操作系统概述课件

第1章操作系统概述1.1操作系统的概念1.2操作系统的发展1.3操作系统的功能1.4操作系统的特征1.5操作系统的逻辑结构1.6常用操作系统介绍1.7操作系统的几种观点1.1操作系统的概念1.1.1计算机系统计算机系统就是按照人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。它是一个相当复杂的系统，即使是目前非常普及的个人计算机也是如此。计算机系统拥有丰富的硬件、软件资源，操作系统要对这些资源进行管理。一个计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成。其中，硬件系统是借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机结合，它构成了系统本身和用户作业赖以活动的物质基础和工作环境；计算机硬件通常是由中央处理机（运算器和控制器）、存储器、输入设备和输出设备等部件组成。软件系统是各种程序和文件，用于指挥整个系统按照指定的要求进行工作。下一页

返回1.1操作系统的概念现代计算机不再简单地被认为是一种普通的电子设备，它是一种进行计算或者控制那些可以表示为数字或者逻辑形式的操作的设备。近年来，大型计算机系统的模型呈现为层次式结构，即将一个操作系统分为若干层次。图1-1所示是一般的计算机系统的层次结构。从层次结构中可以看出，最外层是各种用户，最底层是硬件系统。人与硬件系统的接口是软件系统，软件系统大致可以分为系统软件和应用软件。系统软件如操作系统、编辑软件、多种语言处理程序（汇编和编译程序等）、连接装配程序、系统实用程序、多种工具软件等；应用软件是为应用编制的程序，诸如财务系统、银行系统、航空订票系统等。上一页

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返回1.1操作系统的概念一台没有任何软件支持的计算机称为裸机(baremachine)，它只是构成了计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。计算机的硬件和软件以及应用之间是一种层次结构关系。裸机在最里层，覆盖在裸机上的第一层软件是操作系统，经过操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能把裸机改造成为功能更强、使用更为方便的机器，通常称之为虚拟机(virtualmachine)或扩展机(extendedmachine)，而各种应用程序运行在操作系统之上，它们以操作系统作为支撑环境，同时又向用户提供完成其作业所需的各种服务。上一页

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返回1.1操作系统的概念1．计算机硬件简介操作系统管理和控制计算机系统中的所有软硬件资源。由计算机系统的层次结构可以看出，操作系统是一个运行在硬件之上的系统软件，因此有必要对运行操作系统的硬件环境有所了解。计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体，为计算机软件运行提供物质基础。简而言之，计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据，以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。上一页

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返回1.1操作系统的概念构成计算机的基本硬件元素有4种：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。从外观上来看，微机由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括CPU、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等；外部设备包括鼠标、键盘、显示器、音箱等，这些设备通过接口和连接线与主机相连。运算器能进行加、减、乘、除等基本运算。存储器不仅能存放数据，而且能存放指令，计算机能区分是数据还是指令。控制器能自动执行指令。操作人员能通过输入、输出设备和主机进行通信。上一页

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返回1.1操作系统的概念(1)运算器：是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器，处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法对运算器的性能影响极大。运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行操作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。上一页

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返回1.1操作系统的概念(2)控制器：是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。根据事先给定的命令发出控制信息，使整个计算机指令执行过程一步一步地进行，是计算机的神经中枢。控制器的主要功能是：从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；指挥并控制CPU、内存和输入／输出设备之间数据流动的方向。(3)存储器：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。上一页

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返回1.1操作系统的概念它根据控制器指定的位置存入和取出信息。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据就会丢失。主存储器与运算器、控制器等部件直接交换信息。(4)输入设备：是向计算机输入数据和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等都属于输入设备。上一页

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返回1.1操作系统的概念输入设备(inputdevice)是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数据的程序输入计算机中。现在的计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入计算机中，进行存储、处理和输出。(5)输出设备：用于将计算机中的数据或信息输出给用户，是人与计算机交互的一种部件。它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。上一页

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返回1.1操作系统的概念自从计算机诞生以来，硬件在计算机系统成本中一直占主要比重，直到进入20世纪80年代才开始发生明显的变化。由于软件在计算机系统中的地位日趋重要，其开发成本也越来越高，从而使得它在计算机系统成本中的比重迅速提高，进入20世纪90年代已逐渐与硬件平分秋色。从计算机硬件角度看，主机部分无论从重要性还是从成本来看，其主导地位一直保持到20世纪70年代中期。后来，作为计算机的“手足”“感官”和“数据仓库”的外围设备的重要性日益增长，新型高性能品种不断涌现，加上数据库技术的成熟要求辅助存储器的容量越来越大，从而使得外围设备在硬件成本中的比重越来越大。特别是由于输入输出设备的发展，人同计算机的界面越来越友好。上一页

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返回1.1操作系统的概念2．计算机软件计算机软件是指计算机系统中的程序及其文档。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。程序必须装入机器内部才能工作，文档一般是给人看的，不一定装入机器。软件是用户与硬件之间的接口界面。用户主要通过软件与计算机进行交流。软件是计算机系统设计的重要依据。为了方便用户，为了使计算机系统具有较高的总体效用，在设计计算机系统时，必须从整体上考虑软件与硬件的结合，以及用户的要求和软件的要求。计算机软件总体分为系统软件和应用软件两大类。上一页

