計算機 操作系統(tǒng)

計算機工作樞紐——操作系統(tǒng)作者：王書婷工科試驗班（材料與化工）學(xué)號：3140105041電話610384E-mail：1205430808@摘要中文摘要本文主要概述操作系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)知識，包括操作系統(tǒng)的定義、發(fā)展歷史、功能及種類，并重點介紹三種重要的操作系統(tǒng)——Windows和Unix關(guān)鍵詞操作系統(tǒng)；發(fā)展；功能；種類；應(yīng)用。ENGLISH

ABSTRACTThepaperisaimedtogenerallydiscusssomebasicknowledgeabouttheOS,includingitsdefinition,historyofitsdevelopment,functionsandsorts.Futhermore,theWindowsandtheUnix

willbeintroduced.KEYWORDOS;development;functions;sorts;applications.目錄什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史操作系統(tǒng)的功能及種類兩種常用的操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？操作系統(tǒng)（英語：operatingsystem，簡稱OS）是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運行?！鲎园俣劝倏撇僮飨到y(tǒng)是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各類作業(yè)進行調(diào)度，以及方便用戶的程序的集合。操作系統(tǒng)是計算機硬件和用戶（其他軟件和人）之間的接口，它使得用戶能夠方便地操作計算機，能有效地對計算機軟件和硬件資源進行管理和使用。教材給出的定義操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1980年代前20世紀(jì)八九十年代今天1980年代前的操作系統(tǒng)第一部計算機并沒有操作系統(tǒng)。這是由于早期個人電腦的建立方式與效能不足以執(zhí)行如此程序。1947年：發(fā)明了晶體管，以及莫里斯·威爾克斯（MauriceVincentWilkes）發(fā)明的微程序方法，使得電腦不再是機械設(shè)備，而是電子產(chǎn)品。系統(tǒng)管理工具以及簡化硬件操作流程的程序很快就出現(xiàn)了，且成為操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。1960年代早期：商用電腦制造商制造了批次處理系統(tǒng)，此系統(tǒng)可將工作的建置、調(diào)度以及執(zhí)行序列化。此時，廠商為每一臺不同型號的電腦創(chuàng)造不同的操作系統(tǒng)，因此為某電腦而寫的程序無法移植到其他電腦上執(zhí)行，即使是同型號的電腦也不行。1963年：奇異公司與貝爾實驗室合作以PL/I語言建立的Multics，是激發(fā)1970年代眾多操作系統(tǒng)建立的靈感來源，尤其是由AT&T貝爾實驗室的丹尼斯·里奇與肯·湯普遜所建立的Unix系統(tǒng)，為了實踐平臺移植能力，此操作系統(tǒng)在1969年由C語言重寫；另一個廣為市場采用的小型電腦操作系統(tǒng)是VMS。1964年：IBM推出了一系列用途與價位都不同的大型電腦IBMSystem/360，大型主機的經(jīng)典之作。而它們都共享代號為OS/360的操作系統(tǒng)（而非每種產(chǎn)品都用量身訂做的操作系統(tǒng)）。讓單一操作系統(tǒng)適用于整個系列的產(chǎn)品是System/360成功的關(guān)鍵，且實際上IBM大型系統(tǒng)便是此系統(tǒng)的后裔；為System/360所寫的應(yīng)用程序依然可以在現(xiàn)代的IBM機器上執(zhí)行！20世紀(jì)八九十年代1980年代，家用電腦開始普及。而80年代早期最著名的套裝電腦為使用微微處理器6510（6502芯片特別版）的CommodoreC64。此電腦沒有操作系統(tǒng)，它可用8KB只讀內(nèi)存BASIC語言來直接操作BIOS，并依此撰寫程序，此BASIC語言的解釋器勉強可算是此電腦的操作系統(tǒng)。1980年微軟公司出品了MS-DOS，此操作系統(tǒng)可以直接讓程序操作BIOS與文件系統(tǒng)。但它的架構(gòu)并不能完全滿足所有需求，因為它同時只能執(zhí)行最多一個程序且沒有任何內(nèi)存保護措施。