大学计算机基础（第六版）课件 04 计算机操作系统

第4章计算机操作系统01操作系统概述02常见的操作系统03操作系统的结构与功能Contents目录Windows操作系统0401操作系统概述什么是操作系统？概念：计算机软件（ComputerSoftware）是指计算机系统中的程序以及程序实现和维护时所必需的文档总称。特征：软件是用户与硬件之间的接口，用户主要通过软件与计算机进行交互。软件是计算机系统设计的重要依据。软件在计算机系统中起指挥、管理作用。软件包括两部分的内容：程序和文档。程序是计算机任务的处理对象和处理规则的描述，它是按照一定的设计思想、要求、功能和语法规则编写的文档。文档是指用自然语言和形式化语言所编写的用来描述程序的内容、组成、设计、功能、开发情况、测试结构和使用方法的文字资料和图表。1计算机软件的概念计算机只能运行机器指令，直接用机器指令编写的程序称为机器语言程序，无须翻译就可以直接执行，也称为低级语言。用高级语言编写的程序称为源程序，把高级语言源程序翻译成指令代码序列，此时的指令代码序列称为目标程序（ObjectProgram）。计算机程序的工作机制就是用高级语言编写源程序，通过解释器或者编译器，翻译成机器可以理解和执行的指令代码，然后在计算机中运行。翻译的方式有两种：解释编译2计算机程序的工作机制将高级语言源程序输入计算机后，翻译一句，执行一句，不产生整个目标程序的翻译方式称为解释方式。按照源程序中语句的动态顺序，逐句进行分析解释，并立即执行。特点：灵活方便，交互性好，占内存空间较少（没有目标程序，因而节省存储空间）。不足:占内存时间多，执行效率较低。解释把整个高级语言源程序输入计算机后，整体翻译成等价的目标程序，执行目标程序的翻译方式称为编译方式。这种翻译软件称为“编译程序”或“编译器”。特点：目标程序经过优化，执行效率高；不足：占内存空间多，复杂性较高。对操作系统具有依赖性。编译最初的计算机没有操作系统，使用计算机是一件非常困难的事。而后逐渐产生了操作系统，更好地实现了程序的共用，以及对计算机硬件资源的管理，使人们可以从更高层次对计算机进行操作，而不用关心其底层硬件的运作。在计算机系统中，软件分为三类：应用软件、支撑软件和系统软件。三类软件处在不同的层次：最下面是计算机硬件系统，是进行信息处理的实际物理装置；其上第一层是系统软件，第二层为支撑软件，最外层为应用软件。3操作系统的产生定义操作系统（OperatingSystem，OS）是硬件与其他软件系统的接口，也是用户和计算机之间进行交流的界面。它在整个计算机系统中具有极其重要的特殊地位。操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源，为用户提供便捷使用计算机的程序集合。4操作系统的定义与类型发展从开始的公共程序模块到今天的全方位计算机管理系统，采用不同的处理模式加强系统的功能，特别在人机交互方面有巨大的进展。（1）手工操作阶段（2）批处理系统（3）分时操作系统（4）实时处理系统4操作系统的定义与类型分类（1）按用户操作界面分类（2）按支持用户数分类（3）按运行的任务数分类（4）按处理器数目分类（5）按拓扑结构分类（6）按运行环境分类4操作系统的定义与类型特征（1）并发性（Concurrence）----在计算机中（具有多道程序环境）可以同时执行多个程序。（2）共享性（Sharing）----

多个并发执行的程序（同时执行）可以共同使用系统的资源。（3）虚拟性（Virtuality）----