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返回1.1操作系统的概念1.1.2操作系统的定义操作系统(operatingsystem，OS)是由一系列程序模块组成的，它的基本功能是资源管理和方便用户管理中央处理器、内存、I/O设备和文件，提供用户接口。操作系统就是告诉用户操作系统内外部的工作原理，包括操作系统内外部的工作过程、结构、界面，以及相应的技术、理论、概念、算法等。操作系统是裸机之上的第一层软件。操作系统是控制其他程序运行，管理系统资源并为用户提供操作界面的系统软件的集合。上一页

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返回1.1操作系统的概念它管理系统资源的使用和各种应用程序的活动。其主要功能有两个：第一，为程序开发和执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，操作系统对各个计算机活动进行调度。操作系统的形成和发展是与计算机硬件的发展密切相关的。随着CPU的速度越来越快，它与机械设备在速度上越来越不匹配，由此推动了批处理系统的产生。以后出现的通道和中断机构，又推动了多道程序系统的产生。以后又相继出现了多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络系统和分布式系统。上一页

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返回1.1操作系统的概念操作系统这类系统软件有自己的基本特征，即并发、共享和异步性。在操作系统的统一调度、管理下，各种实体充分并行，而且安全地共享资源，约束和协调彼此间的关系。操作系统提供了大量的服务，在最底层是系统调用，它允许正在运行的程序直接得到操作系统的服务；在较高层，命令解释程序为用户提供请求服务的机制，而不必编写程序。这些命令可来自卡片（批处理）或直接来自终端（交互式或分时系统）。系统程序提供了满足用户请求的另一种机制。在高层是图形界面，用户利用鼠标、窗口、菜单、图标等图形工具可方便有效地进行软件开发和系统管理等工作。上一页

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返回1.1操作系统的概念综上所述，操作系统可以定义为：操作系统是计算机系统中的系统软件，能有效地组织和管理计算机系统中的各种软硬件资源的分配、调度工作，控制协调多个任务的活动，实现信息的存取保护，并向用户提供各种服务功能，使用户获得良好的工作环境。上一页

返回1.2操作系统的发展操作系统的形成迄今已有50余年的时间，在20世纪50年代中期出现了第一个简单的批处理操作系统，到20世纪60年代中期产生了多道批处理操作系统，不久又出现了基于多道程序的分时系统。20世纪80年代是微机操作系统和网络操作系统形成和大发展的时代。此后，分布式操作系统和网络操作系统得到了迅速发展。1.2.1操作系统的形成阶段1．手工操作阶段第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，计算机运算速度慢，没有操作系统，甚至没有任何软件。这时的计算机操作是由用户（即程序员）采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，由手工控制作业的输入输出，通过控制台开关启动程序运行。下一页

返回1.2操作系统的发展到20世纪50年代，出现了穿孔卡片和纸带，程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机操作。手工操作阶段，计算机的工作过程如图1-2所示。手工操作阶段计算机的特点如下：

(1)用户独占CPU和系统所有资源。一台计算机的全部资源只能由一个用户独占。

(2)输入输出主要是纸带和卡片。

(3)CPU和系统资源等待人工操作，资源利用率很低。

(4)程序的启动和退出都以手工方式来操作。上一页

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返回1.2操作系统的发展可见，手工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，即形成了所谓的高速的计算机设备与低速的手工操作之间的矛盾。对早期的计算机而言，由于计算机本身拥有的资源并不是很多，虽然计算速度慢，但人机矛盾尚不突出。随着处理机速度的提高，系统规模的不断扩大，人机矛盾也就变得日趋严重。2．早期批处理阶段在早期计算机发展阶段，用户上机时需要自己建立和运行作业，并做结束处理。在程序员操作的过程中，由于没有任何用于管理的软件，很容易出现问题，这些都由用户自己承担。上一页

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返回1.2操作系统的发展由于每个作业步都由许多作业组成，程序员由于手工操作，很容易出现错误而需要从头开始。在当时，计算机的价格是极其昂贵的，使用计算机的时间是非常宝贵的，提高CPU的利用率成为一项迫切的任务。批处理就是应这种要求而产生的。所谓批处理(batchprocessing)就是将作业按照它们的性质分组（或分批），然后再成组（或成批）地提交给计算机系统，由计算机白动完成后再输出结果，从而减少作业建立和结束过程中的时间浪费。根据在内存中允许存放的作业数，批处理系统又分为单道批处理系统和多道批处理系统。上一页

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返回1.2操作系统的发展早期的批处理系统属于单道批处理系统，其目的是减少作业间转换时的人工操作，从而减少CPU的等待时间。它的特征是内存中只允许存放一个作业，即只有当前正在运行的作业才能驻留内存，作业的执行顺序是先进先出，即按顺序执行。批处理系统的工作方式是：用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户的作业组成一批作业，之后输入计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流，然后启动操作系统，系统自动、依次执行每个作业，最后由操作员将作业结果交给用户。上一页

