1、計算概論(Introduction to Computing) 主講人：馬思偉北京大學(xué)數(shù)字媒體研究所/第二講 計算機(jī)系統(tǒng)-硬件和軟件主講人：馬思偉北京大學(xué)數(shù)字媒體研究所/提綱計算機(jī)系統(tǒng)組成計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)基本工作原理計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)的組成計算機(jī)系統(tǒng)硬件主機(jī)中央處理器(CPU)運(yùn)算器控制器內(nèi)存儲器只讀存儲器(ROM)隨機(jī)存儲器(RAM)外存儲器硬盤、軟盤、光盤外部設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、繪圖儀軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序應(yīng)用軟件文字處理軟件信息管理軟件圖形軟件輔助設(shè)計軟件各種程序包計算機(jī)系統(tǒng)的組成層次關(guān)系硬件系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件Wi

2、ndowslinuxUnixNotepadPaintbrushCalculatorWordgames計算機(jī)系統(tǒng)的組成硬件和軟件的關(guān)系互相依存無嚴(yán)格界面 相互促進(jìn) 例如mp3，DVD player提綱計算機(jī)系統(tǒng)組成計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)基本工作原理計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)硬件系統(tǒng)從外觀看，一臺微機(jī)由主機(jī)和外部設(shè)備組成。在主機(jī)箱內(nèi)有主板（包括CPU和內(nèi)存、總線擴(kuò)展槽）、外存、輸入輸出接口電路等，如下圖所示：計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)硬件系統(tǒng)內(nèi)存插槽 擴(kuò)展插槽主板(mainboard)主板是位于主機(jī)箱底部的一塊大型印刷電路板，有CPU插槽/插座、內(nèi)存插槽、擴(kuò)展總線、高速緩存、時鐘和主板BIOS，軟

3、/硬盤、串口、并口等外設(shè)接口、控制芯片等。計算機(jī)硬件系統(tǒng)微型計算機(jī)硬件系統(tǒng)由微處理器、存儲器、各種輸入/輸出接口電路以及系統(tǒng)總線組成。 微 處 理 器CPU 主存儲器外存接口輸入輸出接口其他I/O口各種外設(shè)鍵盤、顯示器等軟、硬盤驅(qū)動器ABDBCBCPU (Central Processing Unit)中央處理器CPU：它執(zhí)行對信息的處理與控制，是整個微型機(jī)的核心，它是一個大規(guī)模集成電路芯片MCU集成了片上外圍器件；MPU不帶外圍器件（例如存儲器陣列），是高度集成的通用結(jié)構(gòu)的處理器，是去除了集成外設(shè)的MCU；DSP運(yùn)算能力強(qiáng)，擅長很多的重復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)算，而MCU則適合不同信息源的多種數(shù)據(jù)的處理診斷

4、和運(yùn)算，側(cè)重于控制，速度并不如DSP。 CPU的主要組成：運(yùn)算器、控制器、寄存器組CPU主要技術(shù)指標(biāo)1) 主頻: (Mhz)2) 字長: 8位,16位,32位,64位等3) 執(zhí)行速度: (MIPS)4) 指令系統(tǒng):CISC: 復(fù)雜指令集計算機(jī)RISC: 精簡指令集計算機(jī)Intel CPU1971年，Intel 4004 4bits1978年，Intel 8086 16bits， 8MHz1982年，Intel 80286 16bits, 20MHz1985年，Intel 80386 32bits, 12.5MHz40MHz1989年， Intel 80486 32bits, 25MHz50MH

5、z1993年，奔騰（586）60120MHz.其他：TI, AMD，Cyrix，VIA.指計算機(jī)系統(tǒng)中能夠為多個部件共享的一組公共信息傳輸線路，按功能和規(guī)范分類片總線(Chip Bus, C-Bus) : CPU內(nèi)部的信息傳輸通路內(nèi)總線(Internal Bus, I-Bus)，又稱系統(tǒng)總線，各模塊之間的信息傳輸通路。例如CPU和存儲器或I/O接口之間的傳輸通路外總線(External Bus, E-Bus) ， 是微機(jī)系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的信息傳輸?shù)耐房偩€(BUS)總線(BUS)系統(tǒng)總線：按功能和傳輸信息的種類分為數(shù)據(jù)總線（DB）：用于CPU與內(nèi)存或I/O接口之間的數(shù)據(jù)傳遞，它

