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第1章操作系统概论本章学习目标操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。一台计算机只有安装了操作系统之后才能正常使用，因此操作系统在计算机系统中占据非常重要的地位。通过本章的学习，读者应该掌握以下内容：•掌握操作系统的地位和功能•掌握各种不同类型操作系统的特点及应用•掌握操作系统的特征•理解操作系统的结构，掌握层次结构的操作系统结构模型第1章操作系统概论11.1操作系统的地位计算机系统有硬件和软件构成；计算机系统是分层次的:最低层是未配置任何软件的硬件裸机;硬件裸机之上是软件;软件又分为若干层次:最低层是操作系统。操作系统是覆盖在裸机之上的第一层软件，它直接控制、管理各种硬件资源和软件资源。所以操作系统是整个计算机系统的控制管理中心。第1章操作系统概论2计算机系统层次结构图应用用户应用软件应用开发人员操作系统开发人员系统工具操作系统裸机1.2操作系统的功能操作系统的目标：方便用户使用计算机系统：提供了使用计算机的接口。提高计算机系统资源利用率；其功能如下：第1章操作系统概论41.2.1提供人机接口1．命令级接口用户可以通过命令级接口向计算机发出命令以控制作业的运行，该接口又进一步分为：•联机用户接口•脱机用户接口。第1章操作系统概论5用户是通过操作系统提供的人机接口来使用计算机的。操作系统为用户提供了三种接口：•命令级接口•程序级接口•图形界面（1）联机用户接口当用户在系统提示符（如Linux提示符$）后输入命令并按下回车键之后，命令解释程序就分析该命令，然后创建一个新进程，由它执行该命令所对应的可执行文件，并返回结果；然后命令解释进程重新回到提示符，接收用户输入的命令。这个程序就是命令解释程序。第1章操作系统概论6（2）脱机用户接口脱机用户接口是为批处理作业的用户提供的，所以也称为批处理用户接口。用户对作业流程的控制是利用作业控制语言书写成一份作业说明书来表达的。上机时，用户将作业控制说明书交给系统，系统自动逐条解释执行说明书中的命令。特点：用户一旦提交了作业，作业流程就由操作系统根据作业控制说明书自动控制，用户无法干预该作业的运行。第1章操作系统概论72．程序级接口操作系统提供的程序级接口由一组系统功能调用命令以及完成这些命令的程序模块组成。为方便用户编程，提高编程效率，规范编程，操作系统提供了完成某些通用功能的子程序，供用户在开发应用程序时调用。不同的操作系统提供了不同的系统功能调用以及调用方式。第1章操作系统概论8Windows中的系统功能调用，用户可在编程语言中使用的应用编程接口函数的方式提供，称为API——ApplicationProgrammingInterface。使用Windows的API函数，可以提高编程效率，并规范Windows环境下的编程。如果可开发具有统一风格的应用程序窗口界面，这会使得软件用户能很快熟悉该软件的窗口界面而不必重新学习。第1章操作系统概论93．图形界面以Windows为代表的操作系统为用户提供了图形界面。图形界面操作计算机更为方便。第1章操作系统概论101.2.2管理计算机资源计算机系统中的资源包括:硬件资源;软件资源;硬件资源有：处理机、存储器、外部设备等；软件资源有：程序和数据。管理的资源包括：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理。第1章操作系统概论111.处理机管理处理机通常就是我们说的CPU。处理机的任务是运行程序。程序在某个数据对象上的一次运行过程称为进程，处理机管理又称为进程管理。在单处理机系统中，程序有两种运行方式：单道程序顺序执行；多道程序并发执行；第1章操作系统概论12单道程序顺序执行：单道程序：可以理解为计算机最多容纳1道程序。单道程序计算机系统要执行多个程序时，按照一定次序依次执行，一个程序运行结束后才能运行下一个程序。即在一个程序运行期间不插入运行其他程序。优点：实现简单，不需要在多个进程之间进行转换；缺点：资源利用率低。第1章操作系统概论13多道程序并发执行多道程序：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。多道程序时程序并发执行：在内存中同时存放多道程序，按一定策略调度多道程序交叉运行，形成“微观上串行、宏观上并行”的情况。优点：处理机和设备可以并行工作，当某个进程在进行输入输出操作时，可以同时有另一个进程在处理机上进行计算。第1章操作系统概论14本书讨论的是单处理机系统中多道程序并发运行方式下的处理机管理问题。具体包括如下：（1）处理机调度（2）进程控制（3）进程通信（4）进程同步2.存储管理在多道程序环境中，要在内存中同时存放多道程序，必须对内存进行合理管理，以保证程序的顺利运行，并提高内存的利用率。操作系统提供了如下存储管理功能:（1）内存分配（2）地址转换（3）内存保护（4）内存扩充第1章操作系统概论163.设备管理对计算机系统的设备进行管理。具有如下功能：（1）设备分配（2）缓冲管理（3）设备驱动（4）设备无关性。第1章操作系统概论174.文件管理操作系统对文件进行管理：具体有如下功能：第1章操作系统概论18（1）文件存储空间的管理（2）目录管理（3）文件操作（4）文件的存取权限控制操作系统是一个软件系统，它控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口。第1章操作系统概论19操作系统的定义1.3操作系统的发展过程1.3.1推动操作系统发展的主要动力1.