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返回1.2操作系统的发展早期的批处理方式分为联机批处理和脱机批处理方式。首先出现的是联机批处理系统。1)联机批处理联机批处理由CPU直接控制作业的输入与输出，这是操作系统的雏形，称为监控程序(monitor)，负责作业的处理。在联机批处理系统中，主机与输入机之间增加一个存储设备——磁带，在存于主机的操作系统的自动控制下，计算机可以自动把成批的用户作业通过输入机读入磁带中，再自动把磁带上的用户作业读入主机内存并执行，最终把计算结果向输出机输出。完成了前一批作业后，监控程序又从输入机上输入另一批作业，保存在磁带上，并按前述步骤重复操作。整个过程如图1-3所示。上一页

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返回1.2操作系统的发展这样，监控程序不停地处理各个作业，从而实现了作业到作业的自动转接，减少了作业的建立时间和手工操作时间，实现了用户作业的自动成批执行，从而有效地克服了人机之间的矛盾，提高了计算机的利用率。但是，在作业输入和结果输出时，主机与外设在处理速度上是不匹配的，主机高速的CPU的计算速度与低速的输入／输出设备的速度不相适应，在联机批处理方式下，外设都处于主机的控制之下。在外设处理数据时，主机处于“忙”的状态，主机高速的CPU与低速的外设之间的矛盾就显现出来了。上一页

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返回1.2操作系统的发展2)脱机批处理系统为了克服与缓解高速主机与低速外设的矛盾，提高CPU的利用率，在批处理系统当中引入了脱机批处理系统，即脱离主机控制的输入／输出批处理系统，如图1-4所示。在脱机批处理系统中，除了主机外，另设一台卫星机，从图1-4中可以看出，该计算机仅与输入／输出设备相连，不与主机相连。输入设备上的作业通过卫星机输入高速磁带上，主机从高速磁带上把作业读入内存并执行。作业执行完成后，主机负责将结果输出到高速磁盘，然后，卫星机从磁盘将结果读出并交给打印机进行打印输出。上一页

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返回1.2操作系统的发展这样，输入／输出设备脱离了主机，卫星机和主机可以并行工作，大大加快了程序的处理和数据的输入和输出。卫星机在这里起的主要作用，一是从输入设备上读取用户作业并存放到输入磁带上；二是从输出磁带上读取执行结果并传给输出设备。脱机批处理系统在20世纪60年代应用十分广泛，它极大地缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。IBM-7090／7094配备的监督程序就是脱机批处理系统，它是现代操作系统的原型。脱机批处理系统虽然优于手工操作及批处理系统，但仍存在不足：每次主机内存中仅存一道作业，每当在它运行期间发出输入／输出请求后，高速的CPU便处于等待低速的输入／输出设备完成的状态，致使CPU空闲。上一页

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返回1.2操作系统的发展3．多道程序系统1)多道程序设计技术在单道批处理系统中，内存中仅有一道任务，无法充分利用系统中的所有资源，导致系统中仍有许多资源空闲，设备利用率低，系统性能差。在20世纪60年代中期，计算机的体系结构发生了很大的变化，由以CPU为中心的结构改变为以主存为中心，使在内存中同时装入多个作业（或任务）成为可能，使多道程序的概念成为现实。所谓多道程序设计，指的是允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。也就是说，计算机内存中可以同时存放多道（两个以上相互独立的）程序，使它们在系统中并发执行，共享系统中的各种资源。上一页

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返回1.2操作系统的发展多道程序设计的基本思想是：在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制下交替执行。这些程序共享CPU和系统中的其他资源。20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。单道程序与多道程序的运行过程分别如图1-5和图1-6所示。从图1-5可以看出，在A程序计算时，I/O空闲，当A程序进行I/O操作时，CPU空闲，B程序也是如此，只有在A程序完成操作后，B程序才能进入内存中开始工作，两者是串行的。上一页

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返回1.2操作系统的发展从图1-6可以看出，A、B两道程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可以相互穿插、交替地在CPU上运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时，比如进行I/O操作，操作系统便将另一道程序投入运行，这样可以使CPU和外部设备始终处于“忙”的状态，大大提高了资源的利用率，也提高了系统的效率。显然，采用多道程序设计后，不仅使CPU得到了充分利用，同时还可改善I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量，最终提高了整个系统的效率。多道程序设计技术对操作系统的发展起到的作用如下：(1)操作系统在引入多道程序设计技术后，使得系统具有了多道，宏观上并行，微观上串行的特点。上一页

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返回1.2操作系统的发展(2)多道程序设计主要是使OS能更好地对计算机进行管理。(3)使计算机的硬件资源得到更充分的利用。在OS中引入多道程序设计技术带来的好处如下：(1)提高了CPU的利用率。(2)提高了内存和I/O设备的利用率。(3)增加系统吞吐量。多道程序系统的出现，标志着操作系统进入渐趋成熟的阶段，先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、外部设备管理、文件系统管理等功能。上一页

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返回1.2操作系统的发展2)多道批处理系统现在的批处理系统主要指多道批处理系统，它通常用在以科学计算为主的大中型计算机上，由于多道程序能交替使用CPU，提高了CPU及其他系统资源的利用率，同时也提高了系统的效率。多道批处理系统的缺点是延长了作业的周转时间，用户不能进行直接干预，缺少交互性，不利于程序的开发与调试。多道批处理系统的特点如下：

