操作系统基础及窗口XP操作系统的使用.docx

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操作系统基础及窗口XP操作系统的使用

第三章操作系统基础及窗口XP操作系统的使用

什么是操作系统？

它在计算机系统中的地位和作用是什么，操作系统具有什么样的功能，操作系统如何分类，本章将结合窗口XP操作系统的使用，在介绍操作系统概念的基础上，进一步探讨操作系统的几大主要功能，为掌握和使用操作系统打下基础。

3.1操作系统概述

3．1．1操作系统的概念

操作系统的概念可从两方面来说明:

1．从系统管理人员的观点来看。

引入操作系统是为了去合理地组织计算机工作流程，管理和分配计算机系统的硬件及软件资源，使之能为多个用户所共享。

因此，操作系统是计算机资源的管理者。

2．从用户的观点来看。

引入操作系统是为了给用户使用计算机提供一个良好的界面，以使用户无须了解计算机许多硬件和系统软件的细节，就能方便灵活地使用计算机。

因此，可以把操作系统定义为：

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些模块的集合一一它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。

有人把操作系统在计算机中的作用比喻为“总管家”。

它管理、分配和调度所有计算机的硬件和软件统一协调的运行，以满足用户实际操作的需求。

图3.1给出了操作系统与计算机软、硬的层次关系。

图3-1操作系统与计算机软、硬的层次关系图

操作系统内部是怎样构造的？

或者说操作系统作为一个大程序，由许多程序模块组成，它们是按什么方式集合在一起的？

一般说来，操作系统有以下三种体系结构：

单块式结构，层次结构，微内核结构。

1．单块式结构

早期的操作系统多数都采用这种单块式体系结构。

这种体系结构其实是没有结构的，各组成单位密切联系，好似"铁板一块",故名单块式结构。

这种结构方式给操作系统设计带来的缺点很明显，系统的结构关系不清晰，好像一张大蜘蛛网，难于进行修改，会“牵一发而动全身”，使系统的可靠性降低，模块间会出现循环调用，有很大的危险性。

