計算機操作系統院系：計算機科學院專業：計算機科學與技術姓名：摘要:操作系統是統一管理計算機軟、硬件資源,合理組織計算機的工作流程,協調系統部件之間,系統與用戶之間、用戶與用戶之間的關系。本文對計算機操作系統的功能、發展和分類做了簡單的分析和闡述。關鍵詞:計算機操作系統的發展與分類1、操作系統的功能(1)管理計算機系統的硬件、軟件、數據等各種資源,盡可能減少人工分配資源的工作以及人對機器的干預,發揮計算機的自動工作效率。(2)協調還要各種資源使用過程中的關系,使得計算機的各種資源使用調度合理,高速設備與低速設備運行相互配。(3)為用戶提供使用計算機系統的環境,方便使用計算機系統的各部件或功能。操作系統通過自己的程序,將計算機系統的各種資源所提供的功能抽象,形成與之等價的操作系統的功能,并形象地表現出來,提供給用戶方便地使用計算機。2、操作系統的發展2.1手工操作階段。在這個階段的計算機,主要元器件是電子管,運算速度慢,沒有任何軟件,更沒有操作系統。用戶直接使用機器語言編寫程序,上機時完全手工操作,首先將預先準備好的程序紙帶裝入輸入機,然后啟動輸入機把程序和數據送入計算機,接著通過開關啟動程序運行,計算完成后,打印機輸出結果。用戶必須是非常專業的技術人員才能實現對計算機的控制。2.2批處理階段。由于20世紀50年代中期,計算機的主要元器件由晶體管取代,運行速度有了很大的提高,這時軟件也開始迅速發展,出現了早期的操作系統,這就是早期的對用戶提交的程序進行管理的監控程序和批處理軟件。2.3多道程序系統階段。隨著中、小規模的集成電路在計算機系統中的廣泛應用,CPU的運動速度大大提高,為了提高CPU的利用率,引入了多道程序設計技術,并出現了專門支持多道程序的硬件機構,這一時期,為了進一步提高CPU的利用效率,出現了多道批處理系統、分時系統等等,從而產生了更加強大的監管程序,并迅速發展成為計算機科學中的一個重要分支,就是操作系統。統稱為傳統操作系統。2.4現代操作系統階段。大規模、超大規模集成電路急速的迅速發展,出現了微處理器,使得計算機的體系結構更加優化,計算機的運行速度進一步提高,而體積卻大大減少,面向個人的計算機和便攜式計算機出現并普及。它的最大優點是結構清晰、功能全面、可以適應多種用途的需要并且操作使用方面。3、操作系統的分類（1）從用途的角度可以分為專用和通用兩類。專用操作系統是指用于控制和管理專項事物的操作系統,如現代手機中使用的操作系統,這類系統一般以嵌入硬件的方式出現,用于特定的途徑。通用操作系統具有完善的功能,能夠適應多種用途的需要。（2）從單機和網絡的角度看可以分為單機操作系統和網絡操作系統。單機操作系統是針對單機計算機系統的環境設計的,它只有管理本機系統那個資源的功能。單用戶操作系統是一種更為特殊的單機操作系統,它是針對一臺機器,一個用戶設計的操作系統,它的基本特征是一次只能支持一個用戶作業的運行,系統的所有資源有該用戶獨占,該用戶對整個計算機系統有絕對的控制權。從功能的角度看可分為批處理系統、分時系統、實時系統、網絡系統、分布式系統。批處理系統、分時系統和實時系統的運行環境大多是計算機系統,而后兩種操作系統的運行環境是多計算機系統。3.1批處理系統。批處理的系統的基本特征是“批量”。即將要交給計算機處理的若干個作業組織成隊列成批地交給計算機自動地按作業隊列順序逐個處理。它可分為單道批處理系統和多道批處理系統。單道批處理系統一次只能調入一個處理作業在在計算機在內運行,其他作業放在輔助存儲器上,它類似于單用戶操作系統。計算機在運行處理作業時,時間主要消耗有兩個方面,一方面是消耗在CPU執行程序上,另一方面是消耗在輸入輸出上。由于輸入輸出設備的速度相對CPU的執行程序的速度慢很多,導致計算機在輸入輸出時CPU處于空閑。為了提高COU的使用效率,出現了多道批處理系統。它與單道批處理系統不同的是在計算機內存中可以有多個作業存在,調度程序根據事先確定的策略,選擇一個作業將CPU資源分配給它運行處理,當處理的作業要進入輸入輸出操作時,就釋放對CPU的占有,調度程序則從其他的內存中的待處理作業中選擇一交給CPU執行,這樣,就提高了CPU的使用效率。3.2分時系統。分時是指兩個或兩個以上的事件按時間劃分輪流使用計算機系統的某一資源。