计算机操作系统原理与应用

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1、计算机操作系统 原理与应用,清华大学出版社,第1篇 初步使用,第2篇 原理研究,第3篇 深入与应用,第1篇 初步使用,操作系统是现代计算机系统中一种最重要的系统软件，每个想要正确使用计算机系统的人，对操作系统都应该有所了解，对其中有些内容甚至应该相当熟悉。 本篇主要介绍Windows和Linux的初步使用。,第1章 操作系统概述 第2章 Windows 7安装与设置 第3章 Windows 7常用技巧 第4章 Linux的基础知识 第5章 Linux的用户接口,第1篇 初步使用 第1章 操作系统概述 第2章 Windows 7安装与设置 第3章 Windows 7常用技巧 第4章 Linux的

2、基础知识 第5章 Linux的用户接口,第1章 操作系统概述,本章介绍操作系统的定义、目标、功能、特征、类型和结构，简要介绍几种典型的操作系统，介绍与操作系统紧密相关的硬件知识，说明操作系统的用户界面。,1.1 操作系统的定义与目标,1.1.1 操作系统的地位 计算机系统靠硬件和软件两部分配合工作。 硬件是指处理器、存储器、I/O设备和通信装置等。 软件是指为完成特定任务而由硬件执行的程序、数据和其他相关文档。 计算机软件可以分为系统软件、支撑软件和应用软件3大类 ，操作系统属于系统软件。,操作系统在计算机系统中占据着非常重要的位置：操作系统是紧靠着硬件的第一层软件。 计算机加载了操作系统，才

3、成为协调的、方便的、高效的计算机系统。 其他软件一般都运行在操作系统之上。,在计算机系统中， 硬件资源：中央处理器(CPU)、存储器、I/O设备。 软件资源：程序和数据等。 操作系统进行程序调度和资源分配，以保证系统资源的有效利用。 多个用户、多个程序同时运行时，这种管理更显必要，而且十分复杂。,1.1.2 操作系统的定义 操作系统由一组程序组成，这组程序能够有效地控制和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机系统的工作流程和控制程序的执行，使计算机系统能高效地运行，向用户提供各种服务，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机。,这个定义指出： 操作系统是：一组程序 + 专门的数据结构

4、 有效：系统运行效率和资源利用率，尤其处理器的利用率。 合理：公平对待各用户程序，恰当解决资源冲突，巧妙组织工作流程。 方便：易用、易学和易维护。,1.1.3 操作系统的目标 操作系统应达到3个目标。 1. 方便用户 满足最终用户的应用需求，方便系统用户监视系统的整体状态。操作系统提供图形用户界面、控制语言(或终端命令)和系统调用等接口，使得用户可以方便地使用计算机。,2. 提高效率 操作系统通过合理组织系统的工作流程，采用多道、中断、分时和缓冲等技术，实现了对系统资源的高效使用。 3. 管好资源 对系统中的资源实行统一管理、合理分配和及时回收。这三方面密切相关又有一定的制约，需要权衡利弊，统

5、筹兼顾，对单一目标的追求要适可而止。,1.2 操作系统的功能与特征,在介绍操作系统的功能和特征之前，先了解一下操作系统的形成历史。 1.2.1 操作系统的形成 1. 手工操作方式 单个用户独占使用，系统中各部分串行工作，缺点是低效率和易出错。,2. 监控程序 20世纪60年代初出现。 控制用户程序的执行，在一定程度上实现资源共享，还为操作员提供了一套控制命令。 明确了用户与操作员的分工，提高了计算机系统的效率，方便了用户和操作员的使用。 监控程序提供的文件系统能够按用户需要将程序和数据以文件形式保存起来，用户可以按文件名请求读写文件。 但是，系统不允许用户干预自己程序的运行，也无法防止错误程序

6、对系统的破坏。,3. 操作系统的诞生 计算机逐渐成为主机、内存、外存、通道、网络和各种配套设备的组合体，发展成硬件和软件的综合系统。为了能够进行更加复杂的控制，人们不断增强监控程序的功能。 中断、通道、并行工作、多道程序设计和虚拟存储等计算机新技术最终导致了操作系统的诞生。 1964年4月，IBM公司推出的IBM 360系统首次配上了功能强大的操作系统IBM OS/360。,1.2.2 操作系统的基本功能 资源管理 处理器管理 存储管理 文件管理 设备管理 作业管理,1. 作业管理 作业：用户请求计算机系统完成的计算任务，由程序和数据等组成。 作业管理的重要功能 命令处理 获取和分析作业控制命