對驅(qū)動程序的支持也不夠完整，因此導(dǎo)致諸如音效設(shè)備必須由程序自行設(shè)置的狀況，造成不兼容的情況所在多有。雖然如此，但MS-DOS還是變成了IBMPC上面最常用的操作系統(tǒng)。而1980年代另一個崛起的操作系統(tǒng)異數(shù)是MacOS，MacOS是一套運行于蘋果Macintosh系列電腦上的操作系統(tǒng)。MacOS是首個在商用領(lǐng)域成功的圖形用戶界面。1990年代Linux興起。Linux內(nèi)核是一個標(biāo)準(zhǔn)POSIX內(nèi)核，Linux除了擁有傲人的可移植性（相較于Linux，MS-DOS只能運行在IntelCPU上），它也是一個分時多進程內(nèi)核，以及良好的內(nèi)存空間管理（普通的進程不能存取內(nèi)核區(qū)域的內(nèi)存）。想要存取任何非自己的內(nèi)存空間的進程只能通過系統(tǒng)調(diào)用來達成。一般進程是處于使用者模式（Usermode）底下，而執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時會被切換成內(nèi)核模式（Kernelmode），所有的特殊指令只能在內(nèi)核模式執(zhí)行，此措施讓內(nèi)核可以完美管理系統(tǒng)內(nèi)部與外部設(shè)備，并且拒絕無權(quán)限的進程提出的請求。因此理論上任何應(yīng)用程序執(zhí)行時的錯誤，都不可能讓系統(tǒng)崩潰。20世紀(jì)八九十年代另一方面，微軟對于更強力的操作系統(tǒng)呼聲的回應(yīng)便是WindowsNT于1993年的面世。并在1995年8月15日推出Windows95。直到這時，Windows系統(tǒng)依然是建立在MS-DOS的基礎(chǔ)上。而微軟在2000年所推出的Windows2000上，才算是第一個脫離MS-DOS基礎(chǔ)的圖形化操作系統(tǒng)。而本年代漸漸增長并越趨復(fù)雜的嵌入式設(shè)備市場也促使嵌入式操作系統(tǒng)的成長。大型機與嵌入式系統(tǒng)使用很多樣化的操作系統(tǒng)。大型主機有許多開始支持Java及Linux以便共享其他平臺的資源。嵌入式系統(tǒng)百家爭鳴，從給SensorNetworks用的BerkeleyTinyOS到可以操作MicrosoftOffice的WindowsCE都有。今天的操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常都有一個使用繪圖設(shè)備的圖形用戶界面（GUI），并附加如鼠標(biāo)或觸控面版等有別于鍵盤的輸入設(shè)備。選擇要安裝的操作系統(tǒng)通常與其硬件架構(gòu)有很大關(guān)系，只有Linux與BSD幾乎可在所有硬件架構(gòu)上運行，而WindowsNT僅移植到了DECAlpha與MIPSMagnum。在1990年代早期，個人計算機的選擇就已被局限在Windows家族、類Unix家族以及Linux上，而以Linux及MacOSX為最主要的另類選擇，直至今日。在超級計算機方面，Linux取代Unix成為了第一大操作系統(tǒng)，截止2012年6月，世界超級計算機500強排名中基于Linux的超級計算機占據(jù)了462個席位，比率高達92%。隨著智能手機的發(fā)展，Android和iOS已經(jīng)成為目前最流行的兩大手機操作系統(tǒng)。功能操作系統(tǒng)的主要功能與主要類型資源管理程序控制人機交互進程管理內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存用戶接口如何運行的？資源管理資源管理設(shè)備管理處理器管理信息管理存儲管理設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)備資源和信息資源都是操作系統(tǒng)根據(jù)用戶需求按一定的策略來進行分配和調(diào)度的。操作系統(tǒng)的設(shè)備管理功能主要是分配和回收外部設(shè)備以及控制外部設(shè)備按用戶程序的要求進行操作等。對于非存儲型外部設(shè)備，如打印機、顯示器等，它們可以直接作為一個設(shè)備分配給一個用戶程序，在使用完畢后回收以便給另一個需求的用戶使用。對于存儲型的外部設(shè)備，如磁盤、磁帶等，則是提供存儲空間給用戶，用來存放文件和數(shù)據(jù)。存儲性外部設(shè)備的管理與信息管理是密切結(jié)合的。存儲管理系統(tǒng)的設(shè)備資源和信息資源都是操作系統(tǒng)根據(jù)用戶需求按一定的策略來進行分配和調(diào)度的。