計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)課件：操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)概述《計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)》01.操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介02.操作系統(tǒng)功能03.操作系統(tǒng)產(chǎn)品主要內(nèi)容本章重點(diǎn)難點(diǎn)本章重點(diǎn)：操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用；操作系統(tǒng)的五個(gè)功能；程序并發(fā)執(zhí)行；進(jìn)程的概念；提供的用戶(hù)接口；主機(jī)、服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)和嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。本章難點(diǎn)：進(jìn)程與程序的區(qū)別與聯(lián)系；進(jìn)程管理的功能；內(nèi)存管理的功能；設(shè)備管理的功能；文件管理的功能。01操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

提供計(jì)算機(jī)用戶(hù)與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口，并管理計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源。

一種復(fù)雜的系統(tǒng)軟件，是不同程序代碼、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)初始化文件的集合。

如常用的Linux，Windows10、Windows11和macOS等。1.操作系統(tǒng)（OS）的定義2.操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置操作系統(tǒng)是覆蓋在裸機(jī)上的第一層軟件，編譯程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)以及其他應(yīng)用程序都運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，操作系統(tǒng)為這些軟件提供運(yùn)行環(huán)境。3.操作系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要目標(biāo)1）與硬件部分相互作用，為硬件平臺(tái)上的所有底層可編程部件提供服務(wù)。2）為運(yùn)行在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用程序提供執(zhí)行環(huán)境。高級(jí)語(yǔ)言的應(yīng)用程序是不能在裸機(jī)上運(yùn)行的，必須運(yùn)行在操作系統(tǒng)上，由操作系統(tǒng)為要執(zhí)行的應(yīng)用程序分配必要的軟件和硬件資源，并對(duì)這些資源進(jìn)行有效的管理。4.操作系統(tǒng)提供了用戶(hù)與硬件之間的接口接口是兩個(gè)不同組成部分的交接面。接口分硬件接口和軟件接口；硬件接口如USB接口、串口和并口等。軟件接口如C語(yǔ)言中的函數(shù)調(diào)用printf()。計(jì)算機(jī)的所有功能最終都是由硬件的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。5.操作系統(tǒng)是資源的管理者操作系統(tǒng)所管理的資源主要包括處理器（也稱(chēng)處理機(jī)）、內(nèi)存、設(shè)備、文件，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中還包括網(wǎng)卡、帶寬等。

多任務(wù)：允許在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)應(yīng)用程序“同時(shí)”執(zhí)行。一方面保證用戶(hù)程序的順利執(zhí)行；另一方面使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源得到盡可能高效的利用，保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高性能。02操作系統(tǒng)功能1.進(jìn)程管理1）進(jìn)程的概念進(jìn)程是允許并發(fā)執(zhí)行的程序在某個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過(guò)程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。進(jìn)程代表了程序的執(zhí)行過(guò)程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)體。程序的執(zhí)行方式：順序執(zhí)行：先進(jìn)入內(nèi)存的程序先執(zhí)行，在一個(gè)程序執(zhí)行完畢之前，不能執(zhí)行其它程序。并發(fā)執(zhí)行：是指在同一時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行多個(gè)程序。一個(gè)程序執(zhí)行結(jié)束之前，可以運(yùn)行其它程序。對(duì)用戶(hù)而言，看到的是計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。2）進(jìn)程與程序的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)程與程序是相互區(qū)別的程序是靜態(tài)的，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。程序是永久的，進(jìn)程是暫時(shí)存在的。程序與進(jìn)程的存在實(shí)體不同。程序是指令的集合，而進(jìn)程可以被認(rèn)為是程序的執(zhí)行實(shí)體。進(jìn)程與程序又是相互聯(lián)系的進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，總是對(duì)應(yīng)至少一個(gè)特定的程序，執(zhí)行程序的代碼。一個(gè)程序可以對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程。幾個(gè)進(jìn)程能并發(fā)執(zhí)行相同的程序代碼，而同一個(gè)進(jìn)程能順序地執(zhí)行幾個(gè)程序。3）進(jìn)程管理功能①進(jìn)程的描述與組織。主要任務(wù)是定義與進(jìn)程有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其在內(nèi)核中的描述形式，并通過(guò)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理和組織系統(tǒng)中任意時(shí)刻的多個(gè)進(jìn)程。②進(jìn)程控制。功能是完成創(chuàng)建、撤銷(xiāo)、喚醒和阻塞進(jìn)程等操作。③進(jìn)程同步。主要任務(wù)就是要保證在多任務(wù)共享系統(tǒng)資源的情況下，程序執(zhí)行能得到正確的結(jié)果。④進(jìn)程通信。支持進(jìn)程之間的信息交換。⑤進(jìn)程調(diào)度。主要工作即是根據(jù)一定調(diào)度算法從就緒隊(duì)列的若干進(jìn)程中選出一個(gè)進(jìn)程，把CPU分配給它。4）線(xiàn)程的概念①引入線(xiàn)程的原因