虚拟技术是指把逻辑部件和物理实体有机结合为一体的处理技术。通过虚拟技术，可以实现虚拟处理器、虚拟内存、虚拟设备等。（4）异步性（Asynchronous）----在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，由于资源有限，进程的执行不是一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。只要运行环境相同，操作系统必须保证多次运行程序都获得相同的结果。4操作系统的定义与类型02常见的操作系统介绍常见的几种操作系统的特点与应用DOS（DiskOperatingSystem）磁盘操作系统早期曾经占领了个人计算机操作系统领域的大部分。MS-DOS6.22版是最后一个十分完善的DOS版本，众多的内部、外部命令使用户能够比较简单地对计算机进行操作，其稳定性和可扩展性都十分出色。DOS系统不需要十分强大的硬件系统来支持，简单易学，但存储能力有限。MS-DOS系统是配置在PC上的单用户单任务操作系统，采用命令行字符界面操作方式，其中的命令（即程序名）一般都是英文单词或缩写。其操作命令对格式和语法都有严格的要求。20世纪90年代中后期，Windows取代了DOS。1

MS-DOS微软视窗（MicrosoftWindows）是微软公司推出的一系列操作系统。问世于1985年，起初仅是MS-DOS之下的桌面环境，后续版本逐渐发展成为个人计算机和服务器用户的操作系统。Windows操作系统可以在几种不同类型的平台上运行，如个人计算机（PC）、服务器和嵌入式系统等，其中在个人计算机领域的应用最为普遍。Windows与PC的处理器始终是相互配套的，处理器（CPU）从16位到64位，Windows也从3.0版升级到Windows10/11，其间经历了10多个版本，每个版本还有不同的“版”，如个人版、专业版、企业版等。2020年，全球拥有大约10亿的Windows10系统用户。2021年10月，微软发布最新操作系统Windows11。2

WindowsWindows的优点：①形象、生动的图形用户界面。为处理多个任务提供了可视化的工作环境。②多用户、多任务。③良好的网络支持。④出色的多媒体功能。⑤良好的硬件支持，支持“即插即用”（PlugandPlay）技术。⑥众多的应用程序。Windows使更多的普通人能够更方便地使用计算机，成为目前装机普及率最高的一种操作系统，它对PC时代的贡献是无与伦比的。2

WindowsUNIX是一个强大的多用户多任务的分时操作系统，支持多种处理器架构、运行可靠稳定的操作系统。1969年由贝尔实验室开发。它是全系列通用的操作系统。UNIX不只是一种操作系统的专用名称，而且成了当前开放系统的代名词。UNIX大大推动了计算机系统及软件技术的发展，它的两个发明者于20世纪80年代获得了图灵奖。UNIX因其安全可靠、稳定高效强大的特点在服务器领域得到了广泛应用，是面对大型机和小型机用户开发的，主要面向专业型高端用户。UNIX是开源软件，可在此基础上开发出新的自由软件和商业软件UNIX可以稳定工作，很少被黑客攻击。3

UnixLinux也是一款开源软件、免费的类UNIX操作系统。

是基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、多线程和多CPU的操作系统。基于Linux核心程序，再加上自主开发的程序就成了各种Linux版本。目前流行的几种版本有RedHatLinux、SlackwareLinux、DebianLinux、TurboLinux以及国内的红旗Linux、蓝点Linux等。Linux还是一种嵌入式操作系统，可以运行在掌上计算机、机顶盒或游戏机上。基于Linux内核的Android操作系统已经成为当今全球最流行的智能手机操作系统。Linux具有稳定、可靠、安全、网络功能强大等优点。相对于Windows，Linux的应用软件支持不足，硬件设备的驱动程序也不足；随着Linux的发展，越来越多的软硬件厂商支持Linux，其应用范围也越来越广，前景十分光明。4

LinuxMacOS是由苹果公司（Apple）开发的一套苹果Macintosh系列计算机上使用的操作系统。具有很强的图形处理功能，被公认为是最好的图形处理系统，现行较新的系统版本是MacOSXMavericks（v10.9）桌面操作系统。内核是基于UNIX基础之上的，系统稳定性、可靠性都很强。目前MacOSX版本具有很强的向上兼容性和双启动功能，以及虚拟平台技术。早期MacOS与Windows的软件和应用软件不兼容，影响了其普及。苹果公司的软件和硬件都可自己做，其自身软硬件的兼容性好，速度、色彩、画面、安全性等也非常好，广泛用于桌面出版和多媒体应用领域。使苹果公司声名鹊起的不是它的Mac计算机，而是它的数码产品，如平板计算机iPad、智能手机iPhone、音乐播放器iPod等。5

