操作系统教程第1章 操作系统概述

1、21世纪高职高专规划教材操作系统教程操作系统教程 彭德林 李德有 主编明丽宏 迟国栋 黎凤英 副主编 中国水利水电出版社中国水利水电出版社主要内容：主要内容： 明确计算机操作系统的基本概念、操作系统在计算机系统中的地位和特点，叙述操作系统的功能和分类，简要介绍几种典型的操作系统。学习任务：学习任务：1.1 初识操作系统的概念及发展1.2 了解操作系统的分类1.3 掌握操作系统的特性和功能1.4 认知几种典型的操作系统 第第1章章 操作系统概述操作系统概述1.1 初识操作系统的概念及发展初识操作系统的概念及发展1.1.1 操作系统的基本概念操作系统的基本概念1.1.1.1 计算机系统的组成计算机

2、系统的组成 完整的计算机系统是由计算机硬件系统和软件系统组成的（如图1.1所示）1. 硬件系统的组成硬件系统的组成 计算机硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。2. 软件系统的组成软件系统的组成 计算机软件系统主要由系统软件和应用软件组成。系统软件主要用来管理计算机本身的操作 ；应用软件则是计算机提供给用户用来解决具体问题的工具 图 1.1 计算机系统组成1.1.1.2 操作系统的定义操作系统的定义 可见，操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序和模块的集合，它们以最有效合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供

3、各种服务功能，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。1.1.2 操作系统的发展操作系统的发展1.1.2.1 无操作系统阶段无操作系统阶段 自1946年第一台数字电子计算机的诞生到上个世纪五十年代中期的计算机，都是电子管计算机，此时还没有操作系统，属于操作系统发展的第一阶段。这一时期操作计算机的主要方式有以下二种 ：1.人工操作方式人工操作方式: 这种人工操作的特点是：（1）程序设计直接编制二进制目标程序。（2）输入输出设备主要是纸带和卡片(如图1.4所示)。（3）CPU要等待人工操作，程序员亲手上机操作，程序运行和结果输出都

4、是以手工方式进行。（4）单用户方式，用户独占CPU和系统资源。2. 脱机输入输出方式脱机输入输出方式 采用脱机输入输出的方式与人工操作方式相比，有如下优点：（1）减少了CPU空闲时间。（2）提高了输入输出速度。 1.1.2.2 单道批处理系统阶段单道批处理系统阶段 从上个世纪五十年代中期至六十年代中期,这一阶段是计算机硬件发展的晶体管时代，此时出现了单道批处理系统。1.单道批处理系统单道批处理系统 由于系统对作业的处理是成批进行，并且在内存中只保持一道作业，所以也称为单道批处理系统。 2. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征自动性：作业是被自动处理。顺序性：作业是一个一个被处理的。单道性

5、：内存中始终是保持一道作业。 1.1.2.3 多道程序设计阶段多道程序设计阶段u二十世纪六十年代中期至八十年代，是计算机硬件体系结构发展的集成电路时代，而此时计算机操作系统的发展，则进入了以多道程序设计技术为主的阶段。1.1.2.4 现代操作系统的形成现代操作系统的形成u操作系统到20世纪80年代已趋于成熟。批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是操作系统的三个基本类型。随着计算机硬件技术和软件技术的发展，又出现了多处理机操作系统、微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统以及嵌入式操作系统等多种类型的现代操作系统。 1.2 操作系统的分类操作系统的分类1.2.1 批处理操作系统批处理操作

6、系统 批处理操作系统是随着计算机硬件的发展而出现的，是为了提高计算机的工作效率，除去人对计算机系统运行的干预，解决人机矛盾而提出的一种计算机成批处理的操作过程。 依据系统的复杂程度和出现时间的先后，可以把批处理操作系统分类为单道批处理系统和多道批处理系统两种。 1.2.1.1 单道批处理系统单道批处理系统1. 单道批处理系统（单道批处理系统（Simple Batch Processing System）的）的处理过程（如图所示）处理过程（如图所示）把作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装配目标程序是否停止运行目标程序是开始还有作业吗？单道批处理系统的处理流程2. 单道批处理系统的特征单道

7、批处理系统的特征（1）自动性。（2）顺序性。（3）单道性。（4）存储器保护。单道批处理系统的缺点：单道批处理系统的缺点： 一次仅能运行一个作业，这对于价格昂贵的计算机系统来说，只有一个部件工作，其余部件均处于闲置状态，资源利用率很低。 1.2.1.2 多道批处理系统多道批处理系统 在批处理系统中引入多道程序设计后，具有以下特征： （1）多道性。 （2）并行性。 （3）串行性。 （4）无序性。 （5）调度性。 （6）系统开销小。 多道批处理系统的缺点是：用户没有交互能力，用户一旦把作提交给系统后就失去了对自己作业的控制，系统将根据作业说明书来控制作业的执行，这对程序的修改和调试是非常不便的。作业

