大学计算机基础（第6版）（微课版） 课件 第4章 计算机操作系统

大学计算机基础

第4章计算机操作系统大学计算机基础课程组2022年4月计算机操作系统操作系统的概述4.1操作系统的基本功能4.2常用操作系统简介4.34.1操作系统概述操作系统的定义1操作系统的特征2操作系统的分类34.1.1操作系统的定义操作系统（OperatingSystem，简称OS）是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，为用户使用计算机提供接口的系统软件（或程序集合）。管家、调度、桥梁4.1.1操作系统的定义软件观点从以下3个方面理解操作系统的定义

从软件观点出发，操作系统是最基本、最重要的系统软件。操作系统直接运行在硬件“裸机”上，是所有软件的核心，其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。4.1.1操作系统的定义系统观点

操作系统实现了计算机软、硬件资源的控制、管理，从而使计算机系统中各个组成部分能相互配合、协调一致地工作，以便充分合理地利用它们，使整个计算机系统能高效的运行。4.1.1操作系统的定义用户观点

操作系统向用户提供了接口，操作系统位于硬件和用户之间，是用户和计算机硬件之间的桥梁。合理地组织计算机功能流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便和有效地使用计算机。操作系统的地位计算机系统的组成计算机系统(层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）操作系统的目标方便性(用户的观点)：提供良好的、一致的用户接口。无需了解许多有关硬件和系统软件的细节。有效性(系统管理人员的观点)：合理地组织计算机的工作流程，管理和分配硬件、软件资源，提高资源的利用率。可扩充性(开放的观点)：给计算机系统的功能的扩展提供开放式的支撑平台。开放性：可移植性和互操作性并发性共享性异步性虚拟性4.1.2操作系统的特征1234并发性并行性：两个或多个事件在同一时刻发生并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生在多道程序系统（单处理器）中，宏观上并行，微观上串行（交替执行）共享性在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。共享方式：互斥共享方式：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用，一段时间内只允许一个进程访问的资源。同时访问方式：多个进程可以同时访问某资源，宏观并行微观串行。异步性操作系统的异步性是指系统中各程序的执行过程有着各自的起始和终止，彼此是以不同的步伐行进的。异步性又称随机性。每个程序如何执行、多个程序间的执行顺序、各程序完成所需的时间等都是不确定的、不可预知的。虚拟性虚拟——通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术虚拟处理机:虽然只有一个CPU，但每个终端用户却认为有一个CPU专门为他服务。虚拟内存:虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片。虚拟外部设备4.1.3操作系统的分类1.按结构和功能分类（1）批处理操作系统

批处理操作系统是最早问世的操作系统。批处理操作系统分为单道批处理操作系统和多道批处理操作系统。4.1.3操作系统的分类单道批处理操作系统用户把要处理的作业说明书交给系统操作员，操作员将若干待处理的作业合成一批并输入传送到外存；然后批处理操作系统按一定的原则选择其中的一个作业调入内存并控制运行；当作业运行完成时，系统会调入下一个作业运行，若出现错误，系统会输出有关信息，如此反复处理，直至这一批作业全部处理完为止。优点：解决人机矛盾和CPU与IO设备速度不匹配问题，

提高系统资源的利用率和系统吞吐量。缺点：不能充分的利用系统资源，现很少使用。4.1.3操作系统的分类多道批处理操作系统用户所提交的作业都存放在外存上并排成一个队列--“后备队列”；作业调度程序按一定的算法从“后备队列”中选择若干个满足资源条件、搭配合理的作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的其它各种资源；当某个作业运行完成时，将结果输出，收回该作业所占有的全部资源，再重复这个过程，直到全部作业运行完。多道批处理系统特别重视CPU及其它设备的利用率，追求高的吞吐量，减少了内外存频繁切换的开销，注重作业的选择及资源的分配。同时在内存中装入若干程序，这样可以在A程序运行时，利用其IO操作而暂停的CPU空挡时间，再调度另一道程序B运行，同样可以利用B程序在IO操作时调用CPU空档调用程序C运行，使用多道程序交替运行，始终保持CPU忙碌的状态。优势：资源利用率高，使CPU始终处于忙碌的状态，提高内存的利用率，提高IO利用率；系统吞吐量大（CPU和其资源始终保持忙碌的状态，仅在作业完成时或者运行不下去的时候才切换，系统开销小）。缺点：平均周转时间长，无交互能力。4.1.3操作系统的分类（2）分时操作系统分时操作系统（Time-SharingOperatingSystem）是使一台计算机采用时间片轮转的方式同时为多个终端用户服务的操作系统。将处理机的运行时间划分成若干个时间片段，每个时间片段称为一个时间片。按时间片轮流把处理机分配给各终端作业使用的技术称为分时技术。4.1.3操作系统的分类分时操作系统特点：多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。交互性。用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。能使用户与系统进行人机对话，又被称为交互式系统。独立性。用户之间可以相互独立操作，互不干扰。及时性。系统可对用户的输入及时作出响应。4.1.3操作系统的分类（3）实时操作系统

