第一節(jié) 操作系統(tǒng)概述

第一節(jié)操作系統(tǒng)概述1.1存儲程序式計算機模型1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的基本概念1.4操作系統(tǒng)的邏輯模型1.5微機操作系統(tǒng)

1.1存儲程序式計算機模型1.1.1作為擴展機器的操作系統(tǒng)1.1.2作為資源管理的操作系統(tǒng)

儲程序式計算機模型儲程序式計算機模型的基本方案是，如要使計算機能夠自動地計算，必須有一個存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)；同時要有一個運算器，用以執(zhí)行指定的操作；有一個控制器，以便實現(xiàn)自動操作；另外，輔以輸入/輸出部件，以便輸入原始數(shù)據(jù)和輸出計算結(jié)果。于是形成了現(xiàn)代計算機的基本組成形式。如圖1.1所示。圖1.1存儲程序計算機的組成1.1.1作為擴展機器的操作系統(tǒng)一臺完全無軟件的計算機系統(tǒng)稱為裸機，即便其性能再強，相對于用戶來講，如果要面對計算機的指令集、存儲組織、I/O總線結(jié)構(gòu)的編程則是十分困難的。對于一般程序員也并不想涉足硬件編程的種種具體細節(jié)，而希望針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象地使用硬件。如果我們在裸機上覆蓋一層I/O設(shè)備管理軟件，用戶便可以利用這層I/O設(shè)備管理軟件提供給用戶的接口來進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，那么用戶此時看到的計算機是一臺功能強大、使用方便的計算機，但實際上，計算機的硬件絲毫沒有變化，這樣的計算機稱為軟件擴充的機器，或稱軟件虛擬機。1.1.2作為資源管理的操作系統(tǒng)

從作為機器功能擴充的觀點看，操作系統(tǒng)是為用戶提供基本的方便的接口，這是一種自頂向下的觀點或是自內(nèi)向外的觀點。但是從用戶向機器的觀點或自底向上的觀點來看，操作系統(tǒng)則用來管理一個復(fù)雜計算機系統(tǒng)的各個部分?，F(xiàn)代計算機包含處理器、存儲器、時鐘、磁盤、終端、網(wǎng)絡(luò)接口、打印機以及許多其他設(shè)備。從這個角度來看，操作系統(tǒng)的任務(wù)是在相互競爭的程序之間有序地控制對處理器、存儲器以及其他I/O接口設(shè)備的分配。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機1.2.2單道批處理系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)1.2.3分時系統(tǒng)1.2.4實時系統(tǒng)1.2.5微機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與分布式操作系統(tǒng)

1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機從第一代計算機誕生到20世紀50年代中期還未出現(xiàn)操作系統(tǒng)，這時的計算機采用人工操作方式。其過程是：

圖1.2手工操作計算機1.2.2單道批處理系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)所謂批處理系統(tǒng)是指加載在計算機上的一個系統(tǒng)軟件，在它的控制下，計算機能夠自動地成批地處理一個或多個用戶的作業(yè)。首先出現(xiàn)的是聯(lián)機批處理系統(tǒng)。如下圖1.3所示。脫離主機控制的輸入/輸出批處理系統(tǒng)

在外設(shè)處理數(shù)據(jù)時，主機處理“忙等”狀態(tài)，這樣高速的主機與慢速的外設(shè)矛盾就顯現(xiàn)出來。為了克服與緩解主機與外設(shè)的矛盾。我們引入脫機批處理系統(tǒng)，即脫離主機控制的輸入/輸出批處理系統(tǒng)。如圖1.4所示。圖1.4脫機批處理系統(tǒng)在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，中斷和通道技術(shù)出現(xiàn)以后，雖然可以實現(xiàn)輸入/輸出設(shè)備與中央處理機并行操作，但由于屬于同一道作業(yè)的可并發(fā)執(zhí)行的進程不多，大多數(shù)進程是有同步關(guān)系的，這使系統(tǒng)中仍有較多的空閑資源，致使系統(tǒng)的性能較差。為了進一步提高資源的利用率和系統(tǒng)對作業(yè)的吞吐量，在60年代中期，引入了多道程序設(shè)計技術(shù)，由此而形成了多道批處理系統(tǒng)。單道程序與多道程序的執(zhí)行過程如圖1.5和圖1.6所示。

在操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計技術(shù)以后，會使系統(tǒng)具有以下特征。（1）多道性

（2）無序性

（3）宏觀上并行、微觀上串行

（4）調(diào)度性

1.2.3分時系統(tǒng)分時技術(shù)是把處理機的時間分成很短的時間片，這些時間片輪流地分配給各個聯(lián)機的各作業(yè)使用。如果某作業(yè)在分配給它的時間片用完時仍未完成，則該作業(yè)就暫時中斷，等待下一輪運行，并把處理機的控制權(quán)讓給另一個作業(yè)使用。這樣在一個相對較短的時間間隔內(nèi)，每個用戶作業(yè)都能得到快速響應(yīng)，以實現(xiàn)人機交互。分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有完全不同的特征，由上所述可以歸納成以下幾點：（1）多路性

（2）獨立性

（3）及時性

（4）交互性

1.2.4實時系統(tǒng)1．實時操作系統(tǒng)的分類2．實時操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)1．實時操作系統(tǒng)的分類l

實時控制：當(dāng)計算機應(yīng)用于生產(chǎn)過程的控制形成以計算機為中心的控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)要求能實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)進行及時處理，從而自動地控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，使某些參數(shù)（如濕度、壓力、液位）能按預(yù)定的規(guī)律變化，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和提高產(chǎn)量。

