计算机导论教材课件ch03

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1、,计 算 机 导 论,第3章 计算机软件系统,第三章 计算机软件系统,教学目标 掌握软件的相关概念 了解系统软件和应用软件的基本知识 了解计算机操作系统的基本知识 了解几种常用的操作系统 了解程序设计语言的相关概念 了解软件工程的相关概念,程序和程序设计语言,软件的核心内容是程序，而程序是指令的序列。 起初，程序员用计算机能够直接执行的二进制码（机器语言，Machine language）来写程序。工作效率非常低，而且容易出错、不容易查错。 随后的思路：先用英文字母和数字按照一定规则来写程序，再由另一个已经可以执行、具有翻译能力的程序把它翻译成等价的二进制表示，交给计算机执行。 因此，程序实际

2、上是用特定语言表示的指令的序列。 这样的语言叫做程序设计语言（Programming languages）。 汇编语言（Assemble language） 高级语言（High-level programming language）,程序和程序设计语言,对程序进行自动翻译：,编译,汇编,编译,软件,只有程序就可以了吗？通常不是这样，因为： 使用这个程序的人一般不是写程序的人，他们很可能不懂程序，因此需要有使用说明，甚至需要培训教材； 以后要修改这个程序的人可能不是写程序的人，他们需要理解这个程序的设计思想和程序的演变过程； 这个程序可能只是一个大系统的一部分，承担其他任务的人需要知道怎样才能在

3、系统中利用这个程序。 因此，还需要与程序有关的其他信息，这些信息要以人们能够理解的方式加以表现：文档（Documents）。 软件：程序和与之相关的所有文档。,第一节 计算机软件概述,系统软件和应用软件的概念,系统软件 系统软件是围绕计算机系统本身开发的软件，它介于硬件和应用软件之间。其主要功能是管理、监控和维护计算机软硬件资源，为应用软件的开发和运行提供环境支持，为用户提供友好的使用计算机的交互界面。主要包括：操作系统、程序设计语言、语言处理程序、数据库管理系统、系统支撑和服务程序等。,系统软件和应用软件的概念,应用软件 应用软件是为用户解决各类应用问题开发的程序。应用软件涉及的应用范围广泛

4、，种类繁多。如今，计算机能够渗透到人们生活的方方面面，就是各种应用软件得到大量成果研发的结果。 常见应用软件有办公自动化软件、管理信息系统、大型科学计算软件包以及各类游戏软件等。具体的软件有Microsoft Office、WPS Office、PhotoShop、Corel Draw等。,应用软件、系统软件、硬件之间的层次关系,用户按下P 键,Hi ，OS ，发生了 一个事件：P 键 被按下了！,Hi，财务系统，键盘输入的是P，看着办吧！,Hi，OS ，打印我 送到你那里的工资 报表文件 ！,Hi，激光打印机， 把我送给你的数据 打印出来 ！,激光打印机 开始打印,13:49,系统软件,管理

5、和控制计算机的要求,计算机有许多部件，需要对它们进行统一管理，包括： 内存和外存； 各个部件之间的通信与协调运行。 还有许多与硬件有关的、公共的事情： 接受输入设备（例如键盘）送来的数据； 把数据存储到外存，或者从外存读取所需要的数据； 把数据送给输出设备（例如显示器、打印机等）。 这些事情： 完全可以用程序来做。因为计算机不仅可以为用户计算，还可以为计算。 不应当由每一个程序都来做，而应当由专门的程序来做。,系统软件,这类软件不需要用户的干预，就能处理技术上很复杂的、繁杂的、一般用户处理不了的那些事情。 这类软件包括： 操作系统（Operating system，OS） 程序设计语言（Pro

6、graming design language） 语言处理程序（Language translators） 数据库管理系统（Data Base Management System， DBMS） 设备驱动程序（Device drivers） 系统支撑和服务程序,计算机系统是由硬件和软件两部分构成的。操作系统属于软件中的系统软件，操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之上的。通过操作系统对硬件功能进行扩充，并在操作系统的统管理和支持下运行各种软件。因此，操作系统在计算机系统中占据着一个非常重要的地位，它不仅是硬件与所有其他软件之间的接口，而且任何数字电

7、子计算机，从微处理器到巨型计算机都必须在其硬件平台上加载相应的操作系统之后，才能构成一个可以协调运转的计算机系统。,操作系统的概念,只有在操作系统的指挥控制下，各种计算机资源才能被分配给用户所使用。也只有在操作系统的支撑下，其他系统软件如各类编译系统、程序库、运行支持环境才得以取得运行条件。没有操作系统，任何应用软件都无法运行。可见，操作系统实际上是一个计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。操作系统的性能高低，决定了整体计算机的潜在硬件性能能否发挥出来。操作系统本身的安全可靠程度，决定了整个计算机系统的安全性和可靠性。操作系统正是软件技术含量最大、附加值最高的部分，是软件技术的核心，是软件的基础

