第3章計算機軟件系統主要內容：§3.1軟件的性質及發展史§3.2操作系統§3.3應用軟件本章小結思考與練習一、思考題1.與一般物質產品相比，計算機軟件具有哪些獨有的性質？2.簡述計算機軟件發展的各個時期。3.21世紀的軟件技術的發展呈現什么特點？4.什么是B/S模式？它與C/S相比具有哪些優點？5.計算機軟件系統的分層結構包括哪幾層？6.按照計算機軟件分類的國家標準，數據庫管理系統屬于哪一類軟件？7.從資源管理的角度來看，操作系統的功能是如何劃分的？8.操作系統是如何引導的？9.什么是操作系統的中斷？簡述當一個中斷發生時，CPU執行的操作過程。10.進程有哪三種狀態？狀態之間是如何轉換的？11.進程控制塊（PCB）的作用是什么？12.簡述程序和進程間的不同。進程和線程之間的關系如何？13.在多核心處理器平臺下，多線程程序設計的特點是什么？思考與練習14.存儲管理的主要功能包括哪些？15.計算機系統提供幾級存儲結構？請畫出示意圖。16.虛擬存儲器與主存儲器的差別是什么？17.設備管理的主要任務有哪些？18.什么是文件？什么是文件管理系統？19.操作系統的主要特性是什么？20.操作系統按所提供的功能進行分類，可分成哪幾類？21.當計算機啟動時，操作系統是如何引導的？22.什么是應用軟件？常見的應用軟件類型有哪些？二、練習與實踐1.大多數人認為計算機的行為僅僅是編程的結果，而計算機是沒有自己的自由意愿的。也不是說，計算機是不應該為它的行為（輸出）負責的。你認為這種觀點正確嗎？2.請列舉你使用的計算機系統安裝了哪些操作系統和應用軟件，你能夠熟練使用這些軟件嗎？思考與練習3.采訪你認識的程序設計員或軟件工程師，了解他們在軟件開發中是如何選擇使用程序設計語言與軟件工具的，采用了哪些軟件開發的新技術。4.如果計算機最終會很好地理解人類的語言，可以按照語音指令運行。到那個時候，還需要計算機程序和程序員嗎？為什么？思考與練習

§3.1軟件的性質及發展史§3.1軟件的性質及發展史3.1.1對計算機軟件的理解從廣義上講，軟件定義是：(1)能夠完成預定功能和性能的可執行的指令(計算機程序)；(2)使得程序能夠適當地操作信息的數據結構；(3)描述程序的操作和使用的文檔。軟件的應用領域十分廣泛，呈現形式也是多種多樣的，在某種程度上很難對軟件的類型給出一個通用的界定。3.1.2軟件的性質1.表現形式不同軟件是一種邏輯實體，具有抽象性。2.生產方式不同3.維護方式不同4.軟件的復雜性和規模不斷增加5.軟件的本質是數字存在§3.1軟件的性質及發展史3.1.3軟件技術的進化史1.軟件技術發展的初期（20世紀50—70年代）20世紀50年代前后，當時的程序員們使用機器語言來進行編程運算，直接對以數字表示的機器代碼進行操作，這可以說是軟件設計的“石器時代”。20世紀60年代中期至70年代末期這一時期是以Pascal、

COBOL和C等編程語言和關系數據庫管理系統為標志的結構化軟件技術。在這個時期，數據庫技術得到了飛速的發展。在20世紀60年代之前，數據管理功能主要由文件系統實現，后來數據庫技術經歷了層次數據庫、網狀數據庫和關系數據庫等階段。§3.1軟件的性質及發展史為提高軟件的質量，伴隨著結構化軟件技術而出現的軟件工程方法，使軟件工作的范圍從只考慮程序的編寫擴展到從定義、編碼、測試到使用、維護等整個軟件生命周期。2.軟件技術發展的中期（20世紀80年代）20世紀80年代圖形技術有了迅速的發展，圖形用戶界面（GUI）的迅速普及與流行，成為計算機軟件領域人機界面革命的最耀眼亮點。