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1、计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 4 部分部分 系统软件层系统软件层 系统软件层在计算机系统的位置系统软件层在计算机系统的位置 计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统本章讨论的主要问题是：本章讨论的主要问题是： 1. 什么是操作系统？为什么要在计算机硬件之上设置操什么是操作系统？为什么要在计算机硬件之上设置操作系统？作系统？ 2. 操作系统启动后就接管了计算机，操作系统的启动过操作系统启动后就接管了计算机，操作系统的启动过程是什么？程是什么？ 3. 为了方便用户使用计算机，操作系统
2、应该提供什么样为了方便用户使用计算机，操作系统应该提供什么样的用户界面？的用户界面？ 4. 计算机的软硬件资源有哪些？操作系统如何管理计算计算机的软硬件资源有哪些？操作系统如何管理计算机的软硬件资源？机的软硬件资源？计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社情景问题情景问题操作系统为我们做了什么？操作系统为我们做了什么？ n 操作系统为用户使用计算机搭建了一个最基本的操作系统为用户使用计算机搭建了一个最基本的工作环境工作环境.n 如果没有操作系统，用户直如果没有操作系统，用户直接使用计算机接使用计算机不仅要熟悉计算不仅要熟悉计算机硬件系统，而且还要了解各种外部设
3、备的物理特性。机硬件系统，而且还要了解各种外部设备的物理特性。n 操作系统是为了填补人与计算机之间的鸿沟而配置在计算操作系统是为了填补人与计算机之间的鸿沟而配置在计算机硬件上的一种软件，计算机只有加载了相应的操作系统之机硬件上的一种软件，计算机只有加载了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，换言之，计后，才能构成一个可以协调运转的计算机系统，换言之，计算机只有加载了相应的操作系统之后，用户（尤其是普通用算机只有加载了相应的操作系统之后，用户（尤其是普通用户）才可以方便地使用计算机。户）才可以方便地使用计算机。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大
4、学出版社情景问题情景问题操作系统为我们做了什么？操作系统为我们做了什么？ 操作系统就好比是一个大管家，接收来自应用软件和用户操作系统就好比是一个大管家，接收来自应用软件和用户的操作请求，然后把请求分配给执行具体操作的硬件，硬的操作请求，然后把请求分配给执行具体操作的硬件，硬件才会开始工作完成指定操作。件才会开始工作完成指定操作。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统n任何一个正在使用计算机的用户都不可避免地使用任何一个正在使用计算机的用户都不可避免地使用计算机计算机的资源的资源（硬件资源硬件资源包括
5、处理器、内存和各种外部设备，包括处理器、内存和各种外部设备，软件软件资源资源包括各种以文件形式存在的程序、数据和文档）。包括各种以文件形式存在的程序、数据和文档）。n例如，为了运行程序，需要占用一块例如，为了运行程序，需要占用一块内存内存存放这段程序，存放这段程序，程序运行时需要从外界程序运行时需要从外界输入输入数据，程序运行的结果需要数据，程序运行的结果需要输出输出到屏幕上、打印出来或存到磁盘上。到屏幕上、打印出来或存到磁盘上。n在多道多任务环境下，产生了对处理器的竞争、对内存的在多道多任务环境下，产生了对处理器的竞争、对内存的竞争、对外部设备的竞争，总之对计算机资源的竞争。竞争、对外部设备
6、的竞争，总之对计算机资源的竞争。n操作系统是计算机资源的管理者，按照一定的策略管理和操作系统是计算机资源的管理者，按照一定的策略管理和调度计算机软硬件资源来满足用户对计算机的调度计算机软硬件资源来满足用户对计算机的基本操作需求基本操作需求。n显然，资源越多，用户需求越多，操作系统就越复杂。显然，资源越多，用户需求越多，操作系统就越复杂。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统n操操作作系系统统：负负责责管管理理计计算算机机的的软软硬硬件件资资源源、提提高高计计算算机机资资源的使用效率、方便用户使用的程
7、序集合。源的使用效率、方便用户使用的程序集合。n操作系统的作用：操作系统的作用：（1）方方便便性性。如如果果未未配配置置操操作作系系统统，用用户户与与计计算算机机交交流流必必须须使使用用机机器器指指令令，输输入入数数据据或或打打印印数数据据也也必必须须自自己己启启动动并并控控制相应的外部设备；制相应的外部设备；（2）有有效效性性。如如果果未未配配置置操操作作系系统统，CPU会会经经常常处处于于闲闲置置状状态态，操操作作系系统统通通过过合合理理地地组组织织计计算算机机的的工工作作流流程程，改改善善系系统的资源利用率并提高系统的吞吐量；统的资源利用率并提高系统的吞吐量；（3）提提供供应应用用软软件
