计算机系统概述2

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1.4计算机的基本原理和组成

•提纲

-信息处理的步骤

-计算机基本组成与工作原理

-走进微机机箱

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1.4计算机的基本原理和组成

、信息处理的步骤

计算机的本质是模拟人类的信息处理过程；

人类的信息处理过程：

A疾收信息（眼、耳、鼻、舌、身）

A存储信息（大脑、便条、书籍、录音磁带…）

A处理信息（分类、分析、推理、计算…）

》输出惜息（当面陈述、书面报告、打电话…）

A信息处理的挖制（操作何时开始、何时结束、操

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1.4计算机的基本原理和组成

、计算机基本组成

输入设备存储器输出设备

运算部件

k

-数据总线控制部件―地址总线

一一4控制路线

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1.4计算机的基本原理和组成

1、输入设备

功能：接收输入操作者给计算机提供的原

始信息（如文字、图形、图像、声音等），

将其转变成计算机能够识别和接收的信息

方式（二进制），然后顺序地把它们送入

存储器中。

举例：键盘、扫描仪、鼠标、触摸屏、

麦克、磁带机、磁盘机、光盘机

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1.4计算机的基本原理和组成

2、输出设备

功能：把计算机处理的数据、计算结果等

从二进制形式转换成人们习惯接受的信息

形式（如文字、曲线、图像、表格、声音

等）、或能为其他机器所接受的形式输出。

举例：显示器、打印机、绘图仪、磁带机、

磁盘机、光盘机

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1.4计算机的基本原理和组成

3、存储器

存储器：存放数据和程序。

数据：数字、文字、图像、声音、动画等。

数据和程序的存储形式：0或L二进制。

其实是通过存储介质的两种不同的稳定状态来

分别代表0或1。

如何将数据转换成二进制形

式将在后续章节中介绍

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1.4计算机的基本原理和组成

•主存/内存:（半导体）

-优:存取速度快

-缺:容量受限，单位成本高，断电丢

失信息CPU

辅存/外存:（光盘,磁盘）

-优:容量大，单位成本低，信息长久

保存

-缺:存取速度慢主存（内存）

G正在运行的程序和需要的数据存放在主存

V暂时不用的程序和数据存放在辅存

L辅存只与主存进行数据交换I辅存（外存）

V让存储系统有主存的速度，辅存的容量存储系统的层次结构

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1.4计算机的基本原理和组成

主存储器存储单元存储器的组成单元，存

放8位二进制信息

<1)00000000000000i>00011101存储单元地址用于标识和识别每

000000000000000111010010

000000000000001011011000一个存储单元，也是二进制形式

10100110

0000000000000011存储元存储器的最小单位，存放

一位二进制数

111111111111110100011100

111111111111111011100111存储容量衡量存储器空间大小的指标,

111111111111111101011010

以字节(Byte)为基本单位，一个字节由八

个位(Bit)组成,即:lByte=8Bit

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1.4计算机的基本原理和组成

其他一些存储容量单位

1024(210)个字节称作K字节，简称KB(KiloByte)

1024K(22。)个字节称作M字节，简称MB(MegaByte)

1024兆(23。)个字节称作G字节，简称GB(GigaByte)

1024G(2的)个字节称作T字节，简称TB(TeraByte)