不断提高计算机资源利用率的需要；2.方便用户；3.硬件的不断更新换代；4.计算机体系结构的不断发展；第1章操作系统概论201.3.2操作系统发展的初级阶段第一代计算机，电子管时代，速度较慢。人们采用手工方式使用计算机，工作效率很低，无操作系统。第二代计算机——晶体管时代，速度有了很大提高，但工作效率低。为了解决工作效率低下矛盾，人们研制出了实现作业自动过渡程序—常驻内存的监督程序，它是批处理系统的萌芽。第1章操作系统概论211.3.3单道批处理系统单道批处理系统在当时称为监督程序，是操作系统的雏形。监督程序常驻内存，实现了作业的自动过渡。此时，出现了汇编语言、高级语言编程工具，每一种语言编译程序、实用程序等。分联机批处理和脱机批处理。第1章操作系统概论221.3.4多道批处理系统为了提高资源利用率，引入了多道程序并发执行技术，从而形成了多道批处理系统。多道程序并发执行的基本思想是：在内存中同时存放多道程序，在操作系统的控制下交替执行。在多道批处理系统中，提交的作业先存放在外存中并排成一个队列，称为后备队列。作业调度程序按一定的策略从后备队列中选择若干作业调入内存并发运行，共享系统中的各种资源，提高资源利用率。第1章操作系统概论23多道程序并发执行系统的特征：（1）多道性（2）调度性（3）宏观上并行，微观上串行（4）异步性：特点：在批处理操作系统中，任务成批地输入和输出，系统吞吐量大，但缺乏交互性。第1章操作系统概论241.3.5分时系统分时系统采用的策略是：基于主机的高速运行，分时为终端用户服务。第1章操作系统概论25……终端1终端2终端n图1-4分时系统主机集线器分时系统具有以下特征：（1）多个用户同时联机操作（2）各用户独立（3）交互性1.3.6实时系统在实时操作系统中，响应一个新任务的时间必须在被控对象规定的时间内。1、实时控制把计算机用于过程的控制，形成以计算机为中心的实时控制系统时。系统要求能实时采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理。如武器的实时控制、飞机自动驾驶系统，导弹制导系统等。第1章操作系统概论262、实时信息处理及时响应外来事件，并快速地处理。如股票交易系统，订票系统等。3、实时系统的特征（1）及时性、（2）可靠性1.3.7微机操作系统1.单用户单任务操作系统单用户单任务是指，只允许一个用户上机，用户要运行的多个程序要按一定次序依次执行，不能交替执行。这是最简单的微机操作系统。代表性产品是：CP/M和MS-DOS。第1章操作系统概论272.单用户多任务操作系统单用户多任务是指，只允许一个用户上机，但是可以并发执行多道程序，如一边打字一边听音乐。代表性产品是OS/2和Windows。3.多用户多任务操作系统在微机上配置多用户多任务操作系统就可以使微机同时为多个用户服务。具有代表性的产品是UNIX、LINUX。1.3.8网络操作系统网络操作系统对整个网络实施管理，并为用户提供统一的、方便的网络接口。网络操作系统一般建立在各个主机的本地操作系统基础之上，其功能是：实现网络通信、资源共享和保护，提供网络服务和网络接口。第1章操作系统概论281.3.9分布式操作系统分布式软件系统，支持分布式处理的软件系统,是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统。它包括分布式操作系统、分布式程序设计语言及其编译系统、分布式文件系统和分布式数据库系统等。1.4操作系统的特性并发性共享性异步性虚拟性其中，并发性是操作系统的最基本的特征。第1章操作系统概论291．并发在单处理机系统中，并发性是指宏观上有多道程序同时运行，但在微观上是交替执行的。2．共享共享是指计算机系统中的资源被多个任务共同使用。并发和共享是紧密相关的。3．异步在多道程序系统中，多进程并发执行，但在微观上，进程是交替执行的，因此进程以“走走停停”的不连续方式运行。4．虚拟虚拟指的是通过某种技术把一个物理实体映射为多个逻辑实体，用户程序使用逻辑实体。逻辑实体是用户感觉上有而实际不存在的事物。1.5操作系统的体系结构一般而言，操作系统有两种结构：层次结构微内核结构。1.5.1层次结构层次结构的设计思想是：按照操作系统各模块的功能和相互依存关系，把系统中的模块分为若干层次。其中任一层（除底层模块）都建立在它下面一层的基础上，每一层仅使用其下层所提供的服务。第1章操作系统概论311.5.2微内核结构微内核结构的基本思想是：操作系统的基本功能模块组织为微内核，其他功能模块尽量放到核外，通过调用微内核来实现。微内核结构是对传统内核的提炼，它有如下优点：1.简化内核代码维护工作2.建构灵活3.安全性高4.方便移植第1章操作系统概论321.6LINUX介绍Linux现在是个人计算机和工作站上的UNIX类操作系统。Linux是微内核体系结构的。第1章操作系统概论33本章小结操作系统是一个软件系统，它控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口。资源管理功能包括：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理；用户接口包括：作业级接口、程序级接口、图形界面。操作系统的发展过程中出现了批处理系统、分时系统、实时系统、微机操作系统、网络操作系统等多种类型的操作系统。操作系统的基本特征是：并发、共享、异步、虚拟。操作系统的结构一般有两种类型：层次结构、微内核结构。微内核结构是操作系统结构的发展方向。第1章操作系统概论34