04第四章 软件与操作系统

,计算机导论,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,计算机导论,第四章 软件与操作系统,常用操作系统介绍,本章主要内容,计算机软件概述,计算机操作系统,1,2,3,计算机导论,4.1,计算机软件概述,4.1.1,计算机软件的发展,软件技术发展早期,结构化程序和对象技术发展时期,软件工程技术发展新时期,4.1.2,计算机软件的分类,系统软件,支撑软件,应用软件,计算机导论,4.1.1,计算机软件的发展,软件技术发展历程大致可分为三个不同时期：,1,）软件技术发展早期（约为,20,世纪,50,至,60,年代）,在计算机发展早期，计算机的应用领域较窄，主要是科学与工程计算，处理对象是数值数据。,2,）结构化程序和对象技术发展时期（约为,20,世纪,70,至,80,年代）,面向对象技术的兴起是这一时期软件技术发展的主要标志。,3,）软件工程技术发展新时期（约为,20,世纪,90,年代以后）,在这个时期软件工程技术发展代表性标志有三个方面：,(1),基于组件的软件工程和开发方法成为主流。,(2),软件过程管理进入软件工程的核心进程和操作规范。,(3),网络应用软件规模愈来愈大，复杂性愈来愈高，使得软件体系结构从两层向三层或者多层结构转移，使应用的基础架构和业务逻辑相分离。,计算机导论,4.1.2,计算机软件的分类,通常，我们把软件系统分为系统软件、支撑软件和应用软件三大类，如图,4-1,所示：,图,4-1,软件系统结构示意图,应用软件,支撑软件,操作系统,硬件,计算机导论,4.1.2,计算机软件的分类,系统软件,系统软件是属于计算机系统中最靠近硬件的一层。它与具体的应用无关，是软件系统的核心，而其他软件一般都通过系统软件发挥作用。例如：操作系统 、语言处理程序 、服务程序 、数据库管理系统 、网络通信管理程序 。,支撑软件,支撑软件是支撑软件开发、运行和维护的软件。,应用软件,应用软件是支持各种不同领域应用的专门软件，主要用以解决一些实际问题，如为特定需要而开发的面向问题的各种应用程序，还有一些子程序包、通用软件等。,计算机导论,4.2,计算机操作系统,4.2.1,操作系统的目标、作用和模型,操作系统的目标,操作系统的作用,操作系统的层次模型,4.2.2,操作系统的形成与发展,推动操作系统发展的主要动力,无操作系统时的计算机系统,单道批处理系统,多道批处理系统,分时系统,实时系统,计算机导论,4.2,计算机操作系统,4.2.3,操作系统的特征与服务,操作系统的特征,操作系统的服务,4.2.4,操作系统的功能,存储器管理的功能,处理机管理的功能,设备管理的功能,文件管理的功能,用户接口,4.2.5,操作系统的进一步发展,微机操作系统,多处理机操作系统,网络操作系统,分布式操作系统,计算机导论,4.2.1,操作系统的目标、作用和模型,1.,操作系统的目标,在计算机硬件上配置的,OS,的目标有以下几点：,(1),方便性,(2),有效性,(3),可扩充性,(4),开放性,计算机导论,4.2.1,操作系统的目标、作用和模型,2.,操作系统的作用,(1) OS,作为用户与计算机硬件系统之间的接口,OS,是一个系统软件，这种接口因而是软件接口，图,4-2,是,OS,作为接口的示意图。用户可以通过以下两种方式来,使用计算机：, 命令方式；, 系统调用方式。,图,4-2,OS,作为接口的示意图,用 户,应用程序,系统调用 命令,操作系统,计算机硬件,计算机导论,4.2.1,操作系统的目标、作用和模型,2.,操作系统的作用,(2) OS,作为计算机系统资源的管理者,计算机资源分为四类：处理器、存储器、,I/O,设备以及信,息（数据和程序）。相应地，,OS,的主要功能也正是针对,这四类资源进行有效的管理，即：,处理机管理：用于分配和控制处理机；,存储器管理：主要负责内存的分配与回收；,I/O,设备管理。负责,I/O,设备的分配与操纵；,文件管理。负责文件的存取、共享和保护。,(3) OS,用作扩充机器,计算机导论,4.2.1,操作系统的目标、作用和模型,3.,操作系统的层次模型,该模型分为三个层次，如图,4-3,所示。其最底层是,OS,对象，中间层是对对象进行操纵和管理的软件集合，其最高层是,OS,提供给用户使用的用户接口。,图,4-3 OS,层次模型,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,1.,推动操作系统发展的主要动力,在短短的,40,年中，操作系统取得了如此重大的进展，其,主要动力可归结为以下四个方面：,(1),不断提高计算机资源利用率的需要；,(2),方便用户；,(3),器件的不断更新换代；,(4),计算机体系结构的不断发展。,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,2.,无操作系统时的计算机系统,(1),人工操作方式。人工操作方式有以下两个缺点：, 用户独占全机；,CPU,等待人工操作 。,(2),脱机输入输出方式（,Off-Line I/O,）。