(1)多道：在内存中同时存放多个作业，使之同时处于运行状态，这些作业共享CPU和外部设备等资源。

(2)成批：用户和其作业之间没有交互性。用户不能干预作业的运行，发现作业错误不能及时改正。上一页

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返回1.2操作系统的发展4．分时系统由于CPU速度的不断提高和采用分时技术，一台计算机可同时连接多个用户终端，每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好像自己独占机器一样。分时是指多个用户分享同一台计算机，多个程序分时共享硬件和软件资源。所谓分时技术，就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，这些时间片轮流分配给各个联机的作业使用。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成，则该作业就暂时中断，等待下一轮运行，并把处理机的控制权让给另一个作业使用。上一页

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返回1.2操作系统的发展由于计算机速度很快，作业运行轮转的速度也很快，使得用户总感觉好像白己独占了一台计算机。每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在人机交互的情况下，完成作业的运行。在分时系统中响应时间是非常重要的，减少用户数目和减少时间片的大小无疑会改善响应时间，但这会损害系统的性能。采用虚存技术能减少内外存之间的对换信息量，从而使CPU有更多的时间去处理终端用户作业，响应时间能显著缩短。分时系统的特征可以概括为以下4点。上一页

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返回1.2操作系统的发展(1)同时性：若干用户可同时上机使用计算机系统。

(2)交互性：用户能方便地与系统进行人一机对话。

(3)独立性：系统中各用户可以彼此独立进行操作，互不干扰和破坏，用户感觉就像自己独自一个人占用主机一样。

(4)及时性：用户的请求能在很短的时间内得到响应，此时间间隔是以人们所能接受的等待时间为限，通常为2～3s。分时系统为用户提供了友好的接口，即用户能在较短时间内得到响应，能以对话方式完成对程序的编写、调试、修改、运行和得到运行的结果；促进了计算机普及，一个分时系统可带多台终端，可同时为多个用户使用，这给教学和办公自动化提供了很大的方便；便于资源共享和交换信息，为软件开发和工程设计提供了良好的环境。上一页

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返回1.2操作系统的发展5．实时系统虽然多道批处理系统和分时系统已能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间，但随着计算机应用领域的日益广泛，它们已不能满足实时控制与实时信息处理两个领域的需求，于是就产生了实时系统。其具体含义是指能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对事件的处理。实时操作系统是以在允许的时间范围内做出快速响应为特征的。它要求计算机对于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做出快速响应，其响应时间要求在秒级、毫秒级甚至是微秒级或者更小。上一页

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返回1.2操作系统的发展通常，实时系统在一个特定的应用中是作为一种控制设备来使用的。通过模一数转换装置，将描述物理设备状态的某些物理量转换成数字信号传给计算机，计算机分析接收来的数据，记录结果，并通过数一模转换装置向物理设备发送控制信号，来调整物理设备的状态。实时系统可分为如下两类。(1)实时控制系统。当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，即时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能够即时处理由各种传感器送进来的数据，然后控制相应的执行机构。上一页

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返回1.2操作系统的发展(2)实时信息处理系统。当用于预订飞机票，查询有关航班、航线、票价等事宜时，或当用于银行系统情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求予以正确回答。此类对响应即时性的要求稍弱于实时控制系统。实时系统的主要特点如下。(1)及时响应。每一个信息接收、分析、处理和发送的过程必须在严格的时间限度内完成。(2)高可靠性。需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。上一页

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返回1.2操作系统的发展6．通用操作系统多道批处理系统和分时系统的不断改进，实时系统的出现及其应用的日益广泛，使得操作系统日益完善，它们构成了操作系统的3种基本类型。在此基础上，又发展了具有多种类型操作特征的操作系统，称为通用操作系统。它可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。20世纪60年代中期，国际上开始研制一些大型通用操作系统。这些系统试图达到功能齐全，可适应各种应用范围和操作方式变化多端的环境的目标。但是，这些系统过于复杂和庞大，研制时不仅付出了巨大的代价，且在解决其可靠性、可维护性和可理解性方面都遇到了很大的困难。上一页

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返回1.2操作系统的发展相比之下，UNIX操作系统却是一个例外。这是一个通用的多用户交互型的操作系统。它首先建立一个精干的核心，而其功能足以与许多大型的操作系统相媲美，在核心层以外，可以支持庞大的软件系统。它很快得到推广应用，并得以不断完善，对现代操作系统有着重大的影响。至此，操作系统的基本概念、功能、基本结构和组成已渐趋完善。衡量一个通用操作系统的性能时，可以通过以下几个指标进行：

(1)系统的可靠性、可维护性和可用性。

(2)系统的吞吐量。上一页

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返回1.2操作系统的发展(3)系统的响应时间。

(4)可移植性，即把一个操作系统从一种硬件环境移植到另一种硬件环境所需要的工作量。

(5)系统资源利用率。7．操作系统的进一步发展进入20世纪80年代，大规模集成电路工艺技术的飞速发展，微处理机的出现和发展，掀起了计算机大发展、大普及的浪潮。一方面迎来了个人计算机时代，同时计算机又向计算机网络、分布式处理、巨型计算机和智能化方向发展。于是操作系统有了进一步发展，如个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等。上一页