实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem）是指使计算机系统能及时（即时）响应外部事件的请求，在规定的时间范围内完成对事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致工作的操作系统。实时操作系统有以下特点。①及时响应②高可靠性根据应用领域的不同，又可将实时系统分为实时信息处理系统和实时控制系统4.1.3操作系统的分类实时信息处理系统该类系统要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。如航空、铁路订票系统，将计算机用于查询票价、预订票等事宜；银行检索系统。实时控制系统如将计算机用于飞机飞行、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，及时地对飞机或导弹进行控制；将计算机用于机械加工等工业生产过程控制时，也要求计算机要在很短的时间内分析处理由各类传感器送来的数据并做出判断处理，其中包括向被控制对象发出控制信息，以实现预期目标。4.1.3操作系统的分类（4）嵌入式操作系统

嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem）是用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统对整个嵌入式系统，以及它所操作、控制的全部软、硬件等资源进行统一协调、调度、指挥和控制。

绝大部分智能电子产品都必须安装嵌入式操作系统。如：主流的智能手机操作系统有谷歌的Android和苹果的IOS系统（iPhoneOS）。数码相机、平板电脑、电子体温计、电冰箱、洗衣机等，复印机、打印机、门禁系统等，甚至公路上的红绿灯控制器、飞机的飞行控制系统、汽车的燃油控制系统、工厂的自动化机械等都带有嵌入式操作系统。4.1.3操作系统的分类（5）网络操作系统

网络操作系统（NetworkOperatingSystem）是建立在主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，协调各主机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件集合。

网络操作系统是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。4.1.3操作系统的分类

网络操作系统适合多用户多任务环境。最有代表性的网络操作系统产品有UNIX和Linux等。通常它具有4个方面的功能：①网络通信：包括为通信双方建立和拆除通信链路；保证收、发速率匹配及检查和校正传输过程中产生的数据差错等。②资源管理：指采用统一的、有效的方法协调用户对共享资源的使用。③提供多种网络服务：电子邮件、文件传输、远程登录等。④提供网络接口：网络操作系统向网络用户提供统一的使用网络共享资源和取得网络服务的网络接口。4.1.3操作系统的分类（6）分布式操作系统分布式操作系统是通过通信网络将物理上分散的多台具有独立运算功能的计算机连接起来，实现信息交换、资源共享和协作完成任务的系统。分布式操作系统统一管理、分配和调度全系统的资源，为用户提供统一的界面，实现操作系统的统一性。4.1.3操作系统的分类（7）微内核操作系统

微内核操作系统（MicrokernelOperatingSystem）结构是20世纪80年代后期发展起来的。

微内核操作系统把操作系统结构中的高级服务功能尽可能地从内核中分离出来，变成几个独立的非内核模块，而在内核只保留少量最基本的功能，使内核变得简洁可靠，因此叫微内核。

微内核操作系统可有效地支持多处理机运行，故非常适用于分布式系统环境。单用户操作系统多用户操作系统一台计算机在同一时间允许多个用户同时使用系统的全部硬件和软件资源。4.1.3操作系统的分类

根据在同一时间使用计算机的用户的多少，操作系统可以分为以下两种：一台计算机在同一时间只能由一个用户独自享用系统的全部硬件和软件资源。1.按用户和任务数量分类4.1.3操作系统的分类按用户和任务数量通常分为以下三种：（1）单用户单任务操作系统

指在一个系统中，只能有一个用户使用独占计算机系统的全部软/硬件资源，且一次只能运行一个用户程序。

典型的单用户单任务操作系统是MS-DOS。（2）单用户多任务操作系统

指为单用户服务，但允许用户同时运行多项任务的操作系统

最常见的单用户多任务操作系统是Windows操作系统。（3）多用户多任务操作系统

指允许多个用户通过各自的终端使用同一台计算机，共享主机中各类资源的操作系统。多用户操作系统都是多任务的操作系统。

常见的多用户多任务操作系统有UNIX、Linux等。

处理机管理

存储管理

设备管理

文件管理4.2操作系统的基本功能1234

用户接口54.2操作系统的基本功能

处理机是计算机系统中的核心资源，所有程序的运行都需要处理机来完成。

在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的。因此，处理机管理可归结为进程管理。

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地管理。1.处理机管理4.2操作系统的基本功能内存保护内存扩充地址变换内存分配存储管理2.存储管理4.2操作系统的基本功能（1）内存分配

内存分配就是按一定的分配策略和算法分配内存空间，主要解决如何提高内存的利用率问题。（2）地址变换将程序在外存中的逻辑地址重新分配为内存中的物理地址，也称为地址重定位。intb;chart;b的逻辑地址t的逻辑地址

符号名空间逻辑地址空间物理地址空间目标文件b的物理地址t的物理地址可执行文件编译链接源文件ff66ff714.2操作系统的基本功能（3）内存保护

系统提供一种安全保护措施，通过把各类程序的实际使用区域分隔开，使用户的程序只能使用用户区域的内存空间，系统程序只能使用系统区域的内存空间，从而保护各程序在自己的内存区域内运行而不互相干扰和破坏，保护信息不被偷窃，防止用户程序的错误导致破坏系统程序。4.2操作系统的基本功能（4）内存扩充计算机的物理内存容量有限，常常难以满足用户程序的需求。内存扩充可实现在有限的内存空间中运行大于目前剩余的内存空间的程序。自动覆盖技术交换技术虚拟内存技术4.2操作系统的基本功能

