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操作系统基础

在计算机软件系统中，操作系统是最基础的软件，是计算机系统中硬件和软件资源的管理者和仲裁者，为用户提供了友好的操作及编写程序的接口，并为其它软件提供可靠的支撑平台和运行环境。没有安装操作系统的计算机，普通人员几乎无法使用，即使会用，工作起来的效率也非常低下。

操作系统经历了一个从无到有，从简单到复杂，功能不断完善的发展过程，并且仍在发展中。现代计算机系统的功能发挥和效率的提高依赖于操作系统。

1 操作系统的概念

计算机系统由硬件系统和软件系统共同组成。硬件系统构成计算机系统赖以工作的物理实体，没有安装任何软件的计算机称为“裸机”。利用“裸机”进行工作是困难的，人们在它之上配置若干软件构成了计算机系统。软件指的是在计算机上运行的各种程序、要处理的数据以及各种相关文档的总称。其中程序是指为解决某个问题，人们事先设计好的计算机能够执行的指令序列；数据是信息的表现，是计算机能处理的某种数据结构的集合；文档是在程序开发以及维护过程中所形成的相关图文资料。

1.1 操作系统的分类

在形成和发展中，基于不同需求目的，产生了多种不同特征的操作系统。按不同标准，对操作系统的分类也不相同。

①按系统工作方式可分为：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。

●分时操作系统是指将计算机系统资源按时间片来为多个终端用户轮流服务，及时地响应每个用户

的服务请求，由于每个时间片很短，每个用户感觉上主机是在为他一个人服务。

●实时操作系统能够在限定时间内对输入的数据进行快速响应处理，通常它可分实时控制系统和实

时信息系统。实时系统具有高可靠性、及时性和第一页较少人为干预等特征。

②按资源共享可分为：单任务操作系统、多任务操作系统、单用户操作系统、多用户操作系统。

●单任务操作系统的主要特征是在一个计算机系统内一次只能运行一个用户程序，该程序独占系统

的所有软、硬件资源。

●多任务操作系统则在系统内可同时运行多个用户程序，它们共享系统中的各种资源。

●单用户操作系统是指同一时刻只能有一个用户登录到计算机系统中。

●多用户操作系统则允许同时有多个用户登录到系统。

③按计算机体系结构可分为：单机系统、多机系统、网络系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统。

●单机系统和多机系统是从系统是否支持多处理机进行区分的。

●网络操作系统能提供网络通信和网络资源共享功能，它可以协调各主机上任务的执行，为用户提

供网络管理和统一的网络软件接口。

●分布式操作系统是在计算机网络基础上发展起来的，它可以将任务分布到网络中不同计算机系统

上进行处理，并能协调平衡网络中的不同处理机的负载，由多个处理机协同完成任务。

1.2 常见操作系统

1）磁盘操作系统DOS

DOS（Disk Operating System，磁盘操作系统）是微软公司20世纪80年代开发的，其早期版权曾卖给IBM公司，主要安装在IBM的个人计算机上，是一个单用户单任务的操作系统。它有着优良的文件管理功能，但是受到Inter x86体系结构的限制，而且存储管理功能较弱，目前已基本淘汰。

2）Linux

Linux是一个自由软件（自由软件是指可以免费提供给任何用户使用，其源码公开，可以自由修改，但不能有商业用途），是一个多用户多任务的网络操作系统，并且支持多CPU，其内核基于UNIX。目前它的版本众多，其服务器在操作系统市场占有率排名第二。

3）Windows

Windows是微软公司开发的基于图形用户界面的操作系统，因其界面形象生动、操作简单方便，为广大用户所喜爱，也是个人计算机上安装使用率最高的操作系统，目前的最新版本是Windows Vista。本书中主要介绍发展得比较成熟，性能也比较稳定的版本Windows XP。

4）Mac OS

Mac OS是在苹果公司的Power Macintosh及Macintosh机型上使用的操作系统。它是最早的基于图形用户界面的操作系统，其强力的图形处理第二页功能为众多要处理图形任务的用户所钟爱，但由于支持的硬件受限，市场普及率不高。

2 操作系统的功能

操作系统是计算机系统的内核与基石，提供了对庞大的计算机硬件和软件资源进行管理控制的功能，使得用户可以方便高效、安全可靠地操纵计算机来开展工作。从管理的角度看，操作系统其实就是由一组管理程序组成的程序集合，不管是哪种类型的操作系统，它们都提供了处理机管理、存储管理、I/O设备管理、文件管理和用户接口五个方面的管理功能。

1）处理机管理

处理机是计算机硬件的核心部件，所有程序的运行和数据的处理都是靠它来实现的，所以它的使用效率关系到整个计算机系统的效率。在早期的单道程序系统中，一个程序运行时占用系统的所有资源，但并非所有资源在程序运行期间时时刻刻都用到，这使得系统的资源利用效率非常低下，大量资源在很多时刻是空闲的。为了提高系统资源的使用效率，人们提出了多道程序系统的概念，引入了前面所提及的多道批处理系统。多道程序共享系统的资源，有效地提高了资源的利用率。

处理机管理以进程为单位，因此有的书籍中也称处理机管理为进程管理。进程与程序关系为：进程是程序及其相关数据在某一台计算机的一次执行，可以简单的理解为进程是正在运行的程序，程序没有执行或执行完毕，也就不存在进程，因此进程是有生命期的。Windows用户可以通过任务管理器查看到系统中已有的进程。

2）存储管理

存储器是计算机系统的重要资源。任何要被执行的程序其代码和数据要全部或部分驻留内存，操作系统本身也要占据部分存储空间。合理管理存储空间，提高它的利用率，关系到整个系统的性能。存储空间的管理主要包括：内存分配、内存保护、地址映射及内存扩充。

①内存分配。多道程序环境下，内存为多个进程所共享，每个进程都须拥有不同的存储空间，内存管理根据每个进程的需求合理地给它们分配存储器资源，这是内存管理的基本功能。

②内存保护。内存管理要保证每个进程在各自的内存空间互不干扰，并防止一个进程对其它进程空间内的代码和数据进行非法访问。

③地址映射。在程序员进行程序设计时，并不知道将来程序在内存空间第三页存放的位置，所以程序中使用的是逻辑地址。程序对应的进程被创建时，会被装入到内存，操作系统必须将程序中的逻辑地址映射（转换）为内存中对应的物理地址。

④内存扩充。由于物理内存空间有限，有时难以满足程序的需求，内存管理能够将部分外部存储空间模拟成内存空间，借以扩大内存空间。这种从逻辑上扩大物理存储空间的技术称之为虚拟存储技术。