PDF《操作系统》

第3章操作系统 操作系统是计算机最基本的系统软件,它负责管理计算机系统的所有硬件和软件资 源,并控制着整个计算机的工作流程.

无论什么形式的计算机都需要安装操作系统.如 果说 CPU 是计算机系统的心脏,操作系统就是计算机系统的大脑和神经.本章将介绍操 作系统的基本概念,并结合微机中常用的 Windows、Linux 操作系统来说明操作系统的 基本功能. 3.1 操作系统概述 早期的计算机没有操作系统,计算机的使用者都是程序员,他们必须直接面对计算 机硬件,使用机器语言编写程序去操作计算机,因此工作效率非常低.随着计算机硬件 设备的日益丰富和应用性能的不断提高,为了使计算机系统中所有软、硬件资源协调一 致、有条不紊地工作,就必须有一个软件来进行统一的管理和调度,操作系统就应运而 生了. 操作系统是计算机必备的一组程序,它直接运行在裸机(计算机硬件系统)之上, 直接操作计算机的硬件,并协调计算机应用程序对硬件设备的应用过程.从使用者的角 度看, 操作系统与计算机硬件系统形成了一台 广义上的计算机(可以将它看作是一台虚拟 机) ,它为计算机的使用者提供了一个方便、 有效的使用环境. 简而言之, 操作系统是计算 机软硬件资源的管理者, 是使用者 (简称用户) 与计算机之间的接口,如图 3.1 所示. 3.1.1 操作系统的功能 操作系统是计算机系统软件的核心,它的功能可以从不同的角度来理解. 1. 资源管理功能 计算机系统的硬件(包括处理器、存储器和输入输出设备)和以文件形式存放在计 算机存储器中的信息统称为计算机的资源,它们都是操作系统管理的对象,并由操作系 统根据用户需求按一定的策略实施分配和调度.因此,从资源管理的角度看,操作系统 图3.1 从用户的角度认识操作系统的地位 第3章操作系统

41 主要有以下

4 项功能. 1)处理器管理 操作系统的重要任务是控制程序的执行,它负责对处理器的状态进行追踪登记,管 理各个程序对处理器的申请,按照一定的策略将处理器分配给即将运行的程序.现代计 算机都采用多道程序技术,即在某一时刻可以有多个程序同时执行.当其中一个程序因 等待某种条件而不能运行下去时,就把对处理器的占用权转交给另一个可运行程序;

当 出现了一个比当前运行的程序更重要的可运行程序时,后者可以抢夺处理器.为了准确 地描述多道程序的并发运行的过程,又引入了进程的概念.一个进程就是一个程序的执 行过程. 2)存储器管理 操作系统按照一定的策略为执行中的程序分配存储空间, 记录主存储器的使用情况, 并对主存储器的信息提供保护,在该程序执行结束后,将其占用的内存单元回收,以便 其他程序使用. 3)文件管理 操作系统的文件管理功能是对存放于计算机的信息进行逻辑组织和物理组织,维护 文件目录的结构,以及实现对文件的各种操作.例如,可以向用户提供创建文件、删除 文件、读写文件、打开和关闭文件等操作.有了文件管理,用户可以按文件名存取数据, 而不必了解这些数据存储的确切物理位置.这不仅便于用户的操作使用,而且还有利于 用户间共享数据.另外,操作系统的文件管理还允许用户在创建文件时规定文件的使用 权限,从而保障数据文件的安全性. 4)输入输出设备管理 由于计算机的输入输出设备的处理速度远远低于处理器,操作系统必须对正常挂载 在计算机系统中的输入输出设备有很清晰的分类,以便当出现输入输出请求时,能及时 响应,并有效地采取相应的操作方式去协调输入输出设备、内存及处理器之间数据传输 的速度. 操作系统会时刻记录各个输入输出设备的工作状态, 按照各个设备的不同特点, 采取不同的控制策略分配和回收外部设备.例如,可以将一台打印机作为一个设备分配 给一个用户程序使用,在该用户程序使用完毕后立即回收该打印机,以便其他可能的用 户对该打印机的申请.对存储型的外部设备,则提供存储空间给用户存放各类信息,包 括程序和数据等. 2. 人机交互功能 计算机的操作界面是否友好,与操作系统的人机交互功能的完善与否密切相关. 人机交互功能主要靠可以进行输入输出的外部设备和相应的软件来完成,这些外部设 备一般指显示器、键盘、鼠标、语言输入设备、文字输入设备及图形图像设备等.驱 动这些设备进行工作的软件,就是操作系统提供用户实现人机交互功能的手段.这些 软件的主要作用是识别和驱动相关设备,理解并执行通过人机交互界面传过来的各种 命令及要求. 大学计算机基础

