操作系统（第一章之概念、形成、特征、功能）

目录

一、操作系统的概念

    （一）、计算机系统

1. 计算机硬件

2. 计算机软件 

    （二）、什么是操作系统 

    （三）、操作系统的目标 

1. 方便性

2. 有效性

 3. 可扩充性

4. 开放性 

二、操作系统的形成与发展

    （一）、推动操作系统发展的动力 

    （二）、操作系统的形成 

1. 无操作系统

2. 批处理系统 

3. 分时系统 

4. 实时系统 

 5. 微机操作系统

 6. 多处理器操作系统

7. 网络操作系统 

8. 分布式操作系统 

9. 嵌入式操作系统 

三、操作系统的特征与功能

 1. 并发性

2. 共享性

3. 虚拟性 

4. 异步性 

5.操作系统的功能 

四、流行操作系统简介

    一、DOS操作系统 

    二、UNIX操作系统 

    三、Linux操作系统 

    四、Windows操作系统 

本章习题

---

一、操作系统的概念

    （一）、计算机系统

     一个完整的计算机系统，不论是大型机、小型机还是微型机，都由两大部分组成：计算机硬件和计算机软件，如下图所示。

 

    计算机硬件和计算机软件在计算机系统中是相辅相成、缺一不可的，它们共同组成了计算机系统。计算机硬件是计算机的躯体和基础，计算机软件是计算机的头脑和灵魂，没有软件的计算机和缺少硬件的计算机都不能成为完整的计算机系统。

1. 计算机硬件

    计算机硬件是指构成计算机系统所必须配置的各种设备，是“看得见，摸得着”的物理部件，它是组成计算机系统的物质基础。计算机硬件主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。 

2. 计算机软件 

    计算机软件是指由计算机硬件执行以完成一定任务的程序及其数据。 

    （二）、什么是操作系统 

    操作系统属于软件中的系统软件，是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充；其他软件则是建立在操作系统之上的，通过操作系统对硬件功能进行扩充，并在操作系统的统一管理和支持下运行各种软件。操作系统与硬软件的关系如下图所示。 

 

    从用户的角度来看，操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口，用户通过操作系统来使用计算机系统，即用户在操作系统的支持下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件资源，运行自己的程序。 

    用户可通过以下三种方式使用计算机： 

  （1）直接使用操作系统提供的键盘命令或Shell命令语言，如Linux操作系统的字符接口； 

  （2）利用鼠标点击窗口中的图标，以执行相应的应用程序，如Windows操作系统的图形用户接口； 

  （3）使用在应用程序中调用操作系统的内部功能模块（系统调用接口）。 

综上可知：

（1）作为用户与计算机接口的操作系统；

（2）作为资源管理者的操作系统。 

    （三）、操作系统的目标 

1. 方便性

    操作系统最终是要为用户服务的，所以，设计操作系统时必须考虑用户能否方便地操作计算机。用户的操作包括直接使用命令来操作计算机，也包括通过设计程序让计算机完成各种任务。 

2. 有效性

    配置了操作系统后，可使CPU和I/O设备因能保持忙碌状态而得到更有效的利用，且因使内存和外存中存放的数据有序而节省了存储空间。

    此外，操作系统要合理地组织计算机的工作流程，提高系统资源的利用率，增加系统的吞吐量，从而使有限的资源完成更多的任务。

 3. 可扩充性

    随着计算机技术的迅速发展，计算机硬件和体系结构也随之得到迅速发展，它们对操作系统提出了更高的功能和性能要求。因此，操作系统必须具有很好的可扩充性才能适应发展的要求。这就是说，在设计操作系统的体系结构时，要采用合理的结构使其能够不断地扩充和完善。

4. 开放性 

    随着计算机硬件技术的发展，不同厂家的新型的、集成化的硬件不断涌现出来。为了使这些硬件产品能够正确、有效地协同工作，就必须实现应用程序的可移植性和互操作性，因而要求计算机系统具有统一的开放环境，其中首先是要求操作系统具有开放性。 

