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操作系统基础知识
上篇
计算机应用与电子商务
基础知识篇
第1章计算机系统基础知识
计算机是电子商务系统的硬件支撑平台。
本章简要介绍计算机硬件系统结构、计算机操作系统、编译与解释原理、程序设计语言及数据库等基础知识。
本章学习目标
∙了解计算机主要部件及其功能的基础知识
∙熟悉操作系统的工作原理和主要功能
∙熟悉汇编、编译、解释系统的基本概念
∙熟悉程序设计语言基础知识
∙掌握数据库系统的基础知识
1.1计算机硬件系统结构
自1946年世界上出现第一台计算机以来，计算机的硬件结构和软件系统都已发生惊人的变化。
但就其基本组成而言，仍未摆脱冯·诺伊曼型计算机体系结构的设计思想。
即一个完整的计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，如图1-1所示。
图1-1计算机的基本组成
其中运算器与控制器合称为中央处理器。
内存储器和中央处理器合在一起称为主机。
在计算机硬件系统中不属于主机的设备都属于外部设备，简称外设，包括输入、输出设备及外存储器。
∙运算器：
进行算术和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出。
它可从存储器取出或来自输入设备，运算结果或写入存储器，或通过输出设备输出。
∙控制器：
协调整个计算机系统的正常工作。
主要包括：
指令寄存器、指令译码及时序控制等部件。
∙运算器与控制器一般又称为中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），是计算机的核心部件。
∙存储器：
存放数据和程序的部件，通过地址线和数据线与其他部件相连。
∙输入/输出设备：
包括各类输入/输出设备及相应的输入/输出接口。
1.1.1中央处理器
1．运算器
运算器是计算机中用于信息加工的部件。
它能对数据进行算术和逻辑运算。
算术运算按算术规则进行运算，如加、减、乘、除及它们的复合运算；逻辑运算一般泛指非算术性运算，如比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及异或操作等。
运算器通常由算术逻辑运算部件（ALU）和一些寄存器组成，如图1-2所示是一个最简单的运算器示意图。
ALU是具体完成算术逻辑运算的部件；寄存器主要用于存放操作数、结果及操作数地址；寄存器除了存放参加运算的操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最终结果。
寄存器的数据一般是从存储器中取得，累加器的最后结果也应存放到存储器中。
现代计算机的运算器中有多个寄存器，如8个、16个、32个或者更多，构成一个通用寄存器组，以减少访问存储器的次数，提高运算速度。
图1-2简单的运算器示意图
2．控制器
控制器是指挥、协调计算机各大部件工作的指挥中心。
控制器工作的实质就是解释、执行指令。
它每次从存储器中取出一条指令，经分析译码，产生一串微操作命令，发向各个执行部件，控制各部件，使整个机器连续地、有条不紊地工作。
为了使计算机能够正确执行指令，CPU必须能够按正确的时序产生操作控制信号，这是控制器的主要任务。
如图1-3所示，控制器主要由下列部分组成。
（1）程序计数器（PC）：
又称指令计数器或指令指针（IP），在某些机器中用来存放正在执行的指令地址；在大多数机器中则存放要执行的下一条指令的地址。
指令地址的形成有两种可能：
一是顺序执行的情况，每执行一条指令，程序计数器加“1”以形成下条指令的地址，该加“1”计数的功能，有的机器是PC本身具有的，也有的机器是借用运算器完成的；二是在某些条件下，需要改变程序执行的顺序，这常由转移类指令形成转移地址送到PC中，作为下条指令的地址。
图1-3控制器组成图
（2）指令寄存器（IR）：
用以存放现行指令，以便在整个指令执行过程中，实现指令的全部功能控制。
（3）指令译码器：
又称操作码译码器，它对指令寄存器中的操作码部分进行分析解释，产生相应的控制信号提供给操作控制信号形成部件。
（4）脉冲源及启停控制线路：
脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是周期、节拍和工作脉冲的基准信号。
启停控制线路则是在需要时保证可靠地开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止，实现对机器的启动与停机。
（5）时序信号产生部件：
以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令相对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号，以实现机器指令执行过程的时序控制。
（6）操作控制信号形成部件：
综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。
（7）中断机构：