MacOS2021年全球智能手机出货量达13.548亿。1．iOS由苹果公司开发的手持设备操作系统。属于类UNIX的商业操作系统。2．Android（安卓）是一种以Linux为基础的开放源代码的操作系统，主要使用于便携设备。3．Harmony（鸿蒙）是一款面向互联网时代的、全新的分布式操作系统。6移动设备操作系统在信息领域，我国一直在不断发展，这其中包括了网络基础设施、智能终端、高端芯片、操作系统等。国产操作系统有代表性的几家（如深度Linux、红旗Linux、蓝点Linux、银河麒麟、中标普华Linux、雨林木风操作系统YLMFOS、凝思磐石安全操作系统和共创Linux桌面操作系统等），均是以Linux为基础开发的操作系统。所有国产操作系统均为免费的，具有价格方面的优势。统信UOS统信软件技术有限公司（以下简称统信软件）是以“打造中国操作系统创新生态”为使命的国内基础软件公司，由操作系统厂家于2019年联合成立。公司专注于操作系统等基础软件的研发与服务。2022年3月25日，统信桌面操作系统V20专业版正式发布。中国的操作系统03操作系统的结构和功能讲解操作系统的层次结构与基本的系统功能从宏观上来看，操作系统分为相对稳定的内核层（Kernel）以及与用户之间的接口（Shell）两层。1．操作系统的内核操作系统的内核程序叫作Kernel，它有一个操控计算机各资源的基本模块，实现计算机资源的管理，并提供系统服务和多任务管理，支持应用程序所要求的低级服务，如内存的动态分配和回收、进程的时间片段管理、设备的输入/输出控制管理和文件管理等功能。2．操作系统的用户接口（用户界面）用户通过操作系统使用计算机，而操作系统的用户接口Shell（外壳程序）负责接收用户（包括用户执行的应用程序）的操作命令，并将这个命令解释后交给内核Kernel去执行。1操作系统的层次结构根据操作系统的功能组成来看，主要分为4个模块：进程管理、存储管理、设备管理和文件管理模块，其他模块作为辅助功能，如图所示。2操作系统的功能组成进程（Processing）是操作系统的重要概念，是指程序的一次执行过程，即一个程序对某个数据集的执行过程，这个程序的执行过程是由进程管理器按一定的策略和调度将计算机的中央处理器（CPU）分配给进程的，由CPU执行，因此，进程管理也叫作处理器管理。CPU是计算机系统中极为重要的资源，管理的目的是使处理器资源得到充分有效的利用，并实现多任务管理。程序、作业和进程程序在存储介质上存储，是静止状态。作业是用户向计算机提交的任务，也是要求计算机所做工作的集合，是程序的另一个状态，是指程序被选中运行直到运行结束的整个过程。程序进入内存和CPU中运行的过程称为进程，进程的运行或执行是一个动态状态。3进程管理如果要程序完成一个任务，程序被选中时就成为作业，并且处在保持（或称后备）状态，这就是作业的开始，直到它进入内存之前都保持这个状态。当内存可以整体或者部分地载入这个程序时，作业转换成就绪状态，并变成进程。它在内存中保持这个状态直至CPU执行它，这时它转成执行状态。3进程管理程序、作业和进程之间的关系它们是对同一个对象在不同时间段内和空间的状态进行描述。如果说程序是静态的，那么进程则是动态的，介于它们之间的就是作业。进程的动态性表现在“执行”本身，由开始到终止，中途可以暂停。因此，进程有生命周期，由“创建”而产生，由“撤销”而消亡，因拥有处理器而得以运行。程序的静态性是表现在外存介质的存储。作业是任务的开始到结束的整个过程。进程是竞争计算机系统有限资源的基本单位，进程是处理机调度的基本单位。因为只有进程有资格独立向系统申请资源并有权获得系统提供的服务，而不是程序。