第4章操作系统与网络知识要点4.1 操作系统的形成与发展操作系统概念操作系统的形成操作系统的发展操作系统的特征4.1.1 操作系统概念计算机系统 硬件子系统 中央处理器：运算器/控制器/寄存器。 存储器：内存/外存。 外设：输入设备/输出设备。软件子系统 系统软件：操作系统/语言翻译程序/数据库管理系统。 应用软件：通用应用软件/专用应用软件。4.1.1 操作系统概念操作系统操作系统定义 管理计算机资源。 控制程序执行。 提供多种服务。 方便用户使用。操作系统的目标 方便性/有效性/开放性。 可靠性/可扩充性/可移植性。4.1.2 操作系统的形成人工操作用穿孔机将编写好的程序及相应的数据穿孔在纸带/卡片上，通过纸带/卡片机输入计算机。启动计算机执行程序，通过控制台上的开关、按钮和指示灯来操作和控制程序的执行。程序执行完并取走计算结果后，下一个用户才能使用该计算机。高速的CPU绝大部分时间处于等待慢速的手工操作和外设运行，计算机资源得不到有效利用。4.1.2 操作系统的形成批处理操作系统单道批处理系统把一批作业放入外存, 但一次只调用一道作业进人内存运行。 作业是指用户在一次数据处理中要求计算机所做的全部工作的总和，由用户程序、数据和作业说明书组成。 多道批处理系统从外存中把多个作业同时调入内存。内存中的多个作业可以交替执行，但不能进行人机交互。一批作业放入外存的方式联机方式：在主机控制下进行。脱机方式：在外围机控制下进行, 进一步提高了主机利用率。4.1.2 操作系统的形成分时操作系统把CPU的时间分成微小的时间片。按时间片轮流为多个终端服务。具有人机对话功能。实时操作系统实时控制系统/硬实时任务。实时信息系统/软实时任务。4.1.2 操作系统的形成通用操作系统同时具备实时/分时/批处理功能。按优先级分类处理。UNIX的早期版本是当时通用操作系统的代表。4.1.3 操作系统的发展微机操作系统单用户单任务一个用户执行一个程序。CP/M, MS-DOS。单用户多任务一个用户可以执行多个程序。Windows 202X, Windows XP。多用户多任务多个用户可以分别执行多个程序。微机版UNIX和 Linux.4.1.3 操作系统的发展多处理器操作系统多处理器系统的优点 提高系统的吞吐量和可靠性 节省投资多处理器操作系统分类 主-从模式：易于实现/资源利用率低。 对称模式：资源利用率高。多处理器操作系统实例 SUN公司的Solaris. AT&T公司的UNIX System V4.0 MP版本。 DG公司的DG/UX.4.1.3 操作系统的发展网络操作系统网络操作系统的功能 网络通信。 资源管理。 网络服务。 网络管理。网络操作系统实例 Windows NT, Windows Server. 网络版的UNIX和Linux.4.1.3 操作系统的发展分布式操作系统分布式系统 多个分散的处理单元经网络互连形成。 每个单元包括处理器和局部存储器。分布式操作系统 把分布式系统虚拟成一立的计算机。 还没有得到广泛应用的分布式操作系统。4.1.3 操作系统的发展嵌入式操作系统嵌入式计算机 嵌入到其他设备中。 控制被嵌入设备的运行。嵌入式操作系统 运行在嵌入式计算机中的操作系统。 Windows CE、VxWorks等是常用的嵌入式操作系统。4.1.4 操作系统的特征四个基本特征并发性 两个或多个事件在同一时间段内发生。 在一段时间内，可以让多个进程交替地使用CPU。 操作系统负责多个进程之间的执行切换。 共享性 系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。 互斥共享方式：对单处理器的访问。 同时共享方式：对同一磁盘中的访问。4.1.4 操作系统的特征四个基本特征虚拟性 把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。 通过分时使用的方式实现。异步性 进程通常是以断断续续的方式运行的。 功能上相互独立的进程执行进度也互不相关。