操作系统的定义和功能

操作系统(Operating system,OS)是有效地组织和管 理计算机系统中的硬件资源和软件资源,合理地组织计算机的 工作流程,控制程序的执行,并向用户提供各种服务,使得用 户能够灵活、方便、有效地使用计算机,使整个计算机系统高 效运行的程序集合。

功能
(1)处理机管理。
(2)存储管理。
(3)设备管理。
(4) 文件管理。
(5)用户接口。

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操作系统的发展

1.人工操作阶段

第一台电子计算机只是由控制台控制的一个庞大物理机 器,并没有操作系统的概念。使用者采用手工方式直接控制和 使用计算机,其具体操作是:将事先准备好的程序和数据穿孔 在卡片或纸带上,并通过卡片或纸带输入机将程序和数据输入 计算机,然后启动程序,使用者通过控制台上的按钮、开关和 氖灯等来操纵和控制程序,程序运行完毕时取走计算结果。

穿孔卡片是一种在硬纸板上打孔(穿孔)并以此来几路信 息的工具。下图所示的是20世纪使用最为广泛的一种80列穿孔 卡,大小尺寸187.325×82.55mm。

 

像穿孔卡片一样,穿孔纸带最初也是用于机械织布机。对计算 机来说,它既可以用于数据输入,同时也是输出的介质。纸带上每 一行对应一个字符。下图所示的是8级穿孔纸带(每行8孔)。

 

2.单道批处理阶段

(1)联机批处理

早期的批处理操作把若干个作业组织成一批作业输入到磁带 上,然后再监控程序的作用下,先把磁带上的第一个作业调入 内存,并把控制权交给该作业,当该作业处理完后,再由监督 程序把第二个作业输入内存,按这种方式对磁带上的作业自动 地、一个接一个地处理,直到把磁带上的所有作业全部处理完 毕。由于系统对作业的处理是成批地进行,且在内存中始终只 保持一道作业,故称为单道批处理系统。

(2)脱机批处理

 

脱机批处理就是通过卫星机将用户的程序和数据输入到磁带上,当主机需要时,再将这些程序和数据送入主机进行处理;同样对于处理完毕的数据也是先存入卫星机中,再输出到用户。主机与卫星机可并行工作。

(3)执行系统

在20世纪60年代初期,随着通道和中断技术的出现,操作系 统进入了执行系统阶段。通道主要用于控制I/O设备与内存间的数据 传输,它独立于CPU运行,实现了CPU与输入/输出的并行处理。而 中断是指CPU在收到外部中断信号后,停止原来所执行的操作,转 去处理中断时间,处理完毕后回到断点继续执行被中断的操作。通 道技术和中断技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时,提供 了I/O控制功能。

3.多道批处理系统阶段

多道程序设计技术是指在计算机内存中同时存放几道相互 独立的程序,它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。这种 技术在内存中存放了多个作业,从宏观上看,这些作业是并行 的,它们都处于运行中,并且都没有运行结束;从微观上看是 串行的,各道作业轮流使用CPU,交替执行。多道程序设计 技术不仅使CPU得到充分利用,同时改善I/O设备和内存的利 用率,从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量(单位 时间内处理作业(程序)的个数),最终提高了整个系统的效 率。

4.分时操作系统阶段

分时技术是把处理机的运行时间分成很短的时间片,按时间片 轮流把处理机分配给各联机作业使用。分时操作系统就是利用 分时技术,在一台主机上同时连多个用户终端,同时允许多个 用户共享主机资源,每一个用户都可以通过自己的终端以交互 的方式使用计算机。
分时操作系统就有以下特点:
(1)多路性。(2)交互性。(3)独立性。(4)及时性。

5.实时操作系统阶段

虽然多道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利 用率和系统响应时间,但却不能满足实时控与实时信息处理两个 应用领域的需求。于是就产生了实时系统,即系统能够及时响应 随机发生的外部事件,并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。
典型的实时操作系统有过程控制系统、信息查询系统、事务处 理系统等。实时操作系统具有及时性、高可靠性等特点。

 

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操作系统的组成

1.管理模块

管理模块主要体现操作系统的管理功能。操作系统对计算机的管理包括两个方面:硬件资源的管理和软件资源的管理。

2.用户接口

操作系统为用户提供两个接口界面。一个是作业一级接口,即各种命令接口界面。用户利用这些操作命令来组织和控制作业或管理计算机系统。作业控制方式典型地分两大类:脱机控制和联机控制。另一个接口是程序一级接口,即系统调用。系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。编程人员可以通过系统调用,在源程序一级动态请求和释放系统资源,调用系统中已有的功能来完成与计算机部分相关的工作,以及控制程序的执行速度等。

