第三章计算机软件3.2操作系统.ppt

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1、第三章 计算机软件,3.2 操作系统,操作系统,操作系统（Operating System，简称OS）： 计算机中最重要的一种系统软件，是一些程序模块的集合， 它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源， 合理地安排计算机的工作流程，控制和支持应用程序的运行， 向用户提供各种服务，使得用户能方便、灵活、有效地使用计算机，也使整个计算机系统高效率地运行,3.2.1 概述,开始,操作系统的目标,1.方便性 2.有效性 3.可扩充性 4. 开放性,一个未配置OS的计算机系统是很难使用，因为计算机硬件只能识别机器代码。因此，用户要在计算机上运行自己编写的程序，就必须用机器语言书写程序。如

2、果在计算机硬件上配置了OS，用户便可通过OS提供的各种命令来使用计算机系统。,在未配置OS的计算机系统内，诸如CPU、I/O设备等各类资源，都会经常处于空闲状态而得不到 充分 利用。内存和外存中所存放的数据由于无序而浪费存储空间。配置了OS后，可使CPU、I/O设备由于保持忙碌状态而得到充分利用，而可使内存和外存中存放的数据有序而节省存储空间。此外OS通过合理组织计算机工作流程，进一步改善资源利用率及提高系统的吞吐量,由于计算机硬件和体系结构迅速发展，计算机网络和Internet的发展，相应对OS提出更高的功能和性能要求。OS必须具有很好的可扩充性，方能适应发展的要求。OS应采用层次化结构，以

3、便增加新的功能层次和模块，并修改老的层次和模块,由于计算机网络的发展，使计算机操作系统的应用环境，已逐步由单机环境转向网络环境。为了使来自不同产家的计算机和设备通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性，必须有统一的开放环境，进而要求OS具有开放性,为什么需要操作系统？,控制基本的输入/输出操作,分配系统中的资源,管理存储器空间,监测计算机运行和故障,维护计算机安全,操作系统的作用,一、管理系统中的各种软硬件资源 资源 硬件资源：计算机系统中的所有硬件设备（CPU、存储器、I/O设备、网络通信设备） 软件资源：程序、数据 计算机执行多个程序时，操作系统承担着资源

4、的调度和分配任务，目的是：避免冲突、保证程序正常有序地、高效率地运行 从资源管理的角度看操作系统的主要功能： 处理器管理 存储管理 文件管理 I/O设备管理等,操作系统的作用,二、为用户提供友善的人机界面 用户界面（user interface、用户接口、人机接口）： 是实现用户与计算机通信的软、硬件部分的总称。 图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI）： 通过多个窗口分别显示正在运行的各个程序的状态和输出 采用图标（icon）来形象地表示系统中的文件、程序、设备等对象 借助点“菜单”的方法来选择要求系统执行的命令或输入的某个参数 利用鼠标器控制屏幕光标的移

5、动并掀动按键触发某个操作命令的执行 采用拖放（Drag and Drop）方式执行所需要的操作。 优点： 使用户能够十分直观、灵活、方便、有效地使用计算机，免去了记忆操作命令的沉重负担。,操作系统的作用,三、为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台 裸机：没有安装任何软件的计算机。 在裸机上开发和运行应用程序难度大、效率低，很难实现。 安装了操作系统之后，实际上呈现在应用程序和用户面前的是一台“虚计算机”。 操作系统屏蔽了几乎所有物理设备的技术细节，它以规范、高效的方式（例如系统调用、库函数等）向应用程序提供了有力的支持，从而为开发和运行应用程序提供了一个平台。 操作系统提供了许许多多的功能

6、让应用程序调用,操作系统的作用和地位,计算机硬件,操作系统,其他系统软件,应用软件,各类用户,虚计算机,操作系统的作用和地位,操作系统还具有： 辅导用户操作 处理硬件错误 保护系统安全,操作系统的启动,安装了操作系统的计算机，操作系统总是驻留在硬盘存储器上的 计算机加电后，自动将操作系统装入内存 操作系统装入成功后，整个计算机就处于操作系统的控制之下，用户就可以正常地使用计算机了,操作系统的启动,CPU,ROM BIOS,RAM,操作系统的加载过程,操作系统的启动,计算机硬件,应用程序接口(API),处理器 管理,文件 管理,存储 管理,文件系统，网络管理程序,设备 管理,窗口 管理,应用程序