7、令，并做出相应处理。 作业调度 据预定策略选择若干作业进入内存运行，以使系统在资源使用率、系统吞吐量和用户满意度诸方面达到预期的要求。,2. 处理器管理 为了提高处理器的利用率，提出了进程的概念，采用了多道程序等技术。 操作系统为每个运行程序建立若干进程，这些进程间既有合作又有竞争。 处理器管理的主要功能 进程控制 进程同步 进程通信 进程调度,3. 存储器管理 存储器管理的重点是内部存储器管理。 存储管理的主要功能 存储分配 存储保护 存储扩充,4. 文件管理 将需要长期保存的程序和数据组织成文件，存放在外部存储器上，使用户能够方便地按文件名存取，并保证文件的安全和共享。 文件管理至少应包括

8、 文件空间管理 目录管理 文件操作管理 文件保护,5. 设备管理 现代计算机系统一般采用中断和通道技术并通过控制器连接各种外部设备和CPU。 设备管理的任务 方便用户使用设备，提高设备利用率，保证用户共享设备，分配通道、控制器和I/O设备，执行具体的I/O操作。 设备管理的主要功能 设备分配 传输控制 设备独立性保证,对于具体的操作系统，可能还有其他特殊要求。 为特定目的和特定配置设计的操作系统不需要具备所有的功能，具体的操作系统应该根据不同目的在功能上有适当的取舍。,1.2.3 操作系统的主要特征 1. 并发性 并发性是指让多个程序同时在系统中运行。 程序的并发性具体体现在： 用户程序与用户

9、程序并发执行， 用户程序与操作系统程序并发执行。 单CPU环境下，并发程序是交替在CPU上运行。 在多CPU系统中，并发程序在处理器一级上也是并行运行的。 在分布式系统中，多个计算机的并存，使程序的并发特征得到更充分的体现。,并行和并发的区别： 并行是指两个或多个事件在同一时刻进行，这是一个具有微观意义的概念； 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内进行，如果称之为同时，则是宏观意义上的同时。 并行的若干个事件是并发的，而并发的若干事件则不一定是并行的。,2. 共享性 它是指操作系统程序与多个用户程序共用系统中的资源。 这种共享包括： 并发程序对处理器资源的共享； 对内存的共享和对外存的共享，

10、保证对系统数据共享的正确性和数据的完整性； 各种外部设备的共享。,共享可分为： 互斥共享 打印机、磁带机、扫描仪和重要系统数据等资源，虽然可以供多个用户程序共同使用，但是在一段特定时间内只能由一个用户程序使用。 同时共享 硬盘和可重入操作系统代码等资源，在同一段时间内可被多个程序同时访问。,3. 虚拟性 操作系统向用把裸机变成功能更强而易于使用的虚拟机。 采用分层结构的操作系统，其不同层次分别供不同类型的用户使用，这是多层虚拟机。 操作系统的虚拟性还体现在CPU、内存、设备和文件管理等各个方面。例如： 分时技术将计算机虚拟为多台逻辑上独立、功能相同的虚拟机， 虚拟内存技术大大提高了内存使用效率

11、， 假脱机技术将I/O设备虚拟为逻辑设备， 此外，还有虚拟目录、虚拟文件等。,4. 不确定性 不确定性：一般无法确切知道操作系统正处于何种状态。 但这并不是说操作系统无法很好地控制资源的使用和程序的运行，而是强调操作系统的设计与实现要充分考虑各种可能性，以便稳定、可靠、安全、高效地达到程序并发和资源共享的目的。,1.3 操作系统的类型与结构,按使用环境和作业处理方式，可分为： 批处理系统 分时系统 实时系统 根据所支持的用户数目，可分为： 单用户系统 多用户系统,1.3 操作系统的类型与结构,根据硬件结构，可分为： 网络操作系统 分布式系统 嵌入式系统 多媒体系统，等等。,1.3.1 传统的基

