計算機軟件基礎課件：操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)概述《計算機軟件基礎》01.操作系統(tǒng)簡介02.操作系統(tǒng)功能03.操作系統(tǒng)產(chǎn)品主要內(nèi)容本章重點難點本章重點：操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位和作用；操作系統(tǒng)的五個功能；程序并發(fā)執(zhí)行；進程的概念；提供的用戶接口；主機、服務器、個人計算機和嵌入式操作系統(tǒng)的特點。本章難點：進程與程序的區(qū)別與聯(lián)系；進程管理的功能；內(nèi)存管理的功能；設備管理的功能；文件管理的功能。01操作系統(tǒng)簡介

提供計算機用戶與計算機硬件之間的接口，并管理計算機軟件和硬件資源。

一種復雜的系統(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)在計算機系統(tǒng)中的位置操作系統(tǒng)是覆蓋在裸機上的第一層軟件，編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及其他應用程序都運行在操作系統(tǒng)之上，操作系統(tǒng)為這些軟件提供運行環(huán)境。3.操作系統(tǒng)必須實現(xiàn)兩個主要目標1）與硬件部分相互作用，為硬件平臺上的所有底層可編程部件提供服務。2）為運行在計算機系統(tǒng)上的應用程序提供執(zhí)行環(huán)境。高級語言的應用程序是不能在裸機上運行的，必須運行在操作系統(tǒng)上，由操作系統(tǒng)為要執(zhí)行的應用程序分配必要的軟件和硬件資源，并對這些資源進行有效的管理。4.操作系統(tǒng)提供了用戶與硬件之間的接口接口是兩個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語言中的函數(shù)調(diào)用printf()。計算機的所有功能最終都是由硬件的操作來實現(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（也稱處理機）、內(nèi)存、設備、文件，在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)中還包括網(wǎng)卡、帶寬等。

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

由于進程既是獨立執(zhí)行的基本單位，又是資源擁有者，在進程創(chuàng)建、撤銷和切換時需要較大的時空開銷。所以，系統(tǒng)中所設置的進程數(shù)和進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。為了進一步提高程序的并發(fā)性，減少系統(tǒng)開銷，在操作系統(tǒng)中引入了線程的概念。①線程的概念：線程是進程中的一個實體，是被系統(tǒng)獨立調(diào)度和分派的基本單位。不獨立擁有資源（僅有少量基本資源），而與其他線程共享同一進程的資源，減小了系統(tǒng)的時空開銷。線程的實質(zhì)是把進程的任務劃分成更小、具有獨立功能的單位，以線程的形式來并發(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)存管理的主要任務是為多道程序的運行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用內(nèi)存，提高內(nèi)存的利用率，以及從邏輯上擴充內(nèi)存以實現(xiàn)虛擬存儲。1）內(nèi)存分配。主要任務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)運行過程中各分區(qū)的大小和數(shù)量不再變化。動態(tài)分配方式：系統(tǒng)在運行過程中，根據(jù)進程的請求分配內(nèi)存，內(nèi)存中分區(qū)的大小和數(shù)量都是動態(tài)變化的。2）內(nèi)存保護

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

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

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

系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴充機制，以實現(xiàn)下述功能：

①請求調(diào)入功能。在程序運行過程中若發(fā)現(xiàn)要執(zhí)行的指令或要訪問的數(shù)據(jù)尚未裝入內(nèi)存，通過請求調(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。在請求調(diào)入時，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)存空間裝入當前需要的內(nèi)容。3.設備管理計算機系統(tǒng)中的I/O設備即輸入輸出設備是用于計算機系統(tǒng)與人通信或與其它機器通信的所有設備，以及所有外存設備。設備管理主要完成用戶的I/O請求，為用戶分配I/O設備。1）緩沖管理：緩沖區(qū)是用來保存兩個設備之間或設備與應用程序之間傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域。2）設備分配：在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設備不允許用戶自行使用，而必須由系統(tǒng)分配。3）設備處理：由設備驅(qū)動程序來實現(xiàn)CPU與設備控制器之間的通信，控制設備進行具體的I/O操作。4）設備獨立性和虛擬設備設備獨立性功能使應用程序獨立于物理設備。例如，用高級程序設計語言寫打印圖形的程序，與使用什么型號、品牌的打印機無關。虛擬設備的功能是把一個物理設備變換為多個對應的邏輯設備，使一個物理設備能供多個用戶共享。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，它為用戶提供了在計算機系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)信息進行長期、大量存儲的和訪問的功能。文件的結(jié)構(gòu)以及文件的命名、訪問、存儲、保護和實現(xiàn)方法都是文件系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容。文件命名向用戶提供了簡單、直觀的文件訪問方式。文件管理應實現(xiàn)以下功能：文件存儲空間的管理目錄管理文件的讀、寫管理和存取控制5.提供用戶接口1）命令接口。早期的操作系統(tǒng)都向用戶提供了命令接口。①聯(lián)機用戶接口。它由一組鍵盤操作命令和命令解釋程序組成。②脫機用戶接口。脫機用戶接口是為批處理作業(yè)的用戶提供的，也稱為批處理用戶接口。2）圖形接口。用戶可以輕松地通過選擇窗口、菜單、對話框、滾動條、圖標等簡單的操作來完成對作業(yè)和任務的提交與控制。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)都提供進程控制、文件操縱、通信管理和系統(tǒng)維護等幾類系統(tǒng)調(diào)用。03操作系統(tǒng)產(chǎn)品運行在大型主機上的操作系統(tǒng)主要提供三類服務批處理系統(tǒng)處理不需要交互式用戶干預的周期性作業(yè)，保險公司的索賠處理或者連鎖商店的銷售報告通常以批處理的方式完成。事務處理系統(tǒng)負責大量的小請求，例如銀行的支票處理或航班預訂，每個業(yè)務量都很小，但是系統(tǒng)必須每秒處理成百上千、甚至上萬個業(yè)務，需要很快的處理速度。分時系統(tǒng)允許多個用戶同時在計算機上工作，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.主機操作系統(tǒng)

運行在網(wǎng)絡服務器上的操作系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)絡同時為眾多用戶服務，允許用戶共享硬件和軟件資源。

服務器可提供打印服務、文件服務和web服務。

典型系統(tǒng)：Solaris、FreeBSD、Linux、WindowsNT和WindowsServer200X。2.服務器操作系統(tǒng)個人計算機操作系統(tǒng)為單個用戶提供良好的應用環(huán)境和應用軟件開發(fā)環(huán)境。常見系統(tǒng)：Windows的個人計算機操作系統(tǒng)系列、Linux的不同發(fā)行版、Macintosh、ChromeOS和蘋果電腦的MacOS系統(tǒng)等。

3.個人計算機操作系統(tǒng)4.嵌入式操作系統(tǒng)運行于嵌入式設備中的操作