6、的條數(shù)取決于CPU的字長，信息傳送是雙向的。地址總線（AB）：用于傳送存儲單元或I/O接口的地址信息，它的條數(shù)決定了計算機(jī)內(nèi)存的大小。(16條地址總線 內(nèi)存大小為216)。控制總線（CB）：傳送控制器的各種控制信息，它的條數(shù)由CPU的字長決定，信息傳送是單向的，只由CPU發(fā)出。常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)ISA (Industry Standard Architecture) 工作頻率8MHz，數(shù)據(jù)傳輸寬度16位，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)8Mbit/s。PCI (Peripheral Component Interconnect)工作頻率33MHz，數(shù)據(jù)傳輸寬度32/64位，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)133Mbit/s。A

7、GP (Accelerated Graphics Port)加速圖形端口，用于提高圖形處理能力常見的外部總線標(biāo)準(zhǔn)外部總線:主機(jī)與外設(shè)的接口IDE (Integrated Device Electronics)Compaq開發(fā)，Western Digital公司生產(chǎn)的控制接口SCSI (Small Computer System Interface)USB (通用串行總線)IEEE 1394 總線的寬度總線數(shù)據(jù)傳遞都采用并行傳遞方式。數(shù)據(jù)總線的寬度一般和CPU芯片的數(shù)據(jù)相一致目前CPU一般采用32位或64位的數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寬度決定了一次傳送數(shù)據(jù)量的大小CPU的地址總線寬度決定了主存儲器地址空間

8、的大小，32位地址（4G）存儲器微型機(jī)的存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)，存儲器容量的大小、存取數(shù)據(jù)速度的快慢將直接影響到微型機(jī)系統(tǒng)的性能。 隨機(jī)存儲器 RAM只讀存儲器 ROM可編程只讀存儲器 PROM可改寫只讀存儲器 EPROM磁盤存儲器：、存儲器主存儲器（內(nèi) 存）軟磁盤硬磁盤 光盤存儲器外存儲器（輔助存儲器）微型機(jī)中的存儲系統(tǒng)通用寄存器高 速 緩 存主 存 儲 器聯(lián) 機(jī) 外 存脫 機(jī) 外 存微型機(jī)中的存儲系統(tǒng)主存和高速緩存之間的關(guān)系Cache的引入：為解決CPU和主存之間的速度差距,提高整機(jī)的運(yùn)算速度,在CPU和主存之間插入的由高速電子器件組成的容量不大,但速度很快的存儲器。主存和高速緩存之間的

9、關(guān)系主存速度快，容量受限,單位成本高, 斷電丟失信息。輔存容量大,信息長久保存,單位成本低，但存取速度慢CPU正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)存放在主存暫時不用的程序和數(shù)據(jù)存放在輔存。輔存只與主存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 微型機(jī)中的存儲系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)一個容量非常大的存儲器的邏輯模型，不是任何實(shí)際的物理存儲器。它是借助磁盤等輔助存儲器來擴(kuò)大主存容量，使之為更大或更多的程序所使用。有了虛擬存儲器，用戶無需考慮所編程序在主存中是否放得下或放在什么位置等問題。 內(nèi)存儲器(Main Memory)SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory )DDR SDRAM (Double

10、 Data Rate SDRAM)允許在時鐘脈沖的上升沿和下降沿傳輸數(shù)據(jù) 內(nèi)存儲器(1) 特點(diǎn)存取速度較快，容量相對較小，(2) 分類 隨機(jī)存取存儲器(RAM) 系統(tǒng)關(guān)機(jī)后其存放的信息會丟失只讀存儲器(ROM)系統(tǒng)關(guān)機(jī)后其存放的信息不會丟失內(nèi)存儲器動態(tài)隨機(jī)存取存儲器 （DRAM）需要用電按一定周期刷新靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）不需要周期刷新，加電即保存高速緩沖存儲器（Cache)Cache：指令Cache, 數(shù)據(jù)Cache, 一級Cache, 二級Cache內(nèi)存儲器(3) 幾個概念：內(nèi)存單元組成內(nèi)存的基本單元每個單元存儲一個字節(jié)(8位二進(jìn)制)的數(shù)據(jù)單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存容量內(nèi)存的操作內(nèi)存單元

11、的地址和內(nèi)容地址: 每個單元對應(yīng)的一個編號作用: 實(shí)現(xiàn)對單元內(nèi)容的尋址地址從0開始內(nèi)容: 存放的數(shù)據(jù)1011011038F04H內(nèi)存地址單元內(nèi)容內(nèi)存容量內(nèi)存容量: 內(nèi)存中所含存儲單元的個數(shù)，以字節(jié)為單位尋址容量: 由CPU地址總線的位數(shù)確定裝機(jī)容量: 由實(shí)際安裝的芯片(內(nèi)存條)數(shù)量確定內(nèi)存操作讀：將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU，原單元內(nèi)容不改變；寫：CPU將信息放入內(nèi)存單元，單元中原來的內(nèi)容被覆蓋。外存儲器聯(lián)機(jī)外存 脫機(jī)外存硬磁盤軟磁盤光盤可移動磁盤磁帶機(jī)光盤存儲器原理：運(yùn)用光盤盤面的凸凹不平，表示“0” 和“1”的信息，光驅(qū)利用激光頭產(chǎn)生激光掃描光盤盤面，讀取“0”和“1”的信息。特點(diǎn)：記錄密度