8、件的的运运行行环环境境。应应用用软软件件的的兼兼容容性性通通常常由由硬件和操作系统共同定义硬件和操作系统共同定义软硬件平台。软硬件平台。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统硬件硬件 其他系统软件，工具软件其他系统软件，工具软件 应用软件（专用软件、通用软件）应用软件（专用软件、通用软件）操作系统操作系统操作系统在计算机系统中的位置操作系统在计算机系统中的位置计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统操作系统
9、的用户界面操作系统的用户界面命令行界面命令行界面用户键入命令用户键入命令操作系统执行操作系统执行命令的结果命令的结果计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统操作系统的用户界面操作系统的用户界面图形用户界面图形用户界面图标图标窗口窗口菜单菜单图形用户界面需要更贵的图形显示系统、更大的内存空间、图形用户界面需要更贵的图形显示系统、更大的内存空间、更大的磁盘空间、更快的处理器以及更复杂的软件做支持。更大的磁盘空间、更快的处理器以及更复杂的软件做支持。 计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出
10、版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统操作系统的启动操作系统的启动n 操作系统的核心指令称为操作系统的核心指令称为内核内核，内核提供操作系统中最，内核提供操作系统中最重要的服务，例如内存管理、设备驱动程序等。重要的服务，例如内存管理、设备驱动程序等。n 启动操作系统启动操作系统实质上是将操作系统的内核加载到内存中。实质上是将操作系统的内核加载到内存中。n 在计算机运行的过程中，内核会一直驻留在内存中，操在计算机运行的过程中，内核会一直驻留在内存中，操作系统的其他部分则存储在硬盘上，需要时才被载入。作系统的其他部分则存储在硬盘上，需要时才被载入。n 操作系
11、统的启动是由驻留在操作系统的启动是由驻留在BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）中的，基本输入输出系统）中的引导程序引导程序来完成的。来完成的。 计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统操作系统的启动操作系统的启动操作系统的启动过程如下：操作系统的启动过程如下：1. 打开与计算机相连的外部设备（如显示器、打印机）的打开与计算机相连的外部设备（如显示器、打印机）的电源开关，然后打开计算机的电源开关；电源开关，然后打开计算机的电源开关；2. CPU执行执行BIOS
12、中的系统启动程序进行中的系统启动程序进行机器自检机器自检；3. CPU执行执行BIOS中的引导程序，将操作系统的中的引导程序，将操作系统的内核加载内核加载到到内存中，然后将系统的控制权交给操作系统；内存中，然后将系统的控制权交给操作系统；4. 操作系统根据操作系统根据系统配置系统配置信息，启动并执行系统程序，如信息，启动并执行系统程序，如提示用户输入用户名和密码；提示用户输入用户名和密码；5. 出现操作系统的用户界面（如出现操作系统的用户界面（如Windows的桌面）后，用的桌面）后，用户就可以使用计算机了。户就可以使用计算机了。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华
13、大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统操作系统的分类操作系统的分类1. 微机操作系统微机操作系统：配置在微型计算机上的操作系统称为微机：配置在微型计算机上的操作系统称为微机操作系统。操作系统。（1）单用户单任务单用户单任务操作系统：只允许一个用户使用，且只操作系统：只允许一个用户使用，且只允许用户程序作为一个任务运行，如允许用户程序作为一个任务运行，如DOS和和CP/M。（2）单用户多任务单用户多任务操作系统：只允许一个用户使用，但允操作系统：只允许一个用户使用，但允许将一个用户程序分成若干个任务并发执行，如许将一个用户程序分成若干个任务并发执行，如Window
14、s和和OS/2。（3）多用户多任务多用户多任务操作系统：允许多个用户通过各自的终操作系统：允许多个用户通过各自的终端使用，且允许将每个用户程序分成若干个任务并发执行，端使用，且允许将每个用户程序分成若干个任务并发执行，如如UNIX和和Linux。所谓任务指的是计算机完成的一项工作，计算机执行一个所谓任务指的是计算机完成的一项工作，计算机执行一个任务通常就对应着运行一个应用程序。任务通常就对应着运行一个应用程序。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统操作系统的分类操作系统的分类2. 网络操作系统网络操