操作系統(tǒng)的存儲管理就負(fù)責(zé)把內(nèi)存單元分配給需要內(nèi)存的程序以便讓它執(zhí)行，在程序執(zhí)行結(jié)束后將它占用的內(nèi)存單元收回以便再使用。對于提供虛擬存儲的計算機系統(tǒng)，操作系統(tǒng)還要與硬件配合做好頁面調(diào)度工作，根據(jù)執(zhí)行程序的要求分配頁面，在執(zhí)行中將頁面調(diào)入和調(diào)出內(nèi)存以及回收頁面等。處理器管理處理器管理或稱處理器調(diào)度，是操作系統(tǒng)資源管理功能的另一個重要內(nèi)容。在一個允許多道程序同時執(zhí)行的系統(tǒng)里，操作系統(tǒng)會根據(jù)一定的策略將處理器交替地分配給系統(tǒng)內(nèi)等待運行的程序。一道等待運行的程序只有在獲得了處理器后才能運行。一道程序在運行中若遇到某個事件，例如啟動外部設(shè)備而暫時不能繼續(xù)運行下去，或一個外部事件的發(fā)生等等，操作系統(tǒng)就要來處理相應(yīng)的事件，然后將處理器重新分配。信息管理信息管理是操作系統(tǒng)的一個重要的功能，主要是向用戶提供一個文件系統(tǒng)。一般說，一個文件系統(tǒng)向用戶提供創(chuàng)建文件，撤銷文件，讀寫文件，打開和關(guān)閉文件等功能。有了文件系統(tǒng)后，用戶可按文件名存取數(shù)據(jù)而無需知道這些數(shù)據(jù)存放在哪里。這種做法不僅便于用戶使用而且還有利于用戶共享公共數(shù)據(jù)。此外，由于文件建立時允許創(chuàng)建者規(guī)定使用權(quán)限，這就可以保證數(shù)據(jù)的安全性。一個用戶程序的執(zhí)行自始至終是在操作系統(tǒng)控制下進行的。一個用戶將他要解決的問題用某一種程序設(shè)計語言編寫了一個程序后就將該程序連同對它執(zhí)行的要求輸入到計算機內(nèi)，操作系統(tǒng)就根據(jù)要求控制這個用戶程序的執(zhí)行直到結(jié)束。操作系統(tǒng)控制用戶的執(zhí)行主要有以下一些內(nèi)容：調(diào)入相應(yīng)的編譯程序，將某種程序設(shè)計語言編寫的源程序編譯成計算機可執(zhí)行的目標(biāo)程序，分配內(nèi)存儲等資源將程序調(diào)入內(nèi)存并啟動，按用戶指定的要求處理執(zhí)行中出現(xiàn)的各種事件及與操作員聯(lián)系請示有關(guān)意外事件

的處理等。程序控制操作系統(tǒng)的人機交互功能是決定計算機系統(tǒng)“友善性”的一個重要因素。人機交互功能主要靠可輸入輸出的外部設(shè)備和相應(yīng)的軟件來完成?？晒┤藱C交互使用的設(shè)備主要有鍵盤顯示、鼠標(biāo)、各種模式識別設(shè)備等。與這些設(shè)備相應(yīng)的軟件就是操作系統(tǒng)中人機交互的部分。人機交互部分的主要作用是控制有關(guān)設(shè)備的運行和理解并執(zhí)行通過人機交互設(shè)備傳來的有關(guān)的各種命令和要求。人機交互進程管理指的是操作系統(tǒng)調(diào)整復(fù)數(shù)進程的功能。進程管理通常實現(xiàn)了分時的概念，大部分的OS可以利用指定不同的特權(quán)等級（priority），為每個進程改變所占的分時比例。特權(quán)越高的進程，執(zhí)行優(yōu)先級越高，單位時間內(nèi)占的比例也越高。交互式OS也提供某種程度的回饋機制，讓直接與使用者交互的進程擁有較高的特權(quán)值。這種方法使得多個進程在

多核處理器上的運行得到了協(xié)調(diào)。進程管理內(nèi)存管理與虛擬內(nèi)存此類又被稱做虛擬內(nèi)存管理的功能大幅增加每個進程可獲得的記憶空間。然而這也帶來了微幅降低運行效率的缺點，嚴(yán)重時甚至也會導(dǎo)致進程崩潰。存儲器管理的另一個重點活動就是借由CPU的幫助來管理虛擬位置。如果同時有許多進程存儲于記憶設(shè)備上，每個進程只會看到整個存儲器空間（從0到存儲器空間的最大上限）被配置給它自己CPU事先存了幾個表以比對虛擬位置與實際存儲器位置，這種方法

稱為標(biāo)簽頁（paging）配置。借由對每個進程產(chǎn)生分開獨立的位置空間，操作系統(tǒng)也可以輕易地一次釋放某進程所占據(jù)的所有存儲器。如果這個進程不釋放存儲器，操作系統(tǒng)可以退出進程并將存儲器自動釋放。虛擬內(nèi)存是計算機系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)的可用的內(nèi)存（一個連續(xù)完整的地址空間），而實際上，它通常是被分隔成多個物理內(nèi)存碎片，還有部分暫時存儲在外部磁盤存儲器上，在需要時進行數(shù)據(jù)交換用戶接口用戶接口包括作業(yè)一級接口和程序一級接口。