12、高，存儲容量大，數(shù)據(jù)保存時間長。光盤存儲器只讀型光盤(CD-ROM)，只能讀取信息，不能寫入，可提供680M的存儲空間。一次寫入型光盤(CD-R)，只能寫一次，寫后不能修改?？刹列凸獗P(CD-RW)，可以重復(fù)讀寫，但需要光盤刻錄機(jī)操作。DVD: 數(shù)字視盤(4.7GB17.7GB)光盤存儲器主要技術(shù)指標(biāo)容量DVD 4GBHD DVD: 單面15GBBlue Ray Disk:單面27GB 傳輸率DVD 210Mbps藍(lán)光Blue Ray Disk 36Mbps讀寫時間優(yōu)盤與移動硬盤優(yōu)盤：又名閃存盤。特點(diǎn)：防潮、耐高低溫、抗震、防電磁波、容量大、攜帶方便等移動硬盤容量大，單位存儲成本低；速度快；兼

13、容性好，即插即用；具有良好的抗震性能。接口(Interface)主板外部接口是用來連接鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、麥克風(fēng)、顯示器、電源線、電話線等其它外部設(shè)備的。輸入/輸出接口接口是CPU與外部設(shè)備間的橋梁CPUI/O接口外設(shè)接口要解決的問題速度匹配(Buffer)信號的驅(qū)動能力(電平轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動器) 信號形式和電平的匹配(A/D、D/A) 時序匹配(定時關(guān)系).接口的分類(1) 按傳送信息方式串行接口和并行接口(2)按充當(dāng)?shù)慕巧斎虢涌诤洼敵鼋涌?3) 按傳送信息類型數(shù)字接口和模擬接口顯示器顯示器顯示器圖像點(diǎn)陣其它外部設(shè)備話筒(microphone)音箱(speaker), 耳機(jī)(earphone)手

14、寫輸入游戲操縱桿/柄(Joy Stick)攝像頭(video camera)數(shù)據(jù)手套(data glove).提綱計算機(jī)系統(tǒng)組成計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)基本工作原理計算機(jī)軟件系統(tǒng)微型計算機(jī)的主要性能指標(biāo)字長(CPU能同時處理數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)位數(shù))時鐘主頻(單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù))內(nèi)存容量外部設(shè)備配置硬盤(容量、轉(zhuǎn)速、.)顯示器(尺寸、分辨率、視頻加速卡、.)聲卡、網(wǎng)卡、.價格, .計算機(jī)的基本工作原理圖靈機(jī)沒有存儲部分理論計算模型3個部件：有窮控制器、無窮帶和讀寫頭3個動作：改寫當(dāng)前格、左移或右移一格ENIAC也沒有存儲器讀寫頭有窮控制器存儲帶 圖靈機(jī)模型01John von Neumann馮諾依曼

15、1949 EDSAC計算機(jī)的基本工作原理馮諾依曼機(jī)器,1946計算機(jī)的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。計算機(jī)是利用“存儲器”（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務(wù)為止。馮諾依曼結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)流控制流取數(shù)存數(shù)地址指令（內(nèi)）存儲器控制器運(yùn)算器輸出設(shè)備輸入設(shè)備程序+數(shù)據(jù)操作命令處理結(jié)果反饋信號響應(yīng)信號請求信號響應(yīng)信號請求信號計算機(jī)由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5大部件組成采用存儲程序方式: 采用二進(jìn)制的形式表示數(shù)據(jù)和指令, CPU和微機(jī)的工作過程指令和指令系統(tǒng)程序CPU和

16、微機(jī)的一般工作過程程序的執(zhí)行方式指令和程序指令：計算機(jī)能夠識別的“命令”指令系統(tǒng)：計算機(jī)能夠識別的所有指令的集合。包括：數(shù)據(jù)傳送指令、數(shù)據(jù)處理指令程序控制指令輸入、輸出指令其他指令。程序：按一定順序組織在一起的指令序列指令的一般格式(1) ADD AH, BH(2) MOV CH, AH(3) PUSH AX(4) RET指令碼目標(biāo)操作數(shù)源操作數(shù)說明指令的功能說明指令操作的對象執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程 取指令分析指令讀取操作數(shù) 執(zhí)行指令存放結(jié)果程序計數(shù)器加1程序執(zhí)行過程: 不斷地執(zhí)行各條指令的過程執(zhí)行程序的方式順序執(zhí)行一條指令執(zhí)行完再執(zhí)行下一條指令。假設(shè)：1）指令執(zhí)行分三個步驟，即取指令、分析指令