4.2 操作系统的功能处理器管理存储器管理设备管理文件管理网络与通信管理 用户接口操作系统的五大功能与接口4.2.1 处理器管理功能总体功能保证处理器在多个进程之间进行有效的切换, 进程是指程序的一次执行过程 。具体功能进程控制创建进程/撤销进程。控制进程在运行过程中的状态转换。运行状态/就绪状态/等待状态。进程同步：协调相互有关的进程的执行。进程同步方式。进程互斥方式。 加锁机制/死锁/饥饿。4.2.1 处理器管理功能具体功能进程通信 实现相互合作进程之间的信息交换。 通信方式 直接方式：相互合作的进程处于同一计算机系统时。 间接方式：相互合作的进程处于不同的计算机系统时。处理器调度 作业调度：把作业由外存调入内存，现在不再用。 交换调度：内外存之间进程的交换。 进程调度：把处理器分配某个进程让其运行。 线程技术：一个进程的多个部分可以并发执行。4.2.2 存储器管理功能总体功能方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，从逻辑上扩充内存。具体功能 内存分配 分配方式：静态分配/动态分配。 分配功能：内存分配/内存回收/内存分配记录。内存保护 设置界限寄存器。 确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行。4.2.2 存储器管理功能具体功能 地址映射 将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。 程序的相对地址范围称为地址空间。 内存中的物理地址范围称为内存空间。内存扩充 把外存虚拟成内存。 请求调入部分程序功能。 程序置换功能。4.2.3 设备管理功能总体功能分配I/O设备, 提高CPU和I/O设备的利用率, 提高I/O速度, 方便用户使用I/O设备。具体功能 缓冲管理 设置缓冲区以缓和CPU和I/O速度不匹配的矛盾。 单缓冲区/双缓冲区/公共缓冲池。设备分配 根据用户的I/O请求, 为之分配所需的设备。4.2.3 设备管理功能具体功能 设备处理通过设备驱动程序实现CPU和设备控制器之间的通信。虚拟设备 把一个物理设备对应成多个逻辑设备, 这种逻辑设备称为虚拟设备。 使一个物理设备能供多个用户共享使用，提高了设备的利用率。4.2.4 文件管理功能总体功能方便用户使用文件并保证文件的安全。具体功能 文件存储空间管理存储空间分配-非连续分配方式。存储空间回收。存储空间使用记录。目录管理为每个文件建立一个目录项。实现文件的按名存取和快速检索。4.2.4 文件管理功能具体功能 文件的读写管理和存取控制 读写管理 从外存中读取数据或将数据写入外存。 存取控制 系统级存取控制：设置帐号和口令。 用户级存取控制：为用户分配存取权限。 文件级存取控制：设定文件属性。4.2.5 网络管理功能总体功能保证网络功能的正常、高效实现。具体功能 资源管理网络资源的共享。信息资源的安全性和完整性。通信管理通过通信软件完成网络上计算机之间的信息传送。网络管理保证网络的安全高效运行。 故障管理/安全管理。 性能管理/日志管理/配置管理。4.2.6 用户接口方便用户使用操作系统直接操作：良好的人机界面。程序开发：方便的系统功能调用方式。接口类型命令接口 联机用户接口 脱机用户接口程序接口 用户程序使用系统功能。图形接口 由图标、菜单和对话框组成的可视化操作界面。4.3 操作系统实例CP/M操作系统DOS操作系统Windows操作系统UNIX操作系统Linux操作系统VxWorks操作系统 操作系统实例4.3.1 CP/M 操作系统微型计算机的第一个操作系统诞生于1974年的8位微型机操作系统。主要功能能够进行文件管理。具有磁盘驱动功能。可以控制磁盘的输入输出。可以控制显示器的显示以及打印机的输出。曾经有多个版本CP/M-80/CP/M-86/CP/M-68K.4.3.2 DOS操作系统典型的单用户单任务操作系统 最早的版本是202X年8月推出的版。在Windows流行之前，DOS一直占据微机操作系统的霸主地位。有效地扩充了CP/M的功能。增加了许多内部和外部命令。