教学材料《计算机导论》-4

4.1操作系统概述4.1.1操作系统的目标操作系统的目标如下。（1）方便性未安装操作系统的计算机极难使用，因为用户只能用机器语言书写程序；用户输入数据或打印数据，必须用机器语言来书写相应的输入程序或打印程序。如果在计算机硬件上配置了操作系统，用户使可通过操作系统的各种命令来使用计算机系统。例如，用编译命令可把用户用高级语言程序翻译成机器语言程序，方便了用户的使用。（2）有效性在没有配置操作系统的计算机中，CPU、I/O设备等各类资源经常处于空闲状态而得不到充分利用。当安装操作系统之后，可使CPU和I/O设备保持忙碌状态，进而得到更为有效的利用。下一页返回4.1操作系统概述（3）可扩充性随着超大规模集成电路（VLSI）技术和计算机技术的迅速发展，计算机硬件和体系结构也随之得到迅速发展，对操作系统提出了更高的功能和性能要求。因此，操作系统必须具有可扩充能力才能适应发展要求。这就是说，操作系统应采用模块化结构，以便增强可扩充性。（4）开放性20世纪80年代和90年代陆续出现了各种类型的计算机硬件系统。为使不同系列的计算机及其设备能通过网络加以集成并能正确而有效地协同工作，实现应用程序的可移植性和互操作性，要求具有统一的开放的环境，其中首先是要求操作系统具有开放性。上一页下一页返回4.1操作系统概述4.1.2操作系统发展的动力操作系统发展的动力有以下几个。（1）提高计算机资源利用率在计算机发展的初期，计算机系统特别昂贵，必须千方百计地提高计算机系统中各种资源的利用率。（2）方便用户当资源利用率不高的问题得到基本解决后，用户在上机、调试程序时的不方便性便成为突出问题。于是人们又致力研究改善用户上机、调试程序时的条件。上一页下一页返回4.1操作系统概述（3）器件的不断更新换代计算机中的器件在不断地更新。由第一代的电子管发展到第二代的晶体管、第三代的集成电路、第四代的大规模和超大规模集成电路，使得计算机的性能不断提高，其规模也在急剧扩大，从而推动着操作系统的功能和性能也迅速提高。（4）计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的发展推动着操作系统的发展。例如，当计算机由单处理机系统发展为多处理机系统时，相应地操作系统也就由单处理机操作系统发展为多处理机操作系统。当出现了计算机网络后，相应地出现了网络操作系统。上一页返回4.2操作系统功能4.2.1提供用户界面1．命令行界面以文字形式表示界面，利用键盘输入命令，进而实现所需的功能。由于命令行界面不需要花费视窗的呈现运算时间，因此，执行效率高。缺点是界面不友好。命令行界面如图4-3所示。下一页返回4.2操作系统功能2．图形用户界面图形用户界面，用非常容易识别的各种图标来将系统的各项功能、各种应用程序和文件直观、逼真地表示出来。用户可通过鼠标、菜单和对话框来完成对应用程序和文件的操作。此时用户已完全不必使用命令行去记住命令名及格式，从而把用户从烦琐且单调的操作中解放出来，也使计算机成为一种非常有效且生动有趣的工具。其缺点是效率较低，如图4-4所示。上一页下一页返回4.2操作系统功能4.2.2管理系统资源1．处理机管理进程是指正在执行中的程序，对处理机的管理可归结为对进程的管理，包括当计算机中有多个进程同时执行时，操作系统如何管理这些进程执行的优先顺序、执行时间及为进程分配处理机。2．存储管理当程序被执行时，首先将程序存入存储器。操作系统负责存储器的管理，但由于每台计算机的存储器容量有限，如果同时有多个进程执行，且所需的存储容量超过实际的存储器容量时，操作系统如何合理管理存储器等问题是一个重要的研究课题。上一页下一页返回4.2操作系统功能3．设备管理随着计算机系统功能的日益强大，提供了大量的输入/输出设备，例如打印机、CRT显示器、键盘、鼠标、扫描仪等。操作系统有能力控制这些设备，使用户和应用软件方便使用。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；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。4．