 

二、操作系统的形成与发展

    （一）、推动操作系统发展的动力 

    操作系统的形成迄今已有50多年的时间，在短短的50多年中，操作系统取得巨大的进展，其主要动力可以归结为以下4个方面。

    1.不断提高计算机资源利用率的需要：人们千方百计地提高计算机系统中各种资源的利用率，这就推动了人们不断发展操作系统的功能。

    2.方便用户操作：人们想方设法改善用户的上机和调试程序的条件，随之便形成了允许人机交互的分时系统，或称为多用户系统。

    3.硬件的不断更新换代：计算机硬件在不断的更新，从电子管到晶体管，到集成电路，到大规模集成电路，计算机的性能不断提高，从而推动了操作系统的性能和功能的不断改进和完善。

    4.计算机体系结构的不断发展：计算机体系结构的发展也不断地推动着操作系统的发展，并产生了新的操作系统。 

    （二）、操作系统的形成 

 

1. 无操作系统

    无操作系统的计算机系统，其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。

人工操作方式的特点：
 

• 用户独占全机。一台计算机的全部资源只能由一个用户独占。 
• CPU等待人工操作。

    人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，此即为所谓的人机矛盾。随着计算机CPU速度的提高，人工操作的低速率与计算机主机运行的快速运算之间速度不匹配的矛盾日趋严重。 

脱机输入输出方式 

    为了解决CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，50年代末出现了脱机输入输出技术。简单地说，脱机输入输出方式是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。

    脱机输入输出技术减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。此外，如果输入输出是在主机的控制下完成的，则称为联机输入输出。

2. 批处理系统 

    批处理系统主要采用了批处理技术。批处理技术是计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。批处理系统有单道批处理系统和多道批处理系统两种形式。 

（1）单道批处理系统

    单道批处理系统是20世纪50年代General Motors研究室在IBM 701计算机上实现的第一个操作系统。由于系统对作业的处理都是成批地进行的，且在内存中始终只保持一道作业，故称单道批处理系统。

 

    单道批处理系统的特点是：

• 自动性。磁盘（带）上的一批作业能自动地逐个执行，无需人工干预。。
• 顺序性。磁盘（带）上的作业是顺序地进入内存的，先调入内存的作业先完成。
• 单道性。内存中仅有一个程序运行。 

    单道批处理系统大大减少了人工操作的时间，提高了机器的利用率。但是，在单道批处理作业运行时，主存中仅存放了一道程序，每当程序发出I/O请求时，CPU便处于等待I/O完成状态，致使CPU空闲，特别是I/O设备的低速性降低了CPU的利用率。 

（2）多道批处理系统 

    多道批处理系统是在20世纪60年代设计的。为了改善CPU的利用率，提高机器的使用效率，在单道批处理系统中引入了多道程序设计技术，形成了多道批处理系统，它使CPU与外设可以并行工作。多道程序设计技术是指同时把多个作业放入内存并允许它们交替执行，共享系统中的各类资源，当某个程序因某种原因而暂停执行时，CPU立即转去执行另一道程序。 

 

    多道批处理系统的特点是：

• 多道性。在内存中可以同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，从而有效地提高了资源的利用率和系统的吞吐量。
• 无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的先后顺序没有严格的对应关系，即先进入内存的作业不一定先完成，后进入内存的作业不一定最后完成。
• 调度性。作业从提交给系统开始直至完成，需要经过两次调度：一是作业调度，二是进程调度。 

    多道批处理系统的优点是：

• 资源利用率高。由于在内存中的多道程序共享资源，使资源尽可能处于忙碌状态，从而提高了资源的利用率。
• 系统吞吐量大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的工作总量。多道批处理系统能提高系统吞吐量的原因可归结为：第一，CPU和其他资源保持“忙碌”状态；第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。 