15、作系统：用户和计算机网络之间的接口，也就是说，：用户和计算机网络之间的接口，也就是说，用户通过网络操作系统使用计算机网络资源。用户通过网络操作系统使用计算机网络资源。网络操作系统是开放系统除了具有单机操作系统的功能外，网络操作系统是开放系统除了具有单机操作系统的功能外，还应该支持网络通信、网络资源共享以及其他网络服务功能。还应该支持网络通信、网络资源共享以及其他网络服务功能。典型的网络操作系统有典型的网络操作系统有UNIX和和NetWare。3. 分布式操作系统分布式操作系统：在分布式系统上配置的操作系统称为分：在分布式系统上配置的操作系统称为分布式操作系统。与网络操作系统的不同之处在于：分布
16、式操布式操作系统。与网络操作系统的不同之处在于：分布式操作系统淡化了所访问资源的位置，用户使用分布式系统资源作系统淡化了所访问资源的位置，用户使用分布式系统资源或请求系统服务就像在使用本机资源或请求本机服务一样。或请求系统服务就像在使用本机资源或请求本机服务一样。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统什么是操作系统什么是操作系统操作系统的分类操作系统的分类4. 嵌入式操作系统嵌入式操作系统：在嵌入式系统上配置的操作系统称为嵌：在嵌入式系统上配置的操作系统称为嵌入式操作系统。嵌入式操作系统具有单机操作系统的功能，入式操作系统。嵌
17、入式操作系统具有单机操作系统的功能，但同时具有占用空间小、实时性强、专用性强、执行效率高、但同时具有占用空间小、实时性强、专用性强、执行效率高、软件固化等特点。软件固化等特点。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能处理器管理处理器管理 n 现代操作系统一般允许计算现代操作系统一般允许计算机同时执行多个任务，在单处机同时执行多个任务，在单处理器系统中，任务是理器系统中，任务是并发执行并发执行的。的。n 操作系统应该能够按照操作系统应该能够按照有效有效的的（主要指系统的运行效率和（主要指系统的运
18、行效率和资源的利用率）策略采用资源的利用率）策略采用合理合理的（的（主要指操作系统对于不同主要指操作系统对于不同的用户程序要公平，以保证系的用户程序要公平，以保证系统不发生统不发生“饥饿饥饿”和和“死锁死锁”）调度算法组织多个任务在）调度算法组织多个任务在系统中运行。系统中运行。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能处理器管理处理器管理 n进进程程是是操操作作系系统统进进行行资资源源分分配配的的基基本本单单位位，进进程程是是程程序序在在一一个个数数据据集集合合上上的的一一次次运运行行过过程程
19、，这这里里的的数数据据集集合合可可以以理理解解为为程程序要处理的数据。序要处理的数据。n每每个个进进程程的的有有关关信信息息存存储储在在进进程程控控制制块块中中，操操作作系系统统依依据据进进程程控控制制块块的的内内容容对对进进程程进进行行控控制制，包包括括创创建建进进程程、调调度度进进程程执执行行、转转变变进进程程状状态态、撤撤消消进进程程并并回回收收进进程程所所占占用用的的系系统统资资源等。源等。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能存储管理存储管理 n存储管理主要指内存管理。基本功存储管
20、理主要指内存管理。基本功能如下：能如下：（1）存储分配存储分配：选择适当的分配策略：选择适当的分配策略为多道程序分配足够的内存空间，并为多道程序分配足够的内存空间，并在使用完后负责回收。在使用完后负责回收。（2）存储保护存储保护：防止用户程序的错误：防止用户程序的错误而破坏系统程序，防止各程序之间的而破坏系统程序，防止各程序之间的互相干扰和破坏。互相干扰和破坏。（3）存储扩充存储扩充：为用户程序提供一个：为用户程序提供一个比实际内存更大的存储空间，即所谓比实际内存更大的存储空间，即所谓的虚拟存储技术。的虚拟存储技术。操作系统操作系统字处理软件字处理软件正在编辑的文档正在编辑的文档1正在编辑的文
21、档正在编辑的文档2计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能设备管理设备管理 n设备管理：管理计算机系统中的所有外部设备，基本功设备管理：管理计算机系统中的所有外部设备，基本功能如下：能如下：（1）分配和回收分配和回收：根据设备的种类、合理的设备分配策：根据设备的种类、合理的设备分配策略，将设备分配给提出请求的任务；当设备使用完后，还略，将设备分配给提出请求的任务；当设备使用完后，还要负责设备的回收；要负责设备的回收；（2）缓冲功能缓冲功能：由于外部设备的运行速度远远低于处理：由于外部设备的运行