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返回1.2操作系统的发展1)个人计算机操作系统个人计算机上的操作系统是一种联机交互的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统提供的功能很相似。2)网络操作系统计算机网络是指通过通信设施，将地理上分散的、具有自治功能的多个计算机系统互联起来，实现信息交换、资源共享、互操作和协作处理的系统。网络操作系统就是在原来各自计算机操作系统上，按照网络体系结构的各个协议标准增加网络管理模块，其中包括通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务等功能。上一页

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返回1.2操作系统的发展网络操作系统与通常的操作系统的区别是：网络操作系统是网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。网络操作系统与通常的操作系统有所不同，它除了应具有通常操作系统应具有的处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理外，还应具有以下两大功能：

(1)提供高效、可靠的网络通信能力。

(2)提供多种网络服务功能，如远程作业录入并进行处理的服务功能；文件转输服务功能；电子邮件服务功能；远程打印服务功能。上一页

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返回1.2操作系统的发展3)分布式操作系统大量的实际应用要求一个完整的、一体化的系统，而且又具有分布处理能力。计算机网络是分布式系统的物理基础，因为计算机之间的通信是经由通信链路的消息交换完成的，它和常规网络一样具有模块性、并行性、自治性和通信性等特点。但是，它比常规网络又有进一步的发展。例如，常规网络中的并行性仅仅意味着独立性，而分布式系统中的并行性还意味着合作。原因在于，分布式系统已不再是一个物理上的松散耦合系统，而是一个逻辑上的紧密耦合的系统。上一页

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返回1.2操作系统的发展从表面上看，分布式系统与计算机网络系统没有多大区别。分布式系统也是通过通信网络，将地理上分散的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。但有如下明显的区别应予以考虑。

(1)分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。

(2)分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输和控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面。上一页

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返回1.2操作系统的发展(3)用户通过这一界面，实现所需的操作系统和使用系统资源，至于操作定在哪一台计算机上执行，或使用哪台计算机的资源，则是由操作系统完成的，用户不必知道，这就是系统的透明性。

(4)分布式系统更强调分布式计算和处理，因此对于多机合作和系统的重构、坚强性和容错能力有更高的要求，希望系统有更短的响应时间、高吞吐量和高可靠性。4)嵌入式操作系统随着以计算机技术、通信技术为主的信息技术的快速发展和Internet的广泛应用，计算机是贯穿社会信息化的核心技术，网络和通信是社会信息化赖以存在的基础设施，电子消费品是人与社会信息化的主要接口。上一页

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返回1.2操作系统的发展信息设备的使用将要求把计算机嵌入各种设备中，以适应不同的应用领域。由于嵌入式计算机与其他计算机系统有着巨大的差别，它需要相应软件的支持，而嵌入式操作系统是各类嵌入式软件的基本支撑。嵌入式操作系统是指嵌入各种设备、装置或系统中，控制和协调系统各种部件操作，完成特定功能的系统软件。它具有操作系统的基本功能，又具有微型化、实时性、可靠性和易移植等特点。目前比较有代表性的嵌入式操作系统是VxWorks。VxWorks支持各种工业标准，包括POSIX、ANSIC和TCP／IP网络协议。上一页

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返回1.2操作系统的发展1.2.2操作系统的作用操作系统的作用主要体现在以下两方面。1．管理系统资源操作系统管理系统中的各种资源，包括硬件资源和软件资源。在计算机系统中，所有硬件部件（如CPU、存储器、输入／输出设备等）称为硬件资源，程序和数据等信息称为软件资源。操作系统对每一种资源的管理都必须进行以下几项工作。1)监视资源监视资源包括监视资源的量、状态、位置、使用者、可供分配的量和使用历史等。上一页

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返回1.2操作系统的发展2)决定分配资源策略决定分配资源策略包括选择某种资源分配策略，决定谁有权限可以获得这种资源，何时可以获得，可以获得多少，如何退回资源等。3)分配资源分配资源是指按照已决定的资源分配策略，对符合条件的申请者分配某种资源，并进行相应的管理事务处理。4)回收资源回收资源是指在使用者放弃某种资源之后，对该种资源进行善后处理，如果是可重复使用的资源，则进行回收、整理，以备再次使用。上一页

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返回1.2操作系统的发展2．为用户提供友好的界面操作系统必须为最终用户和系统用户的各种工作提供友好的界面，以方便用户的工作。典型的操作系统界面有以下两类。1)命令行界面命令行界面，如UNIX和MS-DOS操作系统，在这类操作系统环境下，用户通过键盘输入完成某种工作的命令，操作系统分析命令的正确性，然后执行命令并返回执行结果。2)图形化界面图形化界面，如MSWindows操作系统，在其提供的图形化界面环境下，用户可通过鼠标单击某个按钮或选择某个菜单来完成相应的命令。上一页

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返回1.2操作系统的发展1.2.3操作系统的类型由操作系统的发展史可知，随着计算机技术和软件技术的发展，已经形成了各种类型的操作系统，以满足不同类型的应用要求。根据用户操作系统使用环境对作业的处理方式，操作系统的基本类型有批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统。20世纪80年代，随着大规模集成电路技术的发展产生了微型计算机，配置在微机上的操作系统称为微机操作系统。由于微机应用的普遍性、广泛性，特意将微机操作系统作为另一类别的操作系统。微机操作系统又可以分为以下几种。上一页

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返回1.2操作系统的发展1．单用户单任务微机操作系统这种操作系统每次仅允许一个用户使用，且只允许用户程序作为一个任务运行。单用户单任务操作系统主要有以下两种。(1)CP/M:是在1975年由DigitalResearch公司率先推出的、带有软盘系统的8位微机操作系统，配置在以Intel8080/8085、280芯片为基础的微机上，1979年又推出增加了硬盘管理功能的CP/M2.2版本。它是事实上的8位微机操作系统标准。上一页

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返回1.2操作系统的发展(2)MS-D()S:1981年由Microsoft（微软）公司开发的、配置在以Intel8080/8085芯片为基础的IBM-PC个人计算机上的16位微机操作系统。它是在CP/M基础上的大扩充，增加了许多内部、外部命令，有较强的功能和性能优良的文件系统，是事实上的16位微机单用户单任务操作系统。2．单用户多任务操作系统这种操作系统每次仅允许一个用户使用，但允许一个用户程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效改善系统性能。单用户任务操作系统主要有以下两种。上一页

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返回1.2操作系统的发展(1)OS/2:是在1987年由IBM公司开发的、配置在以Intel80286/80386/80486芯片为基础的个人计算机上的16/32位微机操作系统。它能实现真正的多任务处理，允许16个任务并发执行。(2)Windows系列：1990年由美国微软公司推出的Windows3.0，以其易学易用、友好的用户界面、支持多任务的优点，很快占据了个人操作系统的市场。1992年推出的Windows3.1提供386增强模式，提高了运行速度，功能更强大。1995年推出的Windows95，1998年推出的Windows98及2000年推出的WindowsMe，成为32位多任务操作系统的主流。上一页

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返回1.2操作系统的发展3．多用户多任务微机操作系统如果允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机，共享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为若干个任务，使它们并发执行，从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量，则这种操作系统称为多用户多任务操作系统。在大、中、小型计算机上都可配置这种操作系统，在32位微机上也有很多配置这种操作系统。多用户多任务微机操作系统主要有以下几种。(1)UNIX:1969年由美国电报电话公司的贝尔实验室研发，最初配置在DEC公司的PDP小型机上，后来在微机上也可以使用。上一页

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返回1.2操作系统的发展它是目前唯一在微机、工作站、小型机、中型机、大型机上都能运行的操作系统，已成为世界一种主流的多用户操作系统。它的种类繁多，主要有Xenix、Linux、Minix等。(2)Windows系列：1993年由微软公司推出的WindowsNT，是一个全新的32位多用户多任务操作系统，具有很强的网络支持功能。2000年推出的Windows2000,2001年推出的WindowsXP，2003年推出的Windows2003，2009年推出的Windows7，都是功能更强、性能更好的多用户多任务微机操作系统。上一页

返回1.3操作系统的功能如前所述，操作系统的职能是管理和控制计算机中的所有软、硬件资源，合理地组织计算机工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。计算机系统的主要硬件资源有处理机(CPU)、存储器（内存）、输入／输出设备（包括外存储器）；软件资源往往以文件形式存放在外存储器。因此，为正常履行职能，操作系统必须具有以下5方面基本功能。1.3.1进程管理进程管理主要是对处理机(CPU)进行管理。处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行又都是以进程为单位的，因此对处理机的管理可以归纳为对进程的管理。下一页

返回1.3操作系统的功能CPU是计算机系统中最宝贵的硬件资源。为了提高CPU的利用率，人们采用了多道程序技术，当一个程序因等待某一条件而不能运行时，就把处理机占有权交给另一个可运行的程序；或者当出现了一个比当前运行程序更重要的可运行程序时，后者应能抢占CPU。为了描述多道批处理的并发执行，就要引入进程的概念（详见第3章）。通过进程管理协调多道批处理程序之间的关系，解决对处理机管理策略的不同，其提供的作业处理方式也就不同，如批处理方式、分时处理方式、实时处理方式，从而呈现在用户面前的就是具有不同性质的操作系统。上一页

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返回1.3操作系统的功能1.3.2存储管理存储管理主要是管理内存资源。存储管理的主要任务就是对内存进行分配、保护和扩充。虽然内存芯片集成度不断提高、价格不断下降，但因内存需求量大，其整体价格仍然较高；而且受CPU寻址能力的限制，内存容量也有限。因此要使用户存放在内存中的程序和数据彼此隔离、互不侵扰，又能保证在一定条件下的共享，尤其是当内存不够用时，需解决内存扩充问题，即将内存和外存结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器。操作系统这个功能与硬件存储器组织结构密切相关。上一页

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返回1.3操作系统的功能1.3.3设备管理设备管理是指对计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入、输出设备统称外部设备）的管理。外部设备除了进行实际的输入／输出操作的设备外，还包括诸如设备控制器、通道等支持设备。外部设备的种类繁多、功能差异很大。设备管理负责外部设备的分配、启动和故障处理。为了提高设备的使用效率和整个系统的运行速度，可以采用中断技术、通道技术、虚拟设备技术和缓存技术（详见第5章），尽可能地发挥设备和主机的并行工作能力。此外，设备管理应为用户提供一个良好的界面，使用户不必具体地了解设备及其物理特性接口技术细节，就可以方便地使用这些设备。上一页