作業(yè)一級接口為了便于用戶直接或間接地控制自己的作業(yè)而設(shè)置。它通常包括聯(lián)機用戶接口與脫機用戶接口。程序一級接口為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置，通常由一組系統(tǒng)調(diào)用組成。在早期的單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)（如DOS）中，每臺計算機只有一個用戶，每次運行一個程序，且次序不是很大，單個程序完全可以存放在實際內(nèi)存中。這時虛擬內(nèi)存并沒有太大的用處。但隨著程序占用存儲器容量的增長和多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，在程序設(shè)計時，在程序所需要的存儲量與計算機系統(tǒng)實際配備的主存儲器的容量之間往往存在著矛盾。例如，在某些低檔的計算機中，物理內(nèi)存的容量較小，而某些程序卻需要很大的內(nèi)存才能運行；而在多用戶多任務(wù)系統(tǒng)中，多個用戶或多個任務(wù)更新全部主存，要求同時執(zhí)行獨斷程序。這些同時運行的程序到底占用實際內(nèi)存中的哪一部分，在編寫程序時是無法確定的，必須等到程序運行時才動態(tài)分配類型操作系統(tǒng)的主要功能與主要類型實時系統(tǒng)單用戶單任務(wù)單用戶多任務(wù)多用戶多任務(wù)并行系統(tǒng)分布式系統(tǒng)如何運行的？實時系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem，簡稱RTOS)是指使計算機能及時響應(yīng)外部事件的請求在規(guī)定的嚴(yán)格時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時設(shè)備和實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地工作的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)要追求的目標(biāo)是：對外部請求在嚴(yán)格時間范圍內(nèi)做出反應(yīng)，有高可靠性和完整性。其主要特點是資源的分配和調(diào)度首先要考慮實時性然后才是效率。此外，實時操作系統(tǒng)應(yīng)有較強的容錯能力。單用戶單（多）任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)就是計算機只能由一個人使用，且一次只能執(zhí)行一個任務(wù)。典型代表：DOS單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)只能支持一個人使用計算機，但允許同時執(zhí)行多個任務(wù)。多任務(wù)是一種分時處理技術(shù)，它將CPU的執(zhí)行時間劃分為若干個時間片，以此分配任務(wù)的執(zhí)行，使得計算機的運行效率大大提高，且系統(tǒng)可以在多個程序之間進行數(shù)據(jù)交換，可以在兩個同時運行的程序之間隨時切換。典型代表：Windows，MacOS，Linux多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)允許多個用戶使用一臺主機，而且支持每個用戶的多任務(wù)處理。每個用戶只需要一個由鍵盤、顯示器及連接主機的控制器組成的“終端工作站”就可以使用主機處理任務(wù)了。這種結(jié)構(gòu)一直延續(xù)到今天，主機演變成了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，終端工作站即PC機。典型代表：UNIX，Windows的服務(wù)器版多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)并行處理計算機系統(tǒng)（parallelcomputersystem）是指同時執(zhí)行多個任務(wù)或多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)項進行處理的計算機系統(tǒng)。早期的計算機是串行逐位處理的，稱為串行計算機。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計算機均具有不同程度的并行性。并行處理計算機主要指以下兩種類型的計算機：①能同時執(zhí)行多條指令或同時處理多個數(shù)據(jù)項的單中央處理器計算機；②多處理機系統(tǒng)。并行系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)(DistributedSoftwareSystems)是為分布計算系統(tǒng)配置的操作系統(tǒng)。