1985年微軟發行了Windows1.0，是第一次對PC平臺GUI的嘗試。另一方面，當時的Unix系統上的圖形界面XWindow也蓬勃地發展起來?！?.1軟件的性質及發展史隨著計算機科學的發展和應用領域的不斷擴大，對計算機技術的要求越來越高，結構化程序設計語言和結構化分析與設計已無法滿足用戶需求的變化，于是面向對象技術開始浮出水面。3.網絡計算時代的開始(20世紀90年代至今)隨著WWW普及，軟件架構再次發生了新的變革——從客戶機/服務器模式向瀏覽器/服務器（B/S）模式轉變。B/S模式具備了C/S架構所具有的一切優點，用戶使用單一的瀏覽器軟件就可訪問文本、圖像、聲音及數據庫等信息，由于用戶端無需專用的軟件，因此當企業對網絡應用進行升級時，只需更新服務器端的軟件，減輕了系統維護與升級的成本與工作量?！?.1軟件的性質及發展史B/S和Internet技術的出現，大大地推動了軟件技術的發展。Linux目前已成為重要的和流行的操作系統，Linux開創了自由軟件或開放源碼軟件的新時代。Android（在中國大陸一般稱為“安卓”）是一種以Linux為基礎的開放源碼操作系統，是Google公司另一個主要軟件產品。1995年，由三位杰出的軟件科學家Jacobson、Booch和R-

umbaugh多年研究成果的UML（統一建模語言）誕生了。1997，三位科學家又提出了“統一的軟件開發過程UDP（T-

heUnitedSoftwareDevelopmentProcess）”。4.軟件之變——21世紀的軟件技術§3.1軟件的性質及發展史軟件技術發展的第一個特點是網絡化。軟件技術發展的第二個特點是服務化。軟件技術發展的第三個特點是融合化。隨著多核處理器技術的硬件環境的普及，計算平臺向多核、并行的方向發展已是大勢所趨，伴隨著快速開發工具和動態語言這兩大基礎共同帶動了兩個方向的變革。當前，內容處理已成為網絡瀏覽檢索、軟件集成（Web服務）、網格等計算機應用的瓶頸，語義處理也是下一代軟件系統的核心技術。馮·諾依曼的最大貢獻是提出了在單臺計算機上把程序視同為數據的程序存儲式計算機模型，而語義研究的目標是在整個網絡上實現將程序視同為數據。§3.1軟件的性質及發展史3.1.4軟件系統的分層結構計算機軟件系統是一個分層的軟件結構，包括系統軟件層、支持軟件層和應用軟件層，其最底層是計算機硬件（圖3-3）。§3.1軟件的性質及發展史圖3-3軟件系統的層次結構

圖3-4微軟公司的系統軟件和

應用軟件產品1.系統軟件所謂系統軟件是指本身不提供或提供很少的應用層面功能，主要為其他軟件提供服務的軟件。2.支持軟件支持軟件介于系統軟件層和應用軟件層之間，其功能是為應用層軟件及最終用戶處理自己的程序或者數據提供服務。3.應用軟件軟件系統結構的最頂層是應用軟件層，是最終用戶使用的界面。應用軟件是指在操作系統和支持軟件的支持下，軟件廠商為用戶開發的通用或專用軟件，以及用戶開發的應用程序等。4.軟件分類的國家標準§3.1軟件的性質及發展史§3.1軟件的性質及發展史§3.2操作系統3.2.1操作系統的任務及功能操作系統是管理軟硬件資源、控制程序執行，改善人機界面，合理組織計算機工作流程和為用戶使用計算機提供良好運行環境的一種系統軟件。