实现对异常情况和某些外来请求的处理。
（8）总线控制逻辑：
实现对总线信息传输的控制。
1.1.2存储器
存储器是存放二进制形式信息的部件。
在计算机中它的主要功能是存放程序和数据。
程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。
不论是程序和数据，在存储器中都以二进制形式的“1”或“0”表示，统称为信息。
我们可以对存储器中的内容进行读或写操作。
按存储器在计算机中的功能将存储器分类如下。
（1）高速缓冲存储器（Cache）
构成计算机系统中的一个高速小容量存储器，其存取速度能接近CPU的工作速度，用来临时存放指令和数据。
（2）主存储器
主存储器是计算机系统中的重要部件，用来存放计算机运行时的大量程序和数据。
CPU能够直接访问的存储器称内存储器，高速缓存和主存都是内存储器。
在配置了高速缓存的计算机内，主存储器和高速缓存之间要不断交换数据。
如果计算机没有配置高速缓存，内存储器就是主存储器，两个名称可以换用。
（3）辅助存储器
辅助存储器又称外存储器。
外存储器主要由磁表面存储器组成，近年来光存储器应用已很广泛，渐渐成为一种重要的辅助存储器。
外存储器的内容需要调入主存后才能被CPU访问。
外存储器的特点是容量大，可存放大量的程序和数据。
1.1.3常用I/O设备
输入输出设备（又称外围设备）是计算机系统与人或其他机器之间进行信息交换的装置。
输入设备的功能是把数据、命令、字符、图形、图像、声音或电流、电压等信息，变成计算机可以接收和识别的二进制数字代码，供计算机进行运算处理。
输出设备的功能是把计算机处理的结果，变成人最终可以识别的数字、文字、图形、图像或声音等信息，打印或显示出来，以供人们分析与使用。
由于计算机技术的迅速发展与应用的不断扩大，输入输出设备种类日益增多，所处理的信息类型也不断增加。
输入输出设备智能化程度越来越高，从而使得输入输出的速度、精度、质量、可靠性以及应用的灵活性、方便性不断提高。
输入输出设备有多种分类法，如果按信息的传输方向，可以分成输入、输出与输入/输出三类设备。
（1）输入设备
常见的输入设备有键盘、鼠标、光笔、触屏、控制杆、数字化仪、扫描仪、语言输入、手写汉字识别，以及纸带输入机、卡片输入机、光学字符阅读机（OCK）等。
这类设备又可以分成两类：
采用媒体输入的设备和交互式输入设备。
采用媒体输入的设备如纸带输入机、卡片输入机、光学字符阅读机等，这些设备把记录在各种媒体（如纸带、卡片等）上的信息送入计算机。
一般成批输入，输入过程中使用者不做干预。
交互式设备有键盘、鼠标、触屏等。
这些设备由使用者通过操作直接输入信息，不借助于记录信息的媒体，输入信息可立即显示在屏幕上，操作员可以即时进行删除、修改、移动等操作。
交互式输入设备是近年来研究的热门话题之一，通过它们以建立人机之间的友善界面。
（2）输出设备
显示器、打印机、绘图仪、语音输出设备，以及卡片穿孔机、纸带穿孔机等。
将计算机输出的数字信息转换成模拟信息，送往自动控制系统进行过程控制，这种数模转换设备也可以视为一类输出设备。
（3）输入/输出设备
磁盘机、磁带、可读/写光盘、CRT终端、通信设备等。
这类设备既可以输入信息，又可以输出信息。
输入输出设备如果按功能分，也可以分成以下三类。
（1）用于人机接口
键盘、鼠标、显示器、打印机等。
这类设备用于人机交互信息，且操作员可以直接加以控制。
这类设备又可以称为字符型设备或面向字符的设备，即输入输出设备与主机交换信息以字符为单位，这时主机对外设的控制方法往往不同于其他类型设备。
（2）用于存储信息
磁盘、光盘、磁带机等。
这类设备用于存储大容量数据，作为计算机的外存储器使用。
这类设备又可以称为面向信息块的设备，即主机与外设交换信息时不以字符为单位，而以由几十或几百个字节组成的信息块为单位，这时主机对外设的控制也不同于字符型设备。
（3）机-机联系
通信设备（包括调制解调器），数/模、模/数转换设备，主要用于机-机通信。
1.2操作系统基础知识
计算机系统包括硬件和软件两个组成部分。
硬件是所有软件运行的物质基础；软件能充分发挥硬件潜能和扩充硬件功能，完成各种系统及应用任务，两者互相促进、相辅相成、缺一不可。
图1-4给出了一个计算机系统的软硬件层次结构。
其中每层各具有一组功能并提供相应的接口，接口对层内掩盖了实现细节，对层外提供了使用约定。
硬件层提供了基本的可计算性资源，包括处理器、寄存器、存储器，以及可被使用的各种I/O设施和设备，是操作系统和上层软件赖以工作的基础。
操作系统层对计算机硬件做首次扩充和改造，主要完成资源的调度和分配，信息的存取和保护，并发活动的协调和控制等许多工作。
操作系统是其他软件的运行基础，并为编译程序和数据库系统等系统程序提供了有力支撑。
系统程序层的工作基础建立在操作系统改造和扩充过的机器上，利用操作系统提供的扩展指令集，可以较容易地实现各种各样的语言处理程序、数据库管理系统和其他系统程序。
应用程序层解决用户不同的应用问题，应用程序开发者借助程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用程序。
