计算机操作系统

计算机操作系统院系：计算机科学院专业：计算机科学与技术姓名：摘要:操作系统是统一管理计算机软、硬件资源,合理组织计算机的工作流程,协调系统部件之间,系统与用户之间、用户与用户之间的关系。本文对计算机操作系统的功能、发展和分类做了简单的分析和阐述。关键词:计算机操作系统的发展与分类1、操作系统的功能(1)管理计算机系统的硬件、软件、数据等各种资源,尽可能减少人工分配资源的工作以及人对机器的干预,发挥计算机的自动工作效率。(2)协调还要各种资源使用过程中的关系,使得计算机的各种资源使用调度合理,高速设备与低速设备运行相互配。(3)为用户提供使用计算机系统的环境,方便使用计算机系统的各部件或功能。操作系统通过自己的程序,将计算机系统的各种资源所提供的功能抽象,形成与之等价的操作系统的功能,并形象地表现出来,提供给用户方便地使用计算机。2、操作系统的发展2.1手工操作阶段。在这个阶段的计算机,主要元器件是电子管,运算速度慢,没有任何软件,更没有操作系统。用户直接使用机器语言编写程序,上机时完全手工操作,首先将预先准备好的程序纸带装入输入机,然后启动输入机把程序和数据送入计算机,接着通过开关启动程序运行,计算完成后,打印机输出结果。用户必须是非常专业的技术人员才能实现对计算机的控制。2.2批处理阶段。由于20世纪50年代中期,计算机的主要元器件由晶体管取代,运行速度有了很大的提高,这时软件也开始迅速发展,出现了早期的操作系统,这就是早期的对用户提交的程序进行管理的监控程序和批处理软件。2.3多道程序系统阶段。随着中、小规模的集成电路在计算机系统中的广泛应用,CPU的运动速度大大提高,为了提高CPU的利用率,引入了多道程序设计技术,并出现了专门支持多道程序的硬件机构,这一时期,为了进一步提高CPU的利用效率,出现了多道批处理系统、分时系统等等,从而产生了更加强大的监管程序,并迅速发展成为计算机科学中的一个重要分支,就是操作系统。统称为传统操作系统。2.4现代操作系统阶段。大规模、超大规模集成电路急速的迅速发展,出现了微处理器,使得计算机的体系结构更加优化,计算机的运行速度进一步提高,而体积却大大减少,面向个人的计算机和便携式计算机出现并普及。它的最大优点是结构清晰、功能全面、可以适应多种用途的需要并且操作使用方面。3、操作系统的分类（1）从用途的角度可以分为专用和通用两类。专用操作系统是指用于控制和管理专项事物的操作系统,如现代手机中使用的操作系统,这类系统一般以嵌入硬件的方式出现,用于特定的途径。通用操作系统具有完善的功能,能够适应多种用途的需要。（2）从单机和网络的角度看可以分为单机操作系统和网络操作系统。单机操作系统是针对单机计算机系统的环境设计的,它只有管理本机系统那个资源的功能。单用户操作系统是一种更为特殊的单机操作系统,它是针对一台机器,一个用户设计的操作系统,它的基本特征是一次只能支持一个用户作业的运行,系统的所有资源有该用户独占,该用户对整个计算机系统有绝对的控制权。从功能的角度看可分为批处理系统、分时系统、实时系统、网络系统、分布式系统。批处理系统、分时系统和实时系统的运行环境大多是计算机系统,而后两种操作系统的运行环境是多计算机系统。3.1批处理系统。批处理的系统的基本特征是“批量”。即将要交给计算机处理的若干个作业组织成队列成批地交给计算机自动地按作业队列顺序逐个处理。它可分为单道批处理系统和多道批处理系统。单道批处理系统一次只能调入一个处理作业在在计算机在内运行,其他作业放在辅助存储器上,它类似于单用户操作系统。计算机在运行处理作业时,时间主要消耗有两个方面,一方面是消耗在CPU执行程序上,另一方面是消耗在输入输出上。由于输入输出设备的速度相对CPU的执行程序的速度慢很多,导致计算机在输入输出时CPU处于空闲。为了提高COU的使用效率,出现了多道批处理系统。它与单道批处理系统不同的是在计算机内存中可以有多个作业存在,调度程序根据事先确定的策略,选择一个作业将CPU资源分配给它运行处理,当处理的作业要进入输入输出操作时,就释放对CPU的占有,调度程序则从其他的内存中的待处理作业中选择一交给CPU执行,这样,就提高了CPU的使用效率。3.2分时系统。分时是指两个或两个以上的事件按时间划分轮流使用计算机系统的某一资源。在一个系统中如果多个用户分时使用一个计算机,那么这样的系统成为分时系统。