第2章操作系统2014

1、本节内容：2.4.2 系统软件系统软件（1）操作系统）操作系统操作系统是最基本的系统软件，其他的所有软件都是建立在操作系统是最基本的系统软件，其他的所有软件都是建立在操作系统的基础上。操作系统的基础上。管理软、硬件资源管理软、硬件资源协调后台工作协调后台工作提供用户与计算提供用户与计算机的交互接口机的交互接口操作系统为用户提供了一种合理使用计算机软、硬件资源的工作环境。操作系统为用户提供了一种合理使用计算机软、硬件资源的工作环境。 操作系统操作系统（1）操作系统的发展）操作系统的发展操作系统的发展历程大至可以分为操作系统的发展历程大至可以分为如下几个阶段如下几个阶段: 1、手工操作阶段、手工操

2、作阶段 2、批处理阶段、批处理阶段 3、执行系统阶段、执行系统阶段 4、操作系统形成阶段、操作系统形成阶段 5、操作系统的成熟阶段、操作系统的成熟阶段 个人计算机上的操作系统：个人计算机上的操作系统：DOS是单是单用户单任务的操作系统；用户单任务的操作系统；Windows 95及其之后的及其之后的Windows操作系统是多任操作系统是多任务操作系统。务操作系统。网络操作系统网络操作系统（2）操作系统的分类按与用户对话的界面分类按与用户对话的界面分类:可分为命令行可分为命令行界面操作系统界面操作系统(如如MS DOS、Novell等等)和图和图形用户界面操作系统形用户界面操作系统(如如Windo

3、ws等等)。按系统的功能标准分类按系统的功能标准分类:可分为可分为3种基本类种基本类型型,即批处理系统、分时系统、实时系统。即批处理系统、分时系统、实时系统。随着计算机体系结构的发展随着计算机体系结构的发展,又出现了许又出现了许多种操作系统多种操作系统,如个人计算机操作系统、如个人计算机操作系统、网络操作系统和智能手机操作系统。网络操作系统和智能手机操作系统。（2）操作系统的分类批处理系统批处理系统在批处理系统中在批处理系统中,用户可以把作业一批批地用户可以把作业一批批地输入系统。输入系统。它的主要特点是允许用户将由程序、数据它的主要特点是允许用户将由程序、数据以及说明如何运行该作业的操作说明

4、书组以及说明如何运行该作业的操作说明书组成的作业一批批地提交系统成的作业一批批地提交系统,然后不再与作然后不再与作业发生交互作用业发生交互作用,直到作业运行完毕后直到作业运行完毕后,才能才能根据输出结果分析作业运行情况根据输出结果分析作业运行情况,确定是否确定是否需要适当修改再次上机。需要适当修改再次上机。批处理系统现在已经不多见了。批处理系统现在已经不多见了。批处理操作系统批处理操作系统分时操作系统分时操作系统分时操作系统的主要特点是将分时操作系统的主要特点是将CPU的时间划分的时间划分成时间片成时间片,轮流接收和处理各个用户从终端输入轮流接收和处理各个用户从终端输入的命令。如果用户的某个处

5、理要求时间较长的命令。如果用户的某个处理要求时间较长,分分配的一个时间片还不够用配的一个时间片还不够用,它只能暂时停下来它只能暂时停下来,等待下一次轮到时再继续运行。等待下一次轮到时再继续运行。由于计算机运算的高速性能和并行工作的特点由于计算机运算的高速性能和并行工作的特点,使得每个用户感觉不到别人也在使用这台计算使得每个用户感觉不到别人也在使用这台计算机机,就好像他独占了这台计算机。就好像他独占了这台计算机。典型的分时系统有典型的分时系统有UNIX、Linux等。等。（2）操作系统的分类分时操作系统分时操作系统实时操作系统实时操作系统实时操作系统的主要特点是对信号的输实时操作系统的主要特点是

6、对信号的输入、计算和输出都能在一定的时间范围入、计算和输出都能在一定的时间范围内完成。内完成。根据具体应用领域的不同根据具体应用领域的不同,又可以将实时又可以将实时系统分成两类系统分成两类:实时控制系统实时控制系统(如导弹发射如导弹发射系统、飞机自动导航系统系统、飞机自动导航系统)和和实时信息处实时信息处理系统理系统(如机票订购系统、联机检索系统如机票订购系统、联机检索系统)。（2）操作系统的分类实时操作系统实时操作系统全世界有数百种产品在应用: 波音波音777（航空电子设备）（航空电子设备） 医药医药 手机手机 GPS航海航海个人计算机操作系统个人计算机操作系统个人计算机操作系统是一种运行在