7、1,应用程序2,应用程序3,用户 接口外壳,应用程序3,用 户,操作系统运行时内存的态势,计算机的内存容量是有一定限制的，操作系统启动成功后，只有一部分操作系统程序放在内存中。,操作系统的功能,操作系统提供的管理功能主要有： 多任务处理与处理器管理（CPU管理） 存储管理 文件管理 设备管理 一般还具有中断处理、错误处理等功能。 操作系统的各个功能之间并不是完全独立的，它们之间存在着相互依赖的关系。,3.2.2 多任务处理与处理器管理,多任务处理（CPU管理）,中央处理器（CPU）是计算机系统的核心硬件资源。 任务（task）： 指装入内存并启动执行的一个应用程序。 “单任务处理”与“多任务处

8、理” 单任务处理：前一个任务完成后才能启动后一个任务的运行，任务是顺序执行的 多任务处理（multitasking）：指操作系统支持的同时运行若干个程序的能力 目的：为了提高CPU的利用率 如：Windows操作系统启动后，就进入了多任务处理状态。用户可以启动电子邮件程序、IE浏览器、Word等各自独立的运行，互不干扰（似乎同时工作） 查看任务状态：借助于“Windows任务管理器”，用户可以随时了解系统中有哪些任务正在运行、处于什么状态、CPU的使用率是多少、存储器使用情况如何等,多任务处理（CPU管理）,任务窗口： 多个任务同时在计算机中运行时，通常一个任务对应着屏幕上的一个窗口 活动窗口

9、： 接受用户输入信息（击键或按击鼠标）的窗口只能有一个，称为活动窗口，它所对应的任务称为前台任务 非活动窗口： 其它窗口都是非活动窗口，非活动窗口所对应的任务称为后台任务,什么是前台任务与后台任务？,前台任务： 能接受用户输入(击键或按击鼠标)的窗口只能有一个，称为活动窗口，它所对应的任务称为前台任务 后台任务： 除前台任务外，所有其它任务均为后台任务 前台任务与后台任务的区别： 前台任务对应的窗口(活动窗口)位于其它窗口的前面 活动窗口的标题栏比非活动窗口颜色更深(深蓝色) 操作系统只把用户输入的信息传送到前台任务所对应的活动窗口中去 前台任务与后台任务的共同点：都在计算机中运行 前台任务与

10、后台任务的切换： 为了输入信息到某个后台任务中去，必须切换窗口(单击要激活的后台任务窗口的任何部位, 或单击任务栏中对应的任务按钮）,多任务处理举例,制作PPT讲稿,查看文件夹内容,收发电子邮件,播放音乐,如何知道有哪些任务在运行？,每启动一个应用程序，OS就会打开一个相应的窗口，通常一个窗口就是一个任务 每启动一个应用程序，OS就会在任务栏上显示一个相应的任务按钮(程序按钮)，通常一个按钮就是一个任务 窗口可以放大或缩小，甚至可以“最小化”，但任务的运行不受其影响 使用“任务管理器”程序可以了解每个任务的运行情况,处理器管理（ CPU的管理）,目的： 让CPU轮流为所有任务服务 原则： 公平

11、性；优先级；负载均衡 方法： 按时间片轮转 （10-20ms为1个时间片 ） 按优先级调度,多任务处理（CPU管理）,Windows操作系统采用并发(concurrency)多任务方式支持系统中多个任务的执行。 并发多任务： 指不管是前台任务还是后台任务，它们都能分配到CPU的使用权，因而可以同时运行。宏观上同时在执行，微观上任何时刻只有一个任务在被CPU执行。即这些程序由CPU轮流执行。 合理配置任务，才能达到有效并发 如果后台运行的是文件打印、计算、文件下载或上传等任务，前台是文字处理或交互式绘图任务，则整个系统的工作效率就很高； 如果同时启动了电子表格、字处理程序和绘图程序，由于它们都是

12、交互式工作的，需要作为前台接受输入，处于后台状态时，因等待输入而无事可做，反而要一遍遍地查询有无键盘和鼠标器输入（而又得不到输入），白白消耗了CPU的时间，系统工作效率很低。,多任务处理（CPU管理）,为了支持多任务处理，操作系统中有一个处理器调度程序 处理器调度程序： 负责把CPU时间分配给各个任务，使多个任务同时执行。 调度策略： 程序一般采用按时间片（比如1/20秒）轮转的调度策略，即每个任务都能轮流得到一个时间片的CPU时间，只要时间片用完之后，调度程序就会把CPU交给下一个任务。 时间片一结束，不管任务有多重要，也不管它执行到什么地方，正在执行的任务就会被强行终止。这种做法又叫做抢占