一个程序可以对应多个进程（多次执行），即多个进程可执行同一程序；一个进程也可以执行一个或几个程序。一个作业可由多个进程组成，且必须至少由一个进程组成，反过来则不成立。可见程序和作业与进程的关系都不是一一对应的。3进程管理进程具有动态性、独立性、并发性等特性。进程异步性：进程按各自独立的、不可预知的速度前进，即按异步方式运行。内存中的一个进程什么时候被CPU执行、执行多少时间都是不可知的，因此操作系统需要负责各个进程之间的协调运行。进程结构：进程由程序、数据和进程控制块3部分组成。操作系统本身是由若干程序模块组成的。在对系统资源进行管理和对用户进程提供服务时，系统程序得到执行而产生了一系列的进程，这些进程称为系统进程。系统进程除了拥有某些系统特权之外，与用户进程没有什么不同。操作系统以进程为单位对处理器（CPU）进行管理。3进程管理（1）进程控制进程控制包括创建进程、进程终止、进程阻；塞和进程唤醒。正在执行的进程（执行状态）面对3种情况：当出现某个事件（如缺少数据）时，操作系统将处理器分配给另一个就绪进程，该进程进入等待状态；时间片正常用完，操作系统将处理器分配给下一个就绪进程并进行切换，该进程进入就绪状态；进程任务完成，直接进入终止状态。（2）进程调度进程调度的目的是为进程分配CPU资源。调度算法是指根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法（①先来先服务；②短作业进程调度算法；③优先权调度算法等）（3）进程通信是指进程之间的信息交换、高效传送大量数据的一种通信方式。分为共享存储器系统、消息传递系统以及管道通信系统3种方式。3进程管理程序执行形成进程，如果任务很大，将进程的任务细分成子任务来完成整体任务，这就是线程--（Threads），进程中可独立执行的子任务，它是进程概念的延伸。为了区分各个线程，每个线程都有一个唯一的标识符，它们共享同样的代码和全局数据。线程与进程有许多相似之处，往往把线程又称为“轻型进程”；线程与进程的根本区别是进程是资源分配单位，而线程是调度和执行单位。现代程序特别是网络程序往往都比较复杂，都引入了多线程技术。多线程技术具有多方面的优越性：①创建速度快、系统开销小，创建线程不需要另行分配资源。②通信简洁、信息传送速度快，线程间通信在统一地址空间进行，不需要额外通信机制。③并行性高，线程独立执行，能充分利用和发挥处理器与外围设备并行工作的能力。3进程管理存储器是计算机的关键资源之一。它可分为两大类：内存储器（简称主存）和辅助存储器（简称辅存或外存，如硬盘）。处理器可以直接读/写内存，但不能直接访问辅存。而用户面对的是由操作系统统一管理的内、外存组成的整体。操作系统将外存管理归类到设备管理模块。计算机内存空间包括系统区和用户区，操作系统的内存管理主要是对用户区的管理。1．内存管理存储器管理是指操作系统对内存储器的使用情况进行动态监控和记录，以便动态分配和存储单元的回收，以及存储共享与保护、内存扩充等管理。存储管理一般分为单道程序和多道程序。4存储器管理2．虚拟存储器当计算机系统中运行的程序所需要的内存容量超过系统所提供的内存容量时，就需要内存扩充，即利用外部存储器作为内存的后援，建立虚拟存储器。只把作业中的一部分信息先装入内存运行，其余部分暂存辅助存储器（如硬盘）中的特定空间，按照内存的结构进行组织，当作业执行到要用到那些不在内存中的信息时，再从辅助存储器中特定空间将其读入内存这就是虚拟内存技术。虚拟内存技术不仅可以提高内存利用率，而且大于内存空间的大作业也能运行，即允许用户作业的逻辑地址空间大于实际内存的绝对地址空间。4存储器管理操作系统的设备管理是对外围设备进行区分并制定不同类别设备的不同访问策略，来提高这些设备的使用效率。设备管理包括常用的输入/输出设备、外存设备以及终端设备等的管理。计算机中内存和外围设备之间信息的传输称为输入/输出操作，简称为I/O操作。设备包括设备本身机械部分和电子控制器部分。现代计算机系统设备管理的任务就是监视这些设备资源的使用情况，根据一定的分配策略，把设备分配给请求输入/输出操作的程序，并启动设备完成所需的操作。