7、个人计算机上个人计算机操作系统是一种运行在个人计算机上的单用户多任务操作系统。的单用户多任务操作系统。主要特点是主要特点是:计算机在某个时间内为单个用户服计算机在某个时间内为单个用户服务务;采用图形用户界面采用图形用户界面,界面友好界面友好;使用方便使用方便,用户无用户无需专门学习需专门学习,也能熟练操纵机器。也能熟练操纵机器。目前常用的是目前常用的是Windows的的Home和和Professional版、版、Linux等。等。 （2）操作系统的分类网络操作系统网络操作系统网络操作系统是在单机操作系统的基础网络操作系统是在单机操作系统的基础上发展起来的上发展起来的,能够管理网络通信和网络能够

8、管理网络通信和网络上的共享资源上的共享资源,协调各个主机上任务的运协调各个主机上任务的运行行,并向用户提供统一、高效、方便易用并向用户提供统一、高效、方便易用的网络接口的一种操作系统。的网络接口的一种操作系统。目前常用的有目前常用的有Windows Server。（2）操作系统的分类智能手机操作系统智能手机操作系统智能手机操作系统运行在高端智能手机上。智智能手机操作系统运行在高端智能手机上。智能手机具有独立的操作系统、良好的用户界面能手机具有独立的操作系统、良好的用户界面,以及很强的应用扩展性以及很强的应用扩展性,能方便随意地安装和删能方便随意地安装和删除应用程序。除应用程序。目前常用的智能手

9、机操作系统有目前常用的智能手机操作系统有Android(安卓安卓)、iPhoneOS、Symbian(塞班塞班)、Windows Phone系列系列和和Black Berry OS(黑莓黑莓)。（2）操作系统的分类（3）设计操作系统的目标设计操作系统的目的是为了用户操作计设计操作系统的目的是为了用户操作计算机时更加方便算机时更加方便,使计算机的运行效率更使计算机的运行效率更高高,更方更地扩充计算机的功能以及为计更方更地扩充计算机的功能以及为计算机程序提供良好的移植性。算机程序提供良好的移植性。所以说所以说,操作系统应具有操作系统应具有方便性方便性、有效性有效性、可扩充性可扩充性和和开放性开放性

10、。（4）操作系统层次结构）操作系统层次结构 操作系统可以分为操作系统可以分为系统层系统层、管理层管理层和和应用层应用层3 3个层次。个层次。系统层系统层是最里层，具有初级中断处理、外部是最里层，具有初级中断处理、外部设备驱动等功能。设备驱动等功能。管理层管理层是中间层，包括存储管理、是中间层，包括存储管理、I/OI/O处理、处理、文件存取等。文件存取等。应用层应用层是最外层，接收并解释用户命令，是是最外层，接收并解释用户命令，是用户与操作系统的接口。用户与操作系统的接口。 (5) 操作系统的功能操作系统的功能CPU管理管理 存储管理存储管理设备管理设备管理 文件管理文件管理作业管理作业管理操作

11、系统对计算机的资源进行控制和操作系统对计算机的资源进行控制和管理的功能主要分为以下五个部分：管理的功能主要分为以下五个部分：1）CPU管理管理 CPU管理管理,即如何分配即如何分配CPU给不同的应用和给不同的应用和用户用户,也可以说也可以说CPU管理就是所谓的进程管理就是所谓的进程管理。管理。进程是进程是CPU进行资源分配的单位，就是一进行资源分配的单位，就是一个正在执行的程序。个正在执行的程序。 通常把正准备进入内存的程序称为作通常把正准备进入内存的程序称为作业，作业进入内存后称为进程。业，作业进入内存后称为进程。Windows任务管理器 正在运行的应用程序正在运行的应用程序正在运行的进程正