而最终用户则通过应用程序与计算机交互来解决具体应用问题。
本节重点介绍操作系统的作用与功能。
图1-4计算机系统软硬件层次结构
1.2.1操作系统的定义与作用
操作系统（OperatingSystem，OS）的出现、使用和发展是近四十年来计算机软件的一个重大进展。
尽管操作系统尚未有一个被普遍接受的定义，但普遍认为：
操作系统是管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面、合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。
操作系统有两个重要作用。
1．通过资源管理，提高计算机系统的效率
操作系统还是计算机系统的资源管理者。
在计算机系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源。
资源包括两大类：
硬件资源和信息资源。
其中，硬件资源分为处理器、存储器、I/O设备等，I/O设备又分为输入型设备、输出型设备和存储型设备；信息资源则分为程序和数据等。
操作系统的重要任务之一是有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用状况，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突，为用户提供简单、有效的资源使用方法，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而使得计算机系统的效率有很大提高。
2．改善人机界面，向用户提供友好的工作环境
操作系统层紧靠着计算机硬件层并在其基础上提供了许多新的设施和能力，从而使得用户能够方便、可靠、安全、高效地操纵计算机硬件和运行自己的程序。
操作系统负责合理组织计算机的工作流程，协调各个部件有效工作，为用户提供一个良好的运行环境。
经过操作系统改造和扩充过的计算机不但功能更强，使用也更加方便，用户可以直接调用操作系统提供的许多功能，而无需了解许多软硬件的使用细节。
1.2.2操作系统的功能及特征
1．操作系统的特征
操作系统的主要特性有三条：
并发性、共享性和异步性。
（1）并发性（concurrence）
指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。
操作系统是一个并发系统，并发性是它的重要特征，它应该具有处理多个同时执行的程序的能力。
发挥并发性能够消除计算机系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善了系统资源的利用率，改进了系统的吞吐率，提高了系统效率。
例如，一个程序等待I/O时，就出让CPU，而调度另一个运行程序占有CPU执行。
这样，在程序等待I/O时，CPU便不会空闲，这就是并发技术。
（2）共享性（sharing）
指操作系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）可被多个并发执行的进程所使用。
出于经济上的考虑，一次性向每个用户程序分别提供它所需的全部资源不但是浪费的，有时也是不可能的。
现实的方法是让多个用户程序共用一套计算机系统的所有资源，因而必然会产生共享资源的需要。
共享性和并发性是操作系统的两个最基本的特征，它们互相依存。
一方面，资源的共享是因为运行程序的并发执行而引起的，若系统不允许运行程序并发执行，自然也就不存在资源共享问题。
另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，必然会影响运行程序的并发执行，甚至运行程序无法并发执行，操作系统也就失去了并发性，导致整个系统效率低下。
（3）异步性（asynchronism）
或称随机性。
在多道程序环境中，允许多个进程并发执行，由于资源有限而进程众多，多数情况下进程的执行不是一直到底，而是“走走停停”。
例如，一个进程在CPU上运行一段时间后，由于等待资源满足或事件发生，它被暂停执行，CPU转让给另一个进程执行。
系统中的进程何时执行？
何时暂停？
以什么样的速度向前推进？
进程总共要多少时间执行才能完成？
这些都是不可预知的，或者说该进程是以异步方式运行的。
异步性给系统带来了潜在的危险，有可能导致与时间有关的错误。
但只要运行环境相同，操作系统必须保证多次运行作业都会获得完全相同的结果。
2．操作系统的功能
资源管理是操作系统的一项主要任务，而控制程序执行、扩充及其功能、屏蔽使用细节、方便用户使用、组织合理工作流程、改善人机界面等都可以从资源管理的角度去理解。
下面就从资源管理的观点来看操作系统具有的几个主要功能。
（1）处理器管理
处理器管理的第一项工作是处理中断事件。
硬件只能发现中断事件，捕捉它并产生中断信号，但不能进行处理。
配置了操作系统，就能对中断事件进行处理。
处理器管理的第二项工作是处理器调度。
在单用户单任务的情况下，处理器仅为一个用户的一个任务所独占，处理器管理的工作十分简单。