常见的系统调用有以下几种:
(1)文件管理。包括对文件的读、写、创建和删除等操作。
(2)设备管理。请求或释放有关设备、启动和关闭设备等操作。
(3)存储管理。查询作业占据的内存区的大小和获取内存区的首地址等。
(4)进程控制。进程是在一个功能上独立的程序上的一次执行过程。进程控制主要包括进程的创建、撤销、执行等待和执行优先级控制等。
(5)进程通信。在进程之间传递消息或信号。
(6)线程管理。有线程的创建、调度、执行、撤销等。

 

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操作系统的分类

(1)批处理操作系统
批处理操作系统是以作业为处理对象。处理过程是:用户将作业交给系统操作员,由系统操作员将各用户的作业组成一批,并提交给计算机,然后由计算机自动处理。这类操作系统的特点是:作业的运行完全由系统自动控制,系统的吞吐量大,资源的利用率高。

(2)分时操作系统
分时操作系统是多个用户在各自的终端上联机使用同一台主机。当用户交互式地向系统提出命令请求时,操作系统以时间片为单位,轮流处理服务请求。从宏观上来看,多个用户同时使用CPU,而就用户而言,却有独占该计算机的感觉。因此,分时操作系统具有多路性、交互性、独占性和及时性的特点。

(3)实时操作系统
实时操作系统是指计算机能及时响应外部事件的请求,并在规定时间内完成对该事件处理的系统。实时操作系统要追求的目标是:对外部请求在严格时间范围内做出反应。其主要特点是资源的分配和调度首先要考虑实时性然后才是效率。实时操作系统广泛用于工业生产过程的控制和事务数据处理中,具有高可靠性和完整性。

(4)网络操作系统
为计算机网络配置的操作系统称为网络操作系统,通常运行在服务器上。网络操作系统是基于计算机网络的,是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件,包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。其目标是相互通信及资源共享。

(5)分布式操作系统
分布式操作系统是分布计算系统配置的操作系统。分布式计算机系统是由多个并行工作的处理器组成的系统,系统中的计算机无主次之分,系统中的资源提供给所有用户共享,一个程序可分布在几台计算机上并行地运行,互相协调完成一个共同的任务,有较强的纠错能力。分布式操作系统是网络操作系统的更高形式,它保持了网络操作系统的全部功能,而且还具有透明性、可靠性和高性能等特点。

(6)微型计算机操作系统
微型计算机操作系统是指配置在微型计算机上的操作系统。应用较广的微型计算机操作系统有单用户多任务和多用户多任务两种类型。
单用户多任务微型计算机操作系统,是指只允许一个用户使用但允许把程序分为若干个任务并发执行的操作系统,例如Microsoft 的Windows 系统个人用户版操作系统;
多用户多任务微型计算机操作系统,是指允许多个用户通过各自的终端使用同一台计算机,共享系统中的各种资源,而每个用户程序又可进一步分为多个任务并发执行的操作系统,例如源代码公开的Linux 操作系统等。
微型计算机具有交互性好、功能强、操作简单、价格便宜等优点。

(7) 嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是一种支持嵌入式应用的操作系统,是一种用途广泛的系统软件,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度,控制、协调并发活动。嵌入式操作系统大多用于机电设备、仪器等专用控制方面,并具有十分广泛的应用和发展前景。

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常见的操作系统

1.常见计算机操作系统

(1)DOS操作系统
DOS(Disk Operating System)的意思是磁盘操作系统,是一种单用户、单任务的计算机操作系统。从1981年直到1995年的15年间,DOS在IBM PC 兼容机市场中占有举足轻重的地位。DOS采用字符界面,以命令的形式来操作计算机,这些命令都是英文单词或缩写,难以记忆,因此无法推广使用。进入20世纪90年代后,DOS逐渐被Windows之类的图形界面操作系统所取代。

(2)Windows操作系统
Windows操作系统是一款由美国微软公司开发的窗口化操作系
统,采用了GUI图形化操作模式。
Microsoft公司从1983年开始研制Windows系统
第一个版本的Windows 1.0于1985年问世
1987年推出了Windows 2.0版
1990年推出Windows 3.0是一个重要的里程碑
1995年8月微软公司发布了Windows95,其版本号为4.0
Windows 98是一个发行于1998年6月25日的混合16/32位的系统
Windows ME(Windows Millennium Edition)是一个16/32位混合的系统
Windows NT是纯32位操作系统,使用先进的NT核心技术
Windows 2000是发行于1999年12月19日的32位图形商业性质的操作系统
Windows XP是微软公司发布的一款视窗操作系统
Windows Server 2003是目前微软推出的使用最广泛的服务器操作系统
2006年11月发布Windows Vista操作系统,其内核版本号为 Windows NT 6.0
2009年10月22日微软于美国正式发布 Windows7
微软于2012年10月25日推出了最新Windows8系统

