第3章操作系统基础知识

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1、第 3 章 操作系统基础知识,第3章 操作系统基础知识,操作系统OS（Operating System）是计算机系 统中重要系统软件，其功能是管理和控制计算机软 件和硬件资源，使计算机各部分协调工作；合理组 织计算机工作流程，为用户使用计算机提供友好的 人机接口，方便用户使用计算机系统。,计算机系统层次结构,计算机系统层次结构可以分为四级：硬 件、操作系统、系统程序和应用程序。,虚拟机,磁盘,网络 接口,I/O,物理 设备,CPU,时钟,机器语言（指令集）,操作系统,程序语言和编译、,编辑器,命令解释器 (Shell),金融系统,航空定票,科学与工程,游戏,硬件,系统程序,应用 程序,用户,用

2、户,用户,电源，键盘等,用户,用户,操作系统,3.1 操作系统简介,3.1.1 操作系统发展历程 1. 手工操作阶段 2. 批处理阶段 3. 操作系统完善,1. 手工操作阶段,从第一代计算机诞生到20世纪50年代中期还未出现操作系统，这时的计算机采用人工操作方式。其过程是：,1. 手工操作阶段,使用计算机的步骤如下： 将程序和数据通过手工操作记录在穿孔纸带或卡 片上； 将纸带装入纸带输入机，启动纸带输入机将程序 和数据读入计算机； 计算机执行程序。 一个独立的程序称为一个作业，一个作业处理 完毕才能处理另一个作业。,脱机输入输出技术,除主机外另设一台外围控制机，且只与输入输 出设备连接，并不与

3、主机连接，由它完成输入输出 任务。 程序或数据通过外围控制机输入到磁带上，等 待主机使用。输出时主机负责将数据从内存输出到 磁带，由外围控制机将磁带上的数据输出到设备上。 在这种系统中，输入输出脱离主机，减少了CPU 等待人工的时间，提高了CPU的利用率和输入输出速 度。将这种工作方式称为脱机输入输出方式。,2. 批处理阶段,所谓批处理系统是指加载在计算机上的一 个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动 地成批地处理一个或多个用户的作业。 单道批处理系统 假脱机技术 多道批处理系统, 单道批处理系统,将一批作业以脱机方式输入到磁带上，由驻留内 存的监督程序将磁带上的作业装入内存交给CPU进行处

4、 理，当一个作业运行完毕或出现异常时，再装入后继 程序。,系统对作业的处理成批进行，但在内存中仅有一道程序处于运行状态，这就是单道批处理系统。 监督程序就是操作系统最初萌芽。,单道批处理系统: 任一时刻只允许一个程序在系统中执行。一个程序执行结束后才能执行下一个程序。,单道批处理系统提高了计算机系统吞吐量， 减少了主机空闲时间，在一定程度上提高了系统 资源利用率。但在内存中只有一道程序，所以仍 然不能充分利用系统资源。 例如：程序要求输入数据时，输出设备空闲。 程序要求输出数据时，输入设备空闲。,单道批处理系统, 假脱机技术,20世纪60年代初期，计算机硬件技术在两方面获 得重要进展：一是通道

5、的引入，二是中断的出现。 通道：也称为输入输出（I/O）处理机，它与CPU并 行工作，专门用于控制输入输出设备。 中断：在程序执行过程中，出现某种紧急事件时， cpu暂停执行现行程序，转去执行事件处理程序，执行后 再返回到被暂停的程序继续执行。 I/O处理机输入输出结束时向CPU发出中断请求，CPU 通过响应中断获取I/O处理机状态，提交输入/输出任 务。由I/O处理机完成作业的输入/输出。,在CPU控制下，作业输入输出数据由I/O 处理机完成，I/O处理机取代了外围控制机。 这项技术被称为假脱机技术。 通道和中断技术的应用使CPU与I/O设备 并行工作，解决了CPU和I/O设备速度匹配问 题

