第3章 操作系统基础知识(1)

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脱机输入输出技术
在主机与输入输出设备之间设一台外围控制 在主机与输入输出设备之间设一台外围控制 纸带上的数据输入到磁带上），由它完 上的数据输入到磁带 机（纸带上的数据输入到磁带上），由它完 成输入输出任务。 成输入输出任务。 在这种系统中，输入输出脱离主机 脱离主机， 在这种系统中，输入输出脱离主机，减少了 CPU等待人工的时间 提高了输入输出速度。 等待人工的时间， CPU等待人工的时间，提高了输入输出速度。 将这种工作方式称为脱机输入输出方式。 将这种工作方式称为脱机输入输出方式。
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2. Windows操作系统 Windows操作系统
XP有三个版本，其中: Windows XP有三个版本，其中: WindowsXP Home Edition 有良好的数字媒体平台， 有良好的数字媒体平台，适合家庭用户和游戏爱 好者 Windows XP Professional 为商业用户设计， 为商业用户设计，有高级别的可扩展性和可靠性 64Windows XP 64-Bit Edition 可以满足电影特效制作、3D动画 动画、 可以满足电影特效制作、3D动画、工程设计和科 学计算等对大内存、 学计算等对大内存、高浮点运算的专业技术需 22 要
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单道批处理系统提高了计算机系统吞吐 减少了主机空闲时间， 量，减少了主机空闲时间，在一定程度 上提高了系统资源利用率。 上提高了系统资源利用率。 但在内存中只有一道程序， 但在内存中只有一道程序，所以仍然不 能充分利用系统资源。 能充分利用系统资源。
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脱机技术： 2) 假脱机技术：
在20世纪60年代初期，计算机硬件技术在 20世纪60年代初期，计算机硬件技术在 世纪60年代初期 硬件 两方面获得重要进展 获得重要进展： 两方面获得重要进展： 一是通道 通道的引入 一是通道的引入 二是中断 中断的出现 二是中断的出现 通道也称为输入输出（I/O）处理机， 通道也称为输入输出（I/O）处理机，它 也称为输入输出 可以与CPU并行工作 CPU并行工作， 可以与CPU并行工作，专门用于控制输入 输出设备。 输出设备。 I/O处理机输入输出结束时向CPU发出 处理机输入输出结束时向CPU发出中断 I/O处理机输入输出结束时向CPU发出中断 请求，CPU通过响应中断获取I/O处理机状 通过响应中断获取I/O 请求，CPU通过响应中断获取I/O处理机状 态。
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穿孔纸带 手工阶段 外围控制机（磁带） 外围控制机（磁带）
手工操作 脱机输入输出方式 脱机输入输出方式 成批处理 监控程序 监控程序 操作系统萌芽） （操作系统萌芽） 假脱机技术 作为分时操作系统的硬件基础 作为分时操作系统的硬件基础 分时 作业调度程序 共享CPU 共享CPU
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单道批处理系统 磁带机 I/O处理机 I/O处理机 （中断） 中断）
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调度程序 程序C 程序C 程序B 程序B 程序A 程序A CPU时间 CPU时间 等待数据输入/出 等待数据输入 出
数据输出结 果
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为了使多道程序间能够协调工作， 为了使多道程序间能够协调工作， 监督程序需要解决以下管理问题 需要解决以下管理问题： 监督程序需要解决以下管理问题：
作业调度：合理调度作业， 作业调度：合理调度作业，使系统中硬件资 源有效利用 CPU管理 多个作业交替运行， 管理： CPU管理： 多个作业交替运行，需要合理安 排处理机时间 内存管理： 内存管理：为每道程序分配必要的内存空间 I/O设备管理 设备管理： I/O设备管理：为多道程序分配输入输出设备
UNIX操作系统家族 3. UNIX操作系统家族
UNIX操作系统是一个通用的、交互式、分时、 UNIX操作系统是一个通用的、交互式、分时、 操作系统是一个通用的 网络操作系统。1969年美国贝尔实验室在DEC 网络操作系统。1969年美国贝尔实验室在DEC 操作系统 年美国贝尔实验室在 公司的小型机PDP 上开发成功，1971年移植 PDP公司的小型机PDP-7上开发成功，1971年移植 PDP-11上 1973年用 语言重写UNIX， 年用C 重写UNIX 到PDP-11上。1973年用C语言重写UNIX，具有 较高的易读性和可移植性， UNIX迅速推广和 较高的易读性和可移植性，为UNIX迅速推广和 普及应用奠定了基础。20世纪70年代中后期 世纪70年代中后期， 普及应用奠定了基础。20世纪70年代中后期， UNIX源代码的免费扩散引起很多大学、研究机 UNIX源代码的免费扩散引起很多大学、 源代码的免费扩散引起很多大学 构和公司的兴趣，大众参与为UNIX的改进、 UNIX的改进 构和公司的兴趣，大众参与为UNIX的改进、完 传播和普及起了重要作用。 善、传播和普及起了重要作用。