文件管理在现代计算机系统中，把程序和数据以文件的形式存储在磁盘和磁带上，文件是计算机存储信息的单位，文件存储于磁盘、光盘和USB等存储器中。当执行时，将文件调入内存储器。如果用户、应用软件要建立、修改和删除文件，在操作系统中配置文件管理机构负责执行这些操作，并控制相关的权限，保证文件的安全性。上一页返回4.3操作系统类型4.3.1批处理系统1．无操作系统的计算机系统（1）人工操作方式第一代计算机还未出现操作系统。用户采用人工操作方式直接使用计算机硬件，即由程序员将事先已穿孔的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片输入机，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两个缺点。1）用户独占全机。一台计算机的全部资源只能由一个用户独占。下一页返回4.3操作系统类型2）CPU等待人工操作。当用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU是空闲的。人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，出现了人工操作方式与机器利用率的矛盾，简称人机矛盾。（2）脱机输入输出方式为了解决人机矛盾，20世纪50年代末出现了脱机输入输出技术。该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带（或卡片）输入机，在一台外围机的控制下把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时再从磁带上高速地调入内存。类似地，当CPU需要输出时可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。图4-7表示出了脱机输入输出过程。上一页下一页返回4.3操作系统类型2．单道批处理系统（1）批处理系统的处理过程为了能充分地利用计算机系统，应尽量让该系统连续地运行，以减少空闲时间。为此，通常是把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序，在其控制下使这批作业能一个接一个地连续处理。其自动处理过程是：首先，由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业。当该作业的处理完成时又把控制权交还给监督程序，再由监督程序把磁带（盘）上的第二个作业调入内存。计算机系统就这样自动地一个作业一个作业地进行处理，直至磁带（盘）上的所有作业全部完成，这样便形成了批处理系统，其处理流程如图4-8所示。上一页下一页返回4.3操作系统类型（2）单道批处理系统的特征单道批处理系统是最早出现的一种操作系统，主要特征如下。1）自动性。在磁带上的一批作业能自动地逐个作业、依次运行，而无须人工干预。2）顺序性。磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业完成的顺序与它们进入内存的顺序应当完全相同，即先调入内存的作业先完成。3）单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，仅当该程序完成或发生异常情况时，才调入其后继程序进入内存运行。上一页下一页返回4.3操作系统类型3．多道批处理系统（1）多道程序设计的基本概念在早期的单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，这使系统中仍有较多的空闲资源，致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。上一页下一页返回4.3操作系统类型（2）多道批处理系统的特征1）多道性。在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，从而有效地提高了资源利用率和系统吞吐量。2）无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系，即先进入内存的作业可能较后甚至最后完成，而后进入内存的作业又可能先完成。3）调度性。