操作系統的任務是管理好計算機的全部軟硬件資源，提高計算機的利用率；擔任用戶與計算機之間的接口，使用戶通過操作系統提供的命令或菜單方便地使用計算機(圖3-6)?！?.2操作系統從資源管理的角度來看，操作系統的功能分為處理機管理、存儲管理、I/O設備管理、文件系統和人機接口管理等?！?.2操作系統圖3-6用戶通過使用應用軟件和系統軟件，來操作和管理計算機§3.2操作系統圖3-7操作系統的引導過程圖3-8操作系統的功能3.2.2處理機（CPU）管理1.中斷處理所謂中斷是指CPU對系統發生的某個事件做出的一種反應，即CPU暫停正在執行的程序，保留現場（CPU當前的狀態）后自動轉去執行相應的處理程序，處理完該事件后再返回斷點，繼續執行被“打斷”的程序。2.處理器調度在多道程序或多用戶的情況下，組織多個作業或任務執行時，就要解決處理器的調度、分配和回收等問題。為了實現處理器調度的功能，操作系統引入了進程（process）的概念，處理器的分配和執行都是以進程為基本單位。§3.2操作系統3.理解進程及狀態變化程序與進程概念是不可分的，只要在計算機上運行一個程序，相應的一個進程或多個進程就誕生了，而且它伴隨著整個操作過程，直到程序終止。進程是現代操作系統的一個最基本的概念，是將一個程序與執行該程序的活動區分開來。進程狀態是機器在那個時刻的快照，在一個程序的執行期間的不同時刻，將觀察到不同的快照。一般說來進程有三種狀態，如圖3-11所示：執行態：當前進程已分配到CPU，它的程序正在處理機上運行；就緒態：進程已具備運行條件，但因為其他進程正占用CPU，所以暫時不能運行而等待分配CPU的狀態；等待態：因等待某件事件發生而暫時不能運行的狀態?！?.2操作系統操作系統就通過PCB感知進程的存在，通過PCB了解進程和控制進程的運行（圖3-10）?！?.2操作系統圖3-9進程的三種基本狀態及轉換§3.2操作系統圖3-10處理器按進程控制塊(PCB)對進程進行調度4.理解線程線程（thread）是進程中執行運算的最小單位，亦即執行處理機調度的基本單位。線程可以在處理器上獨立調度執行，這樣，在多處理器環境下就允許幾個進程各自在單獨處理器上進行。線程是指進程內的一條執行線路，或者說是進程中可執行代碼的單獨單元。操作系統將資源分配給進程，同一進程的所有線程共享該進程的所有資源（圖3-11）?！?.2操作系統圖3-11一個進程可以含有一個或多個線程5.多核平臺下的多線程程序設計與應用軟件多線程。即便處理器只能運行一個線程，操作系統也可以通過快速的在不同線程之間進行切換，由于時間間隔很小，給用戶造成一種多個線程同時運行的假象。一個程序采用了線程級并行編程，那么這個程序在運行時可以把并行的線程同時交付給兩個核心分別處理，因而程序運行速度得到極大提高。通過劃分任務，線程應用能夠充分利用多個執行內核，并可在特定的時間內執行更多任務。§3.2操作系統3.2.3存儲管理存儲管理是指存儲器資源（主要指內存和外存）的管理。存儲管理的主要功能包括：存儲分配存儲共享存儲保護存儲擴充計算機系統提供多級存儲結構，操作系統可以對不同存儲類型進行管理。如圖3-12所示。§3.2操作系統高速緩存（以下簡稱Cache）的出現主要是為了解決CPU運算速度與內存讀寫速度不匹配的矛盾，因為CPU運算速度要比內存讀寫速度快很多，這樣會使CPU花費很長時間等待數據到來或把數據寫入內存。RAM是CPU能夠直接訪問的存儲器?！?.2操作系統圖3-12操作系統的多級存儲結構虛擬存儲器(VirtualMemory)是由操作系統提供的一個假象的特大存儲器。虛擬存儲器不是物理上擴大內存空間，而是邏輯上擴充了內存容量（圖3-13），用戶可以使用到比實際物理內存大很多的虛擬存儲容量?！?.2操作系統圖3-13虛擬存儲示意圖3.2.4設備管理它包括常用的輸入輸出設備、外存設備以及終端設備等。