索引表和主文件一起就形成了索引文件。③索引順序文件：順序文件和索引文件的結(jié)合。4.6文件管理15ABC索引表地址

文件名索引舉例0123456710111213141516171819

物理存儲8915581760123關(guān)鍵字物理地址(略)4.6.3文件的訪問方式1.順序訪問方式4.6文件管理

主要適合于對順序文件的訪問。其訪問的位置是由指針定位的。讀操作時，讀取指針所指示位置的內(nèi)容，并自動將指針向后移動指示下一次讀的位置。而寫操作時，所寫的內(nèi)容總是添加到文件的尾部。所有存儲在順序存儲設(shè)備(如磁帶)上的文件，都只能是順序文件，所以順序訪問方式是基于磁帶的模型。該訪問方式對直接存儲設(shè)備(如磁盤)也適合。

文件的訪問方式是由文件性質(zhì)和存儲介質(zhì)決定的。2.直接訪問方式4.6文件管理

直接訪問也稱隨機訪問，它指的是允許跳躍式地隨意存取文件中的任何記錄，而不需要任何順序限制。直接訪問是最為常見和高效的文件訪問方式。磁盤是隨機存儲設(shè)備，所以直接訪問方式是基于磁盤的模型。

3.索引訪問方式

在進行文件訪問時，首先對索引文件按關(guān)鍵字進行檢索，查找到指向數(shù)據(jù)記錄的指針，根據(jù)該指針實現(xiàn)對具體數(shù)據(jù)記錄的訪問。

4.6文件管理

總之，文件的存取方式是與文件性質(zhì)、文件存儲介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的。存儲介質(zhì)磁帶磁盤文件的邏輯結(jié)構(gòu)順序文件順序文件索引文件文件的物理結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)(連續(xù)文件)順序結(jié)構(gòu)(連續(xù)文件散列文件)鏈接結(jié)構(gòu)(連接文件)索引結(jié)構(gòu)(索引文件)文件訪問方式順序順序/隨機順序順序/隨機/索引4.6.4文件的目錄結(jié)構(gòu)4.6文件管理

通常，一個磁盤至少應(yīng)包含一個分區(qū)，每個分區(qū)用來保存文件和目錄結(jié)構(gòu)。

文件目錄的組成：每個文件有一個文件控制塊FCB，它是文件存在的標志，存放了為管理文件所需的所有有關(guān)信息。把所有的文件控制塊組織在一起，就構(gòu)成了文件目錄，每個文件控制塊就是其中的一個目錄項。4.6文件管理

文件的目錄系統(tǒng)可以組織成單層目錄結(jié)構(gòu)、雙層目錄結(jié)構(gòu)、樹型目錄結(jié)構(gòu)、無環(huán)路目錄結(jié)構(gòu)和通用圖目錄結(jié)構(gòu)。單層目錄結(jié)構(gòu)雙層目錄結(jié)構(gòu)4.6文件管理

樹型目錄結(jié)構(gòu)是目前使用最為廣泛的一種目錄結(jié)構(gòu)。這種目錄結(jié)構(gòu)在邏輯上的構(gòu)成是一棵樹，子目錄是樹枝，而文件是樹葉。動畫4.7.1I/O設(shè)備和主要術(shù)語4.7輸入／輸出系統(tǒng)管理

每臺計算機都配備了許多外部設(shè)備，它們的性能和操作方式都不一樣。操作系統(tǒng)對設(shè)備(即輸入/輸出系統(tǒng))管理的主要目標是方便用戶使用外部設(shè)備，提高CPU和設(shè)備的利用率。

I/O設(shè)備與計算機通信的連接點被稱為端口。

用于操作端口、總線和設(shè)備的一組電子器件，是設(shè)備與總線的連接裝置。

1.I/O設(shè)備端口2.I/O設(shè)備控制器

中斷的概念:中斷是現(xiàn)代計算機中CPU處理外部突發(fā)事件的一個重要技術(shù)。它能使CPU在運行過程中對外部事件發(fā)出的中斷請求及時地進行處理，處理完成后又立即返回斷點，繼續(xù)進行CPU原來的工作。根據(jù)中斷源的不同，可以把中斷分為:中斷硬中斷軟中斷外部中斷內(nèi)部中斷如：鍵盤中斷、打印機中斷等如突然掉電、除數(shù)為零等程序運行時其它程序?qū)λ闹袛鄤赢?.IRQ（InterruptRequest）（線）

IRQ即中斷請求線。計算機中有許多設(shè)備（例如聲卡、硬盤等）需要定期中斷CPU，讓CPU為其做一些特定的工作。這些設(shè)備在中斷請求線上把請求中斷的信號發(fā)給CPU。所以每個設(shè)備只能使用自己獨立的中斷請求線(PCI總線、USB總線上的設(shè)備可共享)。一般微機共有16條中斷請求線與各種外設(shè)相連接，(每個中斷線有一個標號也就是中斷號)。

2.DMA（DirectMemoryAccess）（芯片）計算機與外設(shè)之間的聯(lián)系一般通過兩種方法：一是通過CPU控制來進行數(shù)據(jù)的傳送；二是在芯片控制下進行數(shù)據(jù)的傳送。在DMA方式下，外設(shè)利用DMA芯片直接將數(shù)據(jù)寫入或讀出存儲器，而基本不用CPU參與，系統(tǒng)的速度會大大增加。

