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指导教师 杨建国 二零零九年九月 计算机导论 问题五 大学生如何生活 爱情 时间 金钱 身心健康 人际关系 思考 我的名字就是寂寞 呵呵 大学里追女孩 也是哥关心的事情 不过哥不是谈的恋爱 谈的是寂寞 学会 感恩 对自己对父母对同学对老师对学校对社会 送给学生的话 5 1操作系统的形成与发展5 2操作系统实例5 3什么是操作系统 目标 地位 用户接口 功能 操作系统OperatingSystems 推荐阅读 硬件子系统中央处理器 运算器 控制器 寄存器存储器 内存 外存外设 输入设备 输出设备软件子系统系统软件 操作系统 语言翻译程序 数据库管理系统应用软件 通用应用软件 专用应用软件 计算机系统 计算机系统的层次结构 操作系统 裸机 系统应用程序 用户程序 什么是操作系统 我是魔术师 差 好 少 多 复杂 容易 我是管家 CPU 内存 外存 I O 健壮 安全 为什么要学操作系统 我不学OS 也可以编程 为什么要学 程序怎么运行 正确吗 效率高吗 功能和技巧是基础 窥探奥秘 5 1操作系统的形成与发展 推动OS发展的动力 社会基本矛盾是社会发展的根本动力1 不断提高计算机资源利用率2 方便用户3 器件的不断更新换代 硬件成本的下降 4 计算机体系结构的不断发展 计算机功能和复杂性 攻击者博弈 1 状态机OS 1940以前 2 单一操作员 单一控制端0S 40年代 人们用机器语言编程后 用穿孔机将编写好的程序及相应的数据穿孔在纸带 卡片上 通过纸带 卡片机输入计算机启动计算机执行程序 通过控制台上的开关 按钮和指示灯来操作和控制程序的执行程序执行完并取走计算结果后 下一个用户才能使用该计算机高速的CPU绝大部分时间处于等待慢速的手工操作和外设运行 计算机资源得不到有效利用 3 批处理OS 50年代 随着计算机速度的提高 在整个计算中人工操作所占的比例越来越大 为了尽量摆脱人工的干预 解决人机矛盾 提高自动化程度 人们研制了监控程序 由监控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 在监控程序的帮助下一个程序独享计算机资源 4 多道批处理OS 60年代 随着中断技术和多道程序技术的出现 监控程序发展成为一个重要的软件分支 操作系统 在批处理操作系统的帮助下 多个程序可以同时运行 共享资源 批处理是指用户作业可以成批输入并处理 即将作业一批一批地输入系统并暂存在外存中 组成一个后备作业队列每次按一定的调度原则从后备作业中挑选一个或多个装入主机处理 作业完成后退出主机 作业的装入和退出均由系统自动实现 批处理操作系统的特点 优点 系统的吞吐量大 资源利用率高缺点 是用户在其作业运行期间不能在控制台或终端上请求系统的服务以直接干预其作业的运行过程 所以不适合做交互性强的工作批处理系统主要配置在较大的计算机系统上 由于这些机器的硬件设置齐全 价格昂贵 希望有作业的大吞吐量 以便充分利用系统资源 5 分时OS 实时OS 70年代 分时是指多个用户对系统资源进行时间上的分享安装有分时操作系统的计算机能为多个终端用户服务 同时可保证每个用户都能经常与计算机进行交互在分时操作系统中把CPU的时间分成很短的时间片 在每一个时间片内 CPU专为一个用户工作 时间一到 无论工作结束与否CPU都会暂停服务 转而为下一个用户工作 分时操作系统的特点 多路性 宏观上 多个用户通过终端同时工作 共享资源微观上 各终端作业轮流在自己的时间片内进行处理交互性 分时系统中用户的操作方式是联机方式 即用户通过终端采用人机会话的方式直接控制程序运行 所以在程序运行中 系统与用户可以及时进行广泛的人机对话 独占性 由于CPU处理的速度大大高于用户操作的速度 所以尽管CPU按时间分片为多个用户轮流服务 每个用户的感觉仍然认为自己好像独占着计算机系统及时性 由于时间片很短 每个作业等待运行的时间不会很长 所以系统对每一个用户的输入请求能作出较快的响应 使用时注意最多用户数目 分时操作系统中工作的主动权掌握在计算机手里 其分时时间片的大小在一定程度上取决于时间片的切换速度 即随着时间片时间的减少 切换时间所占的比例随之增大 随着用户数目的不断增加 这种矛盾会越来越突出所以在使用多用户分时系统时要注意操作系统厂商提供的最多用户数目 实时二字的含义是表示 立即工作 是指计算机对于外来信息能够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反应所以 实时操作系统具有瞬时响应的本领 使它在实时控制和实时信息处理领域中备受欢迎 如 工业自动控制导弹发射控制火车 飞机票定票系统 情报检索系统 银行系统等等 实时与分时操作系统的区别 实时系统一般是专用的 其交互能力比较差 只允许用户访问数量有限的专用程序 系统响应时间要求极高分时系统具有很强的通用性 有很强的交互功能 响应时间可以稍长 以不超过用户的忍耐范围为限 注意 总的来说 批处理系统 分时系统和实时系统是操作系统的三种基本类型而一个实用的操作系统可以是独立的一种系统 