    多道批处理系统的缺点是： 

•  平均周转时间长。在批处理系统中，由于作业要排队，要经过两次调度依次进行处理，因而作业的周转时间长。
• 无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的先后顺序没有严格的对应关系，即先进入内存的作业不一定先完成，后进入内存的作业不一定最后完成。

3. 分时系统 

    如左图所示，分时系统是指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户以分时方式共享主机中的资源，每个用户都可以通过自己的终端以交互的方式使用计算机。

 

    所谓分时技术就是把处理器的运行时间划分成很短的时间片，根据时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业被暂时中断，把处理器让给下一个作业使用，被中断作业等待下一轮时再继续运行。由于计算机的速度很快，作业轮换运行的速度也很快，这样给每个用户的感觉就像是自己独占了一台计算机一样。 

 分时系统实现中的关键问题

• 及时接收：要及时接收用户键入的命令或数据并不困难，只需在系统中配置一个多路卡。此外，还需为每个终端配置一个缓冲区，用来暂存用户键入的命令。
• 及时处理：人机交互的关键是使用户键入自己的命令后，能及时地控制或修改自己的作业。为此，要让所有的用户作业直接进入主存，在不长的时间内（如3s）使每个作业运行一次，从而使用户的作业得到及时处理。

分时系统的特征 

• 多路性。允许在一台主机上同时连接多台终端，系统按分时原则为每个用户服务，提高了资源的利用率。
• 独立性。每个用户占用一个终端，彼此独立操作、互不影响。因此，每个用户会感觉到自己独自占用了主机。
• 及时性。用户的请求能在很短的时间内获得响应，此时的时间间隔是根据人们能接受的等待时间来确定的，通常为2～3s。
• 交互性。用户可以通过终端与系统进行广泛的对话。 

4. 实时系统 

    实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

实时系统的特征 

• 多路性。多路性是指系统能对多个现场进行数据采集，并对多个对象或多个执行机构进行控制。
• 独立性。独立性是指信息的采集和对象的控制操作互不干扰。
• 交互性。交互性是指用户可访问系统中某些特定的专用服务程序，其交互性弱于分时系统。
• 及时性。及时性是以控制对象所要求的开始时间和截止时间来确定的，实时系统的及时性高于分时系统，一般为秒级、毫秒级，甚至微秒级。
• 可靠性。可靠性是指采用多级容错技术来保证系统的安全性和数据的安全性。其可靠性高于分时系统。 

实时系统与分时系统的主要区别 

 

 5. 微机操作系统

    微机操作系统是指配置在微机上的操作系统。最早出现的微机操作系统是8位微机上的CP/M操作系统。微机操作系统可分为单用户单任务操作系统、单用户多任务操作系统和多用户多任务操作系统。 

（1）单用户单任务操作系统

    单用户单任务操作系统是指只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。这是一种最简单的微机操作系统，主要配置在8位微机和16位微机上。具有代表性的单用户单任务操作系统是CP/M和MS-DOS。、

（2）单用户多任务操作系统

    单用户多任务操作系统是指只允许一个用户上机，但允许一个用户程序分为多个任务并发执行，从而有效地改善系统的性能。它主要配置在32位微机上，最具代表性的单用户多任务操作系统是OS/2和MS-Windows。

（3）多用户多任务操作系统

    多用户多任务操作系统是指允许多个用户通过各自的终端使用同一台主机，共享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可分为多个任务并发执行，从而提高资源的利用率和增加系统的吞吐量。它主要配置在大、中、小型计算机上，具有代表性的是UNIX。 

 6. 多处理器操作系统

    在多处理器系统上配置的操作系统称为多处理器操作系统。

    根据多个处理器之间耦合的紧密程度，把多处理器系统分为紧密耦合MPS和松散耦合MPS两种类型。

7. 网络操作系统 

网络操作系统的功能 

    ①网络通信  ②资源管理  ③网络服务     ④网络管理  ⑤互操作能力 

8. 分布式操作系统 

     所谓分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经网络连接而形成的系统。在分布式系统上配置的操作系统称为分布式操作系统。