設備管理的主要任務是控制設備和CPU之間進行I／O操作（圖3-14）。設備管理的主要任務有：（1）選擇和分配輸入/輸出設備以便進行數據傳輸操作；（2）控制輸入/輸出設備和CPU(或內存)之間交換數據；（3）為用戶提供一個友好的透明接口，把用戶和設備硬件特性分開，使得用戶不必考慮設備的硬件差異；（4）提高設備和設備之間、CPU和設備之間的并行性?！?.2操作系統引入緩沖的主要目的是緩和CPU與I/O設備之間速度不匹配的矛盾，提高它們之間的并行性，以便操作系統獲得最佳效率。§3.2操作系統圖3-14操作系統對外部設備的管理3.2.5文件管理文件是在邏輯上具有完整意義的并賦有名稱的信息集合體。所謂文件系統，就是操作系統中負責操縱和管理文件的一整套設施，它實現文件的建立、讀寫、修改、共享和保護等操作，還負責完成對文件的按名存取和進行存取控制。用戶對文件的觀察和使用是從自身處理文件中數據時采用的組織方式來看待文件組織形式，這種從用戶關點出發所見到的文件組織形式稱為文件的邏輯組織。文件在存儲設備上的存儲組織形式稱為文件的物理組織。§3.2操作系統在計算機中的文件有成千上萬，光用名字來區分也不利于查找，所以計算機中有了文件夾的概念。文件夾是一個層次化的目錄結構，最頂層稱為根目錄。3.2.6人機接口管理人機接口管理的主要作用是控制有關設備的運行和理解并執行通過人機交互設備傳來的有關的各種命令和要求。對操作系統的更高要求是實現智能人機接口，以建立和諧的人機交互環境，改善人機交互的友好性和易用性，使人與計算機之間的交互更加自然、方便?！?.2操作系統3.2.7操作系統的分類1.個人計算機操作系統個人計算機操作系統主要供個人使用，功能強、價格便宜，可以在幾乎任何地方安裝使用。它能滿足一般人操作、學習、游戲等方面的需求。2.嵌入式操作系統嵌入式操作系統(EmbeddedOperatingSystem)是運行在嵌入式系統環境中，對整個嵌入式系統以及它所操作、控制的各種部件裝置等資源進行統一協調、調度、指揮和控制的系統軟件，使整個系統能高效地運行。3.網絡操作系統§3.2操作系統它是負責管理整個網絡資源和方便網絡用戶的軟件的集合。網絡操作系統除了一般操作系統的五大功能之外，還應具有網絡管理模塊。4.分布式操作系統3.2.8嵌入式系統與嵌入式軟件嵌入式系統是計算機的一種應用形式，通常指埋藏在宿主設備中的微處理機系統。嵌入式系統已廣泛應用于網絡交換機、路由器和

Modem，以及構建CIMS所需的機器人以及汽車電子系統中。嵌入式軟件可分為嵌入式操作系統和嵌入式應用程序兩部分。§3.2操作系統§3.3應用軟件應用軟件指用于解決各種不同具體應用問題的專門軟件。1.科學和工程計算軟件科學和工程計算軟件的特征是“數值分析”算法。目前被廣泛使用的MATLAB軟件工具，是用于概念設計、科學計算、算法開發、建模仿真、圖形處理、實時實現的理想的集成環境。2.字表處理軟件所謂字表處理軟件就是在計算機上實現對文字或數據進行輸入、編輯、排版、計算、統計和打印等操作的軟件，它在辦公室自動化方面發揮著巨大作用?！?.3應用軟件3.圖形圖像處理軟件從網頁設計、工程繪圖、三維動畫制作等一般性的應用，到圖像識別、三維重建技術、虛擬現實技術、科學計算可視化等技術領域，都離不開計算機圖形圖像處理技術。4.網絡應用軟件網絡應用軟件是用戶使用網絡的接口和界面，這類軟件非常豐富。5.