22、速度远远低于处理器的处理速度，设备管理需要提供缓冲功能用以协调外部器的处理速度，设备管理需要提供缓冲功能用以协调外部设备和处理器之间的并行工作程度。设备和处理器之间的并行工作程度。（3）为外部设备提供）为外部设备提供驱动程序驱动程序实现多种设备间的信息交实现多种设备间的信息交换。所谓换。所谓设备驱动程序设备驱动程序就是能够控制特定设备接收和发布就是能够控制特定设备接收和发布信息的程序。信息的程序。 计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能文件管理文件管理 n程程序序和和数数据据都都是是以以文文
23、件件的的形形式式存存储储在在磁磁盘盘上上，为为了了区区别别不同的文件，每个文件都必须有一个名字，即不同的文件，每个文件都必须有一个名字，即文件名文件名。n一一般般把把文文件件存存放放在在不不同同的的文文件件夹夹里里，所所有有文文件件夹夹以以树树结结构构组织，最顶层的文件夹称为根文件夹。组织，最顶层的文件夹称为根文件夹。 计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能文件管理文件管理 n 文件管理的基本功能是：为用户建立文件，撤销、读写、文件管理的基本功能是：为用户建立文件，撤销、读写、修改和复制文件
24、，对文件进行存取控制。修改和复制文件，对文件进行存取控制。n 文件是操作系统进行文件是操作系统进行数据管理数据管理的基本单位，要的基本单位，要读取读取磁盘中磁盘中的数据，必须首先按照文件名找到相应的文件，然后从这个的数据，必须首先按照文件名找到相应的文件，然后从这个文件中将数据文件中将数据读出读出；要将数据；要将数据存储存储到磁盘中，必须首先在磁到磁盘中，必须首先在磁盘上建立一个文件，然后将数据盘上建立一个文件，然后将数据写入写入这个文件。这个文件。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能文件
25、管理文件管理 n 操作系统对磁盘文件的存取速度远远小于对内存的存取速操作系统对磁盘文件的存取速度远远小于对内存的存取速度，为了提高数据的存取效率，应用程序一般通过文件缓冲度，为了提高数据的存取效率，应用程序一般通过文件缓冲区对磁盘文件进行读写操作。区对磁盘文件进行读写操作。 n文件缓冲区文件缓冲区就是一段连续的内存空间，应用程序与磁盘文就是一段连续的内存空间，应用程序与磁盘文件的数据交换通过文件缓冲区来完成。件的数据交换通过文件缓冲区来完成。 计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统操作系统的基本功能操作系统的基本功能文件管理文
26、件管理 n 每一个打开的文件都会占用一个文件缓冲区。每一个打开的文件都会占用一个文件缓冲区。n 对文件操作结束时一定要关闭文件，原因对文件操作结束时一定要关闭文件，原因：（：（1）如果不及如果不及时关闭文件就会耗尽操作系统的文件资源；（时关闭文件就会耗尽操作系统的文件资源；（2）关闭文件会）关闭文件会强制将文件缓冲区的数据写入文件，否则文件缓冲区中的数强制将文件缓冲区的数据写入文件，否则文件缓冲区中的数据就会丢失。据就会丢失。计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社对计算机专业人员的要求对计算机专业人员的要求n 熟练地通过操作系统来使用计算机，但绝不能满足于只
27、会熟练地通过操作系统来使用计算机，但绝不能满足于只会手工使用操作系统。手工使用操作系统。n 理解操作系统的工作原理，如内存分配策略、处理器调度理解操作系统的工作原理，如内存分配策略、处理器调度策略、如何预防策略、如何预防“死锁死锁”、线程机制等。、线程机制等。n 在开发应用系统时，（在开发应用系统时，（1 1）能够通过系统功能调用，充分、）能够通过系统功能调用，充分、有效地利用操作系统已有的功能，利用软件平台；能够充分有效地利用操作系统已有的功能，利用软件平台；能够充分发挥操作系统同时运行多个应用程序的能力；进行多线程程发挥操作系统同时运行多个应用程序的能力；进行多线程程序设计；认真学习操作系
28、统的设计思想，以及表示和管理各序设计；认真学习操作系统的设计思想，以及表示和管理各种资源的方法，再应用到自己的开发工作中。种资源的方法，再应用到自己的开发工作中。第第 7 章章 操作系统操作系统计算机学科概论（第计算机学科概论（第2版）版）清华大学出版社清华大学出版社第第 7 章章 操作系统操作系统回答问题回答问题学完本章，你将如何回答下列问题：学完本章，你将如何回答下列问题：1. 什么是操作系统？为什么要在计算机硬件之上设置操作什么是操作系统？为什么要在计算机硬件之上设置操作系统？系统？ 2. 操作系统启动后就接管了计算机，操作系统的启动过操作系统启动后就接管了计算机，操作系统的启动过程是什么？程是什么？ 3. 为了方便用户使用计算机，操作系统应该提供什么样为了方便用户使用计算机，操作系统应该提供什么样的用户界面？的用户界面？ 4. 计算机的软硬件资源有哪些？操作系统如何管理计算计算机的软硬件资源有哪些？操作系统如何管理计算机的软硬件资源？机的软硬件资源？