在一個系統中如果多個用戶分時使用一個計算機,那么這樣的系統成為分時系統。分時的時間單位稱為時間片,一個時間片一般是幾十豪秒。在一個分時系統中,往往要連接幾十個甚至上百個終端,每個用戶在自己的終端上控制其作業的運行。通過操作系統的管理,將CPU輪流分配給各個用戶使用,如果某個用戶作業在分配給他另一個時間片在繼續執行。此時的CPU被分配給另一個用戶作業。3.3實時系統。實時即時處理并快速給出處理結果。實時系統一般是采用時間驅動的設計方法,系統能夠及時對隨時發生的事件做出響應并及時處理。實時系統分為實時控制系統和實時處理系統。實時控制系統常用于工業控制以及飛行器、導彈發射等軍事方面的自動控制。實時處理系統常用于預定飛機票、航班查詢以及銀行之間賬務往來等系統。3.4網絡操作系統。隨著計算機技術的迅速發展和網絡技術的日益完善,不同地域的具有獨立處理能力的多個計算機系統通過通信設施互聯,實現資源共享,組成計算機網絡,成為一種更開放的工作環境。而網絡操作系統也應運而生。網絡操作系統除具有單機操作系統的所有功能以外,還具有網絡資源的管理功能,支持網絡應用程序運行。3.5分布式操作系統。分布式操作系統是為分布式計算機系統配置的操作系統。分布式計算機系統與計算機網絡一樣,多臺計算機系統通過通信網絡互聯,實現資源共享,但不同的是系統中的各個計算機沒有主次之分,各計算機系統具有相對的自治性,用戶子啊訪問共享資源時,不需要知道該共享資源位于哪臺計算機上,如需要的話,系統中的多臺計算機可以相互協作共同完成的一個任務,即可以將一個任務分割成若干個子任務分散到多臺計算機上同時并行執行。一種商用操作系統往往包括了批處理系統個、分時系統、實時系統、網絡系統、分布式系統等多方面的功能。不同的操作系統根據自身用途的定位和面向的用戶,在各種功能的強弱上會有所區別。4、操作系統的基本特性：一、①并發性并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發生，而并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生②共享性所謂共享是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程（線程）共同使用③虛擬性所謂虛擬是指通過某項技術把一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物④異步性產生原因：操作系統允許多個并發進程共享資源，使得每個進程的運行過程受到其他進程制約，使進程的執行不是一氣呵成，而是以停停走走的方式運行二、①共享和并發是操作系統的兩個最基本的特征②相應的把這種資源共同使用稱為資源共享，或資源復用③虛擬以并發和共享為前提④異步是并發和共享的必然結果三、進程和程序的區別：①進程包含程序②進程是動態的，程序是靜態的，動態性表現在“它由創建而產生，由調度而執行，由撤銷而消亡，可見進程實體有一定生命周期③進程實體能和其他進程實體并發執行，而程序沒有建立PCB是不能并發執行的④獨立性是指進程實體是一個能獨立運行，獨立分配和獨立接受調度的基本單位，未建立PCB的程序都不能作為一個獨立的單位參與運行四、進程三種基本狀態：①處于就緒狀態的進程，在調度程序為之分配了處理機之后，該進程便可執行，由就緒狀態轉變為執行狀態②正在執行的進程也稱為當前進程，如果因分配給它的時間片已完而被暫停執行時，該進程由執行狀態回復到就緒狀態③如果因發生某事件而使進程執行受阻使之無法繼續執行，該進程由執行狀態轉變為阻塞狀態預防死鎖的方法：摒棄請求和保持條件。摒棄不剝奪條件。摒棄環路等待條件。5、操作系統的分類5.1、批處理操作系統1.基本工作方式批處理操作系統的基本工作方式是：用戶將作業交給系統操作員，系統操作員在收到作業后，并不立即將作業輸入計算機，而是在收到一定數量的用戶作業之后，組成一批作業，再把這批作業輸入到計算機中。2.特點與分類批處理操作系統的特點是成批處理。批處理操作系統追求的目標是系統資源利用率高，作業吞吐率高。依據系統的復雜程度和出現時間的先后，可以把批處理操作系統分類為簡單批處理系統和多道批處理系統。3.