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返回1.3操作系统的功能1.3.4文件管理系统中的信息资源（如程序和数据）是以文件的形式存放在外存储器（如磁盘、磁带）上的，需要时再把它们装入内存。文件管理的任务是有效地支持文件的储存、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题，以使用户方便、安全地访问文件（详见第6章）。操作系统一般都提供很强的文件系统。Windows7采用了数据库中视图功能引入库的概念。1.3.5作业管理除了上述4项基本功能之外，操作系统还应该向用户提供使用操作系统的手段，这就是操作系统的作业管理功能。上一页

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返回1.3操作系统的功能按照用户的观点，操作系统是用户与计算机之间的接口。因此，作业管理是为了给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作业工作流程，并使整个系统高效地运行（详见第2章）。除上述基本功能之外，操作系统还要具备中断处理、错误处理等功能。操作系统的各功能之间并非完全独立，它们之间还存在相互依赖的关系。上一页

返回1.4操作系统的特征1．程序并发性所谓程序并发性，是指在计算机系统中同时存在多个程序，从宏观上看，这些程序是同时向前推进的。在单CPU环境下，这些并发执行的程序是交替在CPU上运行的。程序的并发性具体体现在两个方面：用户程序与用户程序之间并发执行；用户程序与操作系统程序之间并发执行。在多处理器的系统中，多个程序的并发特征，不仅在宏观上是并发的，而且在微观（即在处理器一级）上也是并发的。并发特征的示例如图1-7所示。示例中用3个进程来完成一个作业的输入、计算和打印3个操作。下一页

返回1.4操作系统的特征2．共享性共享是指在一段时间内多个并发进程交替使用有限的计算机资源，共享计算机资源。操作系统对资源要合理地分配和使用。共享资源有互斥共享方式和同时访问方式两种。互斥共享方式是指当一个进程占有资源时，其他进程不能同时再使用这个资源，必须等到该资源被放弃时再使用。同时访问方式是指如程序段和磁盘等资源，可以由进程交替访问。所谓资源共享性，是指操作系统程序与多个用户程序共享系统中的各种资源。这种共享是在操作系统的控制下实现的。上一页

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返回1.4操作系统的特征3．随机性操作系统的运行是在一个随机的环境中进行的，也就是说用户不能对所运行的程序的行为以及硬件设备的情况做任何假定。一个设备可能在任何时候向处理器发出中断请求，用户也无法知道运行着的程序会在什么时候做什么事情，因而一般来说无法确切地知道操作系统正处于什么样的状态之中，这就是随机性的含义。但是，这并不是说操作系统不可以很好地控制资源的使用和程序的运行，而是强调了操作系统的设计与实现要充分考虑各种可能性，以便稳定、可靠、安全和高效地达到程序并发和资源共享的目的。上一页

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返回1.4操作系统的特征4．虚拟性虚拟是指通过某种技术把物理实体转换成若干个逻辑对应物。例如，地址空间具有虚拟性，它是由内存空间通过划分段表／页表技术转换而来的。上一页

返回1.5操作系统的逻辑结构近年来，大型软件都采用层次结构，即将一个软件内部分为若干个逻辑层次，各层次之间具有单项依赖关系，即高层依赖于低层（高层中的程序调用低层中的程序），而低层不依赖于高层（低层中的程序为高层程序提供服务），操作系统也是如此，由此形成了层次结构操作系统，如图1-8所示。事实上，每个操作系统从逻辑的角度来看都可以分为内核和外壳两个部分。其中，内核部分是紧挨着硬件的部分，主要完成与硬件相关的功能，如操作系统的几大功能模块。1.5.1操作系统对象操作系统对象即操作系统操纵与管理的硬件和软件资源，包括一个或多个处理机、存储器系统、各类I/O设备、各类文件，这些不属于操作系统本身。下一页

返回1.5操作系统的逻辑结构1.5.2操作系统对象操纵和管理的软件集合操作系统对象操纵和管理的软件是操作系统的核心部件，集中反映了操作系统的功能。其中各部分软件的层次关系如图1-9所示。1.5.3用户接口这部分属于操作系统的作业管理功能，反映了操作系统向用户提供服务的方式。这些服务主要分为如下几种：(1)命令接口：这是用户与操作系统直接的接口。用户可以直接从键盘等终端设备输入命令等，以此来取得操作系统的服务。上一页

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返回1.5操作系统的逻辑结构(2)程序接口：这是应用程序与操作系统的接口。用户通过在程序中安排系统调用指令，让程序取得操作系统的服务。(3)图形用户接口：目前流行的操作系统普遍配置了更为直观的图形用户接口，将操作系统的各项功能及各种应用程序以图标的形式表示出来，利用鼠标进行操作，这样使用户对计算机的操作更加简便直观。上一页

返回1.6常用操作系统介绍1.6.1Linux操作系统介绍Linux是一套免费使用和自由传播的类UNIX操作系统。这个系统是由世界各地成千上万的程序员设计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件版权制约的、全世界都能自由使用的UNIX兼容产品。I.inux是一个多用户多任务分时操作系统。I.inux对硬件要求很低，能很好地运行在多种硬件平台上，并能很好地支持虚拟内存、虚拟文件系统和TCP／IP。进入21世纪以来，Linux已成为最受瞩目的操作系统之一，其在网络服务器端的应用在市场占有的份额也越来越大。下一页

返回1.6常用操作系统介绍Linux是一种类似Minix的操作系统。1991年4月，芬兰赫尔辛基大学学生LinusBenedictTorvalds不满意Minix这个教学用的操作系统。出于爱好，他根据可在低档机上使用的Minix设计了一个系统核心I.inux0.01，但没有使用任何Minix或UNIX的源代码。他通过USENET（即新闻组）宣布这是一个免费的系统，主要在X86计算机上使用，希望大家一起来将它完善，并将源代码放到了芬兰的FTP站点上供人免费下载。由于许多专业用户（主要是程序员）自愿地开发Linux的应用程序，并借助Internet让大家一起修改，所以它周边的程序越来越多，Linux本身也逐渐发展壮大起来。上一页

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返回1.6常用操作系统介绍从1983年开始的GNU计划致力于开发一个自由且完整的类UNIX操作系统，包括软件开发工具和各种应用程序。到1991年Linux内核发布时，GNU已经几乎完成了除了系统内核之外的各种必备软件的开发。在LinusTorvalds和其他开发人员的努力下，GNU组件可以运行于Linux内核之上。到了1995年，Linux可在Intel、Digital及SunSPARC处理器上运行了，用户数量也超过了50万个。1998年是I.inux迅猛发展的一年。1998年1月，小红帽高级研发实验室成立，同年RedHat5.0获得了InfoWorld的操作系统奖项。4月Mozilla代码发布，成为Linux图形界面上的王牌浏览器。上一页

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返回1.6常用操作系统介绍1999年，IBM宣布与Redhat公司建立伙伴关系，以确保RedHat在IBM机器上正确运行。3月，第一届LinuxWorld大会的召开，象征Linux时代的来临。进入21世纪以来，Linux系统的应用得到了进一步的发展。RedHat公司发布了嵌入式Linux的开发环境，Linux在嵌入式行业的潜力逐渐被挖掘出来。Linux是一种实用性很强的现代操作系统。开发它的中坚力量是经验丰富的软件工程师，他们多以实用性和效率为出发点，很多地方还考虑了工业规范和兼容性等因素，因此不同于教学性操作系统单纯追求理论上的先进性，Linux系统内核的实用性和高效率都让人叹为观止。上一页

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返回1.6常用操作系统介绍Linux操作系统具有以下特点。(1)支持多用户访问和多任务编程。(2)功能强大。(3)源代码开放。(4)全面支持TCP／IP。(5)支持多种文件系统。(6)安全性能好。上一页

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返回1.6常用操作系统介绍1.6.2UNIX操作系统介绍UNIX-切源白于Bell实验室，UNIX操作系统是由美国AT&T贝尔实验室的计算机科学家KenThompSun和DennisRitchie于1969年创建的，它是目前唯一能运行在从微型机到巨型机的不同处理能力的机器上，并能提供多用户多任务的分时操作系统。为了更好地支持UNIX系统的开发，研究小组研制了系统程序设计语言C，并用C语言重写了大部分程序，增加了多道程序设计等功能，移植到PDP-11／45、PDP-11／70等机器上，形成了Version3。上一页

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返回1.6常用操作系统介绍UNIX系统之所以经久不衰，其根本原因在于它具有以下几个特点。(1)配置灵活。UNIX的系统结构分系统内核和核外程序两部分。系统内核短小精悍，便于维护和扩充，可常驻内存。而核外程序可进行灵活配置，便于做成开放系统。(2)可移植性强。UNIX系统的全部系统实用程序和90%以上的内核程序是采用C语言编写的。由于用C语言编写的程序具有良好的可移植性，因此，UNIX系统也具有良好的可移植性。(3)性能完善。UNIX系统提供交互式、分时、多用户多任务环境，能支持程序的并发执行。内存管理采用请求分页式虚拟存储管理，内存利用率高。上一页

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返回1.6常用操作系统介绍(4)用户界面良好。UNIX系统提供shell和系统调用两种界面，UNIX的shell功能强大，它不仅是命令解释程序，还是一种程序设计语言；系统调用提供了用户程序调用系统内核功能的手段。(5)安全可靠。UNIX系统有着一套较为完善的安全机制，能很好地保护内核程序和用户程序或数据不被破坏。通过设置口令和多种权限来限制用户的操作范围，有效地实现保护系统的功能。而且，UNIX的文件系统具有典型的树形目录结构，能有效抵制外部恶意代码的入侵。上一页

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返回1.6常用操作系统介绍(6)网络功能强。UNIX系统能很方便地实现在计算机网络中的通信，能很好地支持TCP／IP，在Internet中的应用十分广泛。目前在Internet上的Web服务器中，使用UNIX系统占了很大的比例。UNIX操作系统是唯一能在微机工作站、小型机到大型机上都能运行的操作系统，也是当今世界最流行的多用户、多任务操作系统。1.6.3Windows操作系统介绍Microsoft公司从1983年开始研制Windows系统，最初的研制目标是在MS-DOS的基础上提供一个多任务的图