6、，同时为分时操作系统的诞生奠定了硬件 基础。, 多道批处理系统,60年代中期引入多道程序设计（Multi_ Programming)技术。 作业预先在外存中排成一个队列，称为后备队列。 由作业调度程序从后备队列中选择若干个作业装入内 存，使它们交替运行。当正在运行的程序因输入输出操 作而暂停执行时，系统运行另一道程序。这样多个程序 共享CPU，使CPU始终处于忙碌状态。 多道程序设计技术应用于批处理系统，形成了多道 批处理系统。,等待数据输出,调度程序 程序C 程序B 程序A CPU时间,磁盘控制器,多道程序运行情况示意图,多道程序系统:多道程序同时在执行。,为了使多道程序间能够协调工作，监督

7、程序需要解决以下系列管理问题：,作业调度：合理调度作业，使系统中硬件资源有效利用； CPU管理：多个作业交替运行，需要合理安排处理机时间； 内存管理：为每道程序分配必要的内存空间； I/O设备管理：为多道程序分配输入输出设备。,在计算机系统中应该有一组专用软件， 负责控制和管理软硬件资源，合理组织工作 流程，方便用户使用计算机，这就是多道批 处理操作系统。 多道批处理系统的出现，标志着操作系 统已经形成。,3. 操作系统的完善,分时系统的出现标志着操作系统进入完善阶段。 基本思想是：将CPU时间分成若干个时间片，在 一个时间片运行一个作业，在下一个时间片运行另一 个作业，在短时间内所有作业都能

8、得到轮流执行。 从整体上看每个作业都在运行，用户请求可以得 到及时响应，这就是计算机分时操作系统。 如:MS-DOS、Windows、Unix和Linux等。,3.1.2 常见操作系统简介,DOS操作系统 Windows操作系统 多道批处理系统 UNIX操作系统 Linux操作系统,1. DOS操作系统,DOS是磁盘操作系统(Disk Operating System)， 是一种单用户、单任务的微型机操作系统，它由IBM 公司委托Microsoft公司开发。 DOS主要功能是命令处理、文件管理和设备管 理。它采用汇编语言编写，系统开销小，运行效率 高，但资源管理功能简单，字符型用户界面，操作不

9、 太方便。,2. Windows操作系统,Windows XP有三个版本： WindowsXP Home Edition有良好的数字媒体平 台，适合家庭用户和游戏爱好者； Windows XP Professional为商业用户设计，有高 级别的可扩展性和可靠性； Windows XP 64-Bit Edition可以满足电影特效制 作、3D动画、工程设计和科学计算等对大内存、高浮 点运算的专业技术需要。,Windows的主要特点, 面向对象图形界面：方便用户使用。 统一的用户界面：应用程序界面相似。 与设备无关的图形操作：支持即插即用技术。 多任务处理：同时运行多个程序。 先进的内存管理：根

10、据程序大小适当的分配内存。 多种系统管理工具：资源管理器、系统工具等。 内置的网络通信功能：支持多种网络传输协议。 出色的多媒体功能：对音频、视频编辑和播放。,3. UNIX操作系统家族,UNIX操作系统是一个通用的、交互式分时网络 操作系统。1969年美国贝尔实验室在DEC公司的小型 机PDP-7上开发成功，1971年移植到PDP-11上。1973年 用C语言重写UNIX，具有较高的易读性和可移植性， 为UNIX迅速推广和普及应用奠定了基础。20世纪70年 代中后期，UNIX源代码的免费扩散引起很多大学、研 究机构和公司的兴趣，大众参与为UNIX的改进、完 善、传播和普及起了重要作用。,4.