12、在运行的进程1）CPU管理管理 执行状态 就绪状态 挂起状态 等待某个事件 进程被选中 时间片到 发生了某个事件 图 2-29 进程的状态及其转换 1）CPU管理管理程序程序程序以文件的形式存放在外储存器程序以文件的形式存放在外储存器上上,开始执行时就被操作系统从外存开始执行时就被操作系统从外存储器调入内存。储器调入内存。单单道程序系道程序系统统多道程序系多道程序系统统1）CPU管理管理程序和进程的主要区别程序和进程的主要区别程序是一个静程序是一个静态态的概念的概念,指的是存放在外存指的是存放在外存储储器器上的程序文件上的程序文件;进进程是一个程是一个动态动态的概念的概念,描述程描述程序序执执

13、行行时时的的动态动态行行为为。 。程序可以脱离机器程序可以脱离机器长长期保存期保存,即使不即使不执执行的程序行的程序也是存在的。而也是存在的。而进进程是程是执执行着的程序行着的程序,程序程序执执行行完完毕进毕进程也就不存在了程也就不存在了,所以所以进进程的生命是程的生命是暂时暂时的。的。一个程序可多次一个程序可多次执执行并行并产产生多个不同的生多个不同的进进程。程。1）CPU管理管理线程线程随着硬件和软件技术的发展随着硬件和软件技术的发展,为了更好地实现并发处理为了更好地实现并发处理和共享资源和共享资源,提高提高CPU的利用率的利用率,目前许多操作系统把进目前许多操作系统把进程再程再“细分细分

14、”成线程成线程(threads)。目的：一个进程细分成多个线程后目的：一个进程细分成多个线程后,可以更好地共享资可以更好地共享资源。源。在在Windows中中,线程是线程是CPU的分配单位。把线程作为的分配单位。把线程作为CPU的分配单位的好处是的分配单位的好处是:充分共享资源源充分共享资源源,减少内存开销减少内存开销,提高并发性提高并发性,切换速度相对较快。切换速度相对较快。 2 2） 存储管理存储管理计算机中的存储层次结构计算机中的存储层次结构2)存储管理存储管理存储管理,即如何分配存储空间给不同即如何分配存储空间给不同的应用和用户的应用和用户,主要包括对内存和外存的主要包括对内存和外存的

15、管理两部分。管理两部分。其主要功能是管理缓存、主存、磁盘、其主要功能是管理缓存、主存、磁盘、磁带等存储介质所形成的内存架构。磁带等存储介质所形成的内存架构。 2)存储管理与存储管理有关的几个基本概念：与存储管理有关的几个基本概念：(1)物理地址物理地址内存中每个字节都有一个唯一的编号，这内存中每个字节都有一个唯一的编号，这个编号就是内存地址，也就是物理地址。个编号就是内存地址，也就是物理地址。内存地址从内存地址从0编号，最大值取决于内存的大编号，最大值取决于内存的大小和地址寄存器所表现的最大值。小和地址寄存器所表现的最大值。(2)物理空间物理空间物理地址的集合叫物理空间，也就是某个物理地址的集

16、合叫物理空间，也就是某个存储设备的总容量。存储设备的总容量。 2)存储管理(3)逻辑地址逻辑地址：程序运行时，特别是多道程序运：程序运行时，特别是多道程序运行时，用户程序经过编译或汇编形成的目标代行时，用户程序经过编译或汇编形成的目标代码，通常采用相对地址形式，其首地址为零，码，通常采用相对地址形式，其首地址为零，其余指令中的地址都是相对首地址而定。这个其余指令中的地址都是相对首地址而定。这个相对地址就称为逻辑地址或虚拟地址。相对地址就称为逻辑地址或虚拟地址。 (4)逻辑地址空间逻辑地址空间：逻辑地址的集合形成一个地：逻辑地址的集合形成一个地址范围，这个范围就叫逻辑地址空间。址范围，这个范围就

17、叫逻辑地址空间。(5)地址映射地址映射：逻辑地址转为物理地址逻辑地址转为物理地址，这一过，这一过程称为地址映射或地址重定位。程称为地址映射或地址重定位。2)存储管理存储管理策略存储管理策略 内存分配策略内存分配策略 地址重定位地址重定位 虚拟存储器虚拟存储器内存分配策略内存分配按分配时机的不同内存分配按分配时机的不同,可分为以下两种方式。可分为以下两种方式。静态存储分配静态存储分配:指内存分配是各目标模块链接后指内存分配是各目标模块链接后,在作业在作业运行之前运行之前,把整个作业一次性全部装入内存把整个作业一次性全部装入内存,并在作业的并在作业的整个运行过程中整个运行过程中,不允许作业再申请其