作业从提交给系统开始直至完成，需要经过以下两次调度。作业调度。这是指按一定的作业调度算法，从外存的后备作业队列中，选择若干个作业调入内存。进程调度。按一定的进程调度算法，从已在内存的作业中选择一个作业，将处理机分配给它，使之执行。上一页下一页返回4.3操作系统类型（3）多道批处理系统的优缺点在20世纪60年代已出现了多道批处理系统，它是三大基本操作系统类型之一。在大多数的大、中、小型机中都配置了它。多道批处理系统的主要特点如下。1）优点有以下两条。资源利用率高。由于在内存中装入了多道程序，使它们共享资源，保持资源处于忙碌状态，从而使各种资源得以充分利用。系统吞吐量大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的原因可归结为：第一，CPU和其他资源保持“忙碌”状态；第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。上一页下一页返回4.3操作系统类型4.3.2分时系统（1）分时系统的产生动力推动分时系统产生的主要动力是用户的需要。用户需要表现在以下几个方面。1）人机交互。对于一个程序员来说，每当他编写好一个新程序时，都需要上机进行调试。由于新编程序难免有些错误或不当之处需要修改，因而希望能像早期使用计算机一样，独占全机并对它进行直接控制，以便能方便地修改错误。2）共享主机。在20世纪60年代计算机十分昂贵，不可能像现在这样每人独占一台计算机，而只能是多个用户共享一台计算机。但用户在用机时应能够像自己独占计算机一样，不仅可以随时与计算机交互，而且应感觉不到其他用户也在使用该计算机。上一页下一页返回4.3操作系统类型3）便于用户上机。在多道批处理系统中，用户上机前必须把自己的作业邮寄或亲自送到机房，这对于用户尤其是远地用户来说十分不便。用户希望能通过自己的终端直接将作业传送到机器上进行处理，并能对自己的作业进行控制。分时系统恰是为了满足上述的用户需要所形成的一种新型操作系统。它与多道批处理系统有着截然不同的性能。由上所述不难得知，分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可以通过自己的终端以交互方式使用计算机。上一页下一页返回4.3操作系统类型（2）分时系统的关键问题最关键的问题是如何使用户能与自己的作业交互，即当用户在自己的终端上输入命令时系统应能及时接收和及时处理该命令，并将处理结果返回给用户。接着用户可输入下一条命令，此即人机交互。应当强调指出，即使有多个用户同时通过自己的键盘输入命令，系统也应能全部地及时接收并及时处理。上一页下一页返回4.3操作系统类型（3）分时系统的实现方法为了确保系统能及时地处理，必须彻底地改变原来批处理系统的运行方式，方法是：1）用户作业不能先进入磁盘，然后再调入内存。因为作业在磁盘上不能运行，当然用户就无法与机器交互，因此，作业应直接进入内存。2）不允许一个作业长时间占用处理机直至它运行结束或发生I/O请求后，方才调度其他作业运行，应该是规定每个程序只运行一个很短的时间（例如，0.1秒钟，通常把这段时间称为时间片），然后便暂停该作业的运行并立即调度下一个程序运行。如果在不长的时间内，如3秒钟就能使所有的用户作业都执行一次（一个时间片的时间），便可使每个用户都能及时地与自己的作业交互，从而可使用户的请求得到及时响应。上一页下一页返回4.3操作系统类型4.3.3实时系统（1）实时系统的引入虽然多道批处理系统和分时系统，已能获得较为令人满意的资源利用率和响应时间，从而使计算机的应用范围日益扩大，但它们仍然不能满足以下两个领域的需要。1）实时控制。当把计算机用于生产过程的控制，以形成以计算机为中心的控制系统时，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，进而自动地控制相应的执行机构，使某些参数（如温度、压力、方位等）能按预定的规律变化，以保证产品的质量和提高产量。类似地，也可将计算机用于武器的控制，如火炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系统，以及导弹的制导系统等。