13、式(Preemptive)多任务方式。 实际上，操作系统本身的若干程序也是与应用程序同时运行的，它们一起参与CPU时间的分配。当然，不同程序的重要性不完全一样，它们获得CPU使用权的优先级也有区别,多任务处理（CPU管理）,调度优先级： 操作系统本身也有若干程序正在与应用程序同时运行，它们一起参与对CPU时间的分配。而且，不同程序的重要性不完全一样，操作系统应给它们赋予不同的获得CPU使用权的优先级，这就使处理器调度的算法更加复杂。 调度测度： 为了改善系统的性能，处理器调度的对象粒度会更细一些，即把调度单位从“任务”细化为“进程”甚至“线程”,如何结束任务的运行？,每一个应用程序运行时都要占

14、用大量的系统资源(存储器、CPU、屏幕等)，所以当不再需要某个应用程序运行时，就应该退出这个应用程序，释放它所占用的资源 多数应用程序都设计成交互式控制的方式，所以运行完毕后必须由用户退出该程序。 Windows XP中退出应用程序的几种方法： 最快速的方法，是左击应用程序窗口右上角的红色“叉子”按钮 左击窗口左上角的控制按钮，在弹出菜单中选择“关闭” 在应用程序的“文件”菜单中，选择“退出” 通过OS的任务管理器，强迫结束任务,OS如何支持多任务处理？,为什么可以实现多任务处理？ CPU速度极高，必须并且可以充分发挥CPU的效能 CPU与I/O(外围设备)可以并行工作 各个外围设备之间可以并

15、行工作 实现多任务处理要解决哪些问题？ CPU如何管理和调度 存储器空间如何分配和管理 I/O设备和I/O操作如何管理和控制 谁来解决上述问题？ 不是应用程序自己，而是操作系统(OS) !,Windows中的处理器管理,Windows为了确保每个已经启动的任务都有机会运行，它采用“抢先式”多任务处理技术： 由硬件计时器大约每10-20ms发出1次中断信号，Windows立即暂停当前正在运行的任务，查看当前所有的任务，选择其中的一个交给CPU去运行 只要时间片结束，不管任务有多重要，也不管它执行到什么地方，正在执行的任务就会被强行暂时终止 上述的任务调度，每秒钟要进行几十次几百次 实际上，操作系

16、统本身的若干程序也是与应用程序同时运行的，它们一起参与CPU时间的分配。当然，不同程序的重要性不完全一样，它们获得CPU使用权的优先级也有区别,附：多任务处理与多核CPU,CPU瞬间可同时执行的线程(任务)数目: 单核CPU：1 双核CPU：2 四核CPU：4,任务管理（进程管理）,进程的定义,任务管理（进程管理）,进程 是操作系统调度的基本单位，它可反映程序的一次执行过程（包括启动、运行并在一定条件下中止或结束）。进程包括数据和运行于其上的程序。 进程与程序的主要区别： 1) 程序是永存的，进程是暂时的 2) 程序是静态的观念，进程是动态的观念 3) 进程由三部分组成 程序 数据 进程控制块

17、（描述进程活动情况的数据结构） 进程和程序不是一一对应的 一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序 一个进程可以执行一个或几个程序 进程特征：动态性、并发性、调度性、异步性、结构性,任务管理（进程管理）,进程管理 主要是对处理机资源进行管理。为了提高CPU的利用率，一般采用多进程技术。操作系统按照一定的调度策略，通过进程管理来协调多道程序之间的关系，解决CPU资源的分配和回收等问题，以使CPU资源得到最充分利用。 进程管理使用的调度策略 调度策略很多，典型的有优先数法，轮转法，分级调度等等。在处理出现比当前运行进程更重要的可运行进程时，分为抢占式和非抢占式。,任务管理（并行管理）,并行管

18、理： 在使用多个CPU的计算机系统中，操作系统的并行管理模块运用策略作出合理的调度，把多项任务分配给不同的CPU同时执行，且保持整个系统协调一致正常有效地工作，可以充分利用计算机系统中提供的多CPU资源，每个时刻执行几条指令，以发挥计算机系统的使用效率、改善问题求解的时间效率。,3.2.3 存储管理,存储管理,计算机的内存容量总是有限的 在运行规模大、数据多的程序时，内存往往不够使用 特别是在多任务处理的时侯，要求存储器能被多个任务共享 因此如何对存储器进行有效的管理，不仅直接影响到存储器的利用，而且还对系统的性能有重大的影响。,操作系统运行时内存的态势,系统运行时内存储器的布局,内存储器空间

19、划分为2个部分：系统区和用户区，用户区用来存放正在运行的应用程序,分析： 允许同时运行多少程序？数目有没有限制？ 程序的大小和数据的规模受不受限制？ 程序与程序相互之间会不会互相干扰？,每个应用程序运行时均有属于它自己的存储器空间，用来存储它自己的程序代码和数据,存储管理,存储管理：管理内存资源的高效、合理使用。 主存储器空间的分配和回收 主存储器空间的共享 存储保护 主存储器空间的扩充 虚拟存储器,共享主存储器资源；共享主存储器的某些区域。,1）保护操作系统所在区域不被应用程序修改 2）对属于自己主存区域中的信息既可读又可写，不被其它应用程序修改 3）对公共区域中允许共享的信息或授权可使用的

