第1章 操作系统概述

第1章  操作系统概述

 

计算机是人类社会20世纪最伟大的创造之一，自1946年诞生第一台计算机至今的短短50 多年中，其技术得到了突飞猛进的发展。目前它不仅被广泛应用于科学计算、过程控制、数据处理以及军事技术等领域，而且也渗透到办公、教育和家庭等方方面面，已成为社会信息化的重要支柱和人类文明高度发展的象征。
 
本章将讲述以下三方面的内容：
（1）介绍作为现今计算机必备的系统软件——操作系统的形成过程。
（2）介绍操作系统的四大功能。
（3）简述四类基本操作系统。

 

1.1  计算机系统

 

1.1.1  硬件与软件

计算机 ＝ 硬件系统 + 软件系统

硬件是各种物理设备的总称，是完成工作任务的物质基础。按功能分成五大块：
运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备，其中运算器和控制器常被称为中央处理机（CPU）。

 

软件 ＝ 程序 + 相关文档

 

按功能划分，软件可分为系统软件和应用软件两种。
    系统软件是指由计算机生产厂家提供、具有通用功能的那些软件，比如：操作系统、语言处理程序（如C语言编译程序）、数据库管理系统以及各种完成服务功能的程序。
    应用软件是指为解决实际问题而研制的那些软件，它涉及计算机应用的各个领域，比如：各种管理软件、用于工程计算的软件包，辅助设计软件以及过程控制软件等。

 

1.1.2  操作系统的形成
未配置任何软件的计算机称为“裸机”。
    如果让用户直接面对裸机，事事都深入到计算机的硬件里面去，那么他们的精力就绝对不可能集中在如何用计算机解决自己的实际问题上，计算机本身的效率也不可能充分发挥出来。
    为了从复杂的硬件控制中脱出身来，为了能合理有效地使用计算机系统，为了能给用户使用计算机提供必要的方便，最好的解决办法就是要开发一种软件，通过它来管理整个系统，发挥系统的潜在能力，达到扩展系统功能、方便用户使用的目的。实际应用的需要，就是“操作系统”这一软件呼之欲出的根本原因。

    操作系统可以被看作是计算机系统的核心，统管整个系统的所有资源，制定各种资源的分配策略，调度系统中运行的用户程序，协调它们对资源的需求，从而使整个系统在高效、有序的环境里工作。

 

1.2  操作系统的定义与功能

1.2.1  操作系统的定义
    操作系统是在裸机上加载的第一层软件，是对计算机硬件系统功能的首次扩充。从用户的角度看，计算机系统配置了操作系统后，由于操作系统隐蔽了硬件的复杂细节，用户会感到机器使用起来更简单、更容易了。从计算机系统的角度看，由于操作系统的组织与管理，系统中的各种硬、软件资源得到了更有效的利用，机器的工作流程更为合理与协调。因此，操作系统是现今计算机系统中不可缺少的一个系统软件。

    操作系统定义为：“操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户使用计算机的一个大型程序”。

 

1.2.2  操作系统的功能
从资源管理的角度看，操作系统应该具有五个方面的功能：
处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理以及作业管理。
这五大部分相互配合，协同工作，实现对计算机系统的资源管理和控制程序的执行。

本书将处理机管理与作业管理合并在一起讲述。下面就分四个方面对操作系统的功能做一个简略的说明。

1.3  操作系统的种类

1.3.1  批处理操作系统
单道批处理操作系统有如下特点：
1）单路性：每次只允许一个用户程序进入内存。
2）独占性：整个系统资源被进入内存的一个程序独占使用，因此资源利用率不高。
3）自动性：作业一个一个地自动接受处理，期间任何用户不得对系统的工作进行干预。由于没有了作业上、下机时用户手工操作耗费的时间，因此提高了系统的吞吐量。
4）封闭性：在一批作业处理过程中，用户不得干预系统的工作。即便是某个程序执行中出现一个很小的错误，也只能等到这一批作业全部处理完毕后，才能进行修改，这给用户带来不便。

 

在单道批处理的基础上，引入多道程序设计技术，就产生了多道批处理操作系统。配置多道批处理操作系统的本质仍然是批处理。不同的是由于采用了多道程序设计技术，允许若干个作业程序同时装入内存，造成对系统资源共享与竞争的态势。

多道批处理操作系统有如下特点：
1）多路性：每次允许多个用户程序进入内存，它们轮流交替地使用CPU，提高了内存储器和CPU的利用率。
2）共享性：整个系统资源被进入内存的多个程序共享使用，因此整个系统资源的利用率较高。
3）自动性：作业处理期间任何用户不得对系统的工作进行干预。由于没有了作业上、下机时用户手工操作耗费的时间，因此提高了系统的吞吐量。
4）封闭性：在一批作业处理过程中，用户不得干预系统的工作。即便是某个程序执行中出现一个很小的错误，也只能等到这一批作业全部处理完毕后，才能进行修改，这给用户带来不便。

 

1.3.2  分时操作系统
    将多道程序设计技术与分时技术结合在一起，就产生了分时操作系统。配有分时操作系统的计算机系统称为分时系统。
    所谓分时系统，即一台计算机与多个终端设备连接，最简单的终端可以由一个显示器和一个键盘组成。每个用户通过终端向系统发出命令，请求系统为其完成某项工作。系统根据用户的请求完成指定的任务，并把执行结果返回。这样用户可以根据运行结果，再次通过终端向系统提出下一步请求。重复这种交互会话过程，直至每个用户实现自己的预定目标

1.3.3  实时操作系统
     计算机应用范围日益扩大，比如在控制飞机飞行、导弹发射以及冶炼轧钢等生产过程中采用了实时控制系统，在飞机订票、银行业务中采用了实时信息处理系统，它们都打破了只把计算机用于科学计算和数据处理等方面的格局。
    所谓“实时”，是指能够及时响应随机发生的外部事件、并对事件做出快速处理的一种能力。而“外部事件”，是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种服务请求。因此可以把实时操作系统说成是能对来自外部的请求和信号在限定的时间范围内做出及时响应的那种操作系统。

 

1.3.4  网络操作系统
    所谓计算机网络，是指把地理上分散的、具有独立功能的多个计算机和终端设备，通过通信线路加以连接，以达到数据通信和资源共享目的的一种计算机系统。计算机网络是计算机和通信技术相结合的产物。
    在网络范围内，用于管理网络通信和共享资源，协调各计算机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效方便的网络接口的程序集合，就称为网络操作系统。
    要说明的是，在网络中各独立计算机仍有自己的操作系统，由它管理着自身的资源。只有在它们要进行相互间的信息传递、要使用网络中的可共享资源时，才会涉及到网络操作系统。