也可以是两两结合或三者兼而有之的通用操作系统 6 现代OS 80年代后 1 网络操作系统网络操作系统是在原来各自计算机操作系统的基础上 按照网络体系结构提供计算机网络管理 通信 资源共享 系统安全和多种网络应用服务 网络操作系统的特点 当计算机系统进入网络后 就必然要与网络中其它系统和用户交往 实现系统之间的协调与联系为了适应这种情况 网络操作系统除了具有基本类型操作系统中所应具备的管理功能和服务功能外 还应具有网络管理和服务功能 主要包括 网络资源共享 网络通信 作业迁移等 2 分布式操作系统真正的分布式操作系统 其定义应为运行在不具有共享主存的多台计算机上 而在用户眼里却像是一台计算机其运行的基础是一群联网的计算机 其行为像是一台虚拟的单处理计算机 用户不必关心计算机的资源在什么地方 什么时间工作以及资源如何调配工作等 分布式操作系统的特点 需要一个全局的文件系统所有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要有一个单一的 全局的进程通信机制 提供选择和优化本地和远地的资源利用有全局的保护机制等注意 目前还不存在完全满足该定义的分布式操作系统 有些系统也只能称作半分布式系统 分布式操作系统是当今操作系统发展的一个重要方向 网络与分布式操作系统的区别 网络操作系统与分布式操作系统虽然都属于管理分布在不同地理位置的计算机 但最大的差别是 在网络操作系统中工作 用户必须知道网址在分布式操作系统中 用户可以不知道计算机的确切地址 尤其是全分布式操作系统 即应该由系统自动寻找地址 并合理分配各种资源 五类操作系统为用户服务的方式类比 3 通用操作系统同时具备实时 分时 批处理功能按优先级分类处理UNIX的早期版本是当时通用操作系统的代表 4 微机操作系统单用户单任务一个用户执行一个程序CP M MS DOS单用户多任务一个用户可以执行多个程序Windows2000 WindowsXP多用户多任务多个用户可以分别执行多个程序微机版UNIX和Linux 5 多处理器操作系统多处理器系统的优点提高系统的吞吐量和可靠性节省投资多处理器操作系统分类主 从模式 易于实现 资源利用率低对称模式 资源利用率高多处理器操作系统实例SUN公司的SolarisAT T公司的UNIXSystemV4 0MP版本DG公司的DG UX 6 嵌入式操作系统嵌入式计算机嵌入到其他设备中控制被嵌入设备的运行嵌入式操作系统运行在嵌入式计算机中的操作系统WindowsCE VxWorks等是常用的嵌入式操作系统 7 未来OS 2010年后 5 2操作系统实例 OSMS DOS1 7 WIN3X WIN95 WIN97 WIN98 WIN2000 WINME WINXP VISTA WIN7MAC ChroemNOSWINNT WIN2000SERVER WIN2003 WIN2008NETWARELINUX redflag redhat fedora Ubuntu veketUNIX 1 CP M controlprogram microprocessorormicrocomputer 微型计算机的第一个操作系统加里 基尔代尔 开发PL M语言 诞生于1974年的8位微型机操作系统主要功能 能够进行文件管理具有磁盘驱动功能可以控制磁盘的输入输出可以控制显示器的显示以及打印机的输出版本 CP M 80 CP M 86 CP M 68K 2 MS DOS MicrosoftDiskOperatingSystem 花2 5万从蒂姆 佩特森QDOS购买改写的1981年8月DOS1 0 2000年9月MS DOS8 0fdisk format dir cd del debug copy 我国推出基于MS DOS的汉字磁盘操作系统CC DOS 给青年的11条忠告 3 WIN7Windows7的设计主要围绕五个重点 针对笔记本电脑的特有设计基于应用服务的设计用户的个性化视听娱乐的优化用户易用性的新引擎演示 4 WIN2008新的Web工具 虚拟化技术 安全性的强化以及管理公用程序 不仅可帮助您节省时间 降低成本 并可为IT基础架构提供稳固的基础演示 5 MAC1976年 由斯蒂夫 乔布斯和斯蒂夫 沃兹尼亚克创立世界上第一台个人电脑是由苹果公司是创建第一个开发了具有图形界面及使用鼠标和菜单的操作系统MacOSXv10 6 SnowLeopard 演示 6 UNIX1969年KenThompson DennisRitchie和DouglasMcllroy在AT T的贝尔实验室开发技术成熟 可靠性高 网络和数据库功能强 伸缩性突出和开放性好等特色 可满足各行各业的实际需要加州大学Berkeley分校开发的BSD产品 FreeBSD OpenBSD和NetBSD很多公司开发了自己的Unix 比如IBM的AIX HP的HPUX SUN的Solaris和SGI的IRIX演示 7 LINUX1991年4月芬兰赫尔辛基大学的学生LinusTorvalds想设计一个代替Minix的操作系统Linux的基本思想有两点 第一 一切都是文件 第二 