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第1章操作系统概述1.1计算机发展简史第四代:从1974年至今,大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)用于计算机,从巨型机到微型机、个人计算机,其类型层出不穷。与之相应,计算机科学和技术也得到了迅速发展。1.2计算机系统组成图1-1利用总线连接CPU、内存、控制器和I/O设备1.CPUCPU是计算机系统中的“大脑”。它从内存(或高速缓存)中取出指令并执行它们。其基本工作顺序是:提取指令,译码分析,执行指令。CPU内部包含若干个寄存器。其中,一类是通用寄存器,用来存放关键变量和中间结果;另一类是专用寄存器,如程序计数器(PC)、栈指针寄存器和程序状态字(PSW)。2.存储器在现代计算机中,可以存放信息的部件很多,但它们在存取速度、容量和成本等方面有很大差别。一个存储器系统往往由各种部件构成一个层次结构,图1-2示出了三级存储器的结构。图中,左部文字说明存储器的性能、成本依箭头所示方向相对变化。图1-2三级存储器结构3.I/O设备I/O设备是人机交互的工具,通常由控制器和设备本身组成。4.总线总线部件的功能是负责CPU、存储器和设备控制器彼此间的信息或数据的传送的,是计算机内部的“公交车”。1.2.2计算机软件分类按照所起的作用和需要的运行环境,软件通常可分为三大类,即应用软件、支撑软件和系统软件。计算机系统中硬件和软件以及各类软件之间是按层次结构组织的,如图1-3所示。图1-3计算机系统的层次关系1.3操作系统的概念作为“管理者”,操作系统主要负责如下事情:①监视各种资源并随时记录它们的状态;②实施某种策略以决定谁获得资源,何时获得,获得多少;③分配资源供需求者使用;④回收资源,以便再分配。(3)设置操作系统的另一个目的是扩充机器功能以方便用户使用。计算机系统的基本资源包括硬件(如处理机、内存、各种设备等)、软件(系统软件和应用软件)和数据。1.4操作系统的主要功能2)地址映射大家都有这种经历:我们在编写程序时并不考虑程序和数据要放在内存的什么位置,程序中设置变量、数组和函数等只是为了实现这个程序所要完成的任务。3)内存保护不同用户的程序都放在一个内存中,必须保证它们在各自的内存空间中活动,不能相互干扰,更不能侵犯操作系统的空间。4)内存扩充一个系统中内存容量是有限的,不能随意扩充其大小。而且用户程序对内存的需求越来越大,很难完全满足用户的要求。2.处理机管理功能(1)作业和进程调度。一个作业通常要经过两级调度才得以在CPU上执行。(2)进程控制。进程是系统中活动的实体。(3)进程通信。多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者相互制约的关系。3.设备管理功能设备管理的主要功能包括:缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。(1)缓冲区管理。缓冲区管理的目的是解决CPU和外设速度不匹配的矛盾,从而使它们能充分并行工作,提高各自的利用率。(2)设备分配。根据用户的I/O请求和相应的分配策略,为该用户分配外部设备以及通道、控制器等。(3)设备驱动。实现CPU与通道和外设之间的通信。由CPU向通道发出I/O指令,后者驱动相应设备进行I/O操作。当I/O任务完成后,通道向CPU发中断信号,由相应的中断处理程序进行处理。(4)设备无关性。又称设备独立性,即用户编写的程序与实际使用的物理设备无关,由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到物理设备中。4.文件管理功能文件管理功能应包括:文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。(1)文件存储空间的管理。系统文件和用户文件都要放在磁盘上。(2)文件操作的一般管理。包括文件的创建、删除、打开、关闭等。(3)目录管理。包括目录文件的组织、实现用户对文件的“按名存取”,以及目录的快速查询和文件共享等。(4)文件的读写管理和存取控制。5.用户接口现代操作系统通常向用户提供三种类型的界面:程序界面(系统调用)、命令界面和图形界面。1)系统调用系统调用是操作系统提供给编程人员的接口,因而也称为程序员界面。从操作系统内部实现的层次结构上看,系统调用处于核心的最高层,离用户层最近。如图1-4所示。图1-4操作系统的三种界面2)命令界面操作系统所提供的最重要的系统程序是命令解释程序,它是最初启动作业(进程)或用户刚进入分时系统时就正在系统中运行的那个程序。在批处理系统中,利用控制卡片向操作系统提出命令;而在交互式系统中,用户直接在终端上输入命令,这些命令就起与控制卡同样的作用。3)图形界面系统调用和命令方式给用户提供的是一维空间界面,是最基本的用户界面,也称为第一代用户界面。以微软Windows操作系统为代表给用户提供了图形界面,这是在二维空间中动态活动的窗口。