设备管理是指操作系统对计算机系统的外部设备的有效管理，包括外部存储器、输入设备、输出设备等。

如显示器、键盘、鼠标、硬盘、网卡、打印机、扫描仪等。这些外部设备的性能、工作原理和操作方式都不一样，因此，要求操作系统提供良好的设备管理功能，使用户方便的使用设备，提高设备利用率和处理效率。3.设备管理

4.2操作系统的基本功能现代计算机系统中以“文件”的形式存放着大量的软件资源，包括各种各样的软件、数据和电子文档等。文件是按一定格式建立在存储设备上的一组相关信息的有序集合。文件是操作系统存储和管理信息的基本单位。文件可以存放数值数据、文本、图像、图形、声音、视频和程序等信息。4.文件管理

4.2操作系统的基本功能文件类型扩展名可执行文件.exe可执行文件、.bat批处理文件、.com命令文件文本文件.txt文本文件图片文件.bmp、.jpg、.gif、.tif源程序文件.c(C语言源程序)、.cpp(VC++源程序)、.java(Java源程序)音频文件.wav、.mp3视频文件.avi、.rm、.mpeg压缩文件.rar、.zip

Windows操作系统常见的扩展名类型

每个文件都必须有一个标识，称为文件名。用户或操作系统可以通过文件名来存取文件。主文件名.扩展名4.2操作系统的基本功能

很多操作系统都支持文件通配符，文件通配符可以代表一组有特定文件名的文件。文件通配符有“*”和“？”，均可用于主文件名和扩展名。“*”表示当前位置有0个或任意个字符“?”表示当前位置有0个或1个字符例如*.*表示所有文件；ab？.exe表示文件名以ab开头，不超过3个字符的可执行文件。4.2操作系统的基本功能文件的目录结构Windows操作系统可通过资源管理器查看文件的目录结构（文件的目录在Windows操作系统里称为文件夹）4.2操作系统的基本功能

为方便用户使用操作系统，操作系统提供了用户和计算机之间完整的、人机一体化的交流系统，即用户接口。操作系统提供了一组友好的用户接口，包括命令接口和程序接口，使用户能灵活、方便的使用计算机和操作系统。5.用户接口

4.2操作系统的基本功能（1）命令接口是指由操作系统提供的供用户使用和管理计算机应用程序的命令控制界面。根据操作命令的形式命令接口分为以下几种：以命令行方式为用户提供操作计算机的界面。以窗口、图标、菜单、对话框等方式为用户提供图形操作界面。通过语言、肢体动作等方式向计算机发出操作命令的新形式联机命令界面图形用户界面智能用户界面4.2操作系统的基本功能（2）程序接口是操作系统提供给编程人员的“程序与操作系统”的接口，又称应用程序接口API（ApplicationProgrammingInterface）。程序接口由一组系统调用命令组成，用户通过在程序中使用系统调用命令来请求操作系统提供服务。4.3常用操作系统简介1.MS-DOS操作系统MS-DOS的全称为MicrosoftDisketteOperatingSystem（微软磁盘操作系统）。MS-D0S是1981年由美国微软公司为16字长IBMPersonalComputer开发的一种操作系统。其主要特点是：基于字符界面的单用户、单任务操作系统。MS-DOS是早期世界上普及最广的计算机操作系统。MS-DOS操作系统是用汇编语言编写的，系统开销小，运行效率高，但存在着很大的局限性。4.3常用操作系统简介2.windows操作系统Windows操作系统是由微软公司开发的一种基于图形用户界面的多任务操作系统。进入20世纪90年代后，DOS逐步被操作系统Windows所取代。Windows操作系统使得计算机的操作大为简化，因此在个人计算机上得到广泛使用。4.3常用操作系统简介Windows是系列产品，它在发展过程中不断推出新的版本。4.3常用操作系统简介3.Unix操作系统UNIX操作系统是美国AT&T公司贝尔实验室开发的一种通用的、多任务、多用户交互式分时操作系统。UNIX操作系具有开放性、公开源代码、易理解、易扩充、易移植等特点，能够安装运行在微型机、工作站以至大型机和巨型机上。

自UNIX系统第一版问世以来，以UNIX系统为基础已研制开发出许多新的操作系统软件。实际上，UNIX操作系统已经成为国际上目前使用最广泛、影响最大的主流操作系统之一。4.3常用操作系统简介4.Linux操作系统Linux最初是由芬兰赫尔辛基大学计算机系的学生LinusTorvalds开发的一个类UNIX操作系统内核程序，可免费使用和自由传播。Linux操作系统继承了UNIX操作系统以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。4.3常用操作系统简介5.MacOS操作系统MacOS操作系统是美国Apple公司