在CPU控制下，作业输入输出数据由I/O CPU控制下，作业输入输出数据由I/O 控制下 处理机完成，I/O处理机取代了外围控制 处理机完成，I/O处理机取代了外围控制 机。这项技术被称为假脱机技术。 这项技术被称为假脱机技术。 假脱机技术 通道和中断技术的应用使CPU与I/O设备 通道和中断技术的应用使CPU与I/O设备 CPU 并行工作，避开了CPU I/O设备速度匹 CPU和 并行工作，避开了CPU和I/O设备速度匹 配问题，这为分时操作系统的诞生奠定 分时操作系统 配问题，这为分时操作系统的诞生奠定 硬件基础。 了硬件基础。
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3.1 操作系统简介
3.1.1 操作系统发展历程
1. 手工操作阶段 2. 批处理阶段
3. 操作系统完善阶段
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1. 手工操作阶段
一个典型作业处理步骤如下： 一个典型作业处理步骤如下： 作业处理步骤如下 ① 将程序和数据通过手工操作记录在穿孔 纸带上； 纸带上； 将纸带装入纸带输入机，人工启动纸带 ② 将纸带装入纸带输入机，人工启动纸带 输入机将程序和数据读入计算机； 输入机将程序和数据读入计算机； 计算机处理作业 作业。 ③ 计算机处理作业。
假脱机技术
作业队列 多道批处理系统 作业队列
3. 操作系统的完善
基本思想是 基本思想是：将CPU时间分成若干个时间片， CPU时间分成若干个时间片， 时间分成若干个时间片 在一个时间片运行一个作业， 在一个时间片运行一个作业，在下一个时间 片运行另一个作业， 片运行另一个作业，在短时间内所有作业都 能得到轮流执行。 能得到轮流执行。从整体上看每个作业都在 运行，用户请求可以得到及时响应， 运行，用户请求可以得到及时响应，这就是 计算机分时操作系统 分时操作系统。 计算机分时操作系统。 分时系统标志着操作系统进入完善阶段。 分时系统标志着操作系统进入完善阶段。 标志着操作系统进入完善阶段
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2. 批处理阶段
单道批处理系统 ① 单道批处理系统 ② 假脱机技术 ③ 多道批处理系统 多道批处理系统
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单道批处理系统： 1) 单道批处理系统：
系统对作业的处理成批进行，但在内存中 系统对作业的处理成批进行，但在内存中 内存 仅有一道程序处于运行状态，这就是单道 仅有一道程序处于运行状态， 一道程序处于运行状态 System） 批处理系统（Simple Batch Processing System） 监督程序就是操作系统最初萌芽。 监督程序就是操作系统最初萌芽。 就是操作系统最初萌芽
在计算机系统中应该有一组专用软件，负责： 在计算机系统中应该有一组专用软件，负责： 有一组专用软件 1. 控制和管理软硬件资源 2. 合理组织工作流程，方便用户使用计算机 合理组织工作流程， 这就是多道批处理操作系统。 这就是多道批处理操作系统。 多道批处理操作系统 多道批处理系统的出现，标志着操作系统已经形成。 多道批处理系统的出现，标志着操作系统已经形成。
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3.1.2 常见操作系统简介
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DOS操作系统 1. DOS操作系统
DOS是磁盘操作系统 System） DOS是磁盘操作系统（Disk Operation System）， 是一种单用户 单任务的微型机操作系统 单用户、 的微型机操作系统， 是一种单用户、单任务的微型机操作系统，它 IBM公司委托Microsoft公司开发 公司委托Microsoft公司开发， 由IBM公司委托Microsoft公司开发，所以早期 DOS又称为 又称为IBM DOS。 20世纪80年代 世纪80年代， PC DOS又称为IBM DOS。在20世纪80年代，DOS 操作系统随着微机的迅速普及而风靡世界。 操作系统随着微机的迅速普及而风靡世界。 DOS主要功能是命令处理、文件管理和设备管 DOS主要功能是命令处理、文件管理和 主要功能 采用汇编语言编写，系统开销小， 理。采用汇编语言编写，系统开销小，运行效 率高，但管理功能简单，字符型用户界面， 率高，但管理功能简单，字符型用户界面，操 作不方便。 作不方便。 随着Windows图形用户界面操作系统的逐步实 Windows图形用户界面 随着Windows图形用户界面操作系统的逐步实 人们放弃了DOS DOS。 用，人们放弃了DOS。
多 级 虚 拟 机 器
程序员用户
普通用户
物理 机器
实际机器：使用微指令系统和机器指令系 实际机器：使用微指令系统和机器指令系 直接操控机器硬件。 统，直接操控机器硬件。
硬件系统பைடு நூலகம்户 系统设计者
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每个用户所看到的计算机系统是不同的 每个用户所看到的计算机系统是不同的。 不同 优点：将对硬件的复杂操作剥离并下移， OS实 优点：将对硬件的复杂操作剥离并下移，由OS实 剥离并下移 现对物理机器资源的管理和控制操作， 现对物理机器资源的管理和控制操作，至 于如何访问和控制硬件，则由OS负责。 OS负责 于如何访问和控制硬件，则由OS负责。
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操作系统和虚拟计算机
用户 应用程序 操作系统
主要功能有： 主要功能有： • 处理机管理 • 存储管理 • 设备管理 • 信息(文件)管理 信息(文件)
从系统体系结构的角 系统体系结构的角 体系结构 度看，计算机分为: 度看，计算机分为: