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1、第3章 计算机常用软件介绍,本章主要介绍计算机软件的层次结构， 重要系统软件操作系统的功能和基本概念 以及常用的操作系统（如Windows、UNIX、Linux等）的主要特征。 了解软件生存周期和面向对象方法的开发过程。,3.1 计算机软件的层次结构,计算机软件是指计算机中的程序、数据及其文档。计算机软件是计算机系统的灵魂，计算机用户是通过软件来管理和使用计算机的，一般计算机软件可分为3类：系统软件、支撑软件和应用软件。其层次结构如图3.1所示。,3.1 计算机软件的层次结构,（1）系统软件：系统软件是计算机系统中最靠近硬件层次的软件。系统软件用于管理、控制和维护计算机系统资源的程序集合，如操
2、作系统、汇编程序、编译程序等都是系统软件。系统软件与具体的应用领域无关，解决任何领域的问题一般都要用到系统软件。 （2）支撑软件：是支撑其他软件的开发与维护的软件，如各种接口软件、软件开发工具和环境、网络软件、数据库管理系统等都是支撑软件。 （3）应用软件：是为解决特定应用领域问题而编制的应用程序，如财务管理软件、火车订票系统、交通管理系统等都是应用软件。 系统软件、支撑软件和应用软件三者既有分工，又相互结合，而且相互有所覆盖、交叉和变动，并不能截然分开。如操作系统是系统软件，但它也支撑了其他软件的开发，也可看作是支撑软件。在现代计算机软件层次结构中，操作系统是最基础的软件。面对复杂的计算机硬
3、件结构，操作系统使用户真正成为计算机的主人。操作系统是对计算机硬件功能的第一次扩展，使得用户可以很方便地管理和使用系统资源，并在其上开发各类应用软件，进一步扩展计算机系统的功能。,3.2 操作系统,操作系统（Operating System，OS）是在计算机硬件的发展和实际应用需求的推动下产生和发展起来的，是现代计算机系统中一种必不可少的系统软件，它经过了从简单到复杂的很长的发展过程，目前已成为计算机系统最基础最重要的系统软件。随着计算机技术的飞速发展，计算机软、硬件资源越来越丰富，用户要求能更方便、更灵活地使用计算机系统，因此现代计算机系统中至少要配置一种操作系统。对于一个学习计算机科学技术
4、的学生和从事计算机科学技术的工作者来说，学习操作系统的工作原理和了解操作系统的基本设计方法是十分必要的。这样，将有利于他们利用计算机系统开发各种应用软件和系统软件，因此，操作系统课程已成为计算科学与技术专业的重要专业基础课。这里概要地介绍操作系统的概念和操作系统的功能等知识。统的功能。,3.2.1 操作系统的概念,1什么是操作系统 众所周知，一个计算机系统是非常复杂的系统，包括处理器、存储器、外围设备、各种数据、文件及信息。我们把这些统称为计算机的软、硬件资源。如果用户直接控制、管理和使用这些资源，将是非常麻烦的，用户不仅要熟记机器语言（指令系统），而且要了解各种外围设备的物理特性，这不仅不方
5、便而且很容易出错。那么如何才能有效地管理计算机中软、硬件资源，让它们相互协调、高效地工作，并给用户提供方便的操作手段与环境呢？操作系统就是承担此重任的系统软件。 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，并在操作系统的统一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，而且任何一种计算机，从微型计算机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。只有在操作系统的指挥
6、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，操作系统是一个计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。操作系统性能的高低，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。,3.2.1 操作系统的概念,据此，可给出操作系统一个定义： 操作系统是一种系统软件，它统一地管理和控制计算机系统中的软、硬件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并为用户提供一个良好的、易于操作的工作环境，使得用户能够灵活
7、、方便、有效地使用计算机。 操作系统是计算机系统的核心，是用户和其他软件与计算机裸机之间的桥梁，是用户与计算机之间的接口。 不同计算机使用者看待操作系统有所不同，长期以来有两种观点，一种是虚拟机的观点，另一种是资源管理的观点。 虚拟机的观点也称为扩展机的观点，操作系统是直接配置在计算机硬件之上的第一层软件，它对硬件的功能进行了首次扩充，装有操作系统的计算机极大地扩展了原计算机的功能，把用户对包含有各种硬件部件的计算机系统的操作和使用由复杂变得简单，从低级操作上升为高级操作，把基本功能扩展为多种功能。,3.2.1 操作系统的概念,对计算机使用者来说，计算机系统的硬件结构和机器一级的操作，诸如指令
8、集、存储器组织、总线结构和输入输出部件等的操作与控制，这些最基本的操作恰恰是最复杂和最难以由用户直接进行的。例如，用户要进行文件读写，而文件是以二进制代码的方式存放在磁盘、磁带等存储装置中，需要有一种途径把用户的要求转换成对具体的硬件部件、电路信号、选择开关等的细微操作，用户自己不可能完成这些操作，但操作系统可以把用户的高级操作转换成一系列的低级操作，最终完成文件读写。所有的低级操作，底层硬件的细节如中断、时钟和存储器等都需要隐藏，做到对用户透明，即无需用户关心。这好比用户打电话给某人，只需直接拨叫对方号码，而不需要关心电话到底是怎样被接通的一样，实际上其中的实现过程是很复杂的，操作系统把硬件
9、全部隐藏起来，给用户提供了一个友好的，易于操作的界面。此外，操作系统还要进行大量的系统事务处理，如响应中断的发生、处理定时操作，管理存储器等。从这个角度看，操作系统对用户来说好像是一个功能扩展的机器，即为用户提供了一个功能很强，使用方便的虚拟机器。操作系统将硬件细节与程序员或普通用户隔离开来，它使得程序员或用户能在较高的层次上工作，从而极大地提高了工作效率。 资源管理的观点是目前操作系统描述的主要观点，上述虚拟机观点是一种自顶向下的观点，从相反的方向即以自底向上的观点看，操作系统是计算机系统的“大管家”，管理着这个复杂系统的所有资源，资源是指系统硬件资源和软件资源，包括CPU、内存、时钟、磁盘