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1.4计算机的基本原理和组成

•主存储器由存储单元、

存储地址寄存器000000000000000000011101

(MAR)、存储数据寄000000000000000111010010

000000000000001011011000

存器(MDR)组成。000000000000001110100110

•寄存器：用来存储信息,•・・

存取速度比主存快。存111111111111110100011100

在于CPU、主存和输入111111111111111011100111

输出设备中。111111111111111101011010

•MAR存放待访问的存储

单元的地址。MAR

•MDR缓存主存储器与MDR

CPU交换的读写数据。

主存储器

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辅存储器

磁

•磁带、磁盘工作原理：

利用磁头进行"电一磁”转换来进行信息的读写。

写数据时，加正向脉冲电流，电流消失后磁介质会

处于正剩磁状态；加负向脉冲电流，电流消失后磁

介质会处壬负剩磁状态。这两个稳定的状态可以分

别用莱表示0和1。

读取：磁一》电。

・光盘工作原理：

刻盘时使用激光在光盘表面形成一系列的坑（如坑

代表1）。读盘时利用从光滑表面和坑反射回的光线

不同来区分0和1。

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4、运算器

完成各种算术运算和逻辑运算。

算术运算各种数值运算，如：力口、减、乘、除等

逻辑运算进行逻辑判断的非数值运算，如：与、或、

非、移位、比较等

运算器的核心部件是算术逻辑单元（ALU）和若干个寄存

ALU用于执行算数运算和逻辑运算，寄存器用于存放

参加运算的各种数据以及运算后的结果。

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1.4计算机的基本原理和组成

5、控制器

控制器是计算机中的控制中心，用来安排操作次序、翻译

指令代码、向其他部件发出控制信号、指挥计算机部件协

同工作。

在介绍控制器结构之前，我们先来了解几个概念：

指令、指令系统、程序

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指令

计算机任务实现过程总是被分解成若干个简单

的、基本的操作逐步实现的（基本操作的重用

性）。

指令:是能够被计算机硬件直接识别的、命令计

算机进行某种基本操作的二进制代码串。

程序一定是先转化（编译或解释）成指令的序

列，然后再被计算机执行。

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1.4计算机的基本原理和组成

指令的组成;操作码地址码

操作码：用来表明本条指令要求计算机完成的操作；

「操作数地址：CPU根据该地址取得所需的操作数；可能直接

给出操作数，可能是内存地址，也可能是寄存器地址（即寄

地存器名）；

照操作结果的存储地址：将对操作数的操作结果保存在该地址

他中，以便再次使用；可能是内存地址，也可能是寄存器地址;

下一条指令的地址：一般的，如果程序是顺序执行，则下一

I条指令的地址由程序计数器PC（存放下一条指令地址的寄

存器）指出；仅当改变程序的运行顺序（转移、调用子程序）

时，下条指令的地址才由转移类指令给出。

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指令系统

计算机能直接识别和执行的全部指令的集合,

称为该种计算机的指令系统。

不同类型的计算机具有不同的指令系统，其

中指令种类和数目也不同。

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1.4计算机的基本原理和组成

一般计算机包括如下几类指令：

1）算术运算类。执行加、减、乘、除等算术运算的指

令类；

2）逻辑运算类。执行与、或、非、移位、比较等逻辑

运算的指令类；

3）传送类。执行取数、存数、传送等操作的指令类；

4）程序控制类。执行无条件转移、条件转移、调用程

序、返回等操作的指令类；

5）输入/输出类。执行输入、输出、输入/输出等实现内

存和外部设备之间传输信息操作的指令类；

6）其他类指令。执行停机、空操作、等待等操作的指

令类。

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1.4计算机的基本原理和组成

程序

程序是按事先设计的功能对性能要求编制的

指令序列。

注意：不是指程序必须是二进制代码,而是指

程序最终会转换为指令序列！

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程序的运行就是不断地取指令、分析指令、执行指令的过程,

这3个步骤均由控制器来控制。控制器取指令、分析指令，产生

操作控制信号发给输入输出设备、运算部件或者内存，完成指

令的执行。

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外彳微操作：一条指令的执行是通过按一定次序执行一系列基本操

作完成的，这些基本操作称为“微操作”