17、、執(zhí)行指令 2）每個步驟的執(zhí)行時間均為t則執(zhí)行n條指令時間T0 為：T0=3n*t執(zhí)行程序的方式并行執(zhí)行同時執(zhí)行兩條或多條指令。假設(shè)內(nèi)容同上，則執(zhí)行n條指令時間T 為：T =3*t + (n-1)*t分析指令3取指令3分析指令2取指令1執(zhí)行指令1取指令2執(zhí)行指令2分析指令1執(zhí)行指令3兩種方式執(zhí)行時間的比較相對于順序執(zhí)行方式，并行執(zhí)行的加速比 S = T0/T = 3n*t / (3*t + (n-1)*t） = 3n/(2+n)提綱計算機(jī)系統(tǒng)組成計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)基本工作原理計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)的組成計算機(jī)系統(tǒng)硬件主機(jī)中央處理器(CPU)運(yùn)算器控制器內(nèi)存儲器只讀存儲器(ROM)隨機(jī)存儲器

18、(RAM)外存儲器硬盤、軟盤、光盤外部設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、繪圖儀軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序應(yīng)用軟件文字處理軟件信息管理軟件圖形軟件輔助設(shè)計軟件各種程序包設(shè)備驅(qū)動程序數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)程序語言開發(fā)環(huán)境內(nèi)容提綱操作系統(tǒng)概述概念、發(fā)展、特征和基本功能常見操作系統(tǒng)DOS, Windows, Linux, 掌握操作系統(tǒng)的基本功能和分類進(jìn)程的基本概念了解DOS啟動過程操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)對我們來說并不陌生，我們每個人都是通過操作系統(tǒng)來使用計算機(jī)的。操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)中非常重要的系統(tǒng)軟件，沒有操作系統(tǒng)，任何應(yīng)用軟件都無法運(yùn)行。只有在計算機(jī)硬件平臺上加載相應(yīng)

19、的操作系統(tǒng)后，才能構(gòu)成一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)；只有在操作系統(tǒng)的支撐下，其它軟件才能運(yùn)行。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是整個計算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。操作系統(tǒng)控制和管理著計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，給用戶使用計算機(jī)提供一個良好的界面，使用戶不必了解硬件的細(xì)節(jié)就可方便地使用計算機(jī)。沒有操作系統(tǒng)，計算機(jī)就無法很好地工作，就不能解釋和執(zhí)行用戶輸入的命令或運(yùn)行程序。操作系統(tǒng)的定義是在計算機(jī)硬件基礎(chǔ)上的第一層軟件，是其它軟件和硬件之間的接口；（地位）是一些程序模塊的集合；（本質(zhì)）是控制和管理計算機(jī)硬件和軟件資源，合理組織計算機(jī)工作流程以及方便用戶使用計算機(jī)的大型系統(tǒng)軟件合理性和有效性 資源利用率、公平與否方便性 提供良好的

20、、一致的用戶接口可擴(kuò)充性和開放性 計算機(jī)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件語言處理程序系統(tǒng)服務(wù)程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的種類LinuxWindowsNT、9X、2000、XP MacOSUNIXOS/2操作系統(tǒng)的名稱監(jiān)控系統(tǒng)(程序) Monitor執(zhí)行系統(tǒng)(程序) Executive System(program)控制系統(tǒng)(程序) Control System (program)管理程序 Supervisor, Supervisory System核心程序 Kernel操作系統(tǒng) Operating System操作系統(tǒng)的發(fā)展史操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力是用戶需求，并隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展完善

21、。提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計算機(jī)發(fā)展的初期，計算機(jī)系統(tǒng)昂貴，用作集中計算方便用戶：非專業(yè)用戶。硬件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存、新硬件、新技術(shù)的出現(xiàn)等。計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展。操作系統(tǒng)的發(fā)展史(分類)無操作系統(tǒng)的計算機(jī)批處理系統(tǒng)(Batch System)分時系統(tǒng)(Time-Sharing System)實(shí)時系統(tǒng)(Real-time System)微機(jī)(Desktop, 桌面)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(Network)操作系統(tǒng)分布式(Distributed)操作系統(tǒng)嵌入式(Embedded)操作系統(tǒng) - 雛形和形成實(shí)用化無操作系統(tǒng)的計算機(jī)從第一代計算機(jī)誕生到20世紀(jì)50年代中期還未