10、、打印机、文件、程序、数据等。操作系统的任务是合理分配和控制系统资源，使系统资源得到充分合理的使用，提高系统资源的使用效率。,3.2.1 操作系统的概念,操作系统负责监视跟踪资源的使用状况，满足资源请求，决定谁得到资源，何时得到，获得多少，并按一定方式调度和分配资源，在资源使用完毕后，再回收资源，充当着计算机系统资源管理器的作用。 综上所述，对于计算机操作者来说，操作系统是一个用户环境，一个工作平台，一个人与机器进行交互操作的界面；对系统设计者而言，操作系统是一种强功能的系统资源管理程序，是用以控制、管理计算机中软、硬件资源和程序执行的集成软件系统。 2为什么要学习和研究操作系统 操作系统被用
11、来控制计算机系统的工作流程，并有效地管理和分配系统的各类资源，而且，操作系统又是用户与计算机之间的交互界面，用户只有理解了计算机操作系统，才能更方便、更灵活地使用计算机，掌握了操作系统提供给用户的各种功能强大的系统服务（如命令操作、系统调用、视窗环境等），才能更好地利用系统资源，更好地在操作系统的基础上建立用户自己的应用系统、开发自己的应用软件。此外，各种其他软件系统，如数据库系统、信息管理系统、办公自动化系统、网络系统等都建立在操作系统之上，理解了操作系统，上述其他软件系统的建立和运行就有了强有力的支持。 打破操作系统的神秘性，了解操作系统的内部结构，掌握操作系统的设计方法，熟悉操作系统的操
12、作和使用是学习操作系统的目的。,3.2.2 操作系统的形成与发展,操作系统的形成迄今已有50多年的时间，在20世纪50年代中期出现了第一个简单的批处理操作系统，到20世纪60年代中期产生了多道批处理系统，不久又出现了基于多道程序的分时系统。20世纪80年代至90年代是微型计算机、多处理机和计算机网络大发展的年代，同时也是微机操作系统、多处理机操作系统和网络操作系统形成和大发展的年代。此后分布式操作系统和网络操作系统得到了大发展。,1操作系统的形成,（1）无操作系统时的计算机系统 第一代计算机时期（1946年至50年代中期）没有出现操作系统。这时期的计算机操作是由用户采用人工操作方式直接使用计算
13、机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。 人工操作方式有两个缺点： 用户独占整个计算机。一台计算机的全部资源由一个用户独占。 CPU等待人工操作。当用户在进行装带（卡）、卸带（卡）时，CPU是空闲的。 可见，人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，即出现了人机矛盾。随着CPU速度的提高和系统规模的扩大，人机矛盾变得日趋严重。此外，随着CPU速度的迅速提高而I/O设备的速度却提高缓慢，又使CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾更加突出。为了解决这些
14、矛盾，20世纪50年代末出现了脱机输入/输出技术。该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片机），在一台外围机的控制下，把纸带（或卡片）上的程序和数据输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。类似地，当CPU需要输出时，可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。,1操作系统的形成,由于程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的，或者说，它们是在脱离主机的情况下进行的，故称为脱机输入/输出方式；反之，在主机的直接控制下进行输入 /输出的方式称为联机输入/输出方式。
15、 这种脱机I/O方式的主要优点有： 减少了CPU的空闲时间。装带（卡）、卸带（卡）以及将数据从低速I/O设备送到高速的磁带上，都是在脱机情况下进行的，它们不占用主机时间，从而有效地减少了CPU的空闲时间，缓解了人机矛盾。 提高I/O速度。当CPU在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，不再是从低速I/O设备上调入，从而大大缓和了CPU和I/O设备不匹配的矛盾，进一步减少了CPU的空闲时间。,（2）批处理操作系统, 单道批处理操作系统。早期的计算机系统非常昂贵，为了能充分地利用它，应尽量让该系统连续运行，以减少空闲时间。为此，通常是把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系
16、统中配上监督程序，在它的控制下使这批作业能一个接一个地连续处理，这就是早期的批处理操作系统，由于系统对作业的处理都是成批进行的，且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理操作系统。虽然单道处理方式减少了人工上机操作的干预时间，提高了机器的利用率，但是CPU在运行一个作业时，若该作业有I/O请求，则CPU就必须等待输入/输出的完成，这就意味着在很长的时间内CPU是空闲的，CPU的时间利用还是不充分。,（2）批处理操作系统, 多道批处理操作系统。它改进了单道批处理操作系统的不足。多道批处理操作系统把多个作业同时放在内存，当某个作业需要I/O时，CPU处理完它的请求后就转向去做下一道作业。这样，第二道作业的执行将与第一道作业的I/O并行工作，从而使CPU得到充分的利用。 多道批处理系统具有如下特征：并发性和共享性。 多道批处理系统的优点是：资源利用率高和系统吞吐量大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。 多道批处理系统的缺点是：作业平均周转时间长和用户与计算机系统无交互能力。,（3）分时操作系统,分时操作系统克服了多道批处理系统的缺点。分时操作系统是指