8、运行平台。,操作系统的概念,据此，我们可给出操作系统的一个定义：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合。,操作系统的概念,其中，“有效”主要指操作系统在管理资源方面要考虑到系统运行效率和资源的利用率，要尽可能的提高处理器的利用率，让它尽可能少的空转，其他的资源例如内存、硬盘则应该在保证访问效能的前提下尽可能的减少浪费的空间等。“合理”主要是指操作系统对于不同的用户程序要“公平”，以保证系

9、统不发生“死锁”和“饥饿”的现象。“方便”主要是指人机界面方面，包括用户使用界面和程序设计接口两方面的易用性、易学性和易维护性。,操作系统的概念,操作系统的功能,存储器管理 处理器管理（进程管理） 文件管理 设备管理 作业管理,处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。它包括以下几方面：进程控制在多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。进程运行结束时，要立即撤销该进程，以便及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要任务便是

10、为作业创建进程，撤销已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。,一、处理机管理功能,进程同步进程是以异步方式运行的，并以人们不可预知的速度向前推进。为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。 有两种协调方式：进程互斥方式。指诸进程在对临界资源进行访问时，应该用互斥方式。进程同步方式。指在相互合作完成共同任务的进程间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。,为了实现进程同步与互斥，系统中必须设置进程同步机制。最简单的用于实现进程互斥的机制是为每一种临界资源配置一把锁。当锁打开时，进程可以对临界资源进行访问；而关上时，则禁止进程访问

11、该临界资源。进程通信在多道程序环境下，可由系统为一个应用程序建立多个进程。这些进程相互合作去完成一共同任务，而在这些相互合作的进程之间，往往需要交换信息。,例如，有三个相互合作的进程，它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算，并把计算结果传送给打印进程，由打印进程把结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现相互合作进程之间的信息交换。当相互合作的进程处于同一计算机系统时，通常是采用直接通信方式。即由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。,当相互合作的进程处于不同的系

12、统中时，常采用间接通讯方式，即由源进程利用发送命令将消息送入一个存放消息的中间实体中，以后由目标进程利用接收命令从中间实体中取走消息。该中间实体通常称为邮箱，相应的通信系统称为电子邮件系统。调度等待在后备队列上的每个作业，通常要经过调度（包括作业调度和进程调度两步），才能执行。作业调度的基本任务是从后备队列中按照一定的算法，选择若干 个作业，为它们分配必要的资源（首先是分配内存）。,在将它们调入内存后，便为它们建立进程，使之成为可能获得处理机的就绪进程；并将它们按一定算法插入就绪队列。而进程调度的任务则是从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进

13、程投入运行。在进行作业调度和进程调度时，都必须遵循某种调度算法。,存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。为此，存储器管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等。 内存分配内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”，提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间，允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。,二、存储器管理功能,操作系统在实现内存分配时，可采取以下两种方式：静态分配方式。每个作业的内存空间是在作业装入时确定的；在作业装入后的整个运行期间，不

14、允许再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”。动态分配。每个作业所要求的基本内存空间也是在装入时确定的；但允许作业在运行过程中继续申请新的附加空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中“移动”。,为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有以下结构和功能内存分配数据结构。该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。内存分配功能。系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。内存回收功能。系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。,内存保护内存保护的主要任务是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。进一步说，绝不允许用户程序访

15、问操作系统的程序和数据；也不允许转移到非共享的其他用户程序中去执行。为了确保每道程序只在自己的内存区内运行，必须设置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统需对每条指令所访问的地址进行越界检查，如果发生越界，便发出越界中断请求，以停止该程序的执行。,如果这种检查完全用软件实现，则每执行一条指令，便需要增加若干条指令去进行越界检查，这将显著地降低程序的执行速度。因此，越界检查都由硬件实现，当然，对发生越界后的处理，还须与软件配合来完成。 地址映射一个应用程序（源程序）经编译后，通常会形成若干个目标程序；这些目标程序再经过链接而形成可

16、装入程序。这些程序的地址都是从“0”开始的，程序中的其他地址都是相对于起始地址计算的；由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”，其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。,此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。在多道程序环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的，因此，存储器管理必须提供地址映射功能，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能同样应在硬件的支持下完成。,内存扩充由于物理内存的容量有限（它是非常宝贵的硬件资源，不可能做得太大），因而难以满足用户的需要，势必影响到系统的性能。在存储器管理

17、中的内存扩充任务，并非是去增加物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存比物理内存大得多；或者是让更多的用户程序能并发运行。这样，即满足了用户的需要、改善了系统性能，又基本上不增加硬件投资。,为了从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述各功能：请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下，启动该程序运行。在运行过程中当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，可向操作系统发出请求，由操作系统将所需部分调入内存，以便继续运行。置换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时，系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将需部分调入内存。,