11、 Linux操作系统,Linux是芬兰籍科学家Linus Torvalds于1991年编写 的一种操作系统。Linux操作系统可用于386、486或奔 腾处理器的更高档次个人计算机上，具有UNIX操作系 统的全部功能。 目前Linux软件包带有X-Windows图形界面管理 器，通过窗口、图标和菜单对系统进行管理。软件包还 包括文本编辑器，高级语言编辑器等许多软件。,3.1.3 操作系统分类,根据操作系统功能特征和使用环境可以分为三种 基本类型：批处理系统、分时系统和实时系统。 新类型的操作系统不断出现： 网络操作系统； 分布式操作系统； 个人计算机操作系统； 多处理机操作系统； 嵌入式操作系

12、统 。,1. 批处理系统,批处理操作系统的主要特征是多道性、成批性。 多道性是指在内存中可同时驻留多道程序，并允许 它们并发执行，有效地提高系统资源利用率和吞吐量。 成批性是指作业成批进入系统，成批处理。作业完 成顺序与进入内存顺序没有紧密联系，先进入内存的作 业可能后完成。批处理系统缺点是缺乏人机交互性。,2. 分时操作系统,分时操作系统（Time-Sharing Operating System ）的特征 是多路性、交互性、独占性和及时性。 分时系统允许一台主机同时连接多台交互终端，每个用户独 占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。 分时系统将CPU时间划分成若干个片段，称为时间片。操作 系

13、统以时间片为单位轮流为每个终端用户服务，系统对每个用户 提出的请求都能及时响应，用户感觉不到其他用户存在。用户以 交互方式使用计算机，共享主机资源。,3. 实时系统,实时操作系统（Real-Time Operating System）的特征是实 时性、高可靠性。 实时性是指计算机能及时响应外部事件请求，在规定时间内 完成事件的处理任务。实时系统更加注重稳定性和可靠性。 实时操作系统可分为实时控制系统和实时信息处理系统两大 类。实时控制系统用于工业控制和宇航控制等；实时信息处理用 于情报查询、信息检索和航空订票系统等。,4. 网络操作系统,网络操作系统（Network Operating Sys

14、tem）基于计算机网络。除具备普通操作 系统所具备的功能外，还具有网络管理模 块、通信、安全和资源共享等模块。,5. 分布式操作系统,分布式操作系统（Distributed Operating System）是网络操作系统的更高级形式，它建立在计算机网络基础之上，有效地解决了地域分布很广的若干台计算机之间资源共享、并行处理等问题。特征是统一性、共享性、可靠性和透明性。,6. 个人计算机操作系统,个人计算机（PC）操作系统是一种单用户 多任务操作系统。 主要设计目标是易用性和响应性。 例如：MS- DOS，Windows，OS/2。,7. 多处理机操作系统,具有公共内存和时钟的多CPU系统称为多

15、处 理机系统，它们共享计算机总线和外部设备。 建立在多处理机系统上的操作系统称为多处 理机操作系统，也称为并行操作系统或紧耦合系 统。,8. 嵌入式操作系统,嵌入式操作系统（Embedded Operating System）是一种支持嵌入式计算机的软件，由一个 体积很小的内核及一些可以根据需要定制的系统模 块组成，能运行在各种不同硬件平台上，提供基本 的程序运行环境和接口。 著名嵌入式操作系统有Vxwork、Palm OS和 Windows CE等。,3.2.1 操作系统作用,操作系统有两个重要作用： 1. 管理系统资源 2. 提供友好界面,3.2 操作系统作用及特征,1. 管理系统资源,计

16、算机系统资源包括处理机、存储器、输 入输出设备、程序和数据及各种信息。 操作系统负责管理软硬件资源，使它们协调一致地工作； 为应用程序分配所需资源，提供基本运行环境。,2. 提供友好界面,操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。操作系统为用户使用计算机提供了灵活方便的操作手段，即提供友好的用户界面（接口）。大多数操作系统提供两种操作接口，即命令接口和程序接口。,（1）命令接口,操作系统提供的人机交互界面，称为命令接口。 两种命令接口： 字符型命令接口，允许用户通过键盘输入命令操作计算机。 图形命令接口：允许用户通过窗口或图标操纵计算机。,字符命令接口,（2）程序接口,程序接口也称为系统调用，由一组系统调用命令组成。在编写的程序中通过系统调用命令获得操作系统服务。,3.2.2 操作系统功能,从资源管理角度说，操作系统功能包括： 作业管理、进程管理、存储管理、设备 管理和文件管理5个主要部分。,1. 作业管理,作业管理是为了合理组织工作流程，