但在多道程序或多用户的情况下，组织多个作业或任务执行时，就要解决处理器的调度、分配和回收等问题。
近年来设计出各种各样的多处理器系统，处理器管理就更加复杂。
为了实现处理器管理的功能，操作系统引入了进程（process）的概念，处理器的分配和执行都是以进程为基本单位的。
随着并行处理技术的发展，为了进一步提高系统并行性，使并发执行单位的粒度变细，操作系统又引入了线程（thread）的概念。
（2）存储管理
存储管理的主要任务是管理存储器资源，为多道程序的运行提供有力的支撑。
存储管理的主要功能包括：
存储分配（存储管理将根据用户程序的需要给它分配存储器资源）；存储共享（存储管理能让主存中的多个用户程序实现存储资源的共享，以提高存储器的利用率）；存储保护（存储管理要把各个用户程序相互隔离起来，使之互不干扰，更不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，从而保护用户程序存放在存储器中的信息不被破坏）；存储扩充（由于物理内存容量有限，难于满足用户程序的需求，存储管理还应该能从逻辑上扩充内存储器，为用户提供一个比内存实际容量大得多的编程空间，方便用户的编程和使用）。
（3）设备管理
设备管理的主要任务是管理各类外围设备，完成用户提出的I/O请求，加快I/O信息的传送速度，发挥I/O设备的并行性，提高I/O设备的利用率；以及提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序，向用户屏蔽硬件使用细节。
为实现这些任务，设备管理应该具有以下功能：
提供外围设备的控制与处理；提供缓冲区的管理；提供外围设备的分配；提供共享型外围设备的驱动；实现虚拟设备。
（4）文件管理
上述3种管理都是针对计算机硬件资源的管理。
文件管理则是对系统的信息资源的管理。
在现代计算机中，通常把程序和数据以文件形式存储在外存储器上，供用户使用。
这样，外存储器上保存了大量文件，对这些文件如不能采取良好的管理方式，就会导致混乱或破坏，造成严重后果。
为此，在操作系统中配置了文件管理，它的主要任务是对用户文件和系统文件进行有效管理，实现按名存取；实现文件的共享、保护和保密，保证文件的安全性；并提供给用户一套能方便使用文件的操作和命令。
（5）作业管理
作业管理的功能包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。
其目的是为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效地组织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行。
（6）网络与通信管理
计算机网络源于计算机与通信技术的结合。
联网操作系统至少应具有以下管理功能。
网上资源管理功能：
计算机网络的主要目的之一是共享资源，网络操作系统应实现网上资源的共享，管理用户应用程序对资源的访问，保证信息资源的安全性和一致性；数据通信管理功能：
计算机联网后，站点之间可以互相传送数据，进行通信，通过通信软件，按照通信协议的规定，完成网络上计算机之间的信息传送；网络管理功能：
包括故障管理、安全管理、性能管理、记账管理和配置管理。
1.2.3操作系统的类型
1．批处理操作系统
过去，在计算中心的计算机上一般所配置的操作系统采用以下方式工作：
用户把要计算的应用问题编成程序，连同数据和作业说明书一起交给操作员，操作员集中一批作业，并输入到计算机中；然后，由操作系统来调度和控制用户作业的执行。
通常，采用这种批量化处理作业方式的操作系统称为批处理操作系统（BatchOperatingSystem）。
批处理操作系统根据一定的调度策略把要求计算的算题按一定的组合和次序去执行，从而，系统资源利用率高，作业的吞吐量大。
批处理系统的主要特征如下。
（1）用户脱机工作
用户提交作业之后直至获得结果之前，不再和计算机其他的作业交互。
因而，作业控制语言对脱机工作的作业来说是必不可少的。
这种工作方式对调试和修改程序极不方便。
（2）成批处理作业
操作员集中一批用户提交的作业，输入计算机成为后备作业。
后备作业由批处理操作系统一批批地选择并调入主存执行。
（3）多道程序运行
按预先规定的调度算法，从后备作业中选取多个作业进入主存，并启动它们运行，实现了多道批处理。
（4）作业周转时间长
由于作业进入计算机成为后备作业后要等待选择，因而作业从开始进入计算机到完成并获得最后结果所经历的时间相当长，一般需等待数小时甚至几天。
2．分时操作系统
在批处理系统中，用户不能干预自己程序的运行，无法得知程序运行情况，对程序的调试和排错不利。
为了克服这一缺点，便产生了分时操作系统。
允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统称分时操作系统（TimeSharingOpertingSystem）。
其实现思想如下：
每个用户在各自的终端上以问答方式控
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