8、的平均周转时间长，由于作业要排队，依次进行处理，因而周转时间较长。特别对于排在队尾作业其运行请求会被长期推迟响应。 1.2.2 分时操作系统分时操作系统 1.2.2.1 分时系统的提出分时系统的提出 分时操作系统是在批处理系统的基础上，采用分时技术提出的一种新类型的操作系统。1.2.2.2 分时的实现分时的实现 配置了分时操作系统的计算机采用主从式多终端的计算机体系结构，一台主机连接着多个带有显示器、键盘及控制器的本地或远程终端，每个用户可以通过终端以交互方式向系统发出命令，共享系统资源，请求完成某项工作，系统则分析从终端设备发来的命令，完成用户提出的需求，之后，用户又根据系统提供的运行结果，

9、向系统提出下一步请求，就这样重复上述交互会话过程，直到用户完成预计的全部工作为止。 1.2.2.3 分时系统的特征分时系统的特征1. 交互性2. 及时性3. 独占性4. 同时性（多路性）1.2.3 实时操作系统实时操作系统 实时操作系统是指系统能够及时（规定时间内）对外部输入的信息（一般为一些随机事件）进行响应，并以足够快的速度完成对信息处理的一类操作系统。 实时系统按其使用方式不同可以分为两类：实时控制实时系统按其使用方式不同可以分为两类：实时控制系统和实时信息处理系统。系统和实时信息处理系统。1.2.3.1 实时控制系统实时控制系统 实时控制指微型计算机在实时过程控制和提供环境监督中的应用

10、。过程控制系统是从传感器获得输入的数字或模拟信息进行分析处理后，激发一个活动信号，从而改变可控过程，以达到控制的目的。 1.2.3.2 实时信息处理系统实时信息处理系统u其主要特点是：u1. 实时响应u2. 整体性u3. 高可靠性和安全性1.2.4 网络操作系统网络操作系统 网络操作系统（NOS）可以看作是在网络环境下工作的操作系统软件，可简单地定义为管理整个网络资源和方便网络用户的软件集合。网络操作系统是计算机网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。它在计算机操作系统下工作，使计算机操作系统增加了网络操作所需要的能力。1.2.4.1 网络操作系统的功能网络操作系统的功能 网

11、络操作系统具有网络通信、资源管理、网络服务、网络管理、和相互操作能力等功能。 1.2.4.2 网络操作系统的工作模式网络操作系统的工作模式 网络操作系统运行在称为服务器的计算机上，并由联网的计算机用户（这类用户称为客户）共享，这就是网络操作系统的客户机/服务器（C/S）模式，该模式具有分布处理和集中控制的特征。 网络操作系统的另一种工作模式是具有分布处理特征的对等模式，其中各个客户机可以看作是访问其他站点（服务器）的客户，也可看作是向其他站点（客户）提供服务的服务器。即网络服务和控制功能分布于各个站点上，各个站点（客户）是对等关系。 1.3 操作系统的特性和功能操作系统的特性和功能1.3.1

12、操作系统的特征操作系统的特征 不同操作系统有不同的特征，一个操作系统可能包含了多种特征，但大多数操作系统都具有以下几种重要特征。1. 并发性（并发性（concurrence）2. 共享性（共享性（sharing）3. 虚拟性（虚拟性（virtual）4. 异步性（异步性（asynchronism）1.3.2 操作系统的功能操作系统的功能 操作系统具有存储器管理功能、处理机管理功能、设备管理功能和文件管理功能。1.3.2.1 存储器管理的功能存储器管理的功能 1. 内存分配 主要任务是为每道程序分配内存空间，但要以存储器利用率最高、减少不可用的内存空间为准则，同时允许正在运行的程序申请附加的内存

13、空间，以适应程序和数据动态增长的需要。 操作系统在实施内存分配时可以采用静态分配方式和动态分配方式。 2. 内存保护内存保护 主要任务是确保每道用户程序在自己的内存空间中运行，互不干扰，也就是说绝不允许用户程序访问操作系统以及其他用户中的程序和数据。3. 地址映射地址映射 在多道程序设计环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的，因此，存储器管理必须提供正确的地址映射功能。 4. 内存扩充内存扩充 由于物理内存的容量有限，有时难以满足用户的需要，存储器管理的任务之一就是在不增加物理内存的条件下，借助于虚拟内存技术从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容

14、量大得多。 1.3.2.2 处理机管理的功能处理机管理的功能 处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为单位的，所以对处理机的管理可理解为对进程的管理。进程管理包括以下主要内容。 进程控制包括进程的创建、进程的撤消、控制进程在不同的状态间转换。进程控制的实现是通过若干条操作系统提供的进程控制原语和系统功能调用来实现的。 对各个进程的运行进行协调有两种方式。 （1）进程互斥方式。 （2）进程同步方式。1.3.2.3 设备管理的功能设备管理的功能 操作系统设备管理的主要任务是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备