图,4-4,表示出了脱机输入输出过程。,这种脱机,I/O,方式的主,要优点如下：, 减少了,CPU,的空闲时间；, 提高,I/O,速度。,图,4-4,脱机,I/O,示意图,输入设备,外围机,磁带,磁带,磁带,主机,磁带,外围机,输出设备,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,3.,单道批处理系统,(1),批处理系统的处理过程,图,3-5,示出了单道批处理系统的处理流程。,图,4-5,单道批处理系统的处理流程,否,是,否,是,开始,还有下一,个作业？,把下一个作业的源程序转换为目标程序,停止,源程序有,错吗？,装配目标程序,运行目标程序,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,3.,单道批处理系统,(2),单道批处理系统的特征,单道批处理系统是最早出现的一种,OS,，严格地说，它只,能算作是,OS,的前身而并非是现在人们所理解的,OS,。该系,统的主要特征如下：, 自动性；, 顺序性；, 单道性。,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,4.,多道批处理系统,(1),多道程序设计的基本概念,在,OS,中引入多道程序设计技术可带来以下好处：, 提高,CPU,的利用率；, 可提高内存和,I/O,设备利用率；, 增加系统吞吐量。,(2),多道批处理系统的特征,在,OS,中引入多道程序设计技术后，会使系统具有以,下特征：, 多道性；, 无序性；, 调度性 。,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,4.,多道批处理系统,(3),多道批处理系统的优缺点, 主要优点：资源利用率高、系统吞吐量大。, 缺点：平均周转时间长、无交互能力。,(4),多道批处理系统需要解决的问题, 处理机管理问题, 内存管理问题,I/O,设备管理问题, 文件管理问题, 作业管理问题,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,5.,分时系统,(1),分时系统,(Time-Sharing System),的产生,推动分时系统形成和发展的主要动力：, 人机交互；, 共享主机；, 便于用户上机。,(2),分时系统实现中的关键问题, 及时接收；, 及时处理：为了实现人机交互应该做到：,使所有的用户作业都直接进入内存；,在不长的时间内，例如,3,秒钟内，就能使每个作业都运行一次（较短的时间），这样方能使用户键入的命令获得及时处理。,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,5.,分时系统,(3),分时系统的实现方法, 用户作业不能先进入磁盘，然后再调入内存。因为作业在磁盘上不能运行，当然用户就无法与机器交互，因此，作业应直接进入内存,;,不允许一个作业长时间占用处理机直至它运行结束或发生,I/O,请求后，方才调度其他作业运行，应该是规定每个程序只运行一很短的时间（例如，,0.1,秒钟，通常把这段时间称为时间片），然后便暂停该作业的运行并立即调度下一个程序运行。,分时系统具体的实现方法有以下几种：,单道分时系统；,具有“前台”和“后台”的分时系统；,多道分时系统。,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,5.,分时系统,(4),分时系统的特征,分时系统的特征可以归纳成以下四点：, 多路性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。,独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。, 及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应，时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常为,2 3,秒钟。, 交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。,计算机导论,4.2.2,操作系统的形成与发展,6.,实时系统,(1),实时系统（,Real-Time System,）的引入,通常，我们把要求对信息进行实时处理的系统，称为实时信息处理系统。实时系统的引入是由于以下两个领域的需要：, 实时控制；,实时信息处理。,(2),实时系统与分时系统的比较,主要从多路性、独立性、及时性、交互性和可靠性五个方面对实时系统与分时系统进行比较。,计算机导论,4.2.3,操作系统的特征与服务,1.,操作系统的特征,前面所介绍的三种基本,OS,，虽然它们各有自己的特征，但它们也都具有以下四个基本特征：,(1),并发,(concurrence ),：并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生，而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。