设备管理的设计5设备管理①分层结构将高层次的设备管理软件与低层次的硬件设备隔离开，管理简单化。高层次的I/O管理程序（设备独立性软件）只要向用户提供一个友好、清晰、规范的统一接口，就可以使应用软件（用户）和I/O设备管理程序，只涉及“虚拟设备”或抽象设备。而真实设备由硬件生产者开发并提供设备驱动程序。②统一接口由操作系统按设备类别抽象出通用的接口类型，形成统一的接口或标准框架，每种通用类型都可以是一组标准函数（即接口程序），通过这些标准函数，用户程序通过I/O管理程序，与设备驱动程序建立联系并访问设备。5设备管理设备分类----不同设备，数据传送方式不同，功能和操作也不同。从操作系统来看，其重要特性指标有数据传输速率、方式和共享性等属性，由此设备可分为三大类：①按传输速度分类：每秒传输数百字节以下的低速设备（键盘、鼠标、手写板等输入/输出设备）；每秒传输数千至数十千字节的中速设备（如激光打印机等）；每秒传输数百千至数兆字节的高速设备（如磁带机、磁盘机和光盘驱动器等）。②按输入/输出传输方式分类：字符设备（以字符为单位进行输入和输出的设备）和块设备（以字符块为单位进行输入和输出的设备）③按设备的共享属性分类：独占设备（一段时间内只允许一个用户进程访问的设备）；共享设备（一段时间内允许多个进程同时访问的设备）；虚拟设备（通过虚拟技术将一台独占设备变成多台逻辑设备，供多个进程同时使用）5设备管理设备驱动程序是操作系统管理和驱动设备的程序，是驱动物理设备和I/O控制器等直接进行I/O操作的子程序的集合。它与设备和控制器紧密相关，每个设备都有自己的驱动程序。标准设备如键盘、鼠标、显示器等，操作系统默认自动安装标准的设备驱动程序，以便用户使用这些设备。非标准设备，操作系统统一了设备驱动程序的标准框架（即接口程序），硬件厂家根据标准编写设备驱动程序，所有与设备相关的操作代码都在驱动程序中，并随同设备一起提交给用户。因此，添加新设备，必须安装设备驱动程序。①即插即用（PlugandPlay，PnP）②通用即插即用（UPnP）5设备管理数据传输控制方式①程序控制：由用户进程来直接控制内存或CPU与外围设备之间的信息传送。此方式不能实现主机和外围设备的并行工作，系统的效率很低，已很少采用。②中断控制：进程启动I/O操作后，该进程放弃CPU，而CPU去做其他工作。可使CPU与I/O设备并行工作，提高整个系统的资源利用率及吞吐量。适用于打印机、键盘等以字符为单位传送的字符设备。③直接存储访问：让外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，而不用CPU干预。大大减轻CPU负担，也使外围设备的数据传输速率大大提高。适用于磁盘等块设备的I/O。④通道控制：设备通道用来控制外围设备和内存之间进行批量数据传输。通道有自己的简单的指令系统和执行通道程序；I/O通道方式是DMA方式的发展，可一次完成多个数据块的读/写及有关的控制和管理，实现CPU、通道、I/O设备三者并行操作，提高系统资源利用率。在中、大型计算机系统中，一般采用设备通道控制外围设备的各种I/O操作。5设备管理设备分配和其他技术设备分配的目的是既要充分发挥设备的使用效率，又要安全，避免由于不合理的分配造成进程死锁。①静态分配；②动态分配：其他技术（1）缓冲技术----由于外围设备与CPU速度极不匹配的问题，采用了设置缓冲区的方法解决。缓冲是一种暂存技术，利用某个存储设备，在数据的传输过程中进行暂时的存储。（2）中断技术----中断是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。（3）虚拟技术----采用虚拟技术可以将低速的独占设备虚拟成一种可共享的多台逻辑设备，供多个进程同时使用，通常把这种经过虚拟的设备称为虚拟设备。5设备管理抽象的、概念化的、易于理解的数据组织方式——文件系统文件系统是指由被管理的文件、操作系统中管理文件的软件和相应的数据结构组成的系统。