通常把要求进行实时控制的系统称为实时控制系统。上一页下一页返回4.3操作系统类型2）实时信息处理。把要求对信息进行实时处理的系统称为实时信息处理系统。该系统由一台或多台主机通过通信线路连接成百上千个远程终端，计算机接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题，对信息进行检索和处理，并在很短的时间内为用户做出正确的回答。典型的实时信息处理系统有飞机订票系统、情报检索系统等。上一页下一页返回4.3操作系统类型（2）实时系统与分时系统的比较1）多路性。实时信息处理系统与分时系统一样具有多路性。系统按分时原则为多个终端用户服务。而对实时控制系统，其多路性则主要表现在经常对多路的现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。2）独立性。实时信息处理系统与分时系统一样具有独立性。每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，是彼此独立地操作，互不干扰。而在实时控制系统中信息的采集和对对象的控制，也都是彼此互不干扰。上一页下一页返回4.3操作系统类型3）及时性。实时信息系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受的等待时间来确定。而实时控制系统的及时性，则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级，甚至有的要低于100微秒。4）交互性。实时信息处理系统虽也具有交互性，但这里人与系统的交互，仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。上一页下一页返回4.3操作系统类型4.3.4嵌入系统嵌入式操作系统是嵌入系统的操作系统，是一种应用较广泛的系统软件。1．嵌入系统的特点嵌入系统是一种专用计算机系统。它以嵌入式计算机技术为核心，面向用户、面向应用、软硬件可裁减，并对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格的要求，主要特点如下。1）高可靠性。在恶劣环境或突然断电的情况下，系统应能正常工作。2）实时性。要求嵌入式操作系统具有实时处理的能力。3）软件固化。嵌入系统的软件固化在只读存储器或闪存中，而不是存储在磁盘等载体中。要求高质量的代码。4）与应用结合。嵌入系统与具体应用有机结合，其升级与换代与产品同步进行。上一页下一页返回4.3操作系统类型2．嵌入式操作系统特点嵌入式操作系统负责嵌入系统的软件和硬件资源的分配、调度工作，具有控制和协调并发活动等功能，其主要特点如下。1）可装卸性。具有开放性、可伸缩性的体系结构。2）强实时性。可用于各种设备驱动控制中。3）统一的接口。提供各种设备驱动接口。4）操作方便。图形界面，易学易用。5）网络功能强大。支持TCP/IP，提供TCP、UDP、IP、PPP支持及统一的MAC访问层接口，并为各种移动计算设备预留接口。上一页下一页返回4.3操作系统类型6）稳定性强。由于嵌入系统不需要用户过多干预，嵌入式操作系统有较强的稳定性，用户接口一般不提供操作命令，仅通过系统调用命令向用户提供服务。7）代码固化。嵌入式操作系统和应用软件固化在嵌入系统的ROM中。8）移植性强。嵌入式操作系统指对硬件适应性强。常用的嵌入式操作系统有嵌入式Linux、WindowsCE、WindowsXPEmbedded、Vxworks等。上一页下一页返回4.3操作系统类型4.3.5多处理器系统1．提高性能由于有多个CPU可执行程序，因此可以减少每个程序的执行时间。2．降低成本在多处理器系统中，多个CPU共用存储器、磁盘、USB等，因此，会比单处理器系统的成本低。3．提高可靠性由于有多个CPU，在计算机运行时，如果有CPU出现故障，其余的CPU可继续工作，虽然效能会降低，但可保系统持续运行，进而提升了可靠性。上一页下一页返回4.3操作系统类型4.3.6分布式系统在分布式系统中，将网络上的多台计算机连接起来，以单一计算机的形式提供服务。同一个工作被分为几个部分，分配给不同的计算机同时计算，进而提高整体的执行效率。