22、出現(xiàn)操作系統(tǒng)，這時的計算機(jī)采用人工操作方式。其過程是：手工操作計算機(jī)批處理系統(tǒng)所謂批處理系統(tǒng)是指加載在計算機(jī)上的一個系統(tǒng)軟件，在它的控制下計算機(jī)能夠自動地成批地處理一個或多個用戶的作業(yè)是否否是開始還有下一個作業(yè)嗎停 止從磁帶上調(diào)入作業(yè)編譯該程序為目標(biāo)程序裝配目標(biāo)程序運(yùn)行目標(biāo)程序程序有錯嗎？CPU打印機(jī)磁帶單道17%33%50%多道33%66%100%多道批處理系統(tǒng)的資源利用例如：有3個作業(yè)A、B、C，分別為計算、檢索和打印作業(yè)，單道運(yùn)行時間分別為5分、15和10分鐘。它們可并行在15分鐘內(nèi)完成3個作業(yè)。各資源的利用效率為：分時系統(tǒng)分時技術(shù)是把處理機(jī)的時間分成很短的時間片，這些時間片輪流地分配給

23、各個聯(lián)機(jī)的各作業(yè)使用。如果某作業(yè)在分配給它的時間片用完時仍未完成，則該作業(yè)就暫時中斷，等待下一輪運(yùn)行，并把處理機(jī)的控制權(quán)讓給另一個作業(yè)使用。這樣在一個相對較短的時間間隔內(nèi)，每個用戶作業(yè)都能得到快速響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。分時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)時操作系統(tǒng)當(dāng)計算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制，形成以計算機(jī)為中心的控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)要求能實(shí)時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時處理，從而自動地控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使某些參數(shù)（如濕度、壓力、液位）能按預(yù)定的規(guī)律變化，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和提高產(chǎn)量。 通常，我們把要求對信息進(jìn)行實(shí)時處理的系統(tǒng)稱為實(shí)時信息處理系統(tǒng)。微機(jī)操作系統(tǒng)到20世紀(jì)80年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展

24、產(chǎn)生了微型計算機(jī)，配置在微機(jī)上的操作系統(tǒng)稱為微機(jī)操作系統(tǒng)。最早出現(xiàn)的微機(jī)操作系統(tǒng)是單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)，即只允許一個用戶上機(jī)，且只允許用戶程序作為一個任務(wù)運(yùn)行。PC-DOS, MS-DOS, Windows, .網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng)Windows類, UNIX, Linux, Netware, .分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)是若干計算機(jī)的集合，它們都有自己的局部存儲器和外部設(shè)備，但它是一個一體化的系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、信息傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，為用戶提供一個統(tǒng)一的界面，用戶通過這一界面實(shí)現(xiàn)所

25、需的操作和使用系統(tǒng)的資源，但操作和計算是在哪一臺計算機(jī)上執(zhí)行或使用哪些計算機(jī)的資源則由操作系統(tǒng)自動完成。集群(Cluster)和網(wǎng)格(Grid)嵌入式操作系統(tǒng)計算機(jī)微型化和專業(yè)化趨勢產(chǎn)生了一個共同的需求，即嵌入式軟件。嵌入式軟件也需要操作系統(tǒng)平臺的支持，這樣的操作系統(tǒng)就是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對整個嵌入式系統(tǒng)以及它所操作、控制的各種部件進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。嵌入式軟件系統(tǒng)的規(guī)模小，相應(yīng)地，其操作系統(tǒng)的規(guī)模也小。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式軟件的應(yīng)用平臺之一是各種家用的電器和通信設(shè)備，例如手機(jī)。由于家用電器的市場比傳統(tǒng)的計算機(jī)市場大很多，因此，嵌入式

26、操作系統(tǒng)必將成為操作系統(tǒng)發(fā)展的另一個熱門方向。Linux具有免費(fèi)、開放源代碼、良好的網(wǎng)絡(luò)支持等特點(diǎn)，可以作為嵌入操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的特征并發(fā)性(Concurrence)并發(fā)性是指宏觀上在一段時間內(nèi)有多道程序在同時執(zhí)行。但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一個時刻僅能執(zhí)行一道程序，故微觀上，這些程序是在交互執(zhí)行。并行性和并發(fā)性。并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生，而并發(fā)性是指兩個或多個在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。并行性多需要硬件支持，如多處理機(jī)、機(jī)群(Cluster)、網(wǎng)格(Grid)。操作系統(tǒng)的特征共享性(Sharing)共享性是指系統(tǒng)中的所有資源不再為一個程序所獨(dú)占，而是供同時存在于系統(tǒng)中的多道程序所共同使