控制器结构图

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•中断：在指令的执行过程中或执行结束，外部

设备或者计算机内部可能会发来急需处理的数

据或其他紧急事件处理信号，这就需要处理机

暂停正在执行的程序，转去处理相应的紧急事

件，待处理完毕后再回到原处继续执行，这一

过程称为中断。

­中断的实现由软件和硬件综合完成，硬件部分

叫做中断装置，软件部分称为中断处理程序。

•中断装置和中断处理程序统称为中断系统。

从什匿勺胃等矣专侏勤军峭习州州邮咿隧淤襄恻阴津亮藜鹭件条措

外传，用自见令地址进指令寄存器PC一》取指令一》分析指令一》

执行指令一》取下一条指令……一》程序结束

控制器结构图

操作控制台

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1.4计算机的基本原理和组成

♦控制器工作原理

控制器首先从程序计数器中取得当前要执行的指令

的地址，根据这个地址从主存储器中取出指令复制

到指令寄存器中，并将下一条指令的地址置入程序

计数器PC（Programcounter）中（取指令）；

然后由指令译码器对指令寄存器中存放的指令的操

作码部分进行译码（分析指令），根据译码结果由

微操作控制部件产生各种最基本的不可再分的微操

作的控制信号，即微命令，以控制各计算机部件完

成该指令的功能（执行指令）。

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1.4计算机的基本原理和组成

程序一》二进制指令一》装载到内存一》第一条指令的地址进指令寄存

器PC一》取指令一》分析指令一》执行指令一》取下一条指令……一》

程序结束

输入数据输出数据

输入设备存储器输出设备

操作数/运算

地址

结果/指令

输入类指令输出类指令

运算部件

要求输入算术运算//要求输出

逻辑运算值

控制部件►地址总线

—►数据总线指令

---A控制路线转移类指令

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1.4计算机的基本原理和组成

•思考：上页的图显示了CPU和其他组成部件之

间的关系。如果要表示出运算部件、控制部件

和其他部件之间的关系，需要对图做哪些修改?

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外传，请自觉探索微机--机箱

电源、

软驱、

光驱、

CPU、

内存、

硬盘、

显卡、

声卡、

网卡、

总线一

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外传，请自觉探索微机--主板

PC1贫展糟.供网X

r-CPLi插梢

声卡、Modes等使用主板

是整个电脑的基

板，是CPU、内

存、显卡及各种

扩展卡的载体。

主板是否稳定关

系着整个电脑是

否稳定，主板的

速度在一定程度

上也制约着整机

的速度。

内存插他

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外传，请自觉探索微机--CPU

CPU

就是中央处理器，也是负责

运算和控制的控制中心，是

电脑的关键部位，相当于人

的大脑。

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外传，请自觉探索微机--存储器I

内存

硬盘

是电胞的一卜临时

存储锯，它只负责是我们熟知的电

电脑数据的中转而脑配件之一，简

不肓自永久保存。它单的说就是一个

的容量和处理速度大容量存储器.

直接决定了电脑数马主机通讯速度

据传输的快慢，和很快，成为现代

硬盘——起并

CPU,电脑不可缺少的

称为电脑的三大

_________________配件。

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1.4计算机的基本原理和组成

思考题：认真思考并研究

•计算机有哪几大组成部分？各部分的作用？

。寄存器和存储器（内存）有什么区别？

,结合计算机组成结构，试分析图L18控制器结

构图中，哪些是数据总线/地址总线/控制总线

•控制器和运算器有什么区别及关系？你能在

生活中找出类似的例子吗？

•指令和程序的关系？指令都包括哪些类？

•程序是如何执行的？

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1.5计算机系统

•提纲

-计算机系统的组成

-计算机软件及其分类

-操作系统简介

-驱动程序简介

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1.5计算机系统

、计算机系统的组成

用户

计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件是计算机的物质基础；软件可以发挥和扩

大计算机硬件功能，两者相辅相成，缺一不可

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1.5计算机系统

二、计算机软件及其分类

软件的定义：是程序、数据、相关文档的完整

集合。

程序按事先设计的功能和性能要求编制的指令序列

数据程序能正常操纵的信息的数据结构

文档与程序开发、维护和使用有关的图文材料

软件#程序

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1.5计算机系统

计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类

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1.5计算机系统

系统软件面对普遍的应用要求、为了充分发挥硬件

的特性、维护计算机的硬件和软件系统、平滑用户与硬

件设备间的沟坎而设计的软件，不针对具体的应用。

如：操作系统、数据库管理系统、设备驱动程序、语言

集成开发环境（如Dev-C++、VisualC++）等。

应用软件

’是在系统软件的基础上开发出来的、用于解

决具体问题所编制的各种具体应用程序，如：飞机定票

系统，图书管理系统等。

系统软件和应用软件的区分有时并不严格，没有必要死抠!

