计算机操作系统概论.doc

计算机系统最内层是硬件。它主要由中央处理器、存储器、输入输出控制系统和各种输入输出设备组成。中央处理器是对信息进行高速运算和处理的部件。存储器可分为主存储器和辅助存储器（磁盘、磁带、光盘等），用于存放各种程序和数据。主存储器可被中央处理器直接访问。输入输出设备是计算机与用户间的交互接口部件。输入输出控制系统管理外围设备（包括各种辅助存储器和输入输出设备）与主存储器之间的信息传递。计算机软件可以分为系统软件、支撑软件、应用软件。系统软件与具体的应用领域无关。支撑软件是支撑其他软件的开发和维护的软件。各种接口软件、软件开发工具盒环境等都是支撑软件。应用软件是特定应用领域的专用软件。三种软件既有分工，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。操作系统（OS）是管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件。操作系统的作用，操作系统管理计算机系统的资源。操作系统监视资源的使用情况，实现多用户共享计算机系统的各种资源，使计算机系统的资源利用率得以提高。为用户提供方便的使用接口。操作系统具有扩充硬件的功能。它把裸机改造成为功能更加完善的虚拟机，为用户提供良好的运行环境，应用程序可以获得远较裸机所能提供的更多的功能上的支持。所以计算机配置了操作系统后不仅可以提高效率，而且便于使用。操作系统的功能，从资源管理的观点看，操作系统的功能可分为：处理器管理、存储管理、文件管理和设备管理。操作系统的这些部分相互配合，协调工作，实现计算机系统的资源管理、控制程序的执行以及扩充系统功能、为用户提供方便的使用接口和良好的运行环境等功能。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，要求运行的程序数目往往大于处理器的个数，这就需要按照一定的策略进行分配调度。不同的操作系统具有不同的特性，因此可以采用不同的调度策略。文件管理面向用户实现按名存取，支持对文件的存储、检索以及解决文件的共享、保护和保密等问题。一般来说，操作系统都有功能较强的文件管理系统。设备管理负责管理各类外围设备，包括分配、启动和故障处理等。为了提高设备的使用效率，还实现虚拟设备。操作系统为用户提供使用计算机系统的手段，为用户提供两类使用接口：一是程序员接口，用户通过“系统调用”使用操作系统功能；二是操作员接口，用户通过操作控制命令提出控制要求。采用手工操作方式已不合适主要表现在：首先，手工操作不能进行复杂的控制，不能满足功能较强的第二代计算机的需求；其次，手工操作速度慢，会降低计算机的使用效率。三种基本类型的操作系统：批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。单道批处理系统：如果把一个计算问题看成是一个作业的话，那么该系统每次只允许一个作业执行。一批作业和初始数据交给系统后，系统顺序控制作业的执行，当一个作业执行结束后，自动转入下一个作业的执行。 多道批处理操作系统：允许若干个作业同事装入存储器，使一个中央处理器轮流执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备。多道批处理系统提高了计算机系统的资源使用率，但作业执行时用户不能直接干预作业的执行。当作业中发现错误，由操作系统通知用户重新修改后再次装入执行。分时操作系统让用户通过计算机相连接的终端来使用计算机系统，允许多个用户同时与计算机系统进行一系列的交往。在分时系统的控制下，用户在终端设备上可以直接输入、调试和运行自己的程序，能直接修改程序中的错误，并且直接获得结果。在实时操作系统控制下计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完接收的时间。设计实时操作系统必须首先考虑系统的实时性和可靠性，其次才考虑系统的效率。最简单的微型计算机由一个中央处理器、主存储器和一个终端（显示器和键盘，还有一个鼠标）组成，通常还增加一个磁盘和一台打印机。当时微型计算机多数是个人使用的计算机。这些用户要求操作系统提供两类服务。一类是建立和命名文件，把文件存储到磁盘中，在各类设备（显示器、键盘、打印机）之间转换信息。另一类是执行程序，接收来自键盘或由文件提供的数据，在屏幕上显示结果，复制文件。用户通过键盘或鼠标输入命令请求操作系统服务。微型计算机上操作系统的主要功能是实现文件管理、输入/输出控制盒命令的解释。因此，早期的微型计算机上运行的操作系统每次只允许一个用户使用计算机，被称为单用户微型操作系统，如CP/M,MS-DOS。