由于進(jìn)程既是獨(dú)立執(zhí)行的基本單位，又是資源擁有者，在進(jìn)程創(chuàng)建、撤銷(xiāo)和切換時(shí)需要較大的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)。所以，系統(tǒng)中所設(shè)置的進(jìn)程數(shù)和進(jìn)程切換的頻率都受到了限制，影響了操作系統(tǒng)并發(fā)程度的提高。為了進(jìn)一步提高程序的并發(fā)性，減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，在操作系統(tǒng)中引入了線(xiàn)程的概念。①線(xiàn)程的概念：線(xiàn)程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。不獨(dú)立擁有資源（僅有少量基本資源），而與其他線(xiàn)程共享同一進(jìn)程的資源，減小了系統(tǒng)的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)。線(xiàn)程的實(shí)質(zhì)是把進(jìn)程的任務(wù)劃分成更小、具有獨(dú)立功能的單位，以線(xiàn)程的形式來(lái)并發(fā)執(zhí)行，以提高程序并發(fā)執(zhí)行的程度。2.內(nèi)存管理內(nèi)存管理的主要任務(wù)是為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方便用戶(hù)使用內(nèi)存，提高內(nèi)存的利用率，以及從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存以實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)。1）內(nèi)存分配。主要任務(wù)是為每道程序分配內(nèi)存空間，使它們各得其所。操作系統(tǒng)可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配：靜態(tài)分配方式：把內(nèi)存劃分成固定大小和數(shù)量一定的區(qū)域，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各分區(qū)的大小和數(shù)量不再變化。動(dòng)態(tài)分配方式：系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)進(jìn)程的請(qǐng)求分配內(nèi)存，內(nèi)存中分區(qū)的大小和數(shù)量都是動(dòng)態(tài)變化的。2）內(nèi)存保護(hù)

內(nèi)存保護(hù)的任務(wù)：一是使操作系統(tǒng)內(nèi)核的空間不會(huì)被用戶(hù)隨意訪問(wèn)，以保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定；二是確保每道用戶(hù)程序都在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行，互不干擾。

實(shí)現(xiàn)的方式：可以采用界限寄存器存放允許程序訪問(wèn)的地址區(qū)間的上限和下限值。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)的方式不僅限于使用界限寄存器。3）地址映射又稱(chēng)地址變換是把程序的邏輯地址轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢淼刂返倪^(guò)程地址映射應(yīng)在硬件的支持下完成4）內(nèi)存擴(kuò)充任務(wù)是借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量，使系統(tǒng)能夠向用戶(hù)提供比物理內(nèi)存大的存儲(chǔ)容量。

系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)下述功能：

①請(qǐng)求調(diào)入功能。在程序運(yùn)行過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)要執(zhí)行的指令或要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)尚未裝入內(nèi)存，通過(guò)請(qǐng)求調(diào)入把需要的指令或數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存。