2.层次结构

层次结构操作系统的设计思想是：

按照操作系统各模块的功能和相互依存关系，把系统中的模块分为若干层，其中任一层模块（除底层模块外）都建立在它下面一层的基础上。

因而，任一层模块只能调用比它低的层中的模块，而不能调用高层的模块。

著名的UNIX系统的核心层就采用层次结构。

层次结构既具有上述单块式结构的优点，又有单块式结构不具有的优点：

结构关系清晰，提高系统的可靠性、可移植性和维护性。

应当指出，在严格的分层方法中，任一层模块只能调用比它低的层来得到服务，而不能调用比它高的层。

但是，在实际设计上这有很多困难。

所以，实际使用的操作系统的内部结构井非都符合这种层次模型。

一个操作系统应划分多少层、各层处于什么位置、相互间如何联系等并无固定的模式。

一般原则是：

接近用户应用的模块在上层，贴近硬件程序的驱动模块在下层。

处于下层的这些程序模块往往也称做操作系统的内核。

这一部分模块包括中断处理程序、各种常用设备的驱动程序，以及运行频率较高的模块（如时钟管理程序、进程调度和低级通信模块、许多模块公用的程序、内存管理程序等）。

为提高操作系统的执行效率和便于实施特殊保护，它们一般常驻内存。

3.微内核结构

微内核结构是新一代操作系统采用的结构。

其基本思想是把所有操作系统基本上都具有的那些操作放在内核中，而操作系统的其他功能由内核之外的服务器实现。

微内核是操作系统的小核心，它将各种操作系统共同需要的核心功能提炼出来，形成微内核的基本功能。

直接与硬件打交道的是微内核，它在核心态下工作。

操作系统的其他功能由各服务器实现，服务器处于微内核之上，在用户态下工作。

微内核结构是新一代操作系统的主要特征之一，正在得到迅速的应用。

微内核结构主要具有以下六种特点。

（1）精简核心的功能

提供了一种简单的高度模块化的体系结构，提高了系统设计及使用的灵活性。

同一个微内核可以同时支持一个或者多个不同界面的操作系统的运行，从而方便用户软件的继承。

（2）可移植性好

所有与具体机器特征相关的代码，全部隔离在微内核中。

如果操作系统要移植到不同的硬件平台上，只需修改微内核中少而集中的代码即可。

（3）可伸缩性好

这是现代操作系统的主要性能之一。

操作系统应能方便地进行定制、扩充或缩减，以适应硬件的快速更新和应用需求的不断变化。

（4）实时性好

微内核可以方便地支持实时处理。

（5）提供多线程机制

支持多处理器的体系结构和分布式系统及计算机网络。

（6）系统安全性好

传统的操作系统将安全性功能建立在内核之外，因而它并不是很安全的。

而微内核则将安全性作为系统内特性来进行设计。

3．1．2操作系统的功能

操作系统的职能是管理和控制计算机系统中的所有硬、软件资源，合理地组织计算机工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。

计算机系统的主要硬件资源有处理机、存储器、外存储器、输入输出设备。

信息资源往往以文件形式存在外存储器。

下面从资源管理和用户接口的观点来说明操作系统的基本功能和它的特性。

操作系统提供了五大功能。

1.存储器管理功能

存储器管理的主要功能包括：

内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充。

（1）内存分配

内存分配的主要任务是为每道程序分配一定的内存空间。

为此，操作系统必须记录整个内存的使用情况，处理用户提出的申请，按照某种策略实施分配，接收系统或用户释放的内存空间。

由于内存是宝贵的系统资源，并且往往出现这种情况：

用户程序和数据对内存的需求量总和大于实际内存可提供的使用空间。

为此，在制定分配策略时应考虑到提高内存的利用率。

减少内存浪费。

（2）地址映射

大家都有这种经历：

在编写程序时并不考虑程序和数据要放在内存的什么位置，程序中设置变量、数组和函数等只是为了实现这个程序所要完成的任务。

源程序经过编译之后，会形成若干个目标程序，各自的起始地址都是“0”（但它并不是实际内存的开头地址），各程序中用到的其他地址都分别相对起始地址计算。

这样一来，在多道程序环境下，用户程序中所涉及的相对地址与装入内存后实际占用的物理地址就不一样。

CPU执行用户程序时，要从内存中取出指令或数据，为此就必须把所用的相对地址（或称逻辑地址）转换成内存的物理地址。

这就是操作系统的地址映射功能（需要有硬件支持）。

（3）内存保护

不同用户的程序都放在一个内存中，但必须保证它们在各自的内存空间中活动，不能相互干扰，更不能侵犯操作系统的空间。

为此，就必须建立内存保护机制。

例如，设置两个界限寄存器，分别存放正在执行的程序在内存中的上界地址值和下界地址值。

当程序运行时，所产生的每个访问内存的地址都要作合法性检查，就是说该地址必须大于或等于下界寄存器的值，并且小于上界寄存器的值。

如果地址不在此范围内，则属于地址越界，将发生中断并进行相应处理。

（4）内存扩充

一个系统中内存容量是有限的，不能随意扩充其大小。

而且用户程序对内存的需求越来越大，很难完全满足用户的要求。

这样就出现各用户对内存“求大于供”的局面。

怎么办?