設計思想簡單批處理系統是在操作系統發展的早期出現的，因此它有時被稱為早期批處理系統，也稱為監控程序。其設計思想是：在監控程序啟動之前，操作員有選擇地把若干作業合并成一批作業，將這批作業安裝有輸入設備上。然后啟動監控程序，監控程序將自動控制這批作業的執行。4.作業控制說明書作業控制說明書是由作業控制語言編寫的一段程序，它通常存放在被處理作業的前面。在運行過程中，監控程序讀入并解釋作業前面的這段作業控制說明書中的語句，以控制各個作業步的執行。作業運行后，監控程序逐條解釋每一行語句。5.一般指令和特權指令特權指令包括輸入/輸出指令、停機指令等待，只有監控程序才能執行特權指令。用戶程序只能執行一般指令。一旦用戶程序需要執行特權指令，處理器會通過特殊的機制將控制權移交給監控程序。6.系統調用的過程下面我們考察系統調用的處理過程。首先，當系統調用發生時，處理器通過一種特殊的機制，通常是中斷或者異常處理，把控制流程轉移到監控程序內的一些特定的位置。同時，處理器模式轉變為特權模式。其次，由監控程序執行被請求的功能代碼。這個功能代碼代表著對一段標準程序段的執行，用以完成所請求的功能。第三，處理結束后，監控程序恢復系統調用之前的現場；把運行模式從特權模式恢復成為用戶方式；最后將控制權轉移回原來的用戶程序。5.2、分時系統從操作系統的發展歷史上看，分時操作系統出現在批處理操作系統之后。它是為了彌補批處理方式不能向用戶提供交互式快速服務的缺點而發展起來的。1.基本工作方式在分時系統中，一臺計算機主機連接了若干個終端，每個終端可由一個用戶使用。用戶通過終端交互式地向系統提出命令請求，系統接受用戶的命令之后，采用時間片輪轉方式處理服務請求，并通過交互方式在終端上向用戶顯示結果。用戶根據系統送回的處理結果發出下一道交互命令。2.設計思想分時操作系統將CPU的時間劃分成若干個小片段，稱為時間片。操作系統以時間片為單位，輪流為每個終端用戶服務。3.特點總體上看，分時操作系統具有多路性、交互性、獨占性和及時性的特點。“多路性”是指有多個用戶在同時使用一臺計算機。“交互性”是指用戶根據系統響應的結果提出下一個請求。“獨占性”是指用戶感覺不到計算機為其他人服務，就好像整個系統為他人所獨占一樣。“及時性”是指系統能夠對用戶提出的請求及時給予響應。分時操作系統追求的目標是及時響應用戶輸入的交互命令。一般通用操作系統結合了分時系統與批處理系統兩種系統的特點。典型的通用操作系統是UNIX操作系統。在通用操作系統中，對于分時與批處理的處理的原則是：分時優先，批處理在后。5.3、實時操作系統實時操作系統(RTOS：RealTimeOperatingSystem)是指，使計算機能在規定的時間內，及時響應外部事件的請求，同時完成以該事件的處理，并能夠控制所有實時設備和實時任務協調一致地工作的操作系統。實時操作系統主要目標是：在嚴格時間范圍內，對外部請求做出反應，系統具有高度可靠性。實時操作系統主要有兩類：第一類是硬實時系統。硬實時系統對關鍵外部事件的響應和處理時間有著極嚴格的要求，系統必須滿足這種嚴格的時間要求，否則會產生嚴重的不良后果。第二類是軟實時系統。軟實時系統對事件的響應和處理時間有一定的時間范圍要求。不能滿足相關的要求會影響系統的服務質量，但是通常不會引發災難性的后果。實時系統為了能夠實現硬實時或軟實時的要求，除了具有多道程序系統的基本能力外，還需要有以下幾方面的能力。(1)實時時鐘管理實時系統的主要設計目標是對實時任務能夠進行實時處理。實時任務根據時間要求可以分為兩類：第一類是定時任務，它依據用戶的定時啟動并按照嚴格的時間間隔重復運行；第二類是延時任務，它非周期地運行，允許被延后執行，但是往往有一個嚴格的時間界限。(2)過載防護實時系統在出現過載現象時，要有能力在大量突發的實時任務中，迅速分析判斷并找出最重要的實時任務，然后通過拋棄或者延后次要任務以保證最重要任務成功的執行。(3)高可靠性高可靠性是實時系統的設計目標之一。實時操作系統的任何故障，都有可能對整個應用系統帶來極大的危害。所以實時操作系統需要有很強的健壯性和堅固性。5.4、個人計算機操作系統個人計算機操作系統(PersonalComputerOperatingSystem)是一種單用戶的操作系統。個人計算機操作系統主要