分布式操作系统的特点

•  分布性：均匀地分布在各个站点上，它的处理和控制是分布式的。
•  并行性：将多个任务分配到多个处理单元上并行执行。
•  透明性：很好地隐藏系统内部的实现细节，而对象的位置、并发控制、系统故障等对用户是透明的。
• 共享性。各个站点上的软硬件资源可供全系统中的所有用户共享，并以透明的方式访问它们。
•  健壮性。任何站点上的故障都不会给系统造成太大的影响。 

分布式操作系统与网络操作系统的区别 ：

    分布式操作系统与网络操作系统的主要区别在于对资源的访问方式不同。     网络操作系统在访问系统资源时需要指明资源的位置和类型，对本地资源和异地资源的访问要区别对待；而分布式操作系统对所有资源，包括本地资源和异地资源，都用同一方式进行管理和访问，用户不必关心资源在哪里，或资源是怎样存储的。

9. 嵌入式操作系统 

    嵌入式操作系统就是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种装置进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。 

    与一般操作系统相比，嵌入式操作系统具有微小、实时、专业、可靠、易裁剪、应用领域差别大的特点。代表性的嵌入式操作系统有Symbian，WinCE，Linux，Palm OS，VxWorks等。

三、操作系统的特征与功能

操作系统的基本特征包括：并发性、共享性、虚拟性、异步性。

 1. 并发性

    并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序同时运行，但在单处理器系统中，每一个时刻仅能执行一道程序，故微观上这些程序是在交替执行的。并发的目的是改善系统的利用率和提高系统的吞吐量。

与并发不同的是并行，对于并行而言是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

 

2. 共享性

    共享性是指系统中的资源可供多个并发执行的进程使用。根据资源的属性，把共享分为互斥共享和同时共享两种方式。 

（1）互斥共享

    互斥共享是指系统中的资源，如打印机、扫描仪等，虽然它们可供多个进程使用，但在一段时间内只允许一个进程访问该资源。 

（2）同时共享 

    同时共享是指系统中有些资源，如磁盘，允许在一段时间内有多个进程同时对它们进行访问。

    并发性和共享性是操作系统的两个最基本特征，它们互为存在条件。一方面，资源共享是以程序（进程）的并发执行为存在条件，若系统不允许并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，则将影响程序的并发执行，甚至无法执行。 

 

3. 虚拟性 

    虚拟性是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑实体，即物理上虽然只有一个实体，但用户使用时感觉有多个实体可供使用。

    在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分别使用的方法。显然，如果n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。

4. 异步性 

    异步性也称不确定性、随机性，是指在多道程序环境下允许多个进程并发执行。具体说，各个程序什么时候得以运行、在执行过程中是否被其他事情打断暂停执行、向前推进的速度是快还是慢等都是不可预知的，这由程序执行时的现场所决定。但只要环境相同，一个作业经过多次运行，都会得到相同的结果。 

5.操作系统的功能 

1. 处理器管理 

2. 存储器管理

3. 设备管理

4. 文件管理

5. 用户接口 

四、流行操作系统简介

    一、DOS操作系统 

    DOS是英文Disk Operation System的简称，中文为磁盘操作系统。

    DOS是一种单用户单任务的磁盘操作系统，它向用户提供的的用户界面是命令行界面，用户用字符命令方式操作。DOS实现的主要功能包括命令处理、文件管理、设备管理，后来又增加了存储器管理。

    DOS的主要优点是体积短小，运行效率高。DOS的主要缺点是缺少对数据库、网络通信、多媒体的支持，操作不方便等。

    二、UNIX操作系统 

    UNIX操作系统1969年在贝尔实验室诞生，最初运行在中小型计算机上。它是一个由C语言编写的、多用户多任务操作系统。

    UNIX被设计成为能够同时运行多进程，支持用户之间共享数据。同时，UNIX支持模块化结构，安装UNIX操作系统时，只需安装工作需要的部分。用户界面同样支持模块化原则，互不相关的命令能够通过管道相连接，以执行非常复杂的操作。

