第4章操作系统-第2章软件工程

101第4章操作系统4.1操作系统概述本节的学习目标：掌握操作系统的定义；了解操作系统的发展过程；熟悉操作系统的功能；了解操作系统的分类和特性。本节的知识要点：操作系统的定义；不同类型操作系统的特性；操作系统的五个功能。一、课后部分习题答案4-1什么是操作系统、裸机和虚拟机？答：(1)操作系统是计算机系统资源的控制和管理者，又是用户和计算机系统之间的接口，当然它本身也是计算机系统的一部分。因此，概略地说，操作系统是用以控制和管理系统资源,方便用户使用计算机的程序的集合。(2)裸机是一个计算机系统，只有硬件部分，而没有任何的软件部分。(3)虚拟机是裸机在操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能的基础上，被改造成功能更强，使用更方便的计算机系统。4-2操作系统的基本功能是什么？答：(1)处理器管理：有效地管理处理器，充分地利用处理器资源。(2)存储管理：对要运行的作业分配内存空间，在有限的内存空间中，进行合理的分配，以满足多个用户程序运行的结果。(3)设备管理：设备的分配和回收，设备的控制和信息传输技术及设备驱动。(4)文件管理：实现唯一地标识计算机系统中的每一组信息，以便能够对它们进行合理的访问和控制，以及有条理地组织这些信息，使用户能够方便且安全地使用它们。(5)用户接口：使用户方便地与系统交互，控制，方便使用。二、部分例题及解题思路1.操作系统是对计算机资源进行（1）的系统软件，是（2）的接口(1)A.输入和输出B.键盘操作C.管理和控制D.汇编和执行(2)A.软件和硬件B.主机和外设C.高级语言和机器语言D.用户和计算机答案：(1)C(2)D。操作系统是一套程序，属于系统软件，它的主要功能是充分利用计算机的资源，为提高计算机的利用率，方便用户使用，缩短计算机响应时间而配备的一种软件，是对计算机系统全部资源进行管理的大型程序，由许多具有控制和管理功能的子程序组成。它的主要任务是使硬件所提供的能力得到充分的利用，支持应用软件的运行并提供服务。它是用户和计算机的接口。2.分时操作系统的主要特征之一是提高()。A.计算机系统的可靠性B.计算机的交互性C.计算机系统的实用性D.计算机的安全性答案：B。分时操作系统使多个用户同时（称为多路性）以会话方式（称为交互性）控制自己程序的运行，每个用户都感到似乎各自有一台独立的，支持自己请求服务的系统（称为独占性）。3.操作系统是一种（1）。在操作系统中采用多道程序设计方式提高CPU和外部设备的（2）。一般来说，为了实现多道程序设计，计算机需要有（3）。操作系统（4）已经成为工作站上的主流操作系统。对于使用操作系统的计算机系统来说，（5）语言是主要的高级语言。(1)A.通用软件B.系统软件C.应用软件D.软件包(2)A.利用效率B.可靠性C.稳定性D.兼容性(3)A.更大的内存B.更快的外部设备C.更快的CPUD.更先进的终端(4)A.VMSB.DOSC.MVSD.UNIX102(5)A.PascalB.AdaC.CD.Fortran答案：(1)B(2)A(3)A(4)D(5)C早期的操作系统在内存中只驻留一道程序，严重影响系统设备利用率。为了解这一矛盾，产生了多道程序设计，既在内存中驻留多个进程，使处理机和I/O设备并行工作，这样就要求计算机有更大的内存。UNIX操作系统具有功能强、多用户多任务等优点，这使其成为工作站上主流的操作系统。UNIX的程序代码大部分用C语言编写。C语言的特点是易使用、执行效率高，这使其成为供UNIX系统使用的主要高级语言。4.几年前一位芬兰大学生在Internet上发布了以下一种免费操作系统（）。A．WindowsNTB.LinuxC.UNIXD.OS2答案:B.WindowsNT是微软公司推出的企业级应用操作系统；Unix是一种分时计算机操作系统，1969在AT&TBell实验室诞生，在可靠性和安全性等方面的巨大优势使其称为服务器操作系统的首选；Linux是Unix克隆的操作系统，在源代码上兼容绝大部分Unix标准，其昀大的优势就是免费；OS2是IBM公司自1992年推出的一种用于PC兼容机的32位多任务处理且具有内存保护能力的操作系统,该系统除了可运行16位和32位OS/2应用程序外,还可运行DOS、Win16、Win32应用程序。三、选读文献资料——嵌入式操作系统的发展趋势1、何为嵌入式系统和嵌入式操作系统Internet与网络的迅速普及应用，并向家庭领域不断扩展，使消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势日趋明显，嵌入式系统再度成为研究与应用的热点。嵌入式系统被描述为：以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器（MCU）组成。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质、通信设备、IC卡或信用卡读取设备等。嵌入式操作（real-timeembeddedoperatingsystem,RTOS或EOS）是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面。标准化浏览器Browser等。目前，嵌入式操作系统的品种较多，据统计，仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有40种左右，其中较为流行的主要有：WindowsCE、PalmOS、Real-TimeLinux、VxWorks、pSOS、PowerTV以及Microware公司的OS-9。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。2、面向Internet的、特定应用的嵌入式操作系统是重要发展趋势嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段：(1)无操作系统的嵌入算法阶段这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式、以单芯片为核心的系统，同时具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有明显的被称为操作系统（RTOS）的支持，而是通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，但无操作系统支持，几乎没有用户接口。