物理上扩充内存不妥，就采取逻辑上扩充内存的办法，这就是虚拟存储技术。

简单说来，就是把一个程序当前正在使用的部分（不是全体）放在内存，而其余部分放在磁盘上。

在这种“程序部分装入内存”的情况下，启动并执行它。

以后根据程序执行时的要求和内存当时使用的情况，随机地将所需部分调入内存：

必要时还要把己分出去的内存回收，供其他程序使用（即内存置换）。

2.处理机管理功能

计算机系统中最重要的资源是CPU,对它管理的优劣直接影响整个系统的性能。

此外，用户的计算任务称为作业：

程序的执行过程称做进程，它是分配和运行处理机的基本单位。

因而，处理机管理的功能包括：

作业和进程调度、进程控制和进程通信。

（1）作业和进程调度

一个作业通常要经过两级调度才得以在CPU上执行。

首先是作业调度，它把选中的一批作业放入内存，并分配其他必要资源，为这些作业建立相应的进程。

然后进程调度按一定的算法从就绪进程中选出一个合适进程，使之在CPU上运行。

（2）进程控制

进程是系统中活动的实体。

进程控制包括创建进程、撤销进程、封锁进程、唤醒进程等。

（3）进程通信

多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者相互制约的关系。

为保证系统中所有进程都能正常活动，就必须设置进程同步机制，它分为同步方式和互斥方式。

相互合作的进程之间往往需要交换信息,为此系统要提供通信机制。

3.设备管理功能

设备管理的主要功能包括：

缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。

（1）缓冲区管理

缓冲区管理的目的是解决CPU和外设速度不匹配的矛盾，从而使它们能充分并行工作，提高各自的利用率。

（2）设备分配

根据用户的输入/输出请求和相应的分配策略，为该用户分配外部设备以及通道、控制器等。

（3）设备驱动

实现CPU与通道和外设之间的通信。

由CPU向通道发出输入/输出指令，后者驱动相应设备进行输入/输出操作。

当输入/输出任务完成后，通道向CPU发中断信号，由相应的中断处理程序进行处理。

（4）设备无关性

设备无关性又称设备独立性，即用户编写的程序与实际使用的物理设备无关，由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到物理设备。

4.文件管理功能

文件功能应包括：

文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读/写管理和存取控制。

（1）文件存储空间的管理

系统文件和用户文件都要放在磁盘上。

为此，需要由文件系统对所有文件及文件的存储空间进行统一管理：

为新文件分配必要的外存空间，回收释放文件空间，提高外存的利用率。

（2）文件操作的一般管理

文件操作的一般管理包括文件的创建、删除、打开、关闭等。

（3）目录管理

目录管理包括目录文件的组织、实现用户对文件的“按名存取”,以及目录的快速查询和文件共享等。

（4）文件的读/写管理和存取控制

根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存中。

为保证文件信息的安全性，防止未授权用户的存取或破坏，对各文件（包括目录文件）进行存取控制。

5.用户接口

现代操作系统向用户提供三种类型的界面：

（1）图形界面一一用户利用鼠标、窗口、菜单、图标等图形界面工具，可以直观、方便、有效地使用系统服务和各种应用程序及实用工具；

（2）命令界面一在提示符后用户从键盘输入命令，系统提供相应服务；

（3）程序界面一一也称系统调用界面，用户在自己的程序中使用系统调用，从而获取系统的服务。

3．1．3操作系统的分类

从功能出发进行分类是被广泛采用的典型的操作系统分类法，它把操作系统分为批处理操作系统、分时操作系统及实时操作系统等，前两者又可称为作业处理系统。

所谓作业，指的是用户一次提交给计算机系统的一个具有独立性的计算任务，它一般由用户源程序和数据及相关命令所组成。

1．多道批处理操作系统

所调“批处理”包括两个含义，其一是指系统内可同时容纳多个作业，这些作业存放在大容量的外存中，组成一个后备作业队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中取一个或多个作业调入内存运行，运行作业结束并退出运行及后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成了一个自动转接的连续的作业流。

单道批处理系统与多道批处理系统的主要区别在于：

前者在内存中只能有一个运行作业，后者则可允许在内存中有多个运行作业。

批处理的另一个含义是指系统向用户提供的是一种脱机操作方式，即用户与自己作业之间没有交互作用。

作业一旦进入系统，用户就不能在计算机前直接干预其作业的运行。

多道批处理系统追求的目标是高资源利用率、大吞吐量和作业流程的自动化。

因此它具有操作系统的所有五个基本功能。

存储器管理完成内存分配和回收，提供存储保护，比较完善的系统还提供内存扩充功能。

处理机管理和设备管理实现处理机和外部设备的调度、分配和回收，以协调多道程序对处理机和外部设备的争夺。

作业管理实现作业流的自动转换及用户对作业的控制意图。

信息管理则是任何操作系统必须具备的功能。

目前，在各计算中心的大、小型计算机系统一般都是多道批处理系统或兼有这一功能。

不能忽视的一个问题是批处理系统不提供交互作用能力，这给程序设计人员带来了很大的不便，人们往往希望自己能够现场观察并直接控制其程序的运行，并能及时获得运行结果。

进行随机调试和改错，即希望系统提供一种联机操作方式。

这不仅能够缩短程序的开发周期，而且能够发挥程序设计人员的主观能动性。

正是基于这点，促使了分时系统的问世和发展。

2．分时操作系统

1）分时概念和分时系统的实现方法

所谓分时，就是对时间的共享。

分时主要是指若干并发程序对CPU时间的共享。

它是通过系统软件实现的。

共事的时间单位称为时间片。

它往往是很短的，如几十毫秒，因不同系统针对不同档次的机型而有所不同。

这种分时的实现，需要有中断机构和时钟系统的支持，利用时钟系统把CPU时间分成一个一个的时间片，操作系统轮流地把每个时间片分给各个并发程序，每道程序一次只能运行一个时间片。