(3)UNIX操作系统
UNIX操作系统是美国AT&T公司1971年在PDP-11上运行的多用户多任务的操作系统,支持多种处理器架构,最早由肯·汤普逊(Kenneth Lane Thompson)、丹尼斯·里奇(Dennis MacAlistair Ritchie)于1969年在AT&T的贝尔实验室开发。
UNIX系统大部分是由C语言编写的,这使得系统易读、易修改、易移植。其系统结构可分为两部分:操作系统内核(由文件子系统和进程控制子系统构成,最贴近硬件),系统的外壳(贴近用户)。UNIX取得成功的最重要原因是系统的开放性和公开源代码。用户可以方便地向UNIX系统中逐步添加新功能和工具,这样可使UNIX越来越完善,成为有效的程序开发的支撑平台。
UNIX可以运行在微型机、工作站、大型机和巨型机上,因其稳定可靠的特点在金融、保险等行业得到广泛的应用。

(4)Linux操作系统
Linux内核最初是由芬兰人林纳斯·托瓦兹(Linus Torvalds)在赫尔辛基大学上学时出于个人爱好而编写的,该内核于1991年10月5日首次发布。严格来说,术语Linux只表示操作系统内核本身,但通常都用Linux来表示基于Linux内核的完成操作系统。
Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统,是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议,并支持32位和64位硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想,是一个性能稳定的多用户网络操作系统。现在Linux内核支持从个人电脑到大型主机甚至包括嵌人式系统在内的各种硬件设备。

(5)Mac OS操作系统
Mac OS是一套运行于苹果Macintosh系列电脑上的操作系统,是全球第一个使用“面向对象操作系统”的全操作系统,也是首个在商用领域成功应用的图形用户界面的操作系统。Mac OS基于UNIX内核的图形化操作系统,它把UNIX的强大稳定的功能和Macintosh的简洁优雅的风格完美地结合起来。

2.常见手机操作系统

(1)iOS
iOS是由苹果公司为iPhone开发的操作系统。它主要是给iPhone、iPodtouch以及iPad使用。就像其基于Mac OS X的操作系统一样,它也是以Darwin为基础的。原本这个系统名为iPhone OS,在2010年6月7日的WWDC大会上改名为iOS。iOS的系统架构分为四个层次:核心操作系统层(the Core OS layer),核心服务层(the Core Services layer).媒体层(the Media layer),可轻触层(the Cocoa Touchl aycr)。

(2)Symbian
Symbian(塞班)是一个实时性、多任务的纯32位操作系统,具有功耗低、内存占用少等特点,非常适合于机等移动设备使用,经过不断完善,可以支持GPRS、蓝牙、SyncML,以及3G 技术, Symbian将移动设备的通用技术,也就是操作系统的内核,与图形用户界面技术分开,能很好地适应不同方式输入的平台,也可以使厂商为自己的产品制作更加友好的操作界面,符合个性化的潮流,这也是用户能见到不同样子的Symbian 系统的主要原因。为Symbian 平台开发的Java 程序在互联网上相当盛行,用户可以通过安装这些软件. 扩展手机功能。不过,随着iOS 和Android 的崛起及快速吞噬市场份额, Symbian 已处在风烛残年的尴尬境地。

(3) BlackBerry
BlackBerry(黑莓)曾是美国市场占有率第一的智能手机,这得益于它的制造商RIM(Research in Motion)较早地进人移动市场并且开发出适应美国市场的邮件系统。宽大的屏幕和便于输入的QWERTY键盘是BlackBerry的经典设计,所以BlackBerry一直是移动电邮的巨无霸。同样,面对Android 和iOS的强力竞争,BlackBerry的市场占有率相比过去在迅速地下滑。

(4)Windows Mobile
Windows Mobile(简称WM)是微软过去针对移动设备而开发的操作系统。该操作系统的设计初衷是尽量接近于桌面版本的Windows。微软按照电脑操作系统的模式来设计WM,以便能使得WM与电脑操作系统一模一样。WM 的应用软件以Microsoft Win32 API为基础。但在Windows Phone操作系统出现后,Windows Mobile系列正式退出手机系统市场,2010年10 月,微软宣布终止对WM的所有技术支持。

(5)Windows Phone
Windows Phone 是微软于2010 年10 月11 日发布的一款手机操作系统,它将微软旗下的Xbox Live 游戏、Zune 音乐与独特的视频体验整合至手机中。Windows Phone 具有桌面定制、图标拖拽、滑动控制等一系列前卫的操作体验。其主屏幕通过提供类似仪表盘的体验来显示新的电子邮件、短信、未接来电、日历约会等,以便对重要信息保持时刻更新。Windows Phone还包括一个增强的触摸屏界面,更方便手指操作,以及一个最新版本的IE Mobile 浏览器。Windows Phone 力图打破人们与信息和应用之间的隔阂,提供适用于人们包括工作和娱乐生活的方方面面,做到最优秀的端到端体验。

(6)Android
Android(安卓)是一种以Linux 为基础的开放源代码操作系统,主要使用于便携设备,最初由Andy Rubin 开发。由于Android 系统的开放性,使得消费者可以享受丰富的应用软件资源。Google 的地图、邮件,探索等可以在Android 平台手机上无缝结合。

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