,(2),共享,(Sharing ),：所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源的属性不同，故多个进程对资源的共享方式也不同，可分为以下两种资源共享方式：, 互斥共享方式, 同时访问方式,(3),虚拟,(Virtual ),：在操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。,(4),异步性,(Asynchronism),：在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，通常进程的执行并非“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式运行。,计算机导论,4.2.3,操作系统的特征与服务,1.,操作系统的服务,虽然不同,OS,所提供的服务并不尽同，但有相当一部分公共服务是相同的。,(1),操作系统的公共服务类型 ：, 程序执行；, I/O,操作；, 文件系统操纵,(file-system manipulation),；, 通信；, 差错检测。,(2),系统调用的作用：,OS,可用不同的方法提供,OS,服务，但几乎在所有的,OS,中所采用的最基本方法是以系统调用（,System Call,）的方式提供的。,(3),系统调用的类型：根据操作系统所提供服务的功能，可把系统调用分为进程管理、设备管理、文件操纵、信息维护以及通信五大类。,计算机导论,4.2.4,操作系统的功能,1.,存储器管理的功能,存储器管理的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上来扩充内存。为此，存储器管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等。,(1),内存分配：,OS,在实现内存分配时，可采取以下两种方式：,静态分配方式；,动态分配。,(2),内存保护；,(3),地址映射；,(4),内存扩充：为了能从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述功能：, 请求调入功能, 置换功能,计算机导论,4.2.4,操作系统的功能,2,处理机管理的功能,对处理机的管理可归结为对进程的管理。它包括以下几方面：,(1),进程控制；,(2),进程同步：进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。有两种协调方式：, 进程互斥方式, 进程同步方式,(3),进程通信；,(4),调度。,计算机导论,4.2.4,操作系统的功能,3.,设备管理的功能,设备管理的主要任务是完成用户提出的,I/O,请求，为用户分配,I/O,设备；提高,CPU,和,I/O,设备的利用率；提高,I/O,速度；以及方便用户使用,I/O,设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配、设备处理以及虚拟设备等功能。,4.,文件管理的功能,文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。为此，文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理以及文件的共享与保护等功能。,5.,用户接口,为了方便用户使用操作系统，操作系统向用户提供了“用户与操作系统的接口”。该接口通常是以命令或系统调用的形式呈现在用户面前，主要有：命令接口、程序接口和图形接口。其中命令接口又可进一步分为联机用户接口和脱机用户接口。,计算机导论,4.2.5,操作系统的进一步发展,随着,VLSI,和计算机体系结构的发展，先后形成了微机,OS,、,多处理机,OS,、网络,OS,和分布式,OS,微机操作系统,：微机,OS,可按微机的字长而分成,8,位、,16,位和,32,位的微机,OS,。但也可把微机,OS,分为单用户单任务,OS,、单用户多任务,OS,和多用户多任务,OS,。,多处理机操作系统,：引入多处理机系统的原因可归结为：,（,1,）增加系统的吞吐量；,（,2,）节省投资；,（,3,）提高系统的可靠性。,网络操作系统,：,（,1,）网络,OS,的模式。网络,OS,具有以下两种工作模式：客户服务器,C/S (Client/Server),模式和对等模式,( Peer-Peer),模式。,（,2,）网络,OS,的功能。网络,OS,应具有以下功能：网络通信、资源管理、网络服务、网络管理以及互操作能力。,计算机导论,4.2.5,操作系统的进一步发展,分布式操作系统,：,(1),分布式系统,所谓分布式处理系统，是指由多个分散的处理单元，经互连网络的连接而形成的系统。