计算机软件基础课件：操作系统概述

操作系统概述《计算机软件基础》01.操作系统简介02.操作系统功能03.操作系统产品主要内容本章重点难点本章重点：操作系统在计算机系统中的地位和作用；操作系统的五个功能；程序并发执行；进程的概念；提供的用户接口；主机、服务器、个人计算机和嵌入式操作系统的特点。本章难点：进程与程序的区别与联系；进程管理的功能；内存管理的功能；设备管理的功能；文件管理的功能。01操作系统简介

提供计算机用户与计算机硬件之间的接口，并管理计算机软件和硬件资源。

一种复杂的系统软件，是不同程序代码、数据结构、数据初始化文件的集合。

如常用的Linux，Windows10、Windows11和macOS等。1.操作系统（OS）的定义2.操作系统在计算机系统中的位置操作系统是覆盖在裸机上的第一层软件，编译程序、数据库管理系统以及其他应用程序都运行在操作系统之上，操作系统为这些软件提供运行环境。3.操作系统必须实现两个主要目标1）与硬件部分相互作用，为硬件平台上的所有底层可编程部件提供服务。2）为运行在计算机系统上的应用程序提供执行环境。高级语言的应用程序是不能在裸机上运行的，必须运行在操作系统上，由操作系统为要执行的应用程序分配必要的软件和硬件资源，并对这些资源进行有效的管理。4.操作系统提供了用户与硬件之间的接口接口是两个不同组成部分的交接面。接口分硬件接口和软件接口；硬件接口如USB接口、串口和并口等。软件接口如C语言中的函数调用printf()。计算机的所有功能最终都是由硬件的操作来实现的。5.操作系统是资源的管理者操作系统所管理的资源主要包括处理器（也称处理机）、内存、设备、文件，在网络操作系统中还包括网卡、带宽等。

多任务：允许在同一个系统内多个应用程序“同时”执行。一方面保证用户程序的顺利执行；另一方面使计算机系统资源得到尽可能高效的利用，保证计算机系统的高性能。02操作系统功能1.进程管理1）进程的概念进程是允许并发执行的程序在某个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程代表了程序的执行过程，是一个动态的实体。程序的执行方式：顺序执行：先进入内存的程序先执行，在一个程序执行完毕之前，不能执行其它程序。并发执行：是指在同一时间间隔内运行多个程序。一个程序执行结束之前，可以运行其它程序。对用户而言，看到的是计算机同时运行多个程序。2）进程与程序的区别与联系进程与程序是相互区别的程序是静态的，进程是动态的。程序是永久的，进程是暂时存在的。程序与进程的存在实体不同。程序是指令的集合，而进程可以被认为是程序的执行实体。进程与程序又是相互联系的进程是程序的一次执行，总是对应至少一个特定的程序，执行程序的代码。一个程序可以对应多个进程。几个进程能并发执行相同的程序代码，而同一个进程能顺序地执行几个程序。3）进程管理功能①进程的描述与组织。主要任务是定义与进程有关的数据结构及其在内核中的描述形式，并通过定义数据结构来管理和组织系统中任意时刻的多个进程。②进程控制。功能是完成创建、撤销、唤醒和阻塞进程等操作。③进程同步。主要任务就是要保证在多任务共享系统资源的情况下，程序执行能得到正确的结果。④进程通信。支持进程之间的信息交换。⑤进程调度。主要工作即是根据一定调度算法从就绪队列的若干进程中选出一个进程，把CPU分配给它。4）线程的概念①引入线程的原因

由于进程既是独立执行的基本单位，又是资源拥有者，在进程创建、撤销和切换时需要较大的时空开销。所以，系统中所设置的进程数和进程切换的频率都受到了限制，影响了操作系统并发程度的提高。为了进一步提高程序的并发性，减少系统开销，在操作系统中引入了线程的概念。①线程的概念：线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。不独立拥有资源（仅有少量基本资源），而与其他线程共享同一进程的资源，减小了系统的时空开销。线程的实质是把进程的任务划分成更小、具有独立功能的单位，以线程的形式来并发执行，以提高程序并发执行的程度。2.内存管理内存管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用内存，提高内存的利用率，以及从逻辑上扩充内存以实现虚拟存储。1）内存分配。主要任务是为每道程序分配内存空间，使它们各得其所。操作系统可以采用两种方式实现内存分配：静态分配方式：把内存划分成固定大小和数量一定的区域，在系统运行过程中各分区的大小和数量不再变化。动态分配方式：系统在运行过程中，根据进程的请求分配内存，内存中分区的大小和数量都是动态变化的。2）内存保护