20、其他用户的信息，可读而不准修改 4）对未获得授权使用的信息，既不可读又不可写,可把磁盘等辅助存储器作为主存储器的扩充部分来使用,主存的存储空间一般分为两部分，一部分是系统区，存放操作系统以及一些标准子程序，例行程序等；另一部分是用户区，存放用户的程序和数据等。存储管理主要是对主存储器中的用户区域进行管理。 应用程序结束后，收回分配给它的存储空间,当内存不够用时，把内存和外存结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的“虚拟存储器”。操作系统的这一存储管理功能与硬件存储器的组织结构密切相关。,存储管理,什么是虚拟存储器,虚拟存储器将主存和辅存的地址空间统一编址，只是一个容量非常大的存储器的

21、逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。 它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，形成一个庞大的存储空间。使之为更大或更多的程序所使用。 在这个大空间里，用户可以自由编程，完全不必考虑程序在主存是否装得下，以及这些程序将来在主存中的实际存放位置。以透明的方式给用户提供了一个比实际主存空间大得多的程序地址空间。,虚拟存储器的空间大小取决于计算机CPU的访存（存储器）能力和实际外存上的虚拟存储器大小,存储管理,虚拟存储系统, 在虚拟存储系统中，将程序的地址空间与主存中的存储空间分为两个不同的概念： 主存的存储空间是一个实际的存储空间而简称为实存； 而将一个计算机系统用软件和硬件结合方式为程序员提供的地

22、址空间与想象的一个虚拟存储器空间对应，简称虚存。 这个虚存可以使程序员在其中建立自己的程序，使用地址空间时，可以不去考虑实际主存的大小，也就是说虚拟存储器就是一个地址空间，程序一般存放于虚存中。运行时才进入实存。,程序运行时，CPU以虚地址来访问主存，由辅助硬件找出虚地址和实地址之间的对应关系。,存储管理,虚地址和实地址,用户编程的地址称为虚地址或逻辑地址 虚拟地址由编译程序生成的，是程序的逻辑地址，其地址空间的大小受到辅助存储器容量的限制。 实际的主存单元地址称为实地址或物理地址。 虚地址空间要比实地址空间大得多。,存储管理,虚拟存储器的 特点,虚拟存储器和Cache都是基于程序局部性原理，

23、它们的相同点： 把程序中最近常用的部分驻留在高速度的存储器中。 一旦这部分程序不再常用，把它们送回到低速的存储器中。 这种换入、换出操作是由硬件或是操作系统完成，对用户 透明。 力图使存储系统的性能接近高速存储器，价格接近低速存 储器。 两者的不同点在于： Cache用硬件实现，对操作系统透明；而虚拟存储器是由 操作系统、硬件相结合实现的。 Cache是一个物理存储器；而虚拟存储器仅是一个逻辑存 储器，物理结构是建立在主存-辅存二级存储器结构之上。,存储管理,程序局部性原理,从大量的统计中得到的一个规律是，程序中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区域中，而另外10%的访问则分布在

24、存储空间的其余90%的区域中。这就是通常说的局部性原理。 访存的局部性规律包括两个方面： 1、时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会很 快被再次访问。 2、空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近 的项也可能很快被访问。,存储管理,虚拟存储器的管理方式,虚拟存储器是一个逻辑模型，并不是一个实际的物理储器。 虚拟存储器的空间大小取决于计算机CPU的访内部存储器能力和实际外存 的大小 。 作用 ：（1） 分隔地址空间 （2） 解决主存的容量问题 （3） 程序的重定位 虚拟存储器的按存储映象算法，分为三种不同管理方式： 段式 页式 段页式 这些管理方式的基本原理是类似的,存储管理,虚

25、拟存储器的基本思想： 在一个假想的容量极大的虚拟存储器中进行编程，并将程序（及其数据）划分成一个个“页面”，每页为固定大小。 处理过程 将当前要执行的一部分程序和数据页面装入内存,其余页面放在硬盘提供的虚拟内存中，然后开始执行程序 在程序执行过程，如果需要执行的指令或数据不在物理内存中（缺页），CPU通知存储管理程序。（缺页报告） 存储管理程序将所缺的页面从外存的虚拟内存调入到实际的物理内存，然后再继续执行程序 存储管理程序也将内存中暂时不使用的页面调出保存到外存的虚拟内存中 页面的调入和调出完全由存储管理程序自动完成,虚拟存储器的设计思想,磁盘中的 交换区(虚拟内存),特点：1）由硬件和OS