大量的計算機通過網(wǎng)絡(luò)被連結(jié)在一起，可以獲得極高的運算能力及廣泛的數(shù)據(jù)共享。這種系統(tǒng)被稱作分布式系統(tǒng)。它在資源管理，通信控制和操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等方面都與其他操作系統(tǒng)有較大的區(qū)別。由于分布計算機系統(tǒng)的資源分布于系統(tǒng)的不同計算機上，操作系統(tǒng)對用戶的資源需求不能像一般的操作系統(tǒng)那樣等待有資源時直接分配的簡單做法，分布式系統(tǒng)而是要在系統(tǒng)的各臺計算機上搜索，找到所需資源后才可分配。分布操作系統(tǒng)的通信功能類似網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。因分布計算機系統(tǒng)不如網(wǎng)絡(luò)分布得廣，同時分布操作系統(tǒng)還支持并行，因此它提供的通信機制和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供的不同，它要求通信速度高。分布操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不同于其他操作系統(tǒng)，它分布于系統(tǒng)的各臺計算機上，能并行地處理用戶的各種需求，有較強的容錯能力。走進千家萬戶的WindowsMicrosoftWindows,是微軟公司研發(fā)的一套桌面操作系統(tǒng)，它問世于1985年，起初僅僅是Microsoft-DOS模擬環(huán)境，后續(xù)的系統(tǒng)版本由于微軟不斷的更新升級，不但易用，也慢慢的成為家家戶戶人們最喜愛的操作系統(tǒng)。Windows采用了圖形化模式GUI，比起從前的DOS需要鍵入指令使用的方式更為人性化。隨著電腦硬件和軟件的不斷升級，微軟的Windows也在不斷升級，從架構(gòu)的16位、32位再到64位，甚至128位，系統(tǒng)版本從最初的Windows1.0到大家熟知的Windows95、Windows98、WindowsME、Windows2000、Windows2003、WindowsXP、WindowsVista、Windows7、Windows8、Windows8.1、Windows10（預(yù)覽版）和WindowsServer服務(wù)器企業(yè)級操作系統(tǒng)，不斷持續(xù)更新，微軟一直在致力于Windows操作系統(tǒng)的開發(fā)和完善。開發(fā)代號版本版本號發(fā)布日期InterfaceManagerWindows1.011985/11/20無Windows2.021987/11/1無Windows3.031990/5/22JanusWindows3.13.11992/3/18NTOS/2WindowsNT3.1NT3.11993/7/27JanusWindows3.23.21994/4/14ChicagoWindows9541995/8/24DaytonaWindowsNT3.5NT3.51995/11/20CairoWindowsNT4.0NT4.01996/7/29DetroitWindows95OSR24.00.950B1996/8/24MemphisWindows984.11998/6/25MemphisWindows98SE4.10.2222A1999/5/5WindowsNT5.0Windows2000NT5.02000/2/17MillenniumWindowsME4.92000/9/14Windows版本發(fā)展史WhistlerWindowsXPNT5.1(32位)NT5.2(64位)2001/10/25WhistlerServerWindowsServer2003NT5.22003/4/24QuattroWindowsHomeServerNT5.22007/1/7LonghornWindowsVistaNT6.02007/1/30LonghornServerWindowsServer2008NT6.02008/2/27Blackcomb,Vienna,Windows7Windows7NT6.12009/10/22WindowsServer7WindowsServer2008R2NT6.12009/10/22VailWindowsHomeServer2011NT6.12011/4/5無WindowsThinPCNT6.12011/7/11Windows8Windows8NT6.22012/10/25WindowsServer8WindowsServer2012NT6.22012/9/4WindowsBlueWindows8.1NT