增强了文件系统的功能。 我国曾推出基于MS-DOS的汉字磁盘操作系统CC-DOS，能够有效处理汉字。4.3.3 Windows操作系统优秀的单用户多任务操作系统Microsoft公司从202X年开始研发Windows操作系统。202X年推出的开始逐步占领微型机操作系统市场。从Windows 95开始，Windows成为个人计算机的主流操作系统。Windows NT是一种面向高端微机的网络操作系统。202X年3月，人版本Windows XP问世。202X年3月，推出Windows Server 202X网络操作系统。202X年11月正式发布Windows Vista。 根据202X年的统计，在桌面计算机操作系统领域，Windows的市场占有率达到95%以上。4.3.4 UNIX操作系统典型的多用户多任务型操作系统UNIX操作系统起源于美国电报 公司（AT&T）贝尔实验室。1971年UNIX第1版（UNIX V1）正式诞生。1973年C语言出现后，用C语言改写出第3版。20世纪70年代中后期，更多人的参与为UNIX的改进、完善和普及起了重要作用。从1977年开始，各公司陆续推出了多种UNIX的商业化版本。众多UNIX版本的出现，促进了UNIX的快速发展和应用普及。UNIX开发标准的制定促进了UNIX的标准化。20世纪90年代后， UNIX开始支持多处理器系统，推出了多处理器操作系统版本。4.3.5 Linux操作系统多用户多任务操作系统起源于一个大学生的课程设计。多人扩充其功能。 源码全部开放。 可以在网上自由下载。多家公司支持 IBM/Intel/Oracle/SUN.得到广泛应用4.3.6 VxWorks操作系统嵌入式操作系统的代表支持各种工业标准POSIX, ANSI C, TCP/IP.支持各种实时功能快速多任务处理/中断支持/抢占式和轮转式调度。应用领域广泛网络通信/多媒体设备/消费电子品医疗设备/交通运输/工业控制/航空航天202X年12月3日发射升空的“极地登陆者号”火星探测器上，就采用了VxWorks操作系统。4.4 计算机网络概述 计算机网络发展历程计算机网络的定义计算机网络的分类计算机网络的拓扑结构计算机网络的功能和应用计算机网络的传输介质网络计算模式4.4.1 计算机网络的发展历程计算机网络的萌芽阶段20世纪50年代初期20世纪60年代中期。由一台主机和若干个终端组成。终端通过 网/调制解调器与主机连接。终端主要是键盘和显示器。美国航空公司与IBM公司在20世纪60年代初联合开发的飞机定票系统SAVRE-I。4.4.1 计算机网络的发展历程计算机网络的发展阶段20世纪60年代中期20世纪70年代中期。多台主机互连, 实现计算机之间的通信。1969年美国国防部建成的ARPAnet实验网。 最初只有4个结点，以 线路为主干网络。70年代后期，网络结点超过60个，主机100多台。Internet就是由ARPAnet发展来的。资源共享/分散控制/分组交换/分层的网络协议。4.4.1 计算机网络的发展历程计算机网络的标准化阶段20世纪70年代中期20世纪80年代末。国际标准化组织制定了统一的网络标准。1977年，开始标准的制定工作。202X年，公布了开放系统互连参考模型（OSI/RM）的正式文件。对推动计算机网络理论和技术的发展，对统一网络体系结构和协议标准起到了积极的作用。促进了计算机网络的广泛应用。4.4.1 计算机网络的发展历程计算机网络的快速发展阶段20世纪80年代末。信息高速公路的建设促进了网络的快速发展。提出了新一代互联网研究计划。 美国的网络研究的全球环境-GENI。 欧盟的未来互联网研究和实验-FIRE。 我国的中国下一代互联网-CNGI。4.4.2 计算机网络的定义计算机网络自主计算机的互连集合，由通信子网和资源子网两部分构成。 资源子网 由互连的主机或提供共享资源的其他设备组成。 提供可供共享的软硬件和信息资源。 通信子网 由通信线路和通信设备组成。 负责计算机间的数据传输。4.4.3 计算机网络的分类根据覆盖范围个人区域网（Personal A