26、自动完成，对程序员透明； 2）程序可用内存容量允许超过实际物理容量；3）多个进程互不干扰 根据：程序的局部性原理,存储管理,虚拟存储器：,磁盘中的虚拟内存,虚实转换,虚拟存储器示意图,硬盘中专门划出一个“交换区”，作为物理内存的补充，称为“虚拟内存”,虚实转换,Windows XP的虚拟存储器,Windows XP操作系统中： 每个程序的虚存空间最大可达到4GB 页面的大小通常是4KB 虚拟内存是系统盘根目录下的一个名为pagefile.sys的文件，其大小和位置用户可设置 使用“任务管理器”可以查看： 总的物理内存大小 可用物理内存大小 总的虚拟内存大小 可用虚拟内存大小等,虚拟存储器的基本

27、思想(1),每个应用程序使用一个独立的、专用的存储空间，它不受实际内存容量的限制，称之为“虚存空间”,每个应用程序的虚拟存储空间划分成为大小相同的许多“页”,当启动应用程序运行时，OS仅把该程序的一部分“页”装入物理内存，其它页装到硬盘的交换区,物理存储器也划分成为与“页” 相同大小的许多“块”,虚拟存储器的基本思想(2),哪些页已装在内存，装在内存的什么位置 哪些页留在硬盘的交换区中，在什么位置,当启动应用程序运行时，OS仅把该程序的一部分“页”装入物理内存，其它页装在硬盘的交换区中，并在 “页表”中进行登记：,虚拟存储器的工作过程(1),当CPU需要访问内存取指令或数据的时候，先查看“页表

28、”： 如果所在页面已经装在内存，那么从页表中找到其物理地址后就可以访问内存读取数据或指令,0:,1:,P-1:,页表,虚拟存储器的工作过程(2),3 从内存中读出需要的页,2 从硬盘交换区中读出该页，装入内存中的空闲位置，修改页表,Memory-I/O bus,CPU,Cache,Memory,I/O controller,Reg,附：如何从磁盘上读一页装入内存,Windows XP的虚拟存储器,Windows XP操作系统中： 每个程序的虚存空间最大可达到4GB 页面的大小通常是4KB 虚拟内存是系统盘根目录下的一个名为pagefile.sys的文件，其大小和位置用户可设置 使用“任务管理器

29、”可以查看： 总的物理内存大小 可用物理内存大小 总的虚拟内存大小 可用虚拟内存大小等,存储管理,页式虚拟存储器,虚拟空间分成页，称为逻辑页； 主存空间也分成同样大小的页，称为物理页。 虚存地址分为两个字段： 高字段为逻辑页号，低字段为页内行地址。 实存地址也分两个字段： 高字段为物理页号，低字段为页内行地址。 页表 虚地址到实地址之间的变换是由页表来实现的 页表是一张存放在主存中的虚页号和实页号的对照表，记录着程序的虚页调入主存时被安排在主存中的位置。,存储管理,虚-实地址变换,虚拟地址到主存实地址的变换是由放在主存的页表来实现的。在页表中，对应每一个虚拟逻辑页号有一个表目，表目内容至少要包

30、含该逻辑页所在的主存页面地址（物理页号），用它作为实（主）存地址的高字段，与虚存地址的页内行地址字段相拼接，就产生了完整的实（主）存地址，据此访问主存。 通常，在页表的表项中还包括装入位（有效位）、修改位、替换控制位及其他保护位等组成的控制字段。,虚实转换,虚-实地址变换,虚拟存储器是由硬件和操作系统自动实现存储信息调度和管理的。 它的工作过程包括6个步骤： 中央处理器访问主存的逻辑地址分解成逻辑页号a和页内地址b，并对页号a进行地址变换，即将逻辑页号a作为索引，查地址变换表，以确定该页信息是否存放在主存内。 如该页号已在主存内，则转而执行；如果该页号不在主存内，则检查主存中是否有空闲区，如果

31、没有，便将某个暂时不用的页调出送往辅存，以便将这页信息调入主存。 从辅存读出所要的页，并送到主存空闲区，然后将那个空闲的物理页号a和逻辑页号a登录在地址变换表中。 从地址变换表读出与逻辑页号a对应的物理页号a。 从物理页号a和页内字节地址b得到物理地址。 根据物理地址从主存中存取必要的信息,存储管理,虚-实地址变换,虚实地址,虚拟存储器工作过程,页内地址,页内地址,物理页号,逻辑页号,页表,存储管理,Windows中的虚拟存储器： 在Windows操作系统中，虚拟存储器由计算机中的物理内存（主板上的RAM）和硬盘上的虚拟内存（“交换文件”）联合组成 页面大小：4KB（缺省值），用户可自行设置