27、用。根據(jù)資源屬性不同有互斥共享（如音頻設(shè)備）同時訪問（如可重入代碼，磁盤文件）資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化操作系統(tǒng)的特征虛擬性(Virtual)虛擬是指通過某種技術(shù)把一個物理實(shí)體變成若干個邏輯上的對應(yīng)物。物理實(shí)體是實(shí)際存在的；邏輯物體是用戶感覺到的，是虛擬的。CPU 每個用戶（進(jìn)程）的“虛處理機(jī)”存儲器 每個進(jìn)程都占有的地址空間（指令數(shù)據(jù)堆棧）虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段。操作系統(tǒng)的特征異步性（Asynchronism）在多道程序環(huán)境下，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源等因素的限制，程序的執(zhí)行并非“一氣呵成”，而是以“走走停停”的方式運(yùn)行，即程序是以異步方式運(yùn)行的。操作系統(tǒng)的特征不確定性（n

28、ondeterministic），多個程序異步并發(fā)執(zhí)行帶來了二種不確定性。一種是每個程序（進(jìn)程）執(zhí)行的速度和時間不確定，各程序（進(jìn)程）之間推進(jìn)的序列也不確定。即是不可預(yù)測的。另一種是每個程序（進(jìn)程）執(zhí)行結(jié)果不確定，即對同一程序，給定相同的初始條件、在相同的環(huán)境下進(jìn)行多次執(zhí)行，卻可能獲得完全不同的結(jié)果，這也稱為程序并發(fā)執(zhí)行的不可再現(xiàn)性操作系統(tǒng)的功能CPU和任務(wù)管理I/O外部設(shè)備管理存儲資源管理用戶界面文件系統(tǒng) CPU和任務(wù)管理創(chuàng)建和撤消進(jìn)程對進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的信息交換進(jìn)程的調(diào)度應(yīng)用程序列表進(jìn)程列表觀察Windows操作系統(tǒng)中進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)備管理設(shè)備驅(qū)動程序：是操作系統(tǒng)管理和驅(qū)動設(shè)

29、備的程序；即插即用：指將設(shè)備連接到計算機(jī)上后無須手動配置即可立即使用；通用即插即用：讓計算機(jī)自動發(fā)現(xiàn)和使用基于網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備；集中管理提高使用效率存儲器管理內(nèi)存分配：為每道程序分配內(nèi)存空間，提高存儲器利用率；地址的轉(zhuǎn)換：將程序中的邏輯地址變換成存儲空間中的物理地址；內(nèi)存的保護(hù)虛擬內(nèi)存：使用硬盤空間模擬內(nèi)存，為用戶提供一比實(shí)際大得多的內(nèi)存空間。操作系統(tǒng)接口用戶接口： 命令接口：為用戶提供以命令行方式進(jìn)行對話的界面； 圖形用戶接口：為用戶提供圖形界面，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)方式進(jìn)行相關(guān)操作； 網(wǎng)絡(luò)用戶接口：基于Web規(guī)范格式的界面形式。系統(tǒng)調(diào)用文件系統(tǒng)管理文件的概念：文件是存儲在一定介質(zhì)上的一組信息的集合，

30、每個文件必須有一個確定的名字。創(chuàng)建文件的三要素：文件名、存放位置、類型（擴(kuò)展名）。文件的屬性：存檔、隱藏、只讀。文件的基本操作：創(chuàng)建、打開、選取、復(fù)制、移動、刪除、查找。文件目錄路徑：絕對路徑和相對路徑。內(nèi)容提綱操作系統(tǒng)概述概念、發(fā)展、特征和基本功能常見操作系統(tǒng)DOS, Windows, Linux, DOS (Disk Operating System)是一個單用戶單任務(wù)的磁盤操作系統(tǒng)。微軟公司(Microsoft)的MS-DOSIBM公司的PC-DOS。PC-DOS由IBM公司為其個人計算機(jī)IBM-PC開發(fā)的，其研制工作由Microsoft公司幫助進(jìn)行，因此，MS-DOS和PC-DOS的功

31、能、命令格式都相同，故在一般應(yīng)用中可以認(rèn)為兩者區(qū)別很小。MS-DOS的主要功能和組成主要功能有文件管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、作業(yè)管理和CPU管理。MS-DOS采用模塊化的層次結(jié)構(gòu)，主要由四個模塊組成，它們是構(gòu)成DOS系統(tǒng)最基礎(chǔ)的幾個部分，有了它們系統(tǒng)就可以啟動。引導(dǎo)程序模塊BOOT在每次系統(tǒng)啟動時把兩個隱含的DOS啟動模塊IO.SYS和MSDOS.SYS裝入內(nèi)存，使它成為一個可運(yùn)行的操作系統(tǒng)。MS-DOS的主要功能和組成基本輸入輸出管理模塊IO.SYS管理輸入/輸出設(shè)備，它是MS-DOS的最內(nèi)層部分。文件管理及系統(tǒng)調(diào)用模塊MSDOS.SYS是MS DOS操作系統(tǒng)的核心模塊，是用戶與MS-DOS