    UNIX操作系统的可靠性和稳定性是其他系统所无法比拟的，是公认的最好的Internet服务器操作系统。从某种意义上讲，整个因特网的主干几乎都是建立在运行UNIX的众多机器和网络设备之上的。 

    UNIX操作系统的特点主要包括：

•  UNIX系统是一个可供多用户同时操作的会话式分时操作系统，不同的用户可以在不同的终端上通过会话方式控制系统操作
•  UNIX在功能设计上非常简捷、高效。
•  UNIX系统在结构上分为内核和核外程序两部分，内核向核外程序提供了充分而强大的支持，而核外程序灵活地运用了内核的支持。
•  UNIX系统向用户提供了两种界面，一种是用户界面；另一种是系统调用。
•  UNIX系统采用树形结构的文件系统，既能扩大文件存储空间，又具有良好的安全性、保密性和可维护性。
•  UNIX系统提供了丰富的核外系统程序，为用户提供了相当完备的程序设计环境。 

    三、Linux操作系统 

    Linux是一套免费使用和自由传播的类似UNIX的操作系统，这个系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。    

    Linux以它的高效性和灵活性著称。它能够在PC计算机上实现全部的UNIX特性，具有多任务、多用户的能力，而且还包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。它还包括带有多个窗口管理器的X－Windows图形用户界面，如同Windows NT一样，允许人们使用窗口、图标和菜单对系统进行操作。它是一个功能强大、性能出众、稳定可靠的操作系统。

    目前，Linux在服务器市场上的发展势头比Windows Server更佳，尤其在因特网主机上，Linux的份额已经逐渐超过Windows Server。

    Linux操作系统的特点：

•   与UNIX兼容：符合POSIX（Portable Operating System Interface，可移植操作系统接口）标准，各种UNIX应用可方便地移植到Linux下。
•  自由软件、源代码公开。
•  便于定制和再开发，可根据自己的需要进行裁剪或再开发。
•  互操作性高：能够以不同的方式实现与非Linux系统的不同层次的互操作。
•  全面的多任务和真正的32位操作系统完善的图形整合界面
•  出色的网络服务器功能：默认使用TCP/IP为网络通信协议，还自带了许多网络服务器软件。
•  友好的中文显示平台：可选择操作系统的内码为中文。

    四、Windows操作系统 

    Windows操作系统是当前个人计算机中应用最广泛、影响力最深远的一种操作系统。从1983年美国微软公司宣布Windows的诞生到现在，Windows操作系统经历了二十多年的发展历程，先后推出了若干个版本。

    Windows采用了GUI图形化操作模式，比起从前的指令操作系统如DOS更为人性化。Windows操作系统是目前世界上使用最广泛的操作系统。    

    随着电脑硬件和软件系统的不断升级，微软的Windows操作系统也在不断升级，从16位、32位到64位操作系统。从最初的Windows 1.0和Windows3.2到大家熟知的Windows 95，Windows 97，Windows 98，Windows 2000，Windows Me，Windows XP，Windows Server，Windows Vista，Windows 7，Windows 8等。 

本章习题

 1、什么是操作系统？

操作系统是计算机系统中的系统软件，管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。

2、简述操作系统的类型？

操作系统大致可分为八种类型，分别为：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、微机操作系统、多处理机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统以及嵌入式操作系统。 

3、操作系统的基本特征有哪些？

 操作系统的基本特征包括并发性、共享性、虚拟性和异步性。

4、操作系统的功能有哪些？

1. 处理器管理 

2. 存储器管理

3. 设备管理

4. 文件管理

5. 用户接口 

 欢迎大家点赞收藏！