当时间片计数到时后，产生一个时钟中断，控制转向操作系统。

操作系统选择另一道程序井分给它时间片，让其投入运行，如此循环反复。

2）分时系统的特征和优点

分时系统提供了多个用户分享使用同一台计算机的环境。

一台分时计算机系统联有若干台近程或远程终端（一般，终端是带有CRT显示的键控设备）,多个用户可以在各自的终端上以交互作用方式联机使用计算机，故又将分时系统称为多用户交互式系统。

分时系统的基本特征可概括为四点。

（1）并行性

井行性是指分时系统允许各终端用户同时工作，系统分时响应各用户的请求。

所谓“分时”就是系统将CPU时间分割成很短的时间片（一般以毫秒计）,并以循环方式依次分配给每个终端用户。

在微观上，各用户是轮流使用计算机，由于时间片规定的时间很短，故从宏观上看，各用户在并行工作，系统同时在为多个用户服务。

（2）交互性

交互性是指系统支持联机操作方式，用户可以在终端上通过与系统及其程序的交互会话直接控制程序的运行。

所谓交互会话就是用户从键盘输入命令，系统响应和处理命令，并在终端上输出响应结果，用户根据响应结果再输入适当的命令。

（3）独立性

独立性是指系统中各用户可以彼此独立地操作，互不干扰或破坏。

（4）及时性

及时性是指用户在允许的时间间隔内得到响应。

分时系统的响应时间是指用户发出终端命令到系统进行响应做出应答所需的时间，它是衡量分时系统性能的主要指标。

上述四个特征中，交互性是分时系统的主要特征，它为程序设计人员提供了比较理想的开发环境，用户可以联机使用计算机，边调试，边思考，边修改，从而显著提高了开发、调试程序的效率。

由于分时系统的主要目的是及时地响应和服务于多个联机用户，因此分时系统设计的主要目标是对用户响应的及时性。

分时系统与批处理系统的共同特点是“作业处理”,即用户以作业为单位使用计算机。

操作系统则以作业为处理对象，作业有开始和结束，不同作业之间相互独立，系统本身没有要完成的作业任务，只是起着管理调度系统资源，为用户作业提供服务的作用，所以这类系统是通用性的。

另外，它们多以多道程序为基础。

分时系统的优点：

（1）为用户提供了友好的接口；

（2）促进了计算机普遍使用，为多个终端服务；

（3）便于资源共享和交换信息。

3．实时操作系统

实时系统是随着计算机应用领域的日益广泛而出现的。

所谓“实时”就是“立即”或“及时”,具体含义是指系统能够及时响应随机发生的外部事件，并以足够快的速度完成对事件的处理。

所谓外部事件是指来自与计算机系统相连接的设备所提出的服务请求或采集数据。

在计算机应用中，信息处理和过程控制都有一定的实时要求，据此可把实时系统分成实时信息处理系统和实时过程控制系统。

实时过程控制又可分为两类：

一类是以计算机为控制中枢的生产过程自动化系统，如机械加工、发电、冶炼、化工、炼油的自动控制。

在这类系统中，要求计算机及时采集和处理现场信息，进而控制有关的执行机构，使得某些参数，如流量、压力、温度、液位等按一定规律变化或保持不变，从而达到提高质量、增加产量及实现生产过程自动化之目的。

另一类是飞行物体的自动控制，如对飞机、导弹、人造卫星的制导。

实时信息处理系统通常配有大型文件系统或数据库，事先存有经过合理组织的大量数据，它要能及时响应来自终端的服务请求，进行信息的检索、存储、修改、更新、加工、删除、传送等功能，并在很短的时间内对用户做出正确回答。