42 3.1.2 操作系统的分类 不同性质的操作系统对处理器采用不同的管理策略,因此它们所提供的程序处理方 式也各不相同.经历了半个多世纪的发展变化以后,操作系统已经能够适应各种应用和 硬件配置,并呈现出种类繁多、功能差异大的现象. 目前,操作系统有多种分类标准.按与用户交互的界面分类,可分为命令行界面和 图形用户界面操作系统;

以能支持用户的数量为分类标准,可分为单用户操作系统和多 用户操作系统;

以能运行任务的数量为分类标准,可分为单任务操作系统和多任务操作 系统;

以系统的功能为分类标准,可分为批处理操作系统、分时操作系统和实时操作 系统. 随着计算机体系结构的发展,还有其他的操作系统形式,如网络操作系统、嵌入式 操作系统和分布式操作系统等.下面简要说明几种常见的操作系统类型的特性. 1. 批处理操作系统 批处理操作系统(Batch Processing System)的工作方式是将批量的用户作业输入给 系统,由系统在无用户交互的情况下自动处理.通常,用户先将要处理的应用问题编写 成一个或多个程序,再连同程序执行时需要的数据,以及说明如何运行程序的操作说明 书一起组成一个作业.一批批这样的作业提交给系统后,用户不再与作业有任何联系, 直至作业运行完毕.用户只有通过程序执行后的输出结果来了解程序的执行情况. 2. 分时操作系统 分时操作系统(Time-sharing System)是指多个用户终端共享一台计算机,即把计算 机系统的 CPU 处理时间与内存空间按一定的时间间隔, 轮流地切换给各个终端用户的程 序使用.由于时间间隔很短,以及计算机的高速性,使得每个用户都感觉是自己独占着 计算机资源.分时操作系统的特点是可以有效提高资源的使用率,它一般适用于带有多 个终端的小型机. 3. 实时操作系统 实时操作系统(Real Time Operating System,RTOS)是指使计算机能及时响应外部 事件的请求,能在规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时设备和实时任务 协调一致的工作的操作系统. 实时操作系统特别强调对外部事件响应的及时性和快捷性, 并采用高精度计时技术、多级中断机制和实时调度机制等来保障可靠的处理过程.它的 主要特点是对资源的分配和调度首先要考虑实时性,然后才是效率.此外,它还应有较 强的容错能力. 4. 个人计算机操作系统 个人计算机操作系统是运行在个人计算机上,以独占计算机资源的方式执行的操作 系统,一般提供的应用环境是图形操作界面,其特点是使用方便,用户无须专门的学习 就能操作计算机.目前常用的个人计算机操作系统的版本有 Windows 和Linux 等. 第3章操作系统

43 5. 网络操作系统 网络操作系统是基于计算机网络的,是在各种普通的计算机操作系统上按网络体系 结构的协议标准开发的软件,包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用, 其目标是网络中的各台计算机之间能互相通信和共享资源,其主要特点是与网络的硬件 相结合来完成网络的通信任务. 6. 分布式操作系统 分布式操作系统(Distributed System)是为分布式计算系统配置的操作系统.大量 的计算机通过网络连接在一起,可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享,这种系统 被称做分布式系统.分布式操作系统在资源管理、通信控制和操作系统结构等方面都与 其他操作系统有较大的区别.由于分布式系统的资源分散在系统的不同计算机上,操作 系统对用户的资源需求不能像一般的操作系统那样等待有资源时直接分配的简单做法, 而是要在系统的各台计算机上搜索,找到所需资源后才可进行分配.对于有些资源,如 具有多个副本的文件,还必须考虑一致性.所谓一致性是指若干个用户对同一个文件同 时读出的数据是一致的.为了保证一致性,操作系统必须控制文件的读、写操作,使得 多个用户可同时读一个文件,而某一时刻最多只能有一个用户在修改文件.分布式操作 系统的通信功能类似于网络操作系统.由于分布式计算系统不像网络分布得那样广,同 时分布式操作系统还要支持并行处理,因此它提供的通信机制和网络操作系统提供的有 所不同,它要求通信速度高.分布式操作系统的结构也不同于其他的操作系统,它分布 于系统的各台计算机上,能并行地处理用户的各种需求,有较强的容错能力. 3.1.3 常用的操作系统 世界上制造的第一台计算机是没有操作系统的,但是随着计算机技术的发展,已经 出现了多种类型的操作系统,目前常用的有 Windows、UNIX、Linux 和Mac OS 等.但 就个人计算机而言,安装在个人计算机系统中的 DOS 操作系统曾经辉煌一时. 1. DOS DOS 是英文 Disk Operating System 的缩写,意思是 磁盘操作系统 .从1981 年至

1995 年的

15 年间,DOS 在IBM PC 兼容机市场中占有举足轻重的地位,而且 DOS 操作 系统的众多版本中,最著名的是 PC DOS 和MS DOS. DOS 操作系统的特点是只要掌握了命令,就可以方便地执行操作,对计算机的硬件 要求低,而且存储能力有限.基本的 DOS 系统是由一个基于 MBR 的BOOT 引导程序和 三个文件模块组成的.这三个模块是:输入输出模块(IO.SYS) 、文件管理模块 (MSDOS.SYS)及命令解释模块(COMMAND.COM) .除此之外,DOS 系统包中还加 入了若干标准的外部程序(即外部命令) ,它与内部命令(即由 COMMAND.COM 解释 执行的命令)一同构建起一个在磁盘操作时代相对完备的人机交互环境. 2. Windows Windows 是指 Microsoft 公司开发的 视窗 操作系统.第一个 Windows 于1985 年 大学计算机基础

44 推出,替代了先前的 DOS.Windows 完全兼容 IBM 公司生产的兼容型微机的结构,利用IBM 的强大实力和 PC 制造业的地位,Windows 迅速成长为最普及的操作系统.廉价 的PC 微型机加上便宜的 Windows 操作系统, 其巨大的销量造就了 Windows 的垄断地位, 目前 Windows 是世界上用户最多的操作系统. Windows 是基于图形界面执行程序和处理事件的操作系统.它有着生动形象的用户 界面,简便易懂的操作方式,对非计算机专业的人员而言,配置和安装了 Windows 操作 系统的计算机是最易学习和掌握的,因此它对全球范围内应用和普及个人计算机起到了 重要的推动作用. 3. UNIX UNIX 是一个早期发展起来的强大的多用户、多任务操作系统.它支持多种处理器 架构,具有技术成熟、结构简练、可靠性高、可移植性好、可操作性强、网络和数据库 功能强、伸缩性突出和开放性好等特点.UNIX 操作系统可以满足各行各业的实际需要, 特别能满足企业重要业务处理的需要,它已经成为主要的工作站平台和重要的企业操作 平台.目前,UNIX 主要安装在巨型计算机、大型计算机上作为网络操作系统使用,也 可以用于个人计算机和嵌入式系统,它是目前唯一能在各种类型计算机硬件平台上稳定 运行的操作系统. 由于 UNIX 操作系统的设计理念先进, 当前许多流行的技术和方法 (如微内核技术、 进程通信方法、TCP/IP 协议、客户/服务模式等)都源自 UNIX,所以说它对近代的操作 系统有着不可估量的影响.即使是以今天的眼光来看待 UNIX,它也是一个非常成功的 操作系统. 4. Linux Linux 是一种源代码开放的操作系统.Linux 这个词本身只表示 Linux 内核,但目前 的实际情况是:人们已经将 Linux 操作系统看作是基于 Linux 内核,并且使用了 GNU 计 划的各种工具和数据库的操作系统. Linux 操作系统具有多种版本, 用户可以通过 Internet 免费获取 Linux 及其生成的工具软件的源代码,也可以根据自己的需要对它进行必要的 修改,无偿使用,无约束地继续传播. Linux 的设计定位于网络操作系统,它的设计灵感来自于 UNIX,因此它的命令的设 计比较简洁.由于纯文本可以很好地跨网络工作,所以 Linux 的配置文件及数据都是以 文本为基础.Linux 由于其系统软件可以免费获取、系统的移植性好、对硬件平台要求 低等特点,近年来发展十分迅猛. 5. Mac OS Mac OS 是运行于 Apple 公司的 Macintosh 系列计算机上的操作系统.它以美丽的外 观著称,是首个运用图形界........