分布式系统中的计算机可以共享资源，例如某数据库中的数据只存放在其中的一台计算机中，不必每台计算机都维护相同的数据，而达到资源共享的目的。分布式系统的应用实例，如图4-12所示。上一页下一页返回4.3操作系统类型4.3.7集群式系统集群式系统也是通过计算机网络将多台计算机连接在一起，主要包括下述两种类型。1．高可用性集群式系统在某些实际分布应用中需要高可用性。例如，股市交易系统，如果发生故障，将出现灾难性的结果。高可用性集群式系统能够提高服务的可用性，减少停止运行的时间。这种系统的最高目标是100%的可用性，即提供一年365天、一天24小时的服务，使用者可以随时连线，不会发生服务中断的情况。如图4-13所示是利用备用计算机的一种架构示意图。上一页下一页返回4.3操作系统类型4.3.8手持式系统手持式系统发展很快，包括个人数字处理器、移动电话等。基于手持式系统的体积限制，通常配备储存器容量小、低耗电的CPU、较小的荧光屏等。虽然手持式系统有软件和硬件的限制，但携带方便、随处可用的方便性是其他系统所不可比的。再加上无线网络的应用与发展，手持式系统也能上网，其发展不可估量。上一页返回4.4进程4.4.1进程概念正在执行中的程序被称为进程。程序与进程的主要区别如下。1）进程存储在内存中，而程序是存储在硬盘、光盘等存储媒体上。2）程序是静态的，是一组可被执行的程序代码。进程是动态的，除了可被执行的程序代码之外，还包括下述可变的信息。①程序计数器：在程序执行过程中，程序计数器可记录下一个要执行的指令的地址。②暂存器：指CPU暂存器的内容。③进程堆栈：用来存放进程执行时所产生暂时性的数据，如调用子程序所传递的参数、返回地址和暂时性的变量。④数据区段：存储整个进程会用到的变量。3）程序是一直存在的，如果没有被删除，就一直存在磁盘中。而进程则是暂时的，当进程执行结束了，进程就不存在了。下一页返回4.4进程4.4.2进程状态1．进程中的状态一个程序在执行过程中，有以下五种状态。（1）新建进程正在产生中，这是每个进程初始的状态。（2）就绪进程已准备好，可被执行。（3）执行CPU正在执行此进程。上一页下一页返回4.4进程（4）等待进程在等待某个事件或I/O操作完成。（5）结束进程已完成。在图4-15中，椭圆形表示状态，而箭头表示进程从一个状态到另一个状态的变迁。2．进程状态的变迁（1）新建→就绪当一个进程产生时，处于新建状态，随后进入就绪状态，等待CPU执行。在系统中，同时可能会有多个进程处于就绪状态。（2）就绪→执行当CPU要执行下一个进程时，CPU调度程序会从所有就绪的进程中挑选一个进程执行，此时被选中的进程就由就绪状态进入执行状态。上一页下一页返回4.4进程（3）执行→就绪执行中的进程如果已经用完所分配到的时间配额，或者有优先权更高的进程需要被执行，就会回到就绪状态。（4）执行→等待如果执行中的进程需要等待某个I/O设备或事件的完成，无法继续使用CPU资源，就会进入等待状态。在系统中，同时可能有多个进程是在等待状态。（5）等待→就绪如果处在等待中的进程因等待的I/O或事件已经完成，就会又回到就绪状态。（6）执行→结束如果执行中的进程执行完毕，或执行过程中发生错误而无法继续执行，就会进入结束状态。此时，操作系统不再需要维护其相关数据。上一页下一页返回4.4进程3．调度算法在进程状态的变迁中，利用CPU调度程序从就绪的进程中，根据调度算法选择一个进程执行。调度算法十分重要，它决定了CPU资源的分配方式。下面介绍几种常用的调度算法。进程调度时都必须遵循某种调度算法。如先来先服务调度算法，该算法最先调度先进入后备队列中的进程。上一页返回4.5常用操作系统4.5.1MS-DOS及Windows系列1．MS-DOSDOS是微软公司与IBM公司合作开发的、广泛运行于IBMPC及其兼容机上的操作系统，全称是MS-DOS。20世纪80年代初，IBM公司开始涉足PC领域时，曾多方考察选择合适的操作系统。1980年11月，IBM和微软公司正式签约，之后的IBMPC均使用DOS作为标准的操作系统。由于IBMPC大获成功，微软公司也随之得到了迅速发展，MS-DOS从此成为个人计算机操作系统的代名词，发展成为PC的标准平台。下一页返回4.5常用操作系统2．