操作系统基础知识

操作系统基础知识操作系统OS（OperationSystem）是计算机系统中重要的系统软件，其作用是:–1、合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供友好的人机接口，方便用户使用计算机系统；–2、管理和控制计算机软件和硬件资源，使计算机各部分协调工作；计算机系统层次结构•计算机系统层次结构可以分为四部分：硬件、操作系统、其他系统程序和应用程序。应用程序操作系统其他系统程序硬件图3.1.1计算机系统层次结构用户系统应用程序操作系统机器语言硬件系统操作系统和虚拟计算机从系统体系结构的角度看，计算机分为:物理机虚拟机裸机操作系统应用程序用户主要功能有：•处理机管理•存储管理•设备管理•信息(文件)管理虚拟机=裸机+操作系统操统作系多级虚拟机器实际机器：使用微指令系统和机器指令系统，直接操控机器硬件。应用语言虚拟机：使用各种专用应用语言,实现专业应用领域用户对计算机的操作。例如人工智能语言PROLOG。程序设计语言虚拟机：使用各种程序设计语言，实现程序员级用户对计算机的操作。例如汇编语言、c语言。操作系统虚拟机：使用OS控制语言,实现用户对计算机的操作。例如交互操作命令。计算机系统物理机器专业应用程序员用户普通用户硬件系统用户系统设计者计算机系统领域用户每个用户所看到的计算机系统是不同的。优点：将对硬件的复杂操作剥离并下移，由OS实现对物理机器资源的管理和控制操作，至于如何访问和控制硬件，则由OS负责。•操作系统发展历程–1.手工操作阶段–2.批处理阶段•3.操作系统完善阶段手工操作阶段•一个典型作业处理步骤如下：•①将程序和数据通过手工操作记录在穿孔纸带上；•②将纸带装入纸带输入机，人工启动纸带输入机将程序和数据读入计算机；•③计算机处理作业。批处理阶段•1、联机批处理•2、脱机批处理–①单道批处理系统–②假脱机技术–③多道批处理系统脱机输入输出技术•在主机与输入输出设备之间设一台外围控制机（纸带上的数据输入到磁带上），由它完成输入输出任务。•在这种系统中，输入输出脱离主机，减少了CPU等待人工的时间，提高了输入输出速度。将这种工作方式称为脱机输入输出方式。外围机主机输入带输出带输入带输出带读卡机纸带机打印机1.单道批处理系统：•系统对作业的处理成批进行，但在内存中仅有一道程序处于运行状态，这就是单道批处理系统（SimpleBatchProcessingSystem）•监督程序就是操作系统最初萌芽。单道批处理系统提高了计算机系统吞吐量，减少了主机空闲时间，在一定程度上提高了系统资源利用率。但在内存中只有一道程序，所以仍然不能充分利用系统资源。2.假脱机技术：•在20世纪60年代初期，计算机硬件技术在两方面获得重要进展：一是通道的引入二是中断的出现通道也称为输入输出（I/O）处理机，它可以与CPU并行工作，专门用于控制输入输出设备。I/O处理机输入输出结束时向CPU发出中断请求，CPU通过响应中断获取I/O处理机状态。在CPU控制下，作业输入输出数据由I/O处理机完成，I/O处理机取代了外围控制机。这项技术被称为假脱机技术。通道和中断技术的应用使CPU与I/O设备并行工作，避开了CPU和I/O设备速度匹配问题，这为分时操作系统的诞生奠定了硬件基础。3.多道批处理系统：•在60年代中期引入多道程序设计技术（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）。作业预先在外存中排成一个队列，称为后备队列。由作业调度程序从后备队列中选择若干个作业装入内存，使它们交替运行。当正在运行的程序因输入输出操作而暂停执行时，系统运行另一道程序。这样多个程序共享CPU，使CPU始终处于忙碌状态。多道程序设计技术应用于批处理系统，形成了多道批处理系统。等待数据输入/出调度程序程序C程序B程序ACPU时间数据输出结果为了使多道程序间能够协调工作，监督程序需要解决以下管理问题：作业调度：合理调度作业，使系统中硬件资源有效利用CPU管理：多个作业交替运行，需要合理安排处理机时间内存管理：为每道程序分配必要的内存空间I/O设备管理：为多道程序分配输入输出设备在计算机系统中应该有一组专用软件，负责：1.控制和管理软硬件资源2.合理组织工作流程，方便用户使用计算机这就是多道批处理操作系统。多道批处理系统的出现，标志着操作系统已经形成。手工阶段穿孔纸带手工操作外围控制机（磁带）脱机输入输出方式单道批处理系统磁带机成批处理监控程序（操作系统萌芽）假脱机技术I/O处理机（中断）假脱机技术作为分时操作系统的硬件基础多道批处理系统作业队列作业调度程序共享CPU操作系统的完善基本思想是：将CPU时间分成若干个时间片，在一个时间片运行一个作业，在下一个时间片运行另一个作业，在短时间内所有作业都能得到轮流执行。从整体上看每个作业都在运行，用户请求可以得到及时响应，这就是计算机分时操作系统。分时系统标志着操作系统进入完善阶段。常见操作系统简介3.1.1DOS操作系统DOS是磁盘操作系统（DiskOperationSystem），是一种单用户、单任务的微型机操作系统，它由IBM公司委托Microsoft公司开发，所以早期PCDOS又称为IBMDOS。在20世纪80年代，DOS操作系统随着微机的迅速普及而风靡世界。DOS主要功能是命令处理、文件管理和设备管理。采用汇编语言编写，系统开销小，运行效率高，但管理功能简单，字符型用户界面，操作不方便。随着Windows图形用户界面操作系统的逐步实用，人们放弃了DOS。Windows操作系统WindowsXP有三个版本，其中:WindowsXPHomeEdition有良好的数字媒体平台，适合家庭用户和游戏爱好者WindowsXPProfessional为商业用户设计，有高级别的可扩展性和可靠性WindowsXP64-BitEdition可以满足电影特效制作、3D动画、工程设计和科学计算等对大内存、高浮点运算的专业技术需要UNIX操作系统家族UNIX操作系统是一个通用的、交互式、分时、网络操作系统。1969年美国贝尔实验室在DEC公司的小型机PDP-7上开发成功，1971年移植到PDP-11上。