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1.5计算机系统

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1.5计算机系统■操作系统

、操作系统(OperatingSystem,简称OS)

操作系统是最基本、最重要的系统软件，直接运行在裸机上,

只有在操作系统的支持下，才可以运行其他软件，故操作系

统是计算机软件的核心和基础；

用户

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1.5计算机系统■操作系统

•引入操作系统的目的：

-从系统管理员的观点来看：引入操作系统是为了合理

组织计算机的工作流程，管理和分配计算机系统的硬

件和软件资源，使之能为多个用户高效率地共享。因

止匕操作系统是计算机资源的管理者。

-从用户观点来看：引入操作系统是为了给用户使用计

算机提供一个良好的界面，使用户无需了解许多有关

硬件和系统软件的细节，就可以方便地使用计算机；

-从发展的观点来看：引入操作系统是为了给计算机系

统的功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和

功能时能更加容易和不影响原有的服务和功能。

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1.5计算机系统■操作系统

操作系统的定义：

操作系统是这样一些程序模块的集合一一它们

管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，

合理组织计算机工作流程，以便有效地利用这

些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和

可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之

间起到接口作用。

常见的操作系统有：MS-DOS（又称PODOS）、

UCDOS、Windows>UNIX、LINUX、MACOS等;

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1.5计算机系统■操作系统

•作业：由程序、数据和作业说明书组成，用于

完成用户的一个目标。

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1.5计算机系统■操作系统

♦操作系统的发展史：

1.手工操作阶段

早期的计算机没有专门的操作系统，一般由操作人

员自己控制计算机上的各种按钮和开关进行操作，

且独占计算机资源。

手工上机过程：先把程序纸带（或卡片）装上输入

机，然后启动输入机把程序和数据送入计算机，接

着通过控制台开关启动程序允行。计算完毕，打印

机输出计算结果，用户取走结果，卸载纸带（或卡

片）

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1.5计算机系统■操作系统

2.批处理系统

-第二代，晶体管时代

-到第二代计算机诞生以后，计算机的速度和容量都

有了很大的提高，使人机之间的速度不匹配的矛盾

更为突出，为了解决这一矛盾，把用户提交的作业

分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列，每

一批作业将有一个专门的监督程序自动依次处理。

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1.5计算机系统■操作系统

•联机批处理过程：

i.用户提交作业：作业程序和数据，作业说明书；

2.作业被制作成穿孔纸带或者卡片；

3.操作员有选择地把若干作业合成一批，通过输入设备（纸带输

入机或者读卡机）把它们送入磁带；

4.监督程序读取一个作业（若系统资源满足该作业要求）

5.从磁带调入汇编程序或者编译程序，把用户作业源程序翻译成

目标代码；

6.连接装配程序把编译后的目标代码及所需要的子程序装配成一

个可执行程序；

7.启动执行；

8.执行完毕，由善后处理程序输出计算结果；

9.再读入一个作业，重复执行5〜9步

10.一批作业完成，返回到3,处理下一批作业。

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1.5计算机系统■操作系统

3.多道程序系统

-第三代，集成电路时代

-在单处理机中，多道程序运行特点：

■多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程

序；

■宏观上并行：同时进入内存的几道程序都处于运

行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都

未运行完毕；

■微观上串行：实际上，各道程序轮流使用CPU,

交替执行。

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1.5计算机系统■操作系统

•多道程序系统中要解决的问题：

-并行允许的程序要共享计算机系统的软件和硬件资

源，既有对资源的竞争，但又须相互同步，因此同

步和互斥机制成为操作系统设计的一个重要问题。

-随着多道程序的增加，出现了内存不够用的问题，

提高内存使用效率也成了关键问题。因此出现了诸

如覆盖技术、对换技术和虚拟存储技术等内存管理

技术；

-由于多道程序存在于内存，为了保证系统程序存储

区和各用户程序存储区的安全可靠，提出了内存保

护需求。

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1.5计算机系统■操作系统

4.多用户分时操作系统

-第四代，大规模和超大规模集成电路时代

-一台计算机可同时连接多个用户终端，而每个用户

可以在自己的终端上联机使用计算机，就好像自己

施占机器一样。

-处理机的运行时间被分割成很短的时间片，按时间

片轮流把处理机分配给各联机作业使用。如果一个

作业在分配给它的时间片中不能完成计算，则该作

业暂时中断，把处理机让给另一个作业使用，等待

下一轮时再继续运行。

-由于计算机速度很快，作业允许轮转得很快，给每

个用户的印象使好像他独占了一台计算机。

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1.5计算机系统

,操作系统的五大功能

作业管理、CPU（进程）管理、内存管理、设

备管理、文件管理

•进程：是一个具有独立功能的程序对某个数据

集在处理机上的执行过程,是资源分配的基本

单位。一个程序（作业）的执行总是会产生一

个或多个进程。

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1.5计算机系统

•程序与进程的关系

-进程是动态的，强调执行过程，而程序是静态的;