Windows3.x、Windows95/98及WindowsMe从20世纪90年代起，在个人操作系统领域，微软的Windows个人操作系统系列占有绝对的垄断地位。微软Windows操作系统的个人产品线是由20世纪80年代的DOS平台演变而来的。其中，影响较大和较突出的版本是Windows3.0和Windows95。Windows3.0的大量全新特性以压倒性的优势确定了Windows操作系统在PC领域的垄断地位，而Windows95则一上市就风靡世界。Windows3.1及以前的版本均为16位系统，不能充分利用硬件的强大功能，还须与DOS共同管理系统硬件资源，依赖DOS管理文件系统，只能在DOS之上运行，所以，不能算完整的操作系统。而Windows95（及稍前的WindowsNT）则已摆脱了DOS的限制（不用从DOS下启动Windows），在提供强大功能（如网络和多媒体功能等）和简化用户操作（如桌面和资源管理器等新特性）这两个方面都取得了突出的成绩。上一页下一页返回4.5常用操作系统3．WindowsNT和Windows2000微软在20世纪80年代中后期的主流产品Windows和DOS都是PC上的单用户操作系统。从1985年开始，IBM公司与微软合作开发商用多用户操作系统DOS/2。1987年DOS/2推出后，微软开始计划建立自己的商用多用户操作系统。1993年微软正式推出WindowsNT。上一页下一页返回4.5常用操作系统4.5.2UNIX操作系统1．UNIX概述UNIX是一种多用户操作系统，是三大主流操作系统之一（另外两个是Linux和Windows）。UNIX于1969年诞生在贝尔（电话）实验室（Bell（Telephone）Laboratories，BTL），由于其简洁、易于移植等特点而很快得到关注、发展和普及，成为跨越从微型机到巨型机范围的唯一操作系统。除了贝尔实验室的正宗UNIX版本外，UNIX还有大量的变种，例如SUNSolaris、IBMAIX和HPUX等。不同变种的功能、接口、内部结构基本相同而又各有不同。除变种外，UNIX还有一些克隆系统，例如Math和Linux。克隆与变种的区别在于：变种是在正宗版本的基础上修改而来的（包括界面与内部实现），而克隆则只是界面相同，内部则完全重新实现。有时也将克隆和变种统称为变种。上一页下一页返回4.5常用操作系统2．UNIX的发展历史（1）UNIX的产生过程UNIX这个名字是取MULTICS（MultiplexedInformationandComputingService）的反义，其诞生背景及特点一如其名。MULTICS项目由贝尔（电话）实验室、通用电气公司和麻省理工学院联合开发，旨在建立一个能够同时支持数千个用户的分时系统，该项目因目标过于庞大而失败，于1969年撤销。退出MULTICS项目后，1969年中期贝尔实验室的雇员Thompson开始在公司的一台闲置的只有4KB内存的PDP-7计算机上开发一个“太空漫游”游戏程序。由于PDP-7缺少程序开发环境，为了方便这个游戏程序的开发，Thompson和另一名雇员Ritchie一起用GE-645汇编语言（以前曾用于MULTICS开发）开发PDP-7上的操作环境。上一页下一页返回4.5常用操作系统（2）免费扩散阶段Thompson和Ritchie在SOSP上发表论文后，UNIX立即引起众人的关注，UNIX软件和源码迅速以许可证形式免费传播到世界各地。一些大学、研究机构在免费使用的同时，对UNIX进行了深入的研究、移植和改进。AT&T又将这些改进与移植加入其以后的UNIX版本中。（3）商用版本的出现和三大主线的形成UNIX的不断发展导致许多计算机公司开始发行自己机器上的UNIX增值商业版本。UNIX的第一个商业版本是1977年InteractiveSystems公司的IS/l（PDP-11）。20世纪50年代，著名的商业版本有SUN公司的Sun操作系统、微软与SCO公司的XENIX等。上一页下一页返回4.5常用操作系统（4）两大阵营对峙和标准化的出现20世纪80年代后期，UNIX已经出现了很多版本，版本增多导致了程序的不兼容和不可移植（同一应用程序在不同UNIX版本上不能直接运行）。因此，迫切需要对UNIX