12、本类型 1. 批处理系统 提供脱机作业控制方式，要求用户事先把作业的程序、数据和作业说明书一起交给操作员，操作员让成批的作业进入计算机系统，控制作业的执行和作业间的交替。 批处理操作系统可分为单道和多道两种： 批处理单道系统一次只允许一个作业进入内存，目标是节省更换作业所花的代价。,批处理多道系统允许多个作业同时在内存中运行。目标是资源的高利用率、系统的大吞吐量和作业流程的自动化。 2. 分时系统 分时操作系统采用分时技术同时向多个用户提供联机作业控制方式，多个用户能够同时在各自终端上观察并控制自己程序的运行，及时获得运行结果，甚至进行调试和改错。 主要特征：交互性 主要目标：及时性,分时系统

13、只要以内存中的一个例行程序代码就能响应不同终端上多个作业相应的同类要求。 最早的分时操作系统是美国麻省理工学院在1963年研制的CTSS。MULTICS、IBM TSS/360、Mac OS、UNIX、Windows和XENIX等也都是分时操作系统。,3. 实时系统 能及时响应随机发生的外部事件，足够快地完成对事件的处理，并且控制实时设备协调一致地工作，或做到协调一致地执行实时任务。 所谓外部事件，是指来自与计算机系统相关联设备的服务请求。 实时系统主要适用于信息处理和过程控制的实时要求，可以据此把实时系统分为： 实时信息处理系统， 实时过程控制系统。,4. 通用系统 兼有批处理、分时和实时中

14、的两种或多种操作系统的能力。例如， 分时和批处理相结合的系统： 通常采用分时运行方式，而当用户少时则以批处理为主的方式运行； 前后台制：前台接受分时作业，利用时间片更迭或程序调换时机批处理后台作业。 实时和批处理相结合的系统：它优先响应外部实时信号，空闲时响应批处理作业。 通用操作系统强调满足不同环境的需要，并适应同一系列不同档次的配置。,1.3.2现代的主要类型 1. 微机操作系统 早期的8位微型机主要用于单用户环境，例如CP/M和MS-DOS。这种系统规模较小，一般不考虑资源共享，但注重使用方便，多以磁盘文件管理为主，提供一组交互式的键盘命令。 16位微型机上的操作系统发展为多用户。例CP

15、/M的扩展MP/M，UNIX的微机版XENIX。 目前32位微型机唱主角，64位微型机也已登场，其上的操作系统已经具有与大、中型计算机操作系统相当的功能和特点。,2. 网络操作系统 网络上的每台计算机都是独立自治的，因此，网络操作系统首先应该具有普通操作系统的功能，以便响应本地用户的请求。 另一方面，为了能使用远地的计算机资源，网络操作系统还必须具备网络通信功能，提供计算机之间的资源共享能力，包括：统一的全网存取方法、全网范围的文件系统、文件转送、资源管理、网络的安全性和可靠性等。 Netware、OS/2 warp、UNIX和Windows NT都是著名的网络操作系统。,3. 分布式操作系统

16、 对分布资源的控制调度能力比网络操作系统更强，且能调度全网各计算机合作完成大型的运算处理任务，当某个部分出现故障时，可以调度后备资源，重构系统。 对于用户的资源需求，要在系统的各台计算机上搜索，找到所需资源后进行分配。 对于有些资源还必须考虑一致性，提供的通信机制要求更高的通信速度。 分布式操作系统的结构有较强的容错能力。 有代表性的分布式操作系统：Amoeba、Chorus、Mach和DCE。,4. 嵌入式操作系统 通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面和标准浏览器等，而且还要求具有很强的针对性、实时高效、软件固化、只占用较小的内存。 目前具有代表性的嵌入式操作系统：Chorus、Diba、Navio、OS-9、Psos、QNX、VxWorks和Win CE。 嵌入式操作系统正向着微内核、模块化、虚拟机、多任务多线程方向发展。,1.3.3 典型操作系统简介 1. UNIX类产品简介 1969年问世，多用户、多任务的分时操作系统，最初由贝尔实验室开发，在PDP-7上实现。 不断发展和演变，成为技术成熟，可靠性、伸缩性和开放性高，网络和数据库功能强的操作系统。 UNIX是目前为止使用时间最长的操作系统。UNIX可满足各行各业的实际需要，形成产品大家族。,