18、他内存不允许作业再申请其他内存,或在内存或在内存中移动位置。也就是说中移动位置。也就是说,内存分配是在作业运行前一次内存分配是在作业运行前一次性完成的。性完成的。动态存储分配动态存储分配：作业要求的基本内存空间是在作业装：作业要求的基本内存空间是在作业装入内存时分配的入内存时分配的,但在作业运行过程中但在作业运行过程中,允许作业申请附允许作业申请附加的内存空间加的内存空间,或是在内存中移动位置或是在内存中移动位置,即分配工作可以即分配工作可以在作业运行前及运行过程中逐步完成。在作业运行前及运行过程中逐步完成。地址重定位地址重定位是建立用户程序的逻辑地址重定位是建立用户程序的逻辑地址与物理地址之

19、间的对应关系。地址与物理地址之间的对应关系。按实现地址重定位的时机不同按实现地址重定位的时机不同,地址地址重定位又分为两种重定位又分为两种: 静态地址重定位静态地址重定位 动态地址重定位动态地址重定位虚拟存储器计算机的内存是计算机的内存是CPU可以直接存取的存储器。一个可以直接存取的存储器。一个进程要在进程要在CPU上运行上运行,就一定要占用一定的内存就一定要占用一定的内存;否则否则就无法运行。内存的特点是速度快就无法运行。内存的特点是速度快,但是容量相对较但是容量相对较小。尽管目前的微机可以配置几个小。尽管目前的微机可以配置几个GB以上的内存以上的内存,但但是仍然不能满足实际的需要。为了解决

20、这个问题是仍然不能满足实际的需要。为了解决这个问题,操操作系统使用一部分硬盘空间模拟内存作系统使用一部分硬盘空间模拟内存,即虚拟内存即虚拟内存,为为用户提供了一个比实际内存大得多的内存空间。用户提供了一个比实际内存大得多的内存空间。虚拟内存的最大容量与虚拟内存的最大容量与CPU的寻址能力有关。如果的寻址能力有关。如果CPU的地址线是的地址线是20位的位的,则整个内存空间最多是则整个内存空间最多是220=1MB;若若CPU的地址线是的地址线是32位的位的,则整个内存空间可则整个内存空间可以达到以达到232=4GB。2)存储管理Windows存储管理存储管理 内存管理内存管理Windows7操作系

21、统的资源监视器提供了对计算操作系统的资源监视器提供了对计算机内存性能报告。机内存性能报告。选择选择“开始开始”中的中的“程序程序”菜单下的菜单下的“附件附件”中的中的“系统工具系统工具”中的中的“资源监视器资源监视器”命令即命令即可运行资源监视器程序。可运行资源监视器程序。在资源监视器窗口选择在资源监视器窗口选择“内存内存”标签标签,即会显示即会显示系统所有正在运行进程的内存占用情况。系统所有正在运行进程的内存占用情况。2)存储管理Windows存储管理存储管理 外存储器管理外存储器管理在在Windows7操作系统的资源监视器窗口操作系统的资源监视器窗口中的中的“磁盘磁盘”选项卡选项卡,提供了

22、查询、修改提供了查询、修改系统磁盘的功能。系统磁盘的功能。Windows7附件提供的磁盘碎片整理工具附件提供的磁盘碎片整理工具“磁盘碎片整理程序磁盘碎片整理程序”,可以进行磁盘碎可以进行磁盘碎片整理。片整理。2)存储管理Windows存储管理存储管理 虚拟内存的设置虚拟内存的设置在在Windows7桌面的桌面的“计算机计算机”图标上右击图标上右击,在弹出的快在弹出的快捷菜单中选择捷菜单中选择“属性属性”命令命令,在弹出的系统属性窗口中在弹出的系统属性窗口中选择选择“高级系统设置高级系统设置”“高级高级”项项,单击单击“设置设置”按钮按钮弹出弹出“性能选项性能选项”窗口窗口,在其窗口中选择在其窗