分时的时间单位称为时间片,一个时间片一般是几十豪秒。在一个分时系统中,往往要连接几十个甚至上百个终端,每个用户在自己的终端上控制其作业的运行。通过操作系统的管理,将CPU轮流分配给各个用户使用,如果某个用户作业在分配给他另一个时间片在继续执行。此时的CPU被分配给另一个用户作业。3.3实时系统。实时即时处理并快速给出处理结果。实时系统一般是采用时间驱动的设计方法,系统能够及时对随时发生的事件做出响应并及时处理。实时系统分为实时控制系统和实时处理系统。实时控制系统常用于工业控制以及飞行器、导弹发射等军事方面的自动控制。实时处理系统常用于预定飞机票、航班查询以及银行之间账务往来等系统。3.4网络操作系统。随着计算机技术的迅速发展和网络技术的日益完善,不同地域的具有独立处理能力的多个计算机系统通过通信设施互联,实现资源共享,组成计算机网络,成为一种更开放的工作环境。而网络操作系统也应运而生。网络操作系统除具有单机操作系统的所有功能以外,还具有网络资源的管理功能,支持网络应用程序运行。3.5分布式操作系统。分布式操作系统是为分布式计算机系统配置的操作系统。分布式计算机系统与计算机网络一样,多台计算机系统通过通信网络互联,实现资源共享,但不同的是系统中的各个计算机没有主次之分,各计算机系统具有相对的自治性,用户子啊访问共享资源时,不需要知道该共享资源位于哪台计算机上,如需要的话,系统中的多台计算机可以相互协作共同完成的一个任务,即可以将一个任务分割成若干个子任务分散到多台计算机上同时并行执行。一种商用操作系统往往包括了批处理系统个、分时系统、实时系统、网络系统、分布式系统等多方面的功能。不同的操作系统根据自身用途的定位和面向的用户,在各种功能的强弱上会有所区别。4、操作系统的基本特性：一、①并发性并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生，而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生②共享性所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用③虚拟性所谓虚拟是指通过某项技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物④异步性产生原因：操作系统允许多个并发进程共享资源，使得每个进程的运行过程受到其他进程制约，使进程的执行不是一气呵成，而是以停停走走的方式运行二、①共享和并发是操作系统的两个最基本的特征②相应的把这种资源共同使用称为资源共享，或资源复用③虚拟以并发和共享为前提④异步是并发和共享的必然结果三、进程和程序的区别：①进程包含程序②进程是动态的，程序是静态的，动态性表现在“它由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡，可见进程实体有一定生命周期③进程实体能和其他进程实体并发执行，而程序没有建立PCB是不能并发执行的④独立性是指进程实体是一个能独立运行，独立分配和独立接受调度的基本单位，未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行四、进程三种基本状态：①处于就绪状态的进程，在调度程序为之分配了处理机之后，该进程便可执行，由就绪状态转变为执行状态②正在执行的进程也称为当前进程，如果因分配给它的时间片已完而被暂停执行时，该进程由执行状态回复到就绪状态③如果因发生某事件而使进程执行受阻使之无法继续执行，该进程由执行状态转变为阻塞状态预防死锁的方法：摒弃请求和保持条件。摒弃不剥夺条件。摒弃环路等待条件。5、操作系统的分类5.1、批处理操作系统1.基本工作方式批处理操作系统的基本工作方式是：用户将作业交给系统操作员，系统操作员在收到作业后，并不立即将作业输入计算机，而是在收到一定数量的用户作业之后，组成一批作业，再把这批作业输入到计算机中。2.特点与分类批处理操作系统的特点是成批处理。批处理操作系统追求的目标是系统资源利用率高，作业吞吐率高。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简单批处理系统和多道批处理系统。3.设计思想简单批处理系统是在操作系统发展的早期出现的，因此它有时被称为早期批处理系统，也称为监控程序。