计算机操作系统(1)

计算机操作系统

主讲教师: 宋江春

第1章 计算机操作系统概述

本章是对计算机操作系统的一个概述，主要介绍有关计算机操作系统的一些基本概念，操作系统的形成及发展过程，操作系统的分类，操作系统的功能及几种常用操作系统（DOS、WINDOWS，UNIX、LINUX）的历史简介。

1.1 什么是操作系统

1、 计算机系统的组成

计算机系统由计算机硬件和计算机软件两部分组成。

计算机硬件包括中央处理单元CPU（central processing unit）、存储器（memory,store,storage）、外围设备（peripheral devices）。

计算机软件包括系统软件（system software）、应用软件（application software）

2、 操作系统的定义

计算机操作系统是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统软件（或程序集合）。

3、 常用的操作系统

Msdos、OS/2、Windows、Unix、Linux等。

1.1.1 操作系统在软件层次中的地位

1、 操作系统在软件层次中的地位

操作系统是一种系统软件，系统软件还包括语言处理软件、例行服务程序等。软件的分类如表1-1

表1-1 软件分类

注：1、语言处理程序包括各种语言的编译程序、解释程序、汇编程序。

2、 例行服务程序包括库管理程序、链接程序、编辑程序及系统监控程序等。

3、 操作系统在软硬件层次中的地位

操作系统是计算机硬件的扩充，“裸机”+操作系统=虚拟机

一个裸机在每加上一层软件后，就变成了功能更强的虚拟机。操作系统与软硬件的层次关系如图1-1。

计算机用户

各种应用软件

汇编、编辑、编译软件和例行服务程序等

计算机操作系统

裸机

图1-1 操作系统和软硬件的层次图

4、 从不同的角度理解操作系统

①从人机交互的角度

操作系统是用户与计算机的接口，具有友好方便的用户接

口界面。

②从管理者的角度

操作系统是所管理资源的程序扩充。操作系统的工作就是分门别类地管理，并详细记录资源的使用情况，再按一定的策略对资源进行调度分配，为用户服务。

③从计算机系统结构的角度

操作系统是一种层次化、模块化结构的程序集合。

④从本课程的知识结构的角度

操作系统是计算机技术和管理技术的结合。

1.1.2 操作系统的设计观点

操作系统的设计观点包括用户观点和资源两方面。即一方面要面向用户服务；另一方面还要充分利用计算机的软硬件资源。

1.2 操作系统的形成和五大类型

计算机操作系统是随着计算机硬件的发展而逐步形成和发展起来的，早期的计算机操作系统（60年代以前）是以串行批处理的方式进行工作的；60年代中后期由于中断（interrupt）,通道（channel）技术的出现，使得并行处理成为可能，这为分时操作系统和实时操作系统奠定了基础。80年代后，由于计算机网络的出现，网络操作系统及分布式操作系统开始出现。

1.2.1 计算机操作系统的形成

第一代计算机（1945—1955）：电子管和手工操作

这一代计算机由主机（运算控制部件、内存）、输入设备（纸带输入机、卡片阅读机）输出设备（打印机）构成，其特点是运算速度慢，体积庞大。这一阶段是手工操作，无操作系统。

第二代计算机（1955—1965）：晶体管和批处理系统

随着计算机处理速度的提高（每秒几千次提高到每秒几百万次），为了提高计算机的自动化程度，人们研制了监督程序，由该程序自动依次处理一系列任务，于是进入了“单道批处理阶段”。该阶段可分为以下三个时期。

1. 联机批处理系统

（1） 工作方式（如图）

（2） 系统的优点

提高了计算机的自动化程度，减少了人工干预。

（3）系统的缺点

快速的CPU和慢速的I/O 设备之间产生矛盾，造成CPU资源的浪费。

2. 脱机批处理系统

（1） 工作方式 如图1-2

图案1-2 脱机批处理系统工作方式示意图

（2） 系统优点

缓解了CPU与I/O设备之间的矛盾，提高了CPU的资源利用率。

（3） 系统缺点

CPU与外围计算机完全隔离，可能造成系统“死机。

3. 执行系统

（1） 工作方式

系统的构架同于联机批处理方式，但通道和中断技术的引进，使CPU和I/O设备，CPU和通道的并行操作成为现实。(如图)