②置換或?qū)Q功能。在請(qǐng)求調(diào)入時(shí)，若發(fā)現(xiàn)內(nèi)存空間不夠，則需要系統(tǒng)先將內(nèi)存中的一部分內(nèi)容換出到外存中，以便騰出內(nèi)存空間裝入當(dāng)前需要的內(nèi)容。3.設(shè)備管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的I/O設(shè)備即輸入輸出設(shè)備是用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與人通信或與其它機(jī)器通信的所有設(shè)備，以及所有外存設(shè)備。設(shè)備管理主要完成用戶(hù)的I/O請(qǐng)求，為用戶(hù)分配I/O設(shè)備。1）緩沖管理：緩沖區(qū)是用來(lái)保存兩個(gè)設(shè)備之間或設(shè)備與應(yīng)用程序之間傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域。2）設(shè)備分配：在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設(shè)備不允許用戶(hù)自行使用，而必須由系統(tǒng)分配。3）設(shè)備處理：由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信，控制設(shè)備進(jìn)行具體的I/O操作。4）設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備設(shè)備獨(dú)立性功能使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備。例如，用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言寫(xiě)打印圖形的程序，與使用什么型號(hào)、品牌的打印機(jī)無(wú)關(guān)。虛擬設(shè)備的功能是把一個(gè)物理設(shè)備變換為多個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備，使一個(gè)物理設(shè)備能供多個(gè)用戶(hù)共享。4.文件管理軟件資源（如程序和數(shù)據(jù)）是以文件的形式存在。文件管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，它為用戶(hù)提供了在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行長(zhǎng)期、大量存儲(chǔ)的和訪問(wèn)的功能。文件的結(jié)構(gòu)以及文件的命名、訪問(wèn)、存儲(chǔ)、保護(hù)和實(shí)現(xiàn)方法都是文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。文件命名向用戶(hù)提供了簡(jiǎn)單、直觀的文件訪問(wèn)方式。文件管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：文件存儲(chǔ)空間的管理目錄管理文件的讀、寫(xiě)管理和存取控制5.提供用戶(hù)接口1）命令接口。早期的操作系統(tǒng)都向用戶(hù)提供了命令接口。①聯(lián)機(jī)用戶(hù)接口。它由一組鍵盤(pán)操作命令和命令解釋程序組成。②脫機(jī)用戶(hù)接口。脫機(jī)用戶(hù)接口是為批處理作業(yè)的用戶(hù)提供的，也稱(chēng)為批處理用戶(hù)接口。2）圖形接口。用戶(hù)可以輕松地通過(guò)選擇窗口、菜單、對(duì)話(huà)框、滾動(dòng)條、圖標(biāo)等簡(jiǎn)單的操作來(lái)完成對(duì)作業(yè)和任務(wù)的提交與控制。3）程序接口。操作系統(tǒng)提供給程序員的接口是系統(tǒng)調(diào)用。一般的操作系統(tǒng)都提供進(jìn)程控制、文件操縱、通信管理和系統(tǒng)維護(hù)等幾類(lèi)系統(tǒng)調(diào)用。03操作系統(tǒng)產(chǎn)品運(yùn)行在大型主機(jī)上的操作系統(tǒng)主要提供三類(lèi)服務(wù)批處理系統(tǒng)處理不需要交互式用戶(hù)干預(yù)的周期性作業(yè)，保險(xiǎn)公司的索賠處理或者連鎖商店的銷(xiāo)售報(bào)告通常以批處理的方式完成。事務(wù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)大量的小請(qǐng)求，例如銀行的支票處理或航班預(yù)訂，每個(gè)業(yè)務(wù)量都很小，但是系統(tǒng)必須每秒處理成百上千、甚至上萬(wàn)個(gè)業(yè)務(wù)，需要很快的處理速度。分時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)在計(jì)算機(jī)上工作，執(zhí)行命令或處理作業(yè)。典型系統(tǒng)：IBM的OS/360，OS/390，Linux、Unix的一些版本1.主機(jī)操作系統(tǒng)

運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的操作系統(tǒng)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為眾多用戶(hù)服務(wù)，允許用戶(hù)共享硬件和軟件資源。

服務(wù)器可提供打印服務(wù)、文件服務(wù)和web服務(wù)。

典型系統(tǒng)：Solaris、FreeBSD、Linux、WindowsNT和WindowsServer200X。2.服務(wù)器操作系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為單個(gè)用戶(hù)提供良好的應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。常見(jiàn)系統(tǒng)：Windows的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)系列、Linux的不同發(fā)行版、Macintosh、ChromeOS和蘋(píng)果電腦的MacOS系統(tǒng)等。

3.個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)4.嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行于嵌入式設(shè)備中的操作