(2)简单监控式的实时操作系统阶段这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础、以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；系统一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；操作系统的用户界面不够友好，其主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。(3)通用的嵌入式实时操作系统阶段以通用型嵌入式实时操作系统（RTOS）为标志的嵌入式系统。如VxWorks、pSOS、OS-9、WindowsCE就是这一阶段的典型代表。这一阶段系统的特点是能运行在各种不同类型强大的微处理器上；具有强大的通用型操作系统的功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的丰富的应用程序接口（API）和嵌入式应用软件丰富。103伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，一个以面向Internet网络的、特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的重视，成为极为重要的发展方向。嵌入式系统与Internet的真正结合、嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的真正未来。3、需要面向应用、专用特制的新一代嵌入式操作系统在工业控制及其他相关领域的长期应用与商业竞争中已逐渐形成了一些较为成功的嵌入式操作系统，其中主流的嵌入式操作系统有WindowsCE、PalmOS、EmbeddedLinux、VxWorks、pSOS及OS-9等。我们通过对这些系统进行分析认为，它们虽然提供了较为强大的类似于桌面操作系统的功能，但针对嵌入式系统的特征与特性而言，其共同的缺点是缺乏应用的高效性，网络连接功能较差，系统对应用程序开发支持相对较弱，因此，迫切需要面向应用的、专用特制的新一代嵌入式操作系统。微软公司的WindowsCE是一个较具代表性的、由桌面操作系统演变而成的实时嵌入式操作系统。它是精简的Windows95，从技术的角度来说，并不能算是优秀的RTOS。首先，RTOS非常注重个性化，而WindowsCE是非开放性OS，使第三方很难实现产品的定制；其次，RTOS追求高效、节能，而WindowsCE在这方面是笨拙的，占用过多的RAM，应用程序庞大；第三，WindowsCE在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的要求。3Com公司的PalmOS是掌上电脑市场中较为优秀的嵌入式操作系统，是针对这一市场专门设计的系统，它有开放的操作系统应用程序接口(API)，支持开发商根据需要自行开发所需的应用程序，具有十分丰富的应用程序。从技术层面上讲，PalmOS是一套专门为掌上电脑开发的操作系统，具有许多WindowsCE无法比拟的优势，是一个面向个人信息辅助应用的操作系统范例，它表明了特定应用的嵌入式操作系统是这一领域的研究热点与方向。目前各种嵌入式Linux操作系统正迅速发展，已经形成了能与WindowsCE等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式Linux操作系统的迅速崛起，主要由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制性，要求提供系统源码层次上的支持，而嵌入式Linux正适应了这一需求，它不仅具有开放源代码，系统内核小、效率高、内核网络结构完整，裁减后的系统很适于如信息家电等嵌入式系统的开发。VxWorks、pSOS和OS-9是传统嵌入式操作系统领域中应用昀广泛、市场占有率较具优势的几个系统。它们是专门为嵌入式微处理器设计的高模块化、高性能的实时操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子设备、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视与多媒体设备，具有很好的安全性、容错性以及系统灵活性。虽然它们都提供专有的API接口，但并不适用现在的许多应用需要，迫切需要在系统级整合改造并支持应用特制的性能，即在定制的或商品化的硬件上提供高性能和高可靠性系统服务，将操作系统的功能和内存需求定制成每个应用所需的系统，在此基础上来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统。4、ASOS概念特定应用的嵌入式实时操作系统（applicationspecificoperatingsystems，ASOS）是指面向应用的、专用特制的嵌入式实时操作系统。它除具有基本的处理多任务、文件及设备驱动的操作系统功能之外，还具有如下系统特性：·面向特定应用的简化型系统调用接口，专门支持一种或一类嵌入式应用；·昀小内核处理集，系统开销小，运行效率高，并可用于各种非计算机设备；·可伸缩性、可裁减的系统体系结构，提供多层次的系统体系结构；·具有各种即插即用的设备驱动接口；·具有网络如Internet或无线接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。ASOS与通用型RTOS相比较，至少有以下差别：·ASOS更强调面向应用的功能专用性，如面向某一（组）应用的高可靠性的部分功能集，而并不像RTOS的系统通用性与系统资源可配置性；·ASOS更强调面向应用的实时高性能，而并不像RTOS强调的系统整体效率；·ASOS更强调系统结构的可伸缩性和可裁减性，一个极典型的例子是传真机操作系统（OSforFAXMachine）；·ASOS更强调与Internet的连接，特别是无线接入接口。5、ASOS体系结构104ASOS的系统结构是一个可伸缩、可裁减的，提供多层次的、功能对象化的系统体系结构。多层次的构造有利于操作系统的系统功能规整和可伸缩性；面向对象的系统功能划分有利于系统的裁减与增添。（1）层次化的、可伸缩性的体系结构ASOS的一个较为理想的概念模