每个软件都有确定的用途Linux的标志和吉祥物是一只名字叫做Tux的企鹅有的Linux版本通过CD或者USB就能使用 称为LiveCDFedoraCore RedHatLinux UbuntuLinux redflagLinux veket 演示 8 VxWorks操作系统是美国WindRiverSystem推出的一个实时操作系统嵌入式Vxworks的主要应用领域 数据网络 以太网交换机 路由器 远程接入服务器等远程通讯 电信用的专用分组交换机和自动呼叫分配器 蜂窝电话系统等医疗设备 放射理疗设备消费电子 个人数字助理等交通运输 导航系统 高速火车控制系统等工业 机器人航空航天 卫星跟踪系统多媒体 电视会议设备计算机外围设备 X终端 I O系统等演示 5 3什么是操作系统 1 什么是操作系统通俗地讲 操作系统就是计算机系统的 管家 专业地讲 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 从为用户服务的角度看 假如没有操作系统 人们不得不像最早期使用计算机的用户那样 用一大堆 0 和 1 的数据来和计算机进行交流而有了操作系统 对于一个普通的计算机用户而言 就不一定要知道计算机内部的二进制工作原理 人们只要利用操作系统在显示器屏幕上给出的某种界面即可进行各种操作所以操作系统是用户和计算机之间的接口 普通用户必须通过它才能与计算机进行操作 从资源管理的角度看 操作系统是计算机中各种软硬件资源的管理者 根据计算机的软件和硬件资源可分成文件管理 存储管理 设备管理和处理机管理这几个部分的管理功能相对独立又互相关联 它们协调配合工作 共同完成软硬件资源的管理操作系统所做的工作就是分门别类的进行管理 并详细记录资源的使用情况 再按一定策略对资源进行调度分配 为用户服务不同的操作系统管理的策略和方法是不同的 从管理者角度看 管理工作的含义是管理者按一定的时间和一定的空间调度所管辖下的人力 物力和财力进行协调工作同样计算机操作系统也有时间与空间管理的概念 如进程 处理机 管理属于时间管理 存储管理属于空间管理实际上操作系统是一个人为设计的自动管理者 作为计算机系统的自动管理者 它需要做到在方便上机用户的前提下 监督和控制计算机软件和硬件资源的协同工作 并有效地提高资源的利用率 总结一下 操作系统是 软件 程序集合 计算机与用户之间的友好使者 用户接口 管理者 管理软件和硬件资源 2 操作系统的目标方便性有效性开放性可靠性可扩充性可移植性 3 操作系统在软件中的地位操作系统是计算机硬件上的第一层扩充 4 操作系统的用户接口用户在使用计算机时看到的是操作系统的用户界面 也称为用户接口 用户在这个界面下与计算机进行交互和沟通 提交用户的作业在实际操作中 用户通过输入设备 如键盘 鼠标器 触摸屏等 将要求 告诉 计算机 计算机收到这些请求后再来为用户服务操作系统的作业管理为用户提供了三种接口 命令接口 图形接口和程序接口 1 命令接口 图形接口基本任务 其一是判别和解释用户输入的操作命令 并将相应的命令操作转向对应的命令处理程序其二是接收从操作系统传来的信息 然后通过屏幕提示等方式提供给用户 命令接口 除了直接用命令外 还有其它方式 用户可不必事先记住命令及其选择项参数 就可以和计算机进行交互特别是Windows操作系统广泛应用以来 窗口技术得到了极大的发展 它提供了更友好的 图形用户接口 2 操作系统的程序接口为编程人员提供的在程序模式下的系统调用接口 用它们来请求操作系统服务 简称程序接口 如LINUX用户通过在程序中使用这些系统调用命令来请求系统提供的服务 系统调用命令可查阅相应操作系统的 高级程序员手册 具体格式因系统而异对于每种操作系统而言 所提供的系统调用命令条数 格式以及所执行的功能等都不尽相同即使是同一种操作系统 其不同版本所提供的系统调用命令条数也会有所增减 5 操作系统的功能操作系统的用户接口起到了沟通用户和计算机系统的 桥梁 作用 但从操作系统是管理者的角度来说 其职能还必须管理计算机系统的软硬件资源操作系统这个 管家 的管理功能 作业管理进程管理存储管理设备管理文件管理 作业 进程的名词解释 作业 是指用户在一次计算过程或在一次事务处理过程中 要求计算机系统所做工作的集合 一次任务 进程 是操作系统进行资源分配 调度和管理的最小单位 实质上进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行 但进程与程序并不一一对应 一个程序可以对应一个进程 也可以对应几个进程 反之 一个进程可以对应一个程序 也可以对应一段程序 作业调度 确定系统中哪些作业将获得CPU进程调度 确定系统中哪个作业中的哪个进程将获得CPU 1 作业管理作业管理的功能是提供用户与操作系统的接口 并对用户作业进行合理调度 以提高系统的吞吐量和缩短作业的周转时间具体的说 用户是通过命令或者程序 系统调用 向计算机发出请求 当计算机收到用户请求后 利用操作系统提供的命令解释来调用相应的处理程序 有序有效地使用各种系统资源 完成用户作业的处理 2 文件管理文件管理是对计算机软件资