1973年用C语言重写UNIX，具有较高的易读性和可移植性，为UNIX迅速推广和普及应用奠定了基础。20世纪70年代中后期，UNIX源代码的免费扩散引起很多大学、研究机构和公司的兴趣，大众参与为UNIX的改进、完善、传播和普及起了重要作用。Linux操作系统Linux是芬兰籍科学家LinusTorvalds于1991年编写的一种操作系统。当时他是赫尔辛基大学学生。Linus将这个系统源代码放在Internet上，允许自由下载。许多人对这个系统进行改进、扩充和完善。Linux操作系统可用于386、486或奔腾处理器的更高档次个人计算机上，具有UNIX操作系统的全部功能。目前Linux软件包带有X-Windows图形界面管理器，通过窗口、图标和菜单对系统进行管理。软件包还包括文本编辑器，高级语言编辑器等许多软件。操作系统分类•根据操作系统功能特征和使用环境可以分为三种基本类型：批处理系统；分时系统；实时系统。操作系统的基本类型操作系统分类•1．批处理系统（BatchProcessingSystem）•2．分时系统（Time-SharingSystem）•3．实时操作系统（RealTimeOperatingSystem）•4．嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem）•5．个人计算机操作系统（PCOS）•6．网络操作系统（NetworkOperatingSystem）•7．分布式操作系统（DistributedOperatingSystem）•8．多处理机操作系统(MPOS)•9.中文操作系统（ChineseOperatingSystem）操作系统按任务数图形用户界面操作系统命令行界面操作系统多用户操作系统单用户操作系统多任务操作系统单任务操作系统分时操作系统批处理系统实时操作系统网络操作系统按用户界面按用户数按系统功能操作系统分类APPLEIBMDOS1.多道批处理系统多道批处理操作系统（BatchProcessing）的主要特征（外部特征）是多道性、成批性。多道性是指在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，有效地提高系统资源（CPU）利用率和吞吐量。成批性是指作业成批进入系统，成批处理。作业完成顺序与进入内存顺序没有紧密联系，先进入内存的作业可能后完成。批处理系统优点脱机使用，操作方便成批处理，CPU利用率高如VAX/VMS缺点是缺乏人机交互性。2.分时操作系统分时操作系统（Time-SharingOperatingSystem）的特征是：多路性、独占性、交互性和及时性分时操作系统允许一台主机同时连接多台交互终端，每个用户独占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。分时系统将CPU时间划分成若干个片段，称为时间片。操作系统以时间片为单位轮流为每个终端用户服务，系统对每个用户提出的请求都能及时响应，用户感觉不到其他用户存在。用户以交互方式使用计算机，共享主机资源。多用户、多道程序共享一个CPU的OS。采用循环轮作方式将这些CPU时间片分配给排队队列中等待处理的每个程序。CPU时间片程序1程序2程序N…...程序1程序3程序3程序排队队列CPU3.实时系统实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem）的特征是实时性、高可靠性。实时性是指计算机能及时响应外部事件请求，在规定时间内完成事件的处理任务。如对运算和数据流有严格时间要求，需要使用实时系统。在此种系统中，软硬件任何故障都可能给系统带来严重后果。因此实时系统更加注重稳定性和可靠性。•实时OS是实时控制系统和实时处理系统的统称。实时控制：系统用于过程控制。•例如，控制飞行器、导弹发射、飞行过程的自动控制系统。实时处理：系统主要指对信息进行及时的处理。•如，利用计算机预订飞机票、火车票或轮船票等1.嵌入式操作系统嵌入式计算机是一种有计算机功能的电子设备，它以应用为中心，软硬件可以裁减。嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem）是一种支持嵌入式计算机的软件，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要定制的系统模块组成，能运行在各种不同硬件平台上，提供基本的程序运行环境和接口。实用操作系统嵌入式OS具有通用OS的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源。应用范围广泛，例如，制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面的应用。嵌入式操作系统的特点是实时性、多任务、对硬件依赖性、软件固化和专用性等。著名嵌入式操作系统有Vxwork、PalmOS和WindowsCE等。2.网络操作系统网络操作系统（NetworkOperatingSystem）基于计算机网络。除具备普通操作系统所具备的功能外，还具有网络管理模块、通信、安全和资源共享等模块。Netware、Windows2000Server、Unix、windowsXP等操作系统都是网络操作系统。3.分布式操作系统分布式操作系统（DistributedOperatingSystem）是网络操作系统的更高级形式，它建立在计算机网络基础之上，有效地解决了地域分布很广的若干台计算机之间资源共享、并行处理等问题。特征是统一性、共享性、可靠性和透明性。•它的优点是：•①分布性：用广泛的数据共享实现分散资源管理获取较高的运算性能•②可靠性：•由于在整个系统中有多个CPU系统，因此当某一个CPU系统发生故障时，整个系统仍旧能够工作。显然，在对可靠性有特殊要求的应用场合可选用分布式OS。4.多处理机操作系统具有公共内存和时钟的多CPU系统称为多处理机系统，它们共享计算机总线和外部设备。建立在多处理机系统上的操作系统称为多处理机操作系统，也称为并行操作系统或紧耦合系统如果各个CPU之间没有主从关系，则称为对称多处