32、之間的高級接口，其主要任務(wù)是管理所有磁盤文件，完成對文件的讀寫等操作，并提供系統(tǒng)調(diào)用功能，通過它可實(shí)現(xiàn)文件管理、存儲管理等MS-DOS的主要功能和組成命令處理程序模塊COMMAND.COM是MS-DOS的最外層模塊，是用戶與系統(tǒng)之間的接口，其主要功能是負(fù)責(zé)接收、識別、解釋和執(zhí)行由鍵盤輸入的各種DOS命令。DOS命令分為內(nèi)部命令和外部命令，前者是一些常用而所占空間不大的命令程序，如dir, cd等，它們存在于COMMAND.COM文件中，會在系統(tǒng)啟動時加載到內(nèi)存中，且常駐內(nèi)存。后者以單獨(dú)的可執(zhí)行文件(.exe或.com)存在，使用時先將文件調(diào)入主存，然后再執(zhí)行。DOS操作系統(tǒng)的用戶界面MS-DO

33、S的常用命令顯示文件目錄命令DIR顯示文本文件的內(nèi)容命令TYPE刪除文件命令DEL文件復(fù)制命令COPY建立子目錄命令MD改變當(dāng)前目錄命令CD刪除子目錄命令RDMS-DOS的常用命令磁盤格式化命令FORMAT，新的磁盤在使用前必須先格式化，即把磁盤按一定格式劃分磁道和扇區(qū)，未經(jīng)格式化的磁盤是不能使用的，對舊磁盤也可以進(jìn)行格式化操作。FORMAT 盤符 參數(shù)例：FORMAT D：格式化D盤例：FORMAT A: /S 格式化A盤，參數(shù)S表示將A盤格式化為系統(tǒng)啟動盤，即將系統(tǒng)引導(dǎo)文件拷貝到該磁盤。注意：FORMAT命令會清除目的磁盤上的所有數(shù)據(jù)，一定要小心使用。MS-DOS的常用命令顯示或設(shè)置日期命

34、令DATE顯示或設(shè)置時間命令TIME清屏命令CLSWindows從1983年微軟公司宣布Windows的誕生到現(xiàn)在，Windows已經(jīng)推出多種版本，成為當(dāng)前最為流行的操作系統(tǒng)之一。 Windows是多任務(wù)操作系統(tǒng)，也是當(dāng)前最流行的個人電腦操作系統(tǒng)。它以圖形、多窗口的用戶界面代替了DOS命令行、獨(dú)占屏幕的界面。Windows使計算機(jī)的操作更簡單，用戶通過鼠標(biāo)操作圖標(biāo)就可以執(zhí)行各種程序Windows的特點(diǎn)作為用戶與計算機(jī)之間的接口，Windows操作系統(tǒng)提供了友好的圖形用戶界面，與DOS操作系統(tǒng)相比，windows更容易操作，更能充分有效地利用計算機(jī)的各種資源。多任務(wù)處理 Windows是一個多任

35、務(wù)的操作系統(tǒng)，用戶可以同時運(yùn)行多個應(yīng)用程序，共享系統(tǒng)資源，執(zhí)行多項任務(wù)。并且可以在各程序和各任務(wù)之間切換。Windows為每個任務(wù)開設(shè)了一個窗口，因此多任務(wù)形式上表現(xiàn)為多窗口。Windows的特點(diǎn)圖形用戶界面 Windows提供的圖形用戶界面，使用戶的操作更加方便、快捷。Windows提供了豐富的系統(tǒng)菜單，同時每個程序與文檔都有自己的圖標(biāo)，用戶可以像在DOS系統(tǒng)中用鍵盤操作，同時也可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊窗口、圖標(biāo)和對話框等完成各種操作。Windows環(huán)境中的應(yīng)用程序采用一致的外觀和操作方式，使得用戶很快熟悉和掌握各種Windows下運(yùn)行的不同應(yīng)用軟件的操作方法，提高了工作效率。Windows的特點(diǎn)有效

