第2章--操作系统基础优质PPT.ppt

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图2.1操作系统的地位现代计算机系统通常被描述为四个层次，如图2-1所示。

在图2-1中，计算机的硬件包括了组成计算机的集成芯片、电路板、电气连线、显示器、电源以及各种物理部件。

但仅仅将这些部件连接起来并不能工作，还需要有直接控制部件和设备的微程序代码和基于硬件的机器级语言。

这些机器级代码序列已经集成于处理器芯片中，或者固化于非易失性的存储器中，成为硬件系统的一部分，它们完成最底层的机器级操作，在机器中进行数据移动、数值计算、数据比较，对输入/输出设备用不同数值以控制它们的操作，并且将机器语言转换成一系列的操作步骤和电子信号。

紧挨着硬件的就是操作系统，它通过系统核心程序对计算机系统中主要的几类资源进行管理：

处理机、存储器、输入/输出设备、数据与文档资源、用户作业等，并向用户提供若干服务。

在操作系统的外层是其他系统软件。

系统软件主要执行计算机系统本身的操作，也为用户对系统的操作和开发提供各种支持。

操作系统是最基本的系统软件，而另一些系统软件如命令解释程序（或者称为外壳程序Shell）、文本编辑程序、语言编译程序、连接程序等，它们不是操作系统的一部分，但一般随着操作系统一起由计算机厂商提供，是系统开发中很重要和关键的一类软件。

此外，系统实用程序、系统工具程序、系统调试程序也被认为是系统程序中的一部分，它们也常常采用套件的形式与操作系统一起提供。

这些软件系统相互配合，解决了人与计算机的交互问题和计算机对资源的管理问题。

用户可以直接通过系统软件层与计算机打交道，也可以建立各种应用软件和应用系统，通过他们来解决用户的问题。

可见，系统的最外层是应用软件，它是用户自己开发的专用或公用程序，例如：

事务处理、工程计算、娱乐游戏、教学训练等程序，它们也通过操作系统提供的支持和服务来使用系统资源，完成所进行的操作。

长期以来，对操作系统的描述有两种主要观点，这两种观点表现了操作系统基本的服务功能。

一种是虚拟机的观点，另一种是资源管理的观点。

11虚拟机的观点虚拟机的观点虚拟机的观点也称为扩展机器的观点，是对操作系统功能位置的一种由顶向下的俯视。

操作系统对用户好像是一个扩展了的机器，即一台虚拟的机器（VirtualMachine）。

所以，有人把操作系统称为硬件系统的扩展，它比直接对计算机硬件系统的操作要容易得多。

操作系统虚拟机在逻辑功能上与裸机不同，但物理实体是一个。

即操作系统在裸机上运行，系统和应用程序在操作系统上运行，用户通过操作系统对机器进行操作。

22资源管理的观点资源管理的观点资源管理的观点是目前操作系统的主要观点，是一种对操作系统功能位置的由底向上观察的观点。

资源管理也是操作系统的主要功能，这里的资源是指计算机系统为了进行数值计算和数据处理所需要的各种物质基础，通常分为系统硬件资源和软件资源。

硬件资源是组成计算机和计算机操作所需的物理实体，它是直接能为人们所感知的资源。

如：

计算机主机、中央处理器CPU、主存储器、输入/输出设备（显示器、键盘、打印机）等。

软件资源是依赖于一定的物理实体才能为人们所感知的一类资源。

其中有程序、数据、文档等，他们必须通过物理实体，如显示器或者打印机等设备展示出来，才能为人们所看见。

操作系统的工作就是当用户程序和其他应用程序争用这些资源的时候提供一种有序的和可控的分配。

对计算机操作者而言，操作系统是一个用户环境，一个工作平台，一个人与机器进行交互式操作的界面。

对系统设计者来说，操作系统是一种强功能的系统资源管理程序，一种包含有各种数据结构和算法的集成式软件系统。

操作系统是若干数据结构与处理程序的集合，是一种高水平、强功能的软件系统。

操作系统的效果是方便用户，这是操作系统的设计目标之一。

它给用户提供一个良好的操作环境，使用户对系统发出的各种请求、各类进入系统的作业的调度和执行自动化。

这里，作业是用户要求计算机所做的工作的集合，它包含了用户程序、处理数据以及对程序和数据进行说明和控制的命令等部分。

总之，操作系统是计算机系统中最基本、最核心和最重要的软件系统。

2.1.12.1.1计算机操作系统的发展历程计算机操作系统的发展历程操作系统的发展是随着计算机的发展历程而发展的，我们将随着历史的线索介操作系统的发展历程。

11手工操作手工操作操作系统的史前操作系统的史前“文明文明”由于二次大战对武器装备设计的需要，美国、英国和德国等国家在二战时期陆续开始了对电子数字计算机的研究工作。

早期的电子数字计算机是由成千上万个电子管和许多开关装置组成的庞然大物。

到了20世纪50年代早期，出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入计算机而不用插板，但计算过程依然如旧。