應用數據庫軟件應用數據庫軟件的開發是構建在數據庫管理系統(DBMS)之上的?！?.3應用軟件在軟件的發展過程中，軟件從個性化的程序演變為工程化的產品，人們對軟件的看法發生了根本性的變化?！败浖匠绦颉憋@然不能涵蓋軟件的完整內容，除了程序之外，軟件還包括與之相關的文檔和配置數據，以保證這些程序的正確運行。計算機軟件包括系統軟件、支持軟件和應用軟件三大類。系統軟件是負責協調和控制整個計算機系統的硬件和各種程序間活動和功能的程序集合。將特定的硬件配置與系統軟件包相結合，就形成所謂的計算機系統平臺。支持軟件介于系統軟件層和應用軟件層之間，其功能是為應用軟件層及最終用戶處理自己的程序或者數據提供服務。應用軟件由能幫助用戶解決特定問題的一系列程序組成，用來滿足個人、團體或企業的需要。操作系統提供對硬件控制的調用和應用程序所必需的功能，是一個涉及面廣、內部關系復雜的系統軟件。本章對任務與進程管理、存儲器管理、輸入輸出及設備管理、文件系統與信息存儲管理進行了介紹和討論。本章小結一、思考題1.與一般物質產品相比，計算機軟件具有哪些獨有的性質？2.簡述計算機軟件發展的各個時期。3.21世紀的軟件技術的發展呈現什么特點？4.什么是B/S模式？它與C/S相比具有哪些優點？5.計算機軟件系統的分層結構包括哪幾層？6.按照計算機軟件分類的國家標準，數據庫管理系統屬于哪一類軟件？7.從資源管理的角度來看，操作系統的功能是如何劃分的？8.操作系統是如何引導的？9.什么是操作系統的中斷？簡述當一個中斷發生時，CPU執行的操作過程。10.進程有哪三種狀態？狀態之間是如何轉換的？11.進程控制塊（PCB）的作用是什么？12.簡述程序和進程間的不同。進程和線程之間的關系如何？13.在多核心處理器平臺下，多線程程序設計的特點是什么？思考與練習一、思考題1.與一般物質產品相比，計算機軟件具有哪些獨有的性質？1.表現形式不同軟件是一種邏輯實體，具有抽象性。2.生產方式不同3.維護方式不同4.軟件的復雜性和規模不斷增加5.軟件的本質是數字存在思考與練習2.簡述計算機軟件發展的各個時期。(1)首先軟件發展的初期(20世紀50年代到70年代)此階段主要通過機器語言(匯編語言)來進行匯編運算，并出現了多種以Pascal、COBOL、C等編程語言和關系數據庫管理系統的結構化方法。并且在這個階段，數據庫技術得到了飛速的發展。(2)軟件發展的中期(20世紀80年代)此階段圖形技術有了迅速的發展，并且隨著GUI技術的發展，多種操作系統相繼發行，在設計方面，以Smalltalk、Cq-+為代表的面向對象技術開始浮出水面，并逐步成熟。(3)網絡計算時代（20世紀90年代至今)此階段發展基于internet的普及，在世界范圍的信息網提供了一個基本的網絡計算結構，計算模式從集中的主機轉變為分布式的環境，并且linux成為重要的和流行的操作系統。軟件的研發過程已經變得成熟和規范。(4)信息時代軟件發展。軟件體系結構變得模型化，以網絡軟件為主的技術不斷發展。思考與練習3.21世紀的軟件技術的發展呈現什么特點？軟件技術發展的第一個特點是網絡化。軟件技術發展的第二個特點是服務化。軟件技術發展的第三個特點是融合化。隨著多核處理器技術的硬件環境的普及，計算平臺向多核、并行的方向發展已是大勢所趨，伴隨著快速開發工具和動態語言這兩大基礎共同帶動了兩個方向的變革。當前，內容處理已成為網絡瀏覽檢索、軟件集成（Web服務）、網格等計算機應用的瓶頸，語義處理也是下一代軟件系統的核心技術。