计算机科学技术导论教学课件 第3章

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1、第 3 章 计算机软件系统,本章学习目标 本章主要讲解计算机软件的层次结构、系统软件操作系统的功能和基本概念以及常用操作系统的主要特征、软件生存周期和面向对象方法的开发过程。通过本章的学习，主要掌握以下内容： 计算机软件的层次结构 操作系统的概念、功能 常用操作系统(Windows、Unix)主要特征 软件生存周期和面向对象方法的开发过程,第 3 章 计算机软件系统,3.1 计算机软件的层次结构 3.2 操作系统 3.3 程序设计语言翻译系统 3.4 软件开发与软件工程,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

2、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，如右图所示。 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 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 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

3、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。,返回,3.2 操作系统,3.2.1 操作系统的概念 3.2.2 操作系统的功能 3.2.3 操作系统的分类 3.2.4 几种常用的操作系统简介,返回,3.2.1 操作系统的概

4、念 操作系统（Operating System，缩写成OS）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的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。 1什么是操作系统 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，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、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

5、，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。 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

6、系统硬件资源和软件资源，包括CPU、内存、时钟、磁盘、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。,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，它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

7、系统 操作系统是用户与计算机之间的交互界面，用户只有理解了操作系统，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。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，熟悉操作系统的操作和使用是学习操作系统的目的。,返回,3.2.2 操作系统的功能 操作系统的主要目的有两个方面：一是方便用户 使用；二是最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率。为实现这两个目标，从系统资源管理的观点出发，通用操作系统应该具备处理器管理、内存管理、

8、设备管理、文件管理、作业管理等五个方面的功能。 1处理器管理 在单处理器的计算机系统中，存在着用户作业争用处理器的情况。如何对使用处理器的请求做出适当的分配，这就是操作系统处理器管理功能模块要解决的问题。在实际工作中，操作系统将以进程和作业的方式进行管理。因此，处理器管理的主要工作是进行处理器的分配调度，尤其是在多道程序或多用户的情况下，为用户合理地分配处理器的时间，尽可能地使处理器处于忙状态，提高处理器的工作效率。,2、为什么要学习和研究操作系统 由于硬件的限制，内存储器的容量是有限的，此外， 如果有多个用户程序共享内存，他们彼此间不能相互冲 突和干扰。 内存管理就是按一定的策略为用户作业和

9、进程分配存储空间和实现重定位，记录内存的使用情况。同时，还将保护用户存放在内存中的程序和数据不被破坏，必要时提供虚拟存储技术，逻辑扩充内存空间，为用户提供比实际容量大的虚拟存储空间，并进行存储空间的优化管理。 3设备管理 操作系统设备管理模块的主要任务是：如何有效地分配和使用设备，如何协调处理器与设备操作之间的时间差异，提高系统总体性能。 由于输入输出设备的工作速度远远低于CPU的速度，操作系统应按设备的输入输出性能分类，并根据不同种类设备的特点采用不同的策略分配和回收外设以及控制外设按用户程序要求进行操作。为提高设备使用效率，还实现虚拟设备。,4、文件管理 逻辑上具有完整意义的信息集合称为文

10、件，计算机 系统中的信息，如系统程序、标准子程序、应用程序和 各种类型的数据，通常都以文件的形式保存在外存中。每个文件都有自己特定的名字，称为文件名。 现代计算机系统中都由操作系统提供文件管理模块，来管理文件的存储、检索、更新、共享和保护。 操作系统的文件管理功能：是对存放在计算机中的文件进行逻辑组织和物理组织，面向用户实现按名存取。实现从逻辑文件到物理文件间的转换；有效地分配文件的外存；建立文件目录；提供合适的存取方法；实现文件的共享、保护和保密；提供一组文件操作。 5作业管理 作业管理为用户提供一个良好的人机交互界面，实现作业调度和控制作业的执行。作业调度从等待处理的作业中选择可以装入内存

11、的作业，对已经装入内存中的作业用按用户的意图控制其运行。,返回,3.2.3 操作系统的分类 不同类型的计算机，其操作系统是不同的。操作系统的分类有许多方法，按用户数目的多少，可分为单用户操作系统和多用户操作系统；按依赖的硬件规模分，可分为大型机、中型机、小型机和微型机操作系统；按操作系统提供的性能分，可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统，以及近几年来发展起来的网络操作系统和分布式操作系统。 下面简要地介绍常见的几类操作系统 1单用户操作系统 单用户操作系统面对单一用户，用户对系统有绝对的控制权。一般是为微机和简单小型机而设计的操作系统。 单用户操作系统又细分为单用户单任务操作系统和