内存保护的任务：一是使操作系统内核的空间不会被用户随意访问，以保证系统的安全、稳定；二是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。

实现的方式：可以采用界限寄存器存放允许程序访问的地址区间的上限和下限值。

现代操作系统实现内存保护的方式不仅限于使用界限寄存器。3）地址映射又称地址变换是把程序的逻辑地址转变为物理地址的过程地址映射应在硬件的支持下完成4）内存扩充任务是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使系统能够向用户提供比物理内存大的存储容量。

系统必须具有内存扩充机制，以实现下述功能：

①请求调入功能。在程序运行过程中若发现要执行的指令或要访问的数据尚未装入内存，通过请求调入把需要的指令或数据装入内存。

②置换或对换功能。在请求调入时，若发现内存空间不够，则需要系统先将内存中的一部分内容换出到外存中，以便腾出内存空间装入当前需要的内容。3.设备管理计算机系统中的I/O设备即输入输出设备是用于计算机系统与人通信或与其它机器通信的所有设备，以及所有外存设备。设备管理主要完成用户的I/O请求，为用户分配I/O设备。1）缓冲管理：缓冲区是用来保存两个设备之间或设备与应用程序之间传输数据的内存区域。2）设备分配：在多道程序环境下，系统中的设备不允许用户自行使用，而必须由系统分配。3）设备处理：由设备驱动程序来实现CPU与设备控制器之间的通信，控制设备进行具体的I/O操作。4）设备独立性和虚拟设备设备独立性功能使应用程序独立于物理设备。例如，用高级程序设计语言写打印图形的程序，与使用什么型号、品牌的打印机无关。虚拟设备的功能是把一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备，使一个物理设备能供多个用户共享。4.文件管理软件资源（如程序和数据）是以文件的形式存在。文件管理是操作系统的重要功能之一，它为用户提供了在计算机系统中对数据信息进行长期、大量存储的和访问的功能。文件的结构以及文件的命名、访问、存储、保护和实现方法都是文件系统设计的主要内容。文件命名向用户提供了简单、直观的文件访问方式。文件管理应实现以下功能：文件存储空间的管理目录管理文件的读、写管理和存取控制5.提供用户接口1）命令接口。早期的操作系统都向用户提供了命令接口。①联机用户接口。它由一组键盘操作命令和命令解释程序组成。②脱机用户接口。脱机用户接口是为批处理作业的用户提供的，也称为批处理用户接口。2）图形接口。用户可以轻松地通过选择窗口、菜单、对话框、滚动条、图标等简单的操作来完成对作业和任务的提交与控制。3）程序接口。操作系统提供给程序员的接口是系统调用。一般的操作系统都提供进程控制、文件操纵、通信管理和系统维护等几类系统调用。03操作系统产品运行在大型主机上的操作系统主要提供三类服务批处理系统处理不需要交互式用户干预的周期性作业，保险公司的索赔处理或者连锁商店的销售报告通常以批处理的方式完成。事务处理系统负责大量的小请求，例如银行的支票处理或航班预订，每个业务量都很小，但是系统必须每秒处理成百上千、甚至上万个业务，需要很快的处理速度。分时系统允许多个用户同时在计算机上工作，执行命令或处理作业。典型系统：IBM的OS/360，OS/390，Linux、Unix的一些版本1.主机操作系统

运行在网络服务器上的操作系统，可以通过网络同时为众多用户服务，允许用户共享硬件和软件资源。

服务器可提供打印服务、文件服务和web服务。

典型系统：Solaris、FreeBSD、Linux、WindowsNT和WindowsServer200X。2.服务器操作系统个人计算机操作系统为单个用户提供良好的应用环境和应用软件开发环境。常见系统：Windows的个人计算机操作系统系列、Linux的不同发行版、Macintosh、ChromeOS和苹果电脑的MacOS系统等。

3.个人计算机操作系统4.嵌入式操作系统运行于嵌入式设备中的操作