32、页面调度算法：“最近最少使用”（Least Recently Used，简称LRU）算法 操作系统通过在物理内存和虚拟内存之间来回地自动交换程序和数据页面，达到扩大可用内存的目的。其调度过程对用户来说完全是透明的,存储管理,Windows中的虚拟存储器： Windows 98中的交换文件的文件名是Win386.swp，其默认位置在Windows的安装文件夹 Windows XP中称为分页文件，文件名是pagefile.sys，它位于系统盘的根目录下,存储管理,设置Windows中的虚拟存储器： 右击“我的电脑”选择“属性”快捷菜单“性能” 单击“虚拟内存”，则可打开一个对话框。 有两种选择：

33、如果“让Windows管理虚拟内存设置”，则“交换文件”的大小由Windows系统根据需要自动缩小或扩大； 如果“用户自己指定虚拟内存设置”，则用户可以自己选择交换文件放在哪个硬盘上，并设置其最小值、最大值。,存储管理,利用“系统监视器”查看内存的工作情况：,3.2.4 文件管理,文件管理,需求：计算机中的程序、数据、文档等信息资源平时都存放在外存储器中，使用时才装入内存。由于 外存储器有多种类型，它们各有不同的存取特性 信息是多种多样的 怎样才能对计算机中的信息进行统一、高效的管理？ 怎样实现信息资源的共享和保护？ 解决方案是引入“文件”的概念。,文件管理,1. 文件的基本概念 文件是一组相

34、关信息的集合。 程序、数据、文档通常都组织成为文件存放在外存储器中 用户（或程序）必须以文件为单位对外存储器中的信息进行访问和操作 每个文件都有自己的名字（称为文件名），用户（或程序）可以通过文件名来使用文件。在Windows中，文件名可以长达255个字符。,文件管理,文件的说明信息：是为了管理文件的需要而保留的基础信息。例如,Windows操作系统使用的文件说明信息有： 文件名（不能包含、/、?、*、”、:、|等个字符） 文件类型 文件物理位置、文件大小 文件时间（创建时间、最近修改时间、最近访问时间等） 文件创建者 文件属性等,文件的组成和文件说明信息,每一个文件都由2部分组成：,存储安排

35、：文件说明信息保存在该文件的目录中， 文件的具体内容全部保存在磁盘的数据区中，二者是分开存放的。,文件管理,文件属性：用于将文件标注为 系统文件 隐藏文件 存档文件 只读文件 在Windows XP操作系统中，文件格式NTFS,还增加有属性： 压缩 加密 编制索引 Windows操作系统允许一个文件兼有多种属性。,表示该文件是操作系统本身所包含的文件，删除时系统会给出警告，资源管理器若不特别设置为“显示全部文件”（在“文件夹选项”对话框中设置）时，在文件列表中不会显示该文件,若资源管理器设置为“不显示隐藏文件”，则在文件列表中不会显示标注为隐藏属性的文件,通常被当作文件的一种标识，“文件备份程

36、序”通过该属性来决定文件是否需要进行备份，新建的文件或在备份后又被修改过的文件，系统自动地将其属性设置为存档，在执行了备份操作后所有被备份的文件均被清除存档属性,表示该文件只能阅读，不允许进行修改，当开始实施修改时，操作系统将给出警告,该文件的数据在保存到磁盘存储器时是否需要进行数据压缩,该文件的数据在保存到磁盘存储器时是否需要进行数据加密,是否需要编制该文件的索引，以利于快速进行检索。,文件管理,2. 文件目录（文件夹） 需求：大量文件不能随意存放在外存储器中的，应该分门别类地有序存放，操作系统把它们组织在许多文件目录中。 多级目录结构：Windows中文件目录也称为文件夹 采用多级层次式结

37、构(也叫树状结构) 每一个逻辑磁盘是一个根目录（根文件夹），它包含有若干个文件夹和文件,文件夹不但可以包含文件,而且还可以包含与同层文件地位相当的下一级文件夹，如此构成一个多级文件夹结构 多级文件夹有助于按类型和用途将文件分类存储，便于查找；还允许不同文件夹中的文件使用相同的名字。,文件管理,与文件相似，文件夹也有若干说明信息，包括：文件夹名字、存放位置、大小、创建时间、文件夹的属性（存档、只读、隐藏，“压缩”、“加密”、“编制索引”）等。 最大使用优点：为文件的共享和保护提供了方便。 Windows操作系统例 任何一个文件夹均可以设置为 “共享” “非共享” 多人共享时的访问权限,表示该文件