文件是具有标识的一组有完整逻辑意义的，并存储在外存介质上数据的集合，如源程序、可执行程序、文章、信函或报表、声音、图像和视频等。计算机中的所有数据都是以文件的方式存放在存储介质上，通过文件名对其进行识别和管理。文件是操作系统用来存储和管理信息的基本单位。文件和文件系统与计算机上运行的操作系统有关，不同操作系统的文件系统也不相同。从操作系统管理资源的角度来看，文件系统应具有以下功能：①解决如何组织和管理文件。管理和调度文件的存储空间，提供文件的逻辑结构、物理结构和存储方法。②实现文件的“按名存取”操作机制。用户按文件名进行操作，系统则把文件从标识到实际存储地址进行映射（即按名存取），实现文件的实际控制和存取操作。③提供文件共享功能及保护和安全措施。④实现用户要求的各种操作。包括建立文件，撤销、删除、复制、移动文件，以及对文件的读/写、修改等。6文件管理文件命名文件命名是以字母和数字的组合唯一标识一个文件。不同操作系统的文件命名规则不同。6文件管理文件属性与操作文件包括两部分内容：一是文件所包含的数据，称为文件数据；二是关于文件本身的说明信息或属性信息，称为文件属性6文件管理文件的存储结构和目录结构文件的结构分为逻辑和物理两种结构。文件系统就是在用户的逻辑结构文件和相应的存储设备上的物理结构文件之间建立映射关系。文件系统以“目录”管理文件，形成一种目录结构6文件管理文件共享、保护和保密（1）文件的共享如果一个文件可以被多个用户使用，则称这个文件是可以共享的。要达到文件的共享，主要解决用户文件和共享文件的连接问题。（2）文件的保护文件的保护是为了防止误操作对文件造成破坏以及未经授权用户对文件进行写入和更新。可以采用建立副本和定时转储的办法来保护文件。也可以通过设置文件的性质对文件进行保护。（3）文件的保密要防止系统中的文件被他人窃取、破坏，就必须对文件采取有效的保密措施。可以通过设置文件的访问权限来对文件实施保密，如“口令”或“密码”。也可隐蔽文件目录，即用户将需要保密的文件的目录隐蔽起来，因其他用户不知道文件名而无法使用。（4）文件的安全文件系统的安全是一个大多数用户关心而又容易被忽略的问题。为了保护文件系统，采用的技术多是使用密码、设置存储权限，以及建立更复杂的保护模型等。但出于安全上的全面考虑，备份是最佳方案，6文件管理04Windows操作系统从系统角度介绍Windows的结构和管理在个人计算机系统中，Windows占有绝对优势和市场份额。微软公司从1983—1985年推出Windows1.03以来，Windows系统经历了从最初运行在DOS下的Windows3.x，到不同时期风靡全球的Windows9x、2000系列、XP、2003、Vista、2008，以及分别在2009年、2013年和2014年发布的Windows7、Windows8和Windows10，目前在大力推广和升级到Windows11。当今市场上个人计算机使用较多的版本是Windows7和Windows10，Windows市场占有率超过80%。Windows的重要性在于它使得计算机的操作、应用变得非常容易，非专业人员也能够使用计算机，使得计算机更加普及。Windows基于图形用户界面（容器：窗口、对话框；组件：按钮、滚动条、列表框；图标、快捷方式，等等）支持即插即用等，运用多种先进技术，如内存交换技术、多线程技术等。Windows处理多媒体信息，内置了多种网络协议，用户能够很容易地使用局域网和因特网。Windows提供了应用程序接口（API）、设备驱动程序开发工具，为开发基于Windows的应用程序提供了极大的方便，因此，有极为丰富的各种应用系统，这也是Windows得以流行的主要原因。1概述Windows10系统的特点（1）计算机更个性化（2）搜索更智能（3）简单更易用（4）占内存少，速度更快（5）共享信息更方便（6）数据保护更安全Windows10增加的新功能（1）生物识别技术（2）Cortana搜索功能（3）平板模式（4）多桌面和桌面的优化应用（5）新技术的融合1概述Windows模型结构也使用了内核和外壳结构，与大多数