其设计思想是：在监控程序启动之前，操作员有选择地把若干作业合并成一批作业，将这批作业安装有输入设备上。然后启动监控程序，监控程序将自动控制这批作业的执行。4.作业控制说明书作业控制说明书是由作业控制语言编写的一段程序，它通常存放在被处理作业的前面。在运行过程中，监控程序读入并解释作业前面的这段作业控制说明书中的语句，以控制各个作业步的执行。作业运行后，监控程序逐条解释每一行语句。5.一般指令和特权指令特权指令包括输入/输出指令、停机指令等待，只有监控程序才能执行特权指令。用户程序只能执行一般指令。一旦用户程序需要执行特权指令，处理器会通过特殊的机制将控制权移交给监控程序。6.系统调用的过程下面我们考察系统调用的处理过程。首先，当系统调用发生时，处理器通过一种特殊的机制，通常是中断或者异常处理，把控制流程转移到监控程序内的一些特定的位置。同时，处理器模式转变为特权模式。其次，由监控程序执行被请求的功能代码。这个功能代码代表着对一段标准程序段的执行，用以完成所请求的功能。第三，处理结束后，监控程序恢复系统调用之前的现场；把运行模式从特权模式恢复成为用户方式；最后将控制权转移回原来的用户程序。5.2、分时系统从操作系统的发展历史上看，分时操作系统出现在批处理操作系统之后。它是为了弥补批处理方式不能向用户提供交互式快速服务的缺点而发展起来的。1.基本工作方式在分时系统中，一台计算机主机连接了若干个终端，每个终端可由一个用户使用。用户通过终端交互式地向系统提出命令请求，系统接受用户的命令之后，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。用户根据系统送回的处理结果发出下一道交互命令。2.设计思想分时操作系统将CPU的时间划分成若干个小片段，称为时间片。操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。3.特点总体上看，分时操作系统具有多路性、交互性、独占性和及时性的特点。“多路性”是指有多个用户在同时使用一台计算机。“交互性”是指用户根据系统响应的结果提出下一个请求。“独占性”是指用户感觉不到计算机为其他人服务，就好像整个系统为他人所独占一样。“及时性”是指系统能够对用户提出的请求及时给予响应。分时操作系统追求的目标是及时响应用户输入的交互命令。一般通用操作系统结合了分时系统与批处理系统两种系统的特点。典型的通用操作系统是UNIX操作系统。在通用操作系统中，对于分时与批处理的处理的原则是：分时优先，批处理在后。5.3、实时操作系统实时操作系统(RTOS：RealTimeOperatingSystem)是指，使计算机能在规定的时间内，及时响应外部事件的请求，同时完成以该事件的处理，并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。实时操作系统主要目标是：在严格时间范围内，对外部请求做出反应，系统具有高度可靠性。实时操作系统主要有两类：第一类是硬实时系统。硬实时系统对关键外部事件的响应和处理时间有着极严格的要求，系统必须满足这种严格的时间要求，否则会产生严重的不良后果。第二类是软实时系统。软实时系统对事件的响应和处理时间有一定的时间范围要求。不能满足相关的要求会影响系统的服务质量，但是通常不会引发灾难性的后果。实时系统为了能够实现硬实时或软实时的要求，除了具有多道程序系统的基本能力外，还需要有以下几方面的能力。(1)实时时钟管理实时系统的主要设计目标是对实时任务能够进行实时处理。实时任务根据时间要求可以分为两类：第一类是定时任务，它依据用户的定时启动并按照严格的时间间隔重复运行；第二类是延时任务，它非周期地运行，允许被延后执行，但是往往有一个严格的时间界限。(2)过载防护实时系统在出现过载现象时，要有能力在大量突发的实时任务中，迅速分析判断并找出最重要的实时任务，然后通过抛弃或者延后次要任务以保证最重要任务成功的执行。(3)高可靠性高可靠性是实时系统的设计目标之一。实时操作系统的任何故障，都有可能对整个应用系统带来极大的危害。所以实时操作系统需要有很强的健壮性和坚固性。5.4、个人计算机操作系统个人计算机操作系统(PersonalComputerOperatingSystem)是一种单用户的操作系统。个人计算机操作系统主要