38、夹中的所有文件可以被网络上的其它用户（或共同使用同一台计算机的其他用户）共享,表示该文件夹中的所有文件只能由用户本人使用,例如，针对某些用户，文件只能读不能改、或者既可读也可以修改，还可以规定访问文件时是否需要使用密码等。这些措施都在一定程度上提供了文件的安全性。,复习：文件名和文件类型,文件的名字由两部分组成：(主文件名) .扩展名 主文件名(简称文件名)是文件的主要标识，不可省略 文件扩展名(类型名)由“.”加34个英文字母组成, 用于区分文件的类型: 程序文件(可执行文件)：.exe .com 文件中包含的是可以由CPU执行的该程序的二进制代码 数据文件： 纯文本文件(.txt) PDF

39、文件(.pdf) Word文件(.doc) 投影片文件(.ppt) 数码照片文件(.jpg) MP3音乐文件(.mp3) 文件中包含的是由程序处理的数据的二进制代码 处理不同类型的数据文件一般需要使用(关联)不同的程序！,Windows XP 的文件,允许使用长文件名，即文件名最多可包含255个中文或西文字符 英文字母的大、小写只在形式上加以区分，实际上不予区别 （例如： Text.DOC 与 text.doc 是同一个文件） 常用程序文件的扩展名： .exe .com .dll .bat 常用数据文件的扩展名：,选讲： 文件属性在文件管理中的作用,“系统”属性 表示该文件属于操作系统，删除时

40、系统会给出警告，资源管理器若不特别设置为“显示全部文件” 时不会在文件列表中显示 “隐藏”属性 若资源管理器设置为“不显示隐藏文件”，则不会在文件列表中显示出来 “存档”属性 文件尚未存档的标识，“文件备份程序”通过该属性来决定是否对它进行备份，新建的或备份后又修改过的文件，其存档属性为1，执行备份操作后存档属性为0； “只读”属性 该文件不能修改，若进行修改必须以不同的文件名保存 “压缩”属性 文件数据保存到外存时进行数据压缩 “加密”属性 对文件内容进行了加密，以进行保护,文件在磁盘中如何存储？,磁盘分成两个区域：目录区和数据区 目录实质上是一张“文件名存放位置”的对照表,从磁盘上读出一个

41、文件时，先在目录区中找出该文件的存放位置，然后再按此位置，从磁盘的数据区中读出该文件内容,文件内容,Windows XP 的文件组织,文件目录在Windows中称为文件夹 每个逻辑盘(物理盘或硬盘上的分区)是一个根文件夹 文件夹中既可包含文件，也可包含文件夹 (子文件夹),子文件夹又可存放文件和子文件夹, 形成树状多级文件夹结构,为什么使用多级文件夹？ 1）有利于文件分类存储 2）允许文件同名(在不同 文件夹中时) 3）便于文件共享和保护,Windows XP中文件如何定位？,计算机中的每个文件都有一个确定的位置 文件的位置由存放文件的逻辑驱动器号、文件路径以及文件名组成： 驱动器号(盘符)

42、+ 文件路径 + 文件名,例 右图中文件02.ppt的位置是： D:数据概论讲稿02.ppt,从根文件夹到文件所在文件夹所顺序经过的一串文件夹，其间用“”相互隔开,文件管理和文件系统,文件系统需要解决的问题： 有效管理外存储器的存储空间 实现对文件方便而快速的按名存取 对硬盘、光盘、优盘、存储卡等不同外存储器实现统一管理 统一本地文件/远程文件的存取操作 解决文件的共享、保密和保护问题,实现文件的安全存取,文件系统是OS的一个组成部分，它负责管理计算机中的文件，使用户(和程序)能很方便地进行文件的存取操作,文件管理,3. 文件管理 文件管理的任务： 有效地支持文件的存储、检索和修改等操作 解决

43、文件的共享、保密和保护问题 操作系统中的文件管理子系统完成文件管理的任务,文件管理,文件管理子系统的主要职责之一： 如何在外存储器中为创建（或保存）文件而分配空间，为删除文件而回收空间，并对空闲空间进行管理。 向用户（或程序）提供的基本功能： 创建新文件（夹）在外存储器中分配空间，将新创建文件（夹）的说明信息添加到指定的文件夹中 保存文件 将内存中的信息以规定的文件名存储到指定位置 读入文件 将指定外存的特定文件夹中的特定文件读入到内存 删除文件 从指定外存的特定文件夹中将特定的文件删除，释放其原先占用的存储空间,文件管理,在外存储器中分配和管理文件存储空间的原理 以Windows对硬盘的管理