网络操作系统：为计算机网络配置的操作系统。网络操作系统的功能是实现各台计算机系统之间的通信以及网络中各种资源共享。分布式操作系统是由多台计算机组成的一种特殊的计算机网络。为分布式计算机系统配置的操作系统是分布式操作系统。分布式操作系统采用客户/服务器模式。客户就是网络中需要各种服务的用户。服务器是网络中履行各种服务的硬件/软件成分。对用户来说，分布式操作系统有两个主要的特点：（1）统一性。（2）透明性。随着计算机技术对各个应用领域的渗透，计算机不再以物理上独立的装置形式出现，而是大部分都隐藏和嵌入到各个应用系统中，这样的系统称为嵌入式（计算机）系统。嵌入式（计算机）系统要求嵌入式软件的支持，其中嵌入式操作系统是指运行在嵌入式（计算机）系统中各种部件、装置等资源进行统一协调、处理和控制的系统软件。嵌入式操作系统的主要特点是微型化和实时性。嵌入式系统广泛应用于过程控制、数据采集、传输通信等场合，对相应时间有严格要求，因而它应是一个实时的操作系统。当前流行的操作系统有Windows、UNIX、Linux等。Windows有风格统一、操纵灵活、使用简便的用户界面。UNIX是一个通用的交互式分时操作系统。UNIX的主要特点：1、短小精悍。结构上分内核与外壳两大层。对内核程序精心设计，算法简捷。外壳为用户提供了相当完备的程序设计环境。内核与外壳完美结合，构成了小巧灵活且功能强大的系统。2、具有可装卸的多层次文件系统。UNIX的文件系统构成一棵多级树，便于快速查找文件，有利于文件共享，保证文件安全。把外围设备也作为文件看待，用户不必区分文件与设备，便于使用。3、可移植性好。UNIX的大部分程序都是用C语言写的，有利于方便地移植到不同的硬件环境中。同样在UNIX系统下开发的应用程序可容易地移植到其他配有UNIX系统的计算机系统中去。4、网络通信功能强。UNIX提供了一系列网络通信工具和协议，被广泛采用。UNIX是目前唯一可以安装和运行在从微机、工作站、大型机到巨型机上的操作系统。Linux继承了UNIX的优点，并做客许多改进。它是一个多任务多用户的通用操作系统。它具有许多特点：支持TCP/IP网络协议，并能与其他网络集成，使异种机能方便地入网；它支持并行处理和实时处理，能充分发挥硬件性能；它支持多种文件系统，方便用户使用，等等。因此Linux是一个具有广泛应用领域的操作系统。为了保证计算机系统能正确可靠地工作，经常把由CPU执行的指令分成两类：特权指令和非特权指令。把不允许用户程序中直接使用的指令称为特权指令，其余的为非特权指令。如，I/O指令（启动外围设备进行数据传输的指令）、设置时钟、设置控制寄存器等指令都是特权指令。这些指令只允许在操作系统中使用，不允许在用户程序中使用。若用户程序直接使用这些指令，则可能引起冲突或由于某些意外而造成错误。为避免用户程序中错误地使用特权指令，计算机硬件结构中的中央处理器具有两种工作状态：目态和管态。当中央处理器处于目态时，不允许执行特权指令；当中央处理器处于管态时，可执行包括特权指令在内的一切指令。所以当操作系统占用中央处理器时，应让中央处理器在管态工作；当用户程序占用中央处理器时，应让中央处理器在目态工作。程序状态字（PSW）是用来控制指令执行顺序并且保留和指示与程序有关的系统状态。程序状态包括三部分：1、程序基本状态。指令地址：指出下一天指令的存放地址；条件码：指出指令执行结果的特征；目态/管态：当设置为管态时，程序执行时可使用包括特权指令在内的一切指令；当设置目态时，程序执行时不可以使用特权指令；等待/计算：置计算状态时，处理器按指令地址顺序执行指令；置为等待状态时，处理器不执行任何指令。2、中断吗。保存程序执行时当前发生的中断事件。3、中断屏蔽位。指出程序执行中发生中断事件时，要不要相应出现的中断事件。每个程序都要有一个程序状态字来刻画本程序的执行状态。在操作系统的PSW中目态/管态位应设置为管态，而用户程序的PSW中目态/管态为应设置为目态。在单处理器的计算机系统中，整个系统设置一个用来存放当前运行程序的PSW的寄存器，该寄存器称为程序状态字寄存器。处理器总是按程序状态字寄存器中的指令地址和设置的其他状态来执行。所以当操作系统调度到某个程序运行时，必须把该程序的PSW送入到程序状态字寄存器中，这时处理器就控制该程序的执行。同样，某个程序暂时让出处理器时，必须把它的PSW保存好，一旦它能继续执行时，又可把它的PSW送入到程序状态字寄存器中。操作系统的两类使用接口。它们是：程序员接口和操作员接口。程序员接口是指一组系统功能调用。操作员接口是指一组操作控制命令。操作系统编制了许多不同功能的子程序（例如，读文件子程序，写文件子程序，分配主存程序，启动I/O子程序等）