其中，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协同，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配任务，并能并行地运行分布式程序。,(2),分布式,OS,与网络,OS,的比较,主要,从以下五个方面对两者进行比较,：, 分布性, 并行性, 透明性, 共享性, 健壮性,计算机导论,4.3,常用操作系统介绍,4.3.1 MS-DOS,及,Windows,系列,MS-DOS,Windows 3.x,、,Windows95/98,及,Windows Me,Windows NT,和,Windows 2000,4.3.2 UNIX,操作系统,UNIX,概述,UNIX,的发展历史,UNIX,的主要变种,4.3.3 Linux,及其它操作系统,Linux,其他免费操作系统,其他免费操作系统,计算机导论,4.3.1 MS-DOS,及,Windows,系列,Windows,系列操作系统是微软公司从,1985,年起开发的系列视窗操作系统产品，包括个人（家用）、商用和嵌入式三条产品线（如图,4-6,所示）。个人操作系统包括,Windows Me,、,Windows95/98,，及更早期的版本,Windows,l.x,、,2.x,、,3.x,等，主要在,IBM PC,系列上运行。商用操作系统是,Windows 2000,和其前身版本,Windows NT,，主要在服务器、工作站上运行，也可以在,IBM PC,上运行。嵌入式操作系统有,Windows CE,和手机用操作系统,Stinger,等。,Windows XP,将家用和商用两条产品线合二为一。截止到,20,世纪末，全世界运行各种,Windows,操作系统的计算机有两亿台左右。,计算机导论,4.3.1 MS-DOS,及,Windows,系列,图,4-6,微软,Windows,操作系统产品线,1985,年,Windows XP,1993,年,1994,年,1995,年,1996,年,2000,年,1998,年,个人操作系统,Windows 1.0,Windows 2.0,Windows 3.0,Windows 3.x,Windows 95,Windows 98,Windows Me,商用操作系统,Windows NT3.1,第,1,版,Windows NT 3.5,第,2,版,Windows NT 3.51,第,3,版,Windows NT 4.0,第,4,版,Windows 2000,（,NT 5.0,）,Windows CE 4.0,1995,年,1998,年,2000,年,2001,年,1987,年,1990,年,计算机导论,4.3.1 MS-DOS,及,Windows,系列,1.MS-DOS,DOS,是微软公司与,IBM,公司合作开发的、广泛运行于,IBM PC,及其兼容机上的操作系统，全称是,MS-DOS,。,2.Windows 3.x,、,Windows95/98,及,Windows Me,微软,Windows,操作系统的个人产品线是由,20,世纪,80,年代的,DOS,平台演变而来的其中，影响较大和较突出的版本是,Windows 3.0,和,Windows 95,。,2000,年,9,月，微软公司推出,Windows 98,的后续版本,Windows Me (Windows Millennium Edition),，较之,Windows 98,没有本质上的改进，只是扩展了一些功能，是微软公司推出的最后一种基于,DOS,系统的操作系统。,Windows Me,的后续版本是把微软公司的个人操作系统与商用操作系统合二为一（即把,Windows Me,和,Windows 2000,合二为一）的,Windows XP,。,3.Windows NT,和,Windows 2000,Windows NT,及后来的,Windows 2000,是商用多用户操作系统，其开发目标是作为工作站和服务器上的,32,位操作系统，以充分利用,32,位处理器等硬件的新特性，并使其易于适应将来的硬件变化，能随着新的市场需求而扩充，同时与已有应用程序保持兼容。,计算机导论,4.3.2 UNIX,操作系统,1.UNIX,概述,2.UNIX,的发展历史,(1) UNIX,的产生过程,(2),免费扩散阶段,(3),商用版本的出现和三大主线的形成,(4),两大阵营对峙和标准化的出现,3.UNIX,的主要变种,目前主要的,UNIX,变种有,SUN Solaris,、,IBM AIX,、,HP UX,、,Compaq Tru64 UNIX,（原名,Digital UNIX,）、,SCO UnixWare,、,SGI,Irix,等，它们大多是基于,SVR4,的。,计算机导论,4.3.3 Linux,及其它操作系统,1.Linux,(1) Linux,的产生与发展,(2) Linux,的特点,免费并且源代码开放,具有出色的稳定性和速度性能,功能完善,具有网络优势,对硬件的要求较低,应用程序众多（而且大部分是免费软件），硬件支持广泛，程序兼容性好,2.,其他免费操作系统,(1) Free BSD,(2) Minix,计算机导论,Thank You!,