23、口中选择“高级高级”选项选项卡卡,再单击再单击“更改更改”按钮按钮,弹出弹出“虚拟内存虚拟内存”窗口。在窗口。在“虚拟内存虚拟内存”窗口中窗口中,选中选中“自定义大小自定义大小”单选按钮单选按钮,在在“初始大小初始大小”和和“最大值最大值”文本框中输入合适的范围文本框中输入合适的范围值值,最后单击最后单击“确定确定”按钮完成设置操作。按钮完成设置操作。虚拟内存的设置最好在虚拟内存的设置最好在“磁盘碎片整理磁盘碎片整理”之后进行之后进行,这这样虚拟内存就分在一个连续的、无碎片的存储空间上样虚拟内存就分在一个连续的、无碎片的存储空间上,可以更好地发挥作用。可以更好地发挥作用。3） 设备管理设备管理

24、设备管理就是管理设备管理就是管理I/O设备设备,即如何分配即如何分配I/O设备给应用和用户。设备给应用和用户。设备管理的主要任务是完成用户提出的设备管理的主要任务是完成用户提出的I/O请求请求,为用户分配为用户分配I/O设备设备,并控制并控制I/O操作操作的执行。的执行。其目的有两个其目的有两个:一是屏蔽不同设备的差异一是屏蔽不同设备的差异性性, 二是提供并发访问。二是提供并发访问。3） 设备管理设备管理1、外部设备分类、外部设备分类(1)按信息交换的单位分类按信息交换的单位分类块设备块设备和和字符设备字符设备。(2)按设备的从属关系分类按设备的从属关系分类系统设备系统设备和和用户设备用户设备

25、。(3)按资源分配的角度分类按资源分配的角度分类独占设备独占设备、共享设备共享设备、虚拟设备虚拟设备。3） 设备管理设备管理2、设备管理的体系结构、设备管理的体系结构设备管理分为两层：处在上面一层的设备管理分为两层：处在上面一层的是是“输入输入/输出控制系统输出控制系统”，也就是，也就是I/O软件，它与设备无关。处在下面一层软件，它与设备无关。处在下面一层的是的是“设备驱动程序设备驱动程序”，它直接与设，它直接与设备打交道，控制设备完成具体的备打交道，控制设备完成具体的“输输入入/输出输出”操作。操作。3） 设备管理设备管理中断技术中断技术中断是指当主机收到外界硬件发过来的中断信号时，中断是指

26、当主机收到外界硬件发过来的中断信号时，主机停止原来的工作，转去处理中断事件，并在中断主机停止原来的工作，转去处理中断事件，并在中断事件处理完成以后，主机又回到原来的工作点继续工事件处理完成以后，主机又回到原来的工作点继续工作。作。中断处理的具体过程是：中断处理的具体过程是：首先关中断，保护现场，保存程序断点处的寄存器的首先关中断，保护现场，保存程序断点处的寄存器的内容与标志位；内容与标志位；第二，对中断请求信号进行相应的处理；第二，对中断请求信号进行相应的处理；第三，恢复现场，将保存的内容还原；第三，恢复现场，将保存的内容还原；第四，开中断并返回。第四，开中断并返回。 3） 设备管理设备管理W

27、indows设备管理设备管理 设备管理器设备管理器依次选择依次选择“开始开始”菜单中的菜单中的“控制控制面板面板”下的下的“设备管理器设备管理器”命令命令,进进入入Windows7的设备管理中心的设备管理中心,在该界在该界面中就列出了当前系统中安装的所面中就列出了当前系统中安装的所有外部设备。有外部设备。4） 文件管理文件管理CPU管理、存储管理和设备管理都是针对计算管理、存储管理和设备管理都是针对计算机硬件资源的管理机硬件资源的管理,文件管理则是对计算机系统文件管理则是对计算机系统的软件资源和用户文件的管理。的软件资源和用户文件的管理。 文件系统管理的目的就是根据用户的要求有效文件系统管理的

28、目的就是根据用户的要求有效地管理文件的存储空间地管理文件的存储空间,合理地组织和管理文件合理地组织和管理文件,为文件访问和文件保护提供有效的方法和手段为文件访问和文件保护提供有效的方法和手段;并实现按文件名存取并实现按文件名存取,负责对文件的组织以及对负责对文件的组织以及对文件存取权限、打印等的控制。文件存取权限、打印等的控制。 4） 文件管理文件管理文件文件所谓文件是一个具有名字的存储在磁盘上所谓文件是一个具有名字的存储在磁盘上的一组相关信息的集合体的一组相关信息的集合体,是磁盘的逻辑最小是磁盘的逻辑最小分配单位。分配单位。文件的数据形式有文件的数据形式有:数字、字符、字母数字、数字、字符、字母数字、二进制、定格式、无格式