在一个程序员上机期间，整台计算机连同附属设备全被其占用。

程序员兼职操作员，效率低下。

其特点是手工操作，独占方式。

后来人们开发了汇编语言、汇编编译程序以及其他一些控制外设的程序，但这些改进仍属于这一阶段。

22监督程序（早期批处理）监督程序（早期批处理）操作系统的雏形操作系统的雏形20世纪50年代晶体管的发明极大地改变了整个状况。

计算变得比较可靠了，厂商可以成批地生产并将其卖给用户，用户可以指望计算机长时间运行，完成一些有用的工作。

FORTRAN高级语言于1954年问世，1956年正式设计完成。

ALGOL60高级语言于1958年诞生。

COBOL高级语言于1959年诞生。

此时，设计人员员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员之间第一次有了明确的分工。

这一时期的计算机安装在专门的空调房间里，有专业人员操作。

要运行一个作业（Job，即一个或一组程序），程序员首先用高级语言或汇编语言将程序写在纸上，然后穿孔成卡片。

再将卡片盒带到输入室，交给操作员。

计算机运行完当前作业后，其计算结果从打印机上输出，操作员到打印机上取回运算结果。

然后，操作员从已送到输入室的卡片盒中读入另一个作业。

如果需要FORTRAN编译器，操作员还要从文件柜中把它取出来读入计算机。

这样，许多机时被操作员在机房里走来走去的过程浪费掉了。

由于处理器速度提高，造成手工操作的设备输入输出信息与计算机计算速度不匹配。

因此，人们设计了监督程序或管理程序来实现作业的自动转换处理。

这期间，每道作业由程序提供一组在某种介质上准备好的作业信息（文件）。

它们是用作业控制语言书写的作业说明书以及相应的程序和数据。

作业说明书等由程序员提交给系统操作员。

而操作员将作业“成批”地输入到计算机中，由监督程序识别一个作业，进行处理后再取下一个作业。

这种自动定序的处理方式称为“批处理”方式。

由于该种方式采取串行执行作业的方式，因此称为单道批处理。

33多道批处理多道批处理现代意义上的操作系统的出现现代意义上的操作系统的出现在第二代计算机后期，特别是计算机进入第三代以后，系统软件有了很大发展，它的作用也日益显著。

与此同时，硬件也有了很大发展，特别是主存容量增大，又出现了大容量的辅助存储器磁盘以及协助CPU来管理设备的“通道”。

这一切使得计算机体系结构发生了很大变化。

由以中央处理器为中心的结构改变为以主存为中心的结构。

而“通道”概念的出现使得输入输出操作与CPU操作并行处理成为可能。

软件系统也随之相应变化，实现了在硬件提供的并行处理之上的多道程序设计。

所谓多道是指它允许多个程序同时存在于主存之中，由中央处理器以切换方式为之服务，使得多个程序可以同时执行。

计算机资源不再是“串行”地被一个个用户独占，而可以同时为几个用户共享，从而极大地提高了系统在单位时间内处理作业的能力。

这时，管理程序已迅速地发展成为一个重要的软件分支操作系统。

44分时与实时系统出现分时与实时系统出现操作系统步入实用化操作系统步入实用化第三代计算机系统很适合大型科学计算和繁忙的商务数据处理，但其实质上仍旧是批处理系统。

从提交一个作业到取回运算结果往往长达数小时。

对提高效率的需求导致了分时系统CTSS（CompatibleTimeSharingSystem）的出现。

所谓分时系统是指多个用户通过终端设备与计算机交互作用来运行自己的作业，并且共享一个计算机系统而互不干扰，就好像每个用户都拥有一台计算机。

在分时系统中，由于调试程序的用户常常只发出简短的命令，而很少有长的消耗时间的命令，因此计算机能够为许多用户提供交互式快速的服务，同时在CPU空闲时还能在后台运行大的作业。

55用高级语言书写的可移植操作系统用高级语言书写的可移植操作系统UNIXUNIX革命革命20世纪60年代末，贝尔实验室的KenThompson和DennisM.Ritchie设计了一个新的操作系统，命名为UNIX，随后，整个UNIX用C语言全部重新写成。

自此，UNIX诞生了。

UNIX是现代操作系统的代表。

UNIX本身是一个支持多任务、多用户、多进程的分时操作系统。

UNIX运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力使其赢得广大用户的信赖。

66面向各种用户群的通用操作系统面向各种用户群的通用操作系统大众化的趋势大众化的趋势20世纪70年代末期，由于市场对于个人计算机操作系统的需求，出现了微软公司的MS-DOS操作系统。

MS-DOS操作系统是具有性能优良的文件系统，但它受到Intelx86体系结构的限制，并缺乏以硬件为基础的存储保护机制，因此它仍属于单用户单任务操作系统。

1984年，装配有交互式图形功能操作系统的苹果Macintosh计算机取得了巨大成功。

1992年4月，微软推出了具有交互式图形功能的操作系统Windows3.1。

1993年5月，微软推出WindowsNT，它具备了安全性和稳定性，主要是针对网络和服务器市场。

Windows95在1995年8月正式登台亮相，这是第一个不要求使用者先安装MS-DOS的Windows版本。

从此，Windows9x便取代Windows3.x以及MS-DOS操作系统，成为个人计算机平台的主流操作系统。

此后Windows操作系统推出了Windows2000/2003/XP等更新的版本，目前流行应用的是WindowsXP。

77当代操作系统的两大发展方向当代操作系统的两大发展方向宏观应用与微观应用宏观应用与微观应用在当代，操作系统的发展正在呈现更加迅猛的发展态势。

从规模上看，操作系统向着大型和微型的两个不同的方向发展着。

大型系统的典型是分布式操作系统和集群操作系统。

而微型系统的典型则是嵌入式操作系统。

分布式操作系统和集群操作系统是为适应计算平台向异构、网络化演变而出现的。

分布式系统是由多个连接的处理资源组成的计算系统，它们在整个系统的控制下可合作执行一个共同任务，最少依赖于集中的程序、数据或硬件。

操作系统向微型化方向发展的典型是嵌入式操作系统常常应用于掌上电脑或微型家用电器。

在当代，嵌入式操作系统正在得到越来越广泛的应用。

2.1.32.1.3计算机操作系统的分类计算机操作系统的分类操作系统种类很多，也具有不同的特征，对操作系统的分类，可以基于不同