44、为例 磁盘文件存储空间的分配单位： “簇”（Cluster） 簇的大小与磁盘容量有关（软盘每个簇固定为512字节，40GB以上的硬盘是8KB） 簇号：簇的顺序编号。从簇号很容易算出它在磁盘上的实际物理扇区位置 硬盘格式化时，划分 引导区、文件分配表、文件目录表、数据区4个部分,文件管理 （硬盘空间的分配和FAT的作用）,-1,17,-1,硬 盘,-1,-1,文件管理,在外存储器中分配和管理文件存储空间的原理 目录表（FDT）的表元内容与作用（说明信息与起始簇号） FAT表的表元内容与作用 每个簇一栏，有3种状态：“已使用”、“空闲”或“损坏” 文件存储区的若干个簇在FAT表中将表示成为一个“簇

45、号链”，每个表元的数值是下一个簇的簇号，起始簇号在根目录表中指出，最后一个簇的状态值用“-1”表示 MYFILE的“簇号链”：91611025 在磁盘根目录下保存一个文件（夹）的过程（新文件或旧文件）,文件管理,在外存储器中分配和管理文件存储空间的原理 不同类型的外存储设备采用不同的文件管理程序 软盘采用FAT12文件管理程序 硬盘用FAT32（2GB以上的硬盘）和FAT16（2GB以内的硬盘）文件管理程序。上面的12、16或32指的是FAT表中每一栏的二进位位数。位数越大，可支持的磁盘容量也越大 CD-ROM采用CDFS文件管理程序 DVD和CD-RW采用UDF文件管理程序 Windows

46、2000、Windows NT和Windows XP操作系统还能支持NTFS文件管理系统，能支持最大达2TB的硬盘，提供文件夹和文件级的安全性，并能支持文件加密等功能,文件管理,常见文件系统,FAT(File Allocation Table) 1. FAT16 FAT16分区最大支持2GB的硬盘空间，几乎所有的操作系统都支持FAT16文件系统。FAT16是一个单用户文件文件系统，不支持计算机本地安全性。 每个分区最多只能有65525个簇（簇是磁盘空间的配置单位）。随着硬盘或分区容量的增大，每个簇所占的空间将越来越大，从而导致硬盘空间的浪费。,文件管理,常见文件系统,FAT32 此格式采用32

47、位的文件分配表，因此可以将一个大硬盘定义成一个分区，分区最大可达32GB。 FAT32使用的簇比FAT16小，从而有效地分配了硬盘空间。在FAT32文件系统中存放的文件比在FAT16中存放文件省20%30%的磁盘空间。也不支持计算机本地安全性。,文件管理,常见文件系统,3.NTFS（新技术文件系统） NTFS具有FAT文件系统的所有基本功能，能对文件夹和文件设置计算机的本地安全性。可以实现数据压缩，可限制用户使用磁盘空间数量；能支持最大达2TB的大硬盘；支持加密文件系统，可为用户提供更高层次的安全保证。 NTFS也是以簇为单位来存储数据文件，但NTFS中簇的大小并不依赖于磁盘或分区的大小。簇尺

48、寸的缩小不但降低了磁盘空间的浪费，还减少了产生磁盘碎片的可能。,文件管理,如何将FAT分区转换为NTFS,Windows 2000/XP提供了分区格式转换工具“Convert.exe”。通过这个工具可以直接在不破坏FAT文件系统的前提下，将FAT转换为NTFS。 它的用法： 先在Windows 2000环境下切换到DOS命令行窗口，在提示符下键入： D:convert e: /FS:NTFS 其中系统E盘原来为FAT16/32，现在 需要转换为NTFS， 所有的转换将在系统重新启动后完成。,如果多重引导系统，则系统盘（C盘）必须为FAT16或FAT32，否则不支持多重引导。当然，其他分区的文件

49、系统可以为NTFS。,3.2.5 设备管理,设备管理,操作系统中的“设备管理程序” 负责 对计算机系统中各种输入输出设备的组织和管理 有效地处理用户（或应用程序程序）的输入/输出的请求 方便有效安全地完成输入/输出操作。,设备管理,设备管理：指对计算机系统中各种输入输出设备的组织和管理，有效地处理用户（程序）对这些设备的使用请求，并完成实际的输入/输出操作。 用户无需了解设备及接口的技术细节即可使用设备管理提供的界面。 设备管理的内容包括外部设备的分配、启动和故障处理。 为了提高设备的使用效率和整个系统的运行速度，OS会采用一些技术，尽可能地发挥设备和主机的并行工作能力。（如中断技术、通道技术、虚拟设备技术、缓冲技术） 通道又称输入输出器，它能完成主存储器和外围设备之间的信息传送，与中央处理器并行地执行操作。采用通道技术主要解决了输入输出地独立性和各部件工作地并行性。,设备管理,1. 设备管理的任务 I/O设备的复杂性 I/O设备是人机对话的界面，种类很多 I/O设备处理的信息形态可以是