馮·諾依曼的最大貢獻是提出了在單臺計算機上把程序視同為數據的程序存儲式計算機模型，而語義研究的目標是在整個網絡上實現將程序視同為數據。思考與練習4.什么是B/S模式？它與C/S相比具有哪些優點？B／S模式即瀏覽器／服務器模式，他具備了C／S構架所具有的一切優點，用戶使用單一的瀏覽器軟件就可以訪問文本、圖像、聲音及數據庫等信息，由于用戶端無需專用的軟件，減輕了系統維護升級的成本和工作量，同時免去了C／S軟件應用中為眾多的客戶機分發升級版本程序和維護的繁重任務。5.計算機軟件系統的分層結構包括哪幾層？答：包括系統軟件、支持軟件和應用軟件層。6.按照計算機軟件分類的國家標準，數據庫管理系統屬于哪一類軟件？答：支持軟件7.從資源管理的角度來看，操作系統的功能是如何劃分的？從資源管理的角度來看，操作系統的功能分為處理機管理、存儲管理、I/O設備管理、文件系統和人機接口管理等。8.操作系統是如何引導的？思考與練習8.操作系統是如何引導的？系統引導過程主要由以下幾個步驟組成(以硬盤啟動為例)1、開機;2、BIOS加電自檢(POST---PowerOnSelfTest),內存地址為0fff:0000;3、將硬盤第一個扇區(0頭0道1扇區,也就是BootSector)讀入內存地址0000:7c00處;4、檢查(WORD)0000:7dfe是否等于0xaa55.若不等于則轉去嘗試其他介質;如果沒有其他啟動介質,則顯示”NoROMBASIC”,然后死機;5、跳轉到0000:7c00處執行MBR中的程序;6、MBR先將自己復制到0000:0600處,然后繼續執行;7、在主分區表中搜索標志為活動的分區.如果發現沒有活動分區或者不止一個活動分區,則停止;8、將活動分區的第一個扇區讀入內存地址0000:7c00處;9、檢查(WORD)0000:7dfe是否等于0xaa55,若不等于則顯示“MissingOperatingSystem”,然后停止,或嘗試軟盤啟動;10、跳轉到0000:7c00處繼續執行特定系統的啟動程序;11、啟動系統.以上步驟中(2),(3),(4),(5)步由BIOS的引導程序完成;(6),(7),(8),(9),(10)步由MBR中的引導程序完成.一般多系統引導程序(如SmartBootManager,BootStar,PQBoot等都是將標準主引導記錄替換成自己的引導程序,在運行系統啟動程序之前讓用戶選擇想要啟動的分區.而某些系統自帶的多系統引導程序(如LILO,NTLoader等)則可以將自己的引導程序放在系統所處分區的第一個扇區中,在Linux中即為兩個扇區的SuperBlock.注：以上步驟中使用的是標準的MBR,多系統引導程序的引導過程與此不同.思考與練習9.什么是操作系統的中斷？簡述當一個中斷發生時，CPU執行的操作過程。所謂中斷是指CPU對系統發生的某個事件做出的一種反應，即CPU暫停正在執行的程序，保留現場（CPU當前的狀態）后自動轉去執行相應的處理程序，處理完該事件后再返回斷點，繼續執行被“打斷”的程序。10.進程有哪三種狀態？狀態之間是如何轉換的？執行態：當前進程已分配到CPU，它的程序正在處理機上運行；就緒態：進程已具備運行條件，但因為其他進程正占用CPU，所以暫時不能運行而等待分配CPU的狀態；等待態：因等待某件事件發生而暫時不能運行的狀態。操作系統就通過PCB感知進程的存在，通過PCB了解進程和控制進程的運行。11.進程控制塊（PCB）的作用是什么？PCB是進程的唯一標志，在其中記錄了進程的全部信息(包括進程的狀態、優先級、進程ID、CPU使用時間，所有打開文件等