通道 通道

（2） 系统优点

克服了联机批处理系统和脱机批处理系统的缺点

（3） 系统缺点

作业的处理仍然是串行的。

第三代计算机（1965-1980）：集成电路芯片和多道程序设计技术

这一阶段操作系统初步形成并逐步完善，形成了三种基本的操作系统：多道批处理系统，分时操作系统和实时操作系统。

第四代计算机（1980—1990）：大规模集成电路芯片和传统操作系统。

操作系统向着改变用户界面，方便用户的方向发展。

第五代计算机（1990-）超大规模集成电路和网络及分步式操作系统。

以上的历史总结见表1-2

1.2.2 操作系统的五大类型

现有的计算机操作系统分为

批处理操作系统（batch processing operating system）；

分时操作系统（time sharing operating system）；

实时操作系统（real time operating system）；

网络操作系统（network operating system）；

分布式操作系统（distributed operating system）；

1. 批处理操作系统

(1) 多道程序设计技术的概念

多道程序设计技术就是在系统（内存）中同时存放并运行几道相互独立的程序。它是一种宏观上并行，微观上串行的运行方式，内存中的分区如图1-3

图1-3 一个多道程序系统在内存中的分区示意图

（2）多道批处理操作系统系统

多道批处理操作系统系统=批处理系统+多道程序设计技术；

其优点是成批处理作业，提高了作业吞吐量，多道程序运行，提高了资源的利用率。缺点是缺乏交互性。主要运用在大计算量的科学计算上。

（3）几个概念

多道程序系统（multi-programming system）

多重处理系统（multi-processing system）:多CPU 系统

多用户系统（multi-users system）：它一定是多道程序系统，但反之不然。

2. 分时操作系统

（1） 分时技术：将CPU的时间分成很短的时间片（几十毫秒-几百毫秒）轮流为每个用户工作，采用这种技术的操作系统称为分时操作系统。

（2） 优缺点：优点是控制简单，系统稳定性好； 系统交互性好。

缺点是用户的优先级不易控制。

3. 实时操作系统

（1） 实时操作系统要求计算机对外来信息能以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速响应。主要应用在实时处理之中。

（2） 优点是响应速度快，缺点是交互能力差。

4. 网络操作系统

（1） 网络操作系统包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务。

（2） 多用户系统和网络系统的比较（表1-3）

表1-3 多用户系统与网络系统的比较说明

5. 分布式操作系统

（1） 分布式操作系统的特征

（a） 需要一个全局的文件系统；

（b） 所有的CPU上运行同样的内核，统一的管理和控制机构，进行优化的协调工作；

（c） 有一个单一的、全局的进程通信机制。提供选择优化本地和远地的资源利用。

（d） 有全局的保护机制。

（2） 目前还仅仅是一个发展方向，无现成的产品推出。

1.3 操作系统的五大功能

操作系统的五大功能分别为：

（1） 作业管理（job management）；

（2） 文件管理（file management）；

（3） 存储管理（store,storage,main storage management）；

（4） 设备管理（devices management）；

（5） 进程管理（process management）；

1.3.1 作业管理

作业管理包括任务（task）管理,界面（interface）管理，人机交互的图形界面（icon），联机控制（on-line）,脱机控制（off-line）,假脱机（spooler）控制和作业调度及调度算法。

1.3.2 文件管理

文件管理又称为信息（message）管理,它是对计算机的软件资源的管理，其中包括文件的存储、检索、共享、保护等的方法、技术及算法。

1.3.3 存储管理

主要涉及内存空间充分利用的技术、多道、多重处理及内存的分配、保护和扩充。

1.3.4 设备管理

它是对计算机硬件的管理，主要包括对I/O设备的分配、启动、完成及回收，主要的技术有假脱机技术（SPOOLing）、队列及缓冲技术、设备驱动程序等。

1.3.5 进程管理

简单的讲，进程就是一段正在运行的程序，进程管理的主要内容包括：进程调度及调度算法、进程间的通信、进程的死锁及解决的办法。由于进程管理和CPU的管理密切相关，因此本教材将其并为一章。

1.4 操作系统版本历史简介

1.4.1 DOS 操作系统简史

见表1-4

1.4.2 Windows 操作系统简史

见表1-5

1.4.3 UNIX 操作系统简史

见表1-6

UNIX 操作系统的变种见表1-7

1.4.4 Linux操作系统简史

见表1-8

1.5 表征操作系统的属性

1. 响应比，响应系数（Response Ratio）

（1）Rp=作业响应时间/运行时间

影响Rp的因素有：CPU速度，内外存对换，I/O调度，用户数，时间片，事件优先权等

（3） Rp与设备利用率的关系

如下表１－９

　　　　　表１－９　操作系统响应系数与设备利用率的比较

２.并发性（concurrent）也叫“共行性”

并发性的特征有如下几点：

（1） 多个作业并发执行或一个用户作业的多个程序段间并发执行：

（2） 多个I/O 设备间并发工作：

３.信息的共享、保密与保护

操作系统中常见的加密方法有三种，分别为

（1） 给用户设置登录口令：

（2） 给文件加权限：

（3） 给文件加密。

４.可扩充性、可移植性、可读性、可“生成”（generation）性

5.可测试性

(1)α测试与β测试

(2)常用的测试指标

(a) MIPS（ million instruction per second）--每秒百万条指令

(b) TPS（transactions per second）--每秒处理的事务数

一般地，（a）用着测试计算机的数据处理能力，（b）用着测试计算机的I/O处理能力。

6.安全可靠性

7．“行业评测性能比较”

8.几种常用的操作系统特点比较

见表1-10

表1-10 几种常用操作系统特点比较

1.6 操作系统的“生成”、设置和配置概念

1.6.1 “生成”（system generation）、配置(configuration)和设置(setup)

1． 操作系统的安装

各种操作系统均提供一个安装程序为操作系统的安装提供方便，如DOS、WINDOWS的SETUP.EXE ，UNIX的N1盘。安装的方式一般有如下几种：

（1） 最小安装

（2） 典型安装

（3） 完全安装

（4） 自定义安装

2． 操作系统的配置和设置

配置和设置的目的是为了形成更适合用户的操作系统环境。

3． 操作系统的“生成”

所谓操作系统的“生成”（generation）是指将操作系统安装在计算机上，并对操作系统作适当配置而形成操作系统内核（kernel）的过程。

1.6.2 操作系统引导

1． 几个基本概念

(1) 基本输入输出系统---BIOS（basic input output system）,它是与计算机硬件打交道的低层代码，由计算机厂商提供，一般固化在只读存储器ROM 中。

(2) 小型计算机系统接口---SCSI（small computer system interface）,它是计算机外部设备的一种标准接口方式。

(3) 内存及地址---内存一般指RAM（random access memory）,内存中每一字节都赋以一个编码，这个编码称为地址（address）,它是一个16进制的数字

2．DOS、Windows 的启动过程

（1）DOS 的构成

DOS 由BIOS、核心和Shell 三个层次组成，BIOS是底层设备驱动程序的集合，BIOS使得DOS可以与具体的机器硬件相分离。DOS的隐含文件io.sys提供DOS与BIOS的调用接口。而核心放在文件msdos.sys中，它负责进程管理、存储管理、与文件管理、解释系统调用并执行。Shell 即为命令解释程序，存放在文件command.com中，它负责键盘命令的解释及执行。

(2) DOS、Windows的启动过程

（a） 系统加电

系统加电时，主板的控制芯片向CPU 发一个RESET信号，待电源稳定后，撤去RESET，CPU 从ROM 中的地址0XFFFF0开始执行指令。

（b） 加电自检（POST）

主要是检查系统中的一些关键设备（内存、显示卡）是否存在。

（c）检查各种设备的BIOS

主要是检查及初始化各种设备（显卡、IDE卡、SCSI卡等），设备初始化后，系统显示设备的状况。

（d）CPU及RAM检查

检查CPU的类型、时钟频率及RAM的校验。

(e) 检测系统中的其他I/O设备

主要有硬盘、CD-ROM、软驱、串口、并口等

(f) 检测系统中的即插即用设备

检测PnP设备并为其分配资源（中断、DMA通道及端口地址）

(g) 系统更新ESCD中的数据

ESCD---extended system configuration data，它是系统BIOS 与DOS交换硬件配置的手段，它存放在CMOS 中。

(h) DOS、Windows 启动

系统BIOS从启动盘的零磁道读入主引导记录，主引导记录将io.sys及msdos.sys调入内存；读入config.sys来作系统最后的配置；DOS本身读入Command.com，Command.com 执行自动批处理文件autoexec.bat ，系统处于待命状态。

1.6.2 系统管理员

系统管理员的工作内容如下

1． 系统管理员任务

2． 一般日常工作

3． 阶段性工作

4． 维修常识

1.7 重点小节

1． 计算机操作系统是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统软件（或程序集合）。

2． 操作系统有五大类型---批处理、分时、实时、网络和分步式操作系统。

3． 操作系统的设计有用户观点和系统资源管理的观点，面对用户的观点主要是为用户提供方便、安全的工作环境及良好的用户界面；系统资源管理的观点则是对计算机的各种资源进行记录、分配、调度及回收。

4． 操作系统是用户和计算机的接口。一般用户采用命令的方式与计算机进行交互；编程人员则用系统调用的方式控制计算机。

5． 操作系统采用多道程序设计、分时、并行、并发等技术来提高CPU处理多个任务的能力，以提高CPU的利用率。

6． 采用通道、中断、缓冲、队列等技术来解决高速CPU和慢速I/O设备之间的矛盾。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/2207a5046edb6f1aff001f4e.html