15、；提高CPU和I/O设备的利用率；方便用户使用I/O设备。设备管理应具有以下功能。 1. 缓冲管理 2. 设备分配 3. 设备处理 4.共享设备的分配与虚拟设备的分配。 1.3.2.4 文件管理的功能文件管理的功能 文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。 文件系统应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理、文件的共享与保护等功能。 1. 文件存储空间的管理文件存储空间的管理 其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，并依据一定的格式建立文件各逻辑块与物理块之间的对应关系，即构建文件的物理结构，为用户顺序或随机存取文件做好准备，从而尽量提高

16、外存的利用率，提高对文件的存取速度。 2. 目录管理目录管理 目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现按名存取。另外，目录管理还应以链接方式实现文件的共享。 3. 文件的操作文件的操作 文件的读写管理、文件的共享与保护等功能。 除了上述功能之外，操作系统还要具备中断处理、错误处理等功能。操作系统的各功能之间并非是完全独立的，它们之间存在着相互依赖的关系。 1.4 典型操作系统的简介 在个人计算机发展过程中，出现过许多不同的操作系统，其中目前使用较多较典型的操作系统有Windows、UNIX、Linux等，下面分别予以简述。1.4.1 Windows 操

17、作系统1.4.1.1 发展过程发展过程 为满足用户对操作更方便、直接和灵活的要求，微软公司推出了一种采用图形用户界面（Graphics User Interface，GUI）的新颖的操作系统，Windows操作系统。在近20年的发展过程中，微软主要推出的版本有Windows3.X，Windows 9X，Windows NT，Windows 2000，Windows Me，Windows XP和Windows 2003。Windows操作系统以其灵活、快速、便宜等优点，逐渐占据了PC微型计算机上的主导地位。 1.4.1.2 主要特点主要特点 1. 具有丰富多彩的图形用户界面，以全新的图标、菜单和

18、对话框的方式支持用户操作，使计算机的操作使用更加方便、容易。2. 支持多任务运行，多任务之间可方便的切换和交换信息。3. 充分利用了硬件的潜在功能，突破了DOS中640KB的用户可用内存限制，提供了虚拟存储功能等内存管理能力。4. 提供了方便可靠的用户操作管理，如资源管理器、文件管理器、打印管理器、控制面板等操作，可完成文件、任务和设备的并行管理。 5. 操作系统本身也提供了功能强大的、方便实用的工具软件和应用软件，如字处理软件、绘图软件、通信软件、办公室用化软件等。1.4.2 Unix操作系统简介操作系统简介 1.4.2.1 发展过程发展过程 Unix系统于1969年问世，是一个多用户、多任

19、务的分时操作系统。最初由贝尔实验室开发在PDP-7上实现的。贝尔实验室和其他一些部门在Unix上的开发工作，导致一系列Unix版本的产生。后来，又凭借其性能的完善和良好的可移植性，经历不断的发展、演变，并广泛的应用于小型计算机、超级小型计算机乃至大型计算机上。 1.4.2.2 系统特点系统特点 由于PC机硬件性能的提高，Unix操作系统又被移植到微型计算机上。可以说，Unix是在微型计算机上使用的，功能最完善、安全性能最好的操作系统。它具有以下的一些主要特点。 1. 先进完善的系统管理功能 2. 系统内核短小精悍，便于维护和扩充 3. 采用具有典型的树形结构的文件系统 4. 良好的系统可移植性

20、 1.4.3 Linux操作系统操作系统 1.4.3.1 发展过程发展过程 Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，Linux系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。Linux的出现，最早开始于一位名叫Linus Torvalds的计算机业余爱好者，当时他是芬兰赫尔辛基大学的学生。他的目的是想设计一个代替Minix的操作系统，这个操作系统具有Unix操作系统的全部功能，因而开始了Linux雏形的设计。 发展至今Linux有很多发行版本，较流行的有：RedHat Linux、Debian Linux、RedFlag Linux等。 1.4.3.2 Linux的构成的构成

21、 Linux由内核、Shell、文件结构和实用工具四个主要部组成。1. Linux内核内核 内核是系统的心脏，是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。它从用户那里接受命令并把命令送给内核去执行。2. Linux Shell Shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行。 3. Linux文件结构文件结构 文件结构是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。Linux目录采用多级树形结构。用户可以浏览整个系统，可以进入任何一个已授权进入的目录，访问那里的文件。4. Linux实用工具实用工具 标准的Linux系统都有一套叫做实用工具的程序,它们是专门的程序 实用工具可分三类: 编辑器：用于编辑文件。 过滤器：用