36、的內(nèi)存管理 Windows采用虛擬內(nèi)存技術(shù)管理內(nèi)存。它可以利用硬盤作為虛擬內(nèi)存，運(yùn)行所需內(nèi)存大于實(shí)際內(nèi)存的程序。它突破了MS-DOS只能管理640KB基本內(nèi)存的限制，使用32位地址訪問內(nèi)存，最多可訪問4GB的存儲空間支持多種文件系統(tǒng)格式 Windows支持FAT16、FAT32、NTFS等文件系統(tǒng)。NTFS是Windows NT自己的文件系統(tǒng)格式，是Windows2000推薦的使用格式，這樣只有驗證用戶身份后才能訪問磁盤中的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)更安全。Windows的特點(diǎn)支持多媒體應(yīng)用(Application) Windows含有豐富的外部設(shè)備驅(qū)動程序，支持多種硬件安裝，可以管理CD-ROM或DVD驅(qū)

37、動器，管理聲卡、MIDI、錄音、CD唱盤和視盤等設(shè)備，并提供新的媒體播放程序與聲音記錄程序等。從而使計算機(jī)可以更好地處理聲音、圖形、文字、動畫等多媒體信息，并使個人計算機(jī)更具娛樂性。 支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 Windows 在安裝過程中，可自動識別網(wǎng)絡(luò)的存在，提供上網(wǎng)和聯(lián)機(jī)服務(wù)，支持電話撥號、網(wǎng)上鄰居等多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Windows的主要版本微軟公司自1990年5月推出Windows 3.0以來，先后推出了Windows NT, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows XP等多個Windows版本，下面介紹Windows主要版本的特點(diǎn)和功能。Window

38、s的主要版本1983年 Windows 1.01990年 Windows 3.01992年 Windows 3.11995年 Windows 3.21993年 Windows NT Windows NT Server Windows NT Workstation1995年 Windows 951998年 Windows 982000年 Windows 20002001年 Windows XP2006年 Windows Vista2009年 Windows7LinuxLinux是在Internet上形成和不斷完善的操作系統(tǒng)。Linux最早由芬蘭學(xué)生Linus Torvalds于1991年首先開發(fā)

39、的，并在互聯(lián)網(wǎng)上公布了該系統(tǒng)的源代碼，后經(jīng)全世界的眾多軟件高手參與共同開發(fā)的操作系統(tǒng)。作為一個新興的穩(wěn)定、高效、方便的操作系統(tǒng)，除了在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和科學(xué)計算繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用外，在嵌入式系統(tǒng)，實(shí)時系統(tǒng)及桌面系統(tǒng)等方面也獲得了越來越廣泛的應(yīng)用Linux概述Linux是源代碼公開、可免費(fèi)獲得的自由軟件。最早是1991年8月由芬蘭赫爾辛基大學(xué)計算機(jī)系學(xué)生Linus Torvalds在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布的，其目的是設(shè)計一個比較有效的UNIX PC版本，免費(fèi)給全世界的學(xué)生使用。該系統(tǒng)引起了全世界操作系統(tǒng)愛好者的興趣，不斷地對Linux進(jìn)行修改和補(bǔ)充，用戶可以下載更新的版本，并在各種系統(tǒng)配合下進(jìn)行測試。如今Linu

40、x已經(jīng)成長為一個功能強(qiáng)大的32位計算機(jī)操作系統(tǒng)，其性能可與商業(yè)的UNIX系統(tǒng)相媲美。Linux概述Linux是多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，允許多個用戶同時執(zhí)行不同的程序，并且可以給緊急任務(wù)以較高的優(yōu)先級。Linux與UNIX操作系統(tǒng)兼容，但它并不是UNIX操作系統(tǒng)的變種，是獨(dú)立開發(fā)的操作系統(tǒng)。Linux包含了UNIX的全部功能和特性，并且在開發(fā)過程中,借鑒了UNIX的成功經(jīng)驗。UNIX的可靠性、穩(wěn)定性以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能都在Linux上得到體現(xiàn)。幾乎所有UNIX的工具與命令都可以在Linux系統(tǒng)下使用，熟悉UNIX操作系統(tǒng)便能很容易掌握Linux。Linux概述Linux操作系統(tǒng)支持多文件系統(tǒng)，Linux自己最常用的文件系統(tǒng)是EXT2，此外，它還支持諸如MS DOS、Windows的FAT、NTFS等文件系統(tǒng)。Linux提供強(qiáng)大的管理功能，具有大量有用的使用程序和通信聯(lián)網(wǎng)工具。Linux可以運(yùn)行在多種硬件平臺上，不僅可運(yùn)行在Intel系列個人計算機(jī)上，還可運(yùn)行在工作站上?？傊?，Linux之所有在短短的10年發(fā)展如此迅速，主要是因為Linux具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)：Linux概述一是Linux開放源代碼的系統(tǒng)，任何人都能通過網(wǎng)絡(luò)或其它媒體得到它，并可修改和重