-进程具有并发性（宏观上同时运行），程序没有；

-不同的进程可以对应同一程序，只是该程序对应

的数据集不同。

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1.5计算机系统

•进程并发需要考虑的两个问题

1.进程互斥

不允许两个以上共享公用资源的并发进程同

时访问公用资源（对共有资源的竞争）。

2.进程同步

计算进程和打印进程共享一片内存。计算进

程将计算结果放入共享内存，打印进程将结

果从内存取出并送打印机打印输出。

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1.5计算机系统

1、作业管理

在多道批处理操作系统中,用户提交要运行的

一批作业，这批作业被存放在外部存储器中，

由操作系统根据作业的资源要求和一定的调度

原则选取几个作业调入内存，让他们交替运行

（作业A在进行输入输出时就可以让作业B占

用CPU）。一个作业运行结束，然后再调入一

个或多个作业。在内存中同时存在几个作业，

从而提高系统运行效率。

包括作业的调度、控制、处理和报告。

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1.5计算机系统

2、CPU（进程）管理

目标：完成处理机资源的分配调度等功能

当进入内存等待处理的作业有多个时，就需要合

理地安排每个进程占用CPU的时间，以保证多个

作业的完成和CPU效率的提高，使用户等待的时

间最少。如：在一个进程等待输入数据的时候，

CPU空闲，就可以让其他进程占用CPU执行运算。

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1.5计算机系统

•进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等一

一主动改变进程的状态

•进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资

源共享；一一交换信息能力（弱）

•进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协

作；一一交换信息能力（强），也可以用来协调进程

之间的推进

•进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理

机资源和提高系统性能；——未必是进程控制操作所

引起（可能是时间片轮转、I/O操作）

•公平性、高效率（吞吐量大）、执行周转时间等

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1.5计算机系统

3、存储管理

内存分配：合理分配内存，使各个作业占有的内存区不发

生冲突，不互相干扰；

内存保护：保护一道程序在运行过程中不会破坏另一道程

序，保护用户程序不会破坏系统程序；

内存扩充：如何将内存储器和外存储器结合起来管理，为

用户提供一个比实际内存大得多的虚拟存储器（把进程中

那些不经常访问的程序段和数据放入外存中，待需要它们

时再将它们调入内存）。

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1.5计算机系统

|4、文件管理|

负责文件的存取和对文件进行管理。包括文件目录管理,

为文件分配存储空间，对文件改名、存取、删除，对文

件进行共享、保密和保护。

5、设备管理

当用户程序要使用外部设备时，由它控制（或调用）外部

设备对应的驱动程序使外部设备工作，并随时对该设备

进行监控，处理外部设备的中断请求等。

匿名者家族-专供计算机学习用，引自北京邮电大学计算机院梁洪亮教授课件，严禁

外传，请自觉

1.5计算机系统

3.操作系统的分类：

1）单用户操作系统

同时只支持一个用户程序。该用户程序占用全部软硬件

资源。如DOS操作系统。

2）分时操作系统

由一台主机和多个用户终端构成系统。主机的CPU按固

定的时间片轮流为多个终端服务。如UNIX操作系统。

3）实时操作系统

即时响应和高可靠性的操作系统。如程控交换机、航空

航天、交通控制、生产过程监测用的操作系统。

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1.5计算机系统

4）批处理操作系统

系统根据一定的策略将要计算的一批题目按一定的组合

和顺序执行，从而提高系统运行效率。

络

操

作

系

统

网

管

理

理

用

散

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络

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络

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需

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置

型

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明

要

资

的

源

位

源

6）分布式操作系统°

将物理上分散的计算机用网络相连，用该操作系统负责

全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输协调工

作，并为用户提供统一的界面，用户通过这个界面来使

用系统资源，而该资源是哪台机器提供的，对用户是透

明的（有别于网络操作系统）。统一性、共享性、透明

性、独立性。

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