12、单用户多任务操作系统。单用户单任务操作系统的主要特点：只能服务于单个用户，而且一次仅能运行一个用户程序，此用户独立享用系统的全部硬、软件资源。,单用户单任务操作系统的主要特点：只能服务于 单个用户，而且一次仅能运行一个用户程序，此用户 独立享用系统的全部硬、软件资源。 早期微机配置的操作系统就是单用户单任务操作系统，例如，MS-DOS、CPM等。 单用户多任务操作系统也是为单个用户服务的，但它允许一次执行多项任务，如用户可以在编译程序的同时开始下一个程序的编译工作。常用有OS/2、Windows 95/98等。 2多用户操作系统 对高档微机、小型机和大型机，由于内、外存容量大，外设多，计算速度

13、快，为了充分发挥计算机资源丰富的优势，提高使用效率，这类计算机多数使用多用户操作系统。它除具有一般操作系统的功能外，还提供多用户分时功能，在一台计算机中安装多个用户终端，多人在不同的终端上同时使用一台计算机，使计算机资源为大家所共享。同时，它还提供多任务功能，每个用户可同时进行几项工作，允许多用户按照自己的要求给每项任务设置不同的优先权。因此，多用户操作系统是一个多用户、多任务、分时的操作系统。,3批处理操作系统 把用户要求计算机系统进行处理的一个计算问题称 为一个“作业”。用户为作业准备好程序和数据后，再写 一份控制作业执行的说明书。然后把作业说明书、相应的程序和数据一起交给操作员。操作员将

14、收到的一批作业的有关信息输入到计算机系统中等待处理，由操作系统选择作业并按其作业说明书的要求自动控制作业的执行。采用这种批量化处理作业的操作系统称为“批处理操作系统”。 批处理操作系统将作业成批地提交给系统，由计算机顺序自动完成后再给出结果，作业执行时无需人为干预，从而实现了计算机操作的自动化。 批处理操作系统可分为单道批处理系统和多道批处理系统。单道批处理系统是一种早期的、基本的批处理操作系统。“单道”的意思是指一次只有一个作业装入计算机系统的主存运行，因而它也是一个单用户操作系统。这种系统的主要目标是一批作业能自动、顺序地运行。,随着硬件技术的发展，尤其是“中断”和通道技术 的出现，使得输

15、入输出设备与中央处理器可以并行工 作。操作系统的设计者观察到：一个作业启动了输入输出设备等待信息传送时，暂时不使用中央处理器，这时，其它作业可以去占用中央处理器运行；反之，有作业在使用中央处理器时，其它作业可以使用各种外设。于是，让几个作业同时执行的话，能使计算机系统的资源更充分、更合理被使用。因此，操作系统设计者提出了“多道程序设计”的概念，并且设计了多道批处理操作系统。 在多道批处理操作系统控制下，允许多个作业同时装入主存，使中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外设。因此，在宏观上看，计算机中有多个作业在运行，但在微观上看，对于单CPU的计算机而言，在某一个瞬间实际

16、上只有一道作业在CPU上运行。 显然，多道批处理系统能极大地提高计算机系统的工作效率，提高系统设备的利用率，但用户不能干预作业的运行。一般适用于大型计算机。,4分时操作系统 分时操作系统是指多个用户通过终端与计算机相连， 共享使用一台计算机，多个用户同时与计算机系统进行一系列的交互，并使得每个用户感到好像自己独占一台支持自己请求服务的计算机系统。 在分时操作系统中，为了使一台计算机系统能同时为多个终端用户服务，系统采用了分时技术。即把CPU时间划分成许多时间片，每个终端用户每次可以使用一个由时间片规定的CPU时间。这样，多个终端用户就能轮流地使用CPU时间，如果某个用户在规定的一个时间片内还没有完成他的全部工作，这时也要把CPU让给其它用户，等待下一轮再使用一个时间片的时间，循环轮转，直到结束。 分时操作系统具有如下的基本特征： (1) 同时性 若干用户通过各自的终端同时使用一台计算机。从宏观上看，所有用户是在同一时间并行工作，但从微观上看，各个用户是轮流使用计算机。,（2）独立性 用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立， 互不干