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實時信息處理：通常，我們把要求對信息進行實時處理的系統(tǒng)稱為實時信息處理系統(tǒng)。2．實時操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)（1）實時時鐘管理。

（2）連續(xù)人機對話。（3）過載防護。

（4）高可靠性。

1.2.5微機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與分布式操作系統(tǒng)

微機操作系統(tǒng)到20世紀80年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展產(chǎn)生了微型計算機，配置在微機上的操作系統(tǒng)稱為微機操作系統(tǒng)。最早出現(xiàn)的微機操作系統(tǒng)是8位微機上的CP/M，它是一個單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)，即只允許一個用戶上機，且只允許用戶程序作為一個任務(wù)運行。

計算機網(wǎng)絡(luò)

計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的結(jié)合使得微機用戶資源共享及相互通信的愿望成為可能，即在一臺計算機上可以使用其他機器上的資源或進行通信。這樣計算機網(wǎng)絡(luò)的概念得以產(chǎn)生。一些獨立自治的計算機利用通信線路相互連接形成的計算機的集合，稱為計算機網(wǎng)絡(luò)。分布式操作系統(tǒng)

大量的實際應(yīng)用要求一個一體化的系統(tǒng)，用戶希望以統(tǒng)一的界面，標(biāo)準(zhǔn)的接口去使用系統(tǒng)的各種資源，實現(xiàn)所需的各種操作。這就導(dǎo)致了分布式系統(tǒng)的出現(xiàn)。一個分布式系統(tǒng)是若干計算機的集合，它們都有自己的局部存儲器和外部設(shè)備，但分布式系統(tǒng)是一個一體化的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中有一個全局操作系統(tǒng)，即分布式操作系統(tǒng)，它負責(zé)整個系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、信息傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，為用戶提供一個統(tǒng)一的界面，標(biāo)準(zhǔn)的接口，用戶通過這一界面實現(xiàn)所需的操作和使用系統(tǒng)的資源，但操作和計算是在哪一臺計算機上執(zhí)行或使用哪個計算機的資源則由操作系統(tǒng)自動完成，用戶不用知道，即分布或操作系統(tǒng)是透明的。1.3操作系統(tǒng)的基本概念

1.3.1操作系統(tǒng)的定義1.3.2操作系統(tǒng)的基本功能1.3.3操作系統(tǒng)的特征

1.3.1操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是用戶和系統(tǒng)的接口，負責(zé)計算機的全部軟、硬件資源的分配和調(diào)度，控制并協(xié)調(diào)并發(fā)活動，實現(xiàn)信息的存取和保護。

系統(tǒng)內(nèi)部雖然十分復(fù)雜，但這些復(fù)雜性由于有操作系統(tǒng)的存在而不顯現(xiàn)在用戶面前。計算機操作系統(tǒng)向用戶提供系統(tǒng)調(diào)用，用戶通過操作系統(tǒng)提供的命令，簡單方便地把自己的意圖告訴系統(tǒng)，讓操作系統(tǒng)去完成工作。由于操作系統(tǒng)的卓越工作，才能保證系統(tǒng)資源的充分利用，又使用戶能方便使用計算機。

1.3.2操作系統(tǒng)的基本功能1．存儲器管理的功能2．處理機管理的功能3．設(shè)備管理的功能4．文件管理的功能5.用戶接口1.3.3操作系統(tǒng)的特征

1．并發(fā)特征（Concurrence）2．共享特征（Sharing）3．虛擬特征（Virtual）4．不確定性1.4操作系統(tǒng)的邏輯模型

近年來，大型軟件都是采用層次式結(jié)構(gòu)，也就是將一個軟件分為若干個邏輯層次。如下圖1.7所示，簡要地示意了操作系統(tǒng)的分層邏輯結(jié)構(gòu)。用戶接口（命令接口、程序接口、圖形用戶接口）對對象操縱和管理的軟件集合（處理機管理軟件、存儲器管理軟件、設(shè)備管理軟件、文件管理軟件）操作系統(tǒng)對象（處理機、存儲器、設(shè)備、文件）圖1.71.5研究操作系統(tǒng)的觀點

1、資源管理觀點：靜態(tài)觀點2、進程觀點：動態(tài)觀點3、分層慮擬機4、用戶觀點1.5.1DOS操作系統(tǒng)1981年IBM公司首次推出了IBM-PC個人計算機，在微機中采用了微軟公司開發(fā)的MS-DOS操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)在8位計算機操作系統(tǒng)CP/M的基礎(chǔ)上進行了較大的擴充，增加了許多內(nèi)部和外部命令，使該操作系統(tǒng)具有較強的功能及性能優(yōu)良的文件系統(tǒng)。隨著IBM-PC及其兼容機的普及和暢銷，MS-DOS操作系統(tǒng)也就成了事實上的16位微機單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。返回本節(jié)1.5.2MS-Windows操作系統(tǒng)1990年微軟公司推出的Windows3.0以其易學(xué)易用、友好的圖形用戶界面、支持多任務(wù)的優(yōu)點，很快占領(lǐng)了市場。1992年推出的Windows3.1版，提供了386增強模式，提高了運行速度，功能也更強大。1993年推出了WindowsNT是一個全新的32位多任務(wù)操作系統(tǒng)，成為Windows家族中功能最強并支持網(wǎng)絡(luò)功能的操作系統(tǒng)。1995年推出的Windows95之后在Windows95的基礎(chǔ)上又推出了Windows97、98，提供了Internet瀏纜器和網(wǎng)絡(luò)功能，使它們成了當(dāng)今個人計算機上最廣泛使用的操作系統(tǒng)。返回本節(jié)1.5.3UNIX操作系統(tǒng)

UNIX操作系統(tǒng)