3.I/O端口地址（Input/Output）（地址）每個端口都有自己唯一的一個端口號，這個端口號稱為地址。每一個和CPU通信的外設(shè)都有不同的I/O地址，通常在PC機內(nèi)部一共有1024個地址。

4.7.2輸入/輸出控制方式4.7輸入／輸出系統(tǒng)管理(1)程序控制方式早期采用的方式。CPU向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動設(shè)備進行一個字節(jié)的輸入或輸出，然后CPU就等待I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送，直到一個字節(jié)傳送完畢后CPU再繼續(xù)處理下一個字節(jié)的輸入或輸出。

CPU絕大部分時間都用于循環(huán)等待及測試I/O是否完成，造成CPU資源的極大浪費。CPU和外圍設(shè)備只能串行工作。CPU通過端口對外設(shè)進行控制的方式有以下幾種：4.7.2輸入/輸出控制方式4.7輸入／輸出系統(tǒng)管理(2)中斷驅(qū)動方式首先由CPU向相應(yīng)設(shè)備的控制器發(fā)出一條I/O命令，然后CPU立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)，設(shè)備控制器則按照命令的要求去控制I/O設(shè)備工作。這時CPU與I/O設(shè)備并行工作。這種方式CPU的利用率較高。但這種方式的缺點是在一次數(shù)據(jù)傳送過程中，發(fā)生中斷次數(shù)較多(每傳一個字節(jié)就要請示求中斷)，這將耗去大量CPU處理時間。

4.7輸入／輸出系統(tǒng)管理(3)直接存儲器訪問方式

引入DMA控制器后，在其控制下，以數(shù)據(jù)塊為單位完成設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換，當數(shù)據(jù)塊傳送完畢時才需要CPU干預(yù)。該方式CPU的利用率高。

(4)通道控制方式通道實際上是一種比DMA芯片功能更強的設(shè)備。通道控制方式是DMA的發(fā)展，它把對每一塊數(shù)據(jù)的讀寫變成對一組數(shù)據(jù)塊的讀寫，可以進一步減少CPU的干預(yù)。更大程度地提高了系統(tǒng)資源的利用率。4.7.3I/O緩沖管理現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，I/O設(shè)備與CPU(實際指內(nèi)存)交換數(shù)據(jù)時，需要使用緩沖技術(shù)。也就是為I/O設(shè)備設(shè)置緩沖區(qū)暫存數(shù)據(jù)，等到數(shù)據(jù)積累到一定程度時，再做批量處理。引入緩沖：

(1)緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾；

(2)減少對CPU中斷頻率；

(3)提高CPU與I/O設(shè)備間的并行性。4.7輸入／輸出系統(tǒng)管理4.7.4設(shè)備驅(qū)動程序4.7輸入／輸出系統(tǒng)管理

設(shè)備驅(qū)動程序與具體設(shè)備有關(guān)，用戶安裝好硬件后還要再安裝驅(qū)動程序，計算機才能識別和使用該設(shè)備。每個外部設(shè)備都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，它也是硬件的身份識別標志，負責完成設(shè)備具體的各種動作(輸入/輸出操作)。一旦為I/O設(shè)備安裝了驅(qū)動程序，那么應(yīng)用程序在使用I/O設(shè)備時，就不必關(guān)心設(shè)備的特性、I/O控制方式，這樣就實現(xiàn)了應(yīng)用程序與設(shè)備的無關(guān)性。

動畫4.8典型操作系統(tǒng)你聽過用過

哪些操作系統(tǒng)？4.8.1Unix4.8典型操作系統(tǒng)Unix是一個交互式、分時多用戶并支持網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，是可以運行在從微機到巨型機在內(nèi)的各種機型上的通用操作系統(tǒng)。目前主要用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、大中小型機。主流產(chǎn)品：FreeBSD運行界面主流產(chǎn)品：Solaris運行界面1969年，貝爾電話實驗室的專家開發(fā)了--Unix操作系統(tǒng)。4.8典型操作系統(tǒng)

4.8.2DOSDOS是微型計算機早期所使用的桌面操作系統(tǒng)。是單用戶、單任務(wù)和字符界面的操作系統(tǒng)，主要為16位微型計算機而設(shè)計，屬于淘汰產(chǎn)品。MS-DOS運行的界面1981年，IBM發(fā)布了IBM5150PC，采用了Microsoft提供的DOS（DiskOperatingSystem）。4.8.3Windows4.8典型操作系統(tǒng)Windows是Microsoft公司為個人計算機及其服務(wù)器開發(fā)的操作系統(tǒng)。從1985年發(fā)展至今，開發(fā)了眾多的版本，對個人計算機的普及及應(yīng)用起到了重要的作用。Windows95之前的發(fā)展歷程4.8典型操作系統(tǒng)Windows95之后的發(fā)展歷程4.8典型操作系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)被廣泛使用，主要是因為其具有以下基本特點：

(1)界面圖形化，操作便捷以前DOS的字符界面使得一些用戶操作起來十分困難。采用了圖形界面和使用鼠標后，人們不必學(xué)習太多的操作系統(tǒng)知識，只要會使用鼠標就能進行工作。

(2)采用多任務(wù)機制用戶使用計算機時可以同時運行多個程序完成多種任務(wù)。4.8典型操作系統(tǒng)(3)支持網(wǎng)絡(luò)功能。用戶可以很方便地在Windows中