这类系统的例子有情报检索、机票预订、银行业务、电话交换等。

实时系统不同于作业处理系统，这主要表现在作业处理系统是以作业为处理对象，而实时系统则以数据或信息为处理对象，它既不接收用户的作业，也没有“作业”或“道”的概念。

实时系统多为“专用系统”,它除了具有一般的资源管理功能外，主要包含着为完成特定实时任务而专门设计的应用程序。

系统的主要工作是及时响应外部事件，执行相应的应用程序，并做出及时应答。

实时系统有如下三个主要特点。

（1）及时晌应

由于实时系统接收的是来自现场的事件，对这种事件的响应时间直接影响到现场过程的控制质量或服务的质量。

因此，较之分时系统，实时系统对响应时间有更严格的要求，分时系统的响应时间是以通常人们能够接受的等待时间来确定的,而实时系统对响应时间的要求则是以被控过程或信息处理过程能够接受的延迟来确定的，可能是秒，也可能是毫秒级甚至微秒级。

（2）高可靠性

可靠性对实时系统极为重要，由于实时系统是在现场进行控制和处理，一旦发生错误或丢失信息往往会造成重大损失甚至导致灾难性的后果。

因此，实时系统往往具有容错管理功能，例如，过载保护、故障检测、系统重构。

一些重要的实时系统还常采用双机系统。

（3）简单的交互作用

由于实时系统大多是专用系统，故比起分时系统，其交互作用能力较差，它一般仅是针对待定的实时任务提供一些简短的操作命令，并且仅允许终端操作员访问有限数量的专用应用程序，而不能编写新的程序输入系统或修改现有程序。

实时系统主要配备在小型和微型计算机上。

批处理系统、分时系统和实时系统是操作系统的基本类型。

但一个实际系统往往兼有它们三者或其中两者的功能，这样的系统称之为多模式系统，它们具有更强的处理能力和更广泛的适用性。

例如,VAX11系列机上配备的VAX/VMS操作系统就是一个以分时、实时为主,兼有批处理功能的操作系统。

4．个人计算机操作系统

对于个人PC机操作系统大家并不陌生，许多人都用过磁盘操作系统和窗口操作系统。

（1）单用户操作系统

单用户操作系统主要有MS-DOS,OS/2,窗口XP等。

其特征是个人使用，界面友好，管理方便，适于普及。

（2）多用户操作系统

多用户操作系统最主要的是UNIX系统以及各种类UNIX系统。

多用户操作系统除了具有界面友好，管理方便和适于普及等特征外，还具有多用户使用，可移植性良好，功能强大，通信能力强等优点。

5．网络操作系统

计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互联起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。

它具有以下四个特点。

（1）计算机网络是一个直联的计算机系统的群体。

这些计算机系统在物理上是分散的,可在一个房间里、在一个单位里、在一个城市或几个城市里、甚至在全国或全球范围。

（2）这些计算机是自治的，每台计算机都有自己的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。

（3）系统互联要通过通信设施（硬件、软件）来实现。

（4）系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求。

互操作和协作处理是计算机应用中更高层次的要求特征，它需要有一个环境，支持互联网环境下的异种计算机系统之间的进程通信，实现协同工作和应用集成。

网络操作系统是基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、资源共亭、系统安全和各种网络应用服务。

其目标是互相通信及资源共享。

6．分布式操作系统

分布式系统有效地解决了地域分布很广的若干计算机系统间的资源共享/并行工作、信息传输和数据保护等问题。

其特征有如下四点。

（1）分布式处理：

就是资源、功能、任务及控制等都是分散在各个处理单元上的。

实际上，用户并不知道自己的程序是在哪台机器上运行，也不知道自己的文件是存放在什么地方。

（2）模块化结构：

是一组物理上分散的计算机站。

（3）利用信息通信：

利用共享的通信系统来传递信息。

（4）实施整体控制：

整个分布式系统有一个高层操作系统对各个分布的资源进行统一的整体控制。

所以，在用户看来，分布式系统就如同传统的单CPU系统，而实际上它由众多处理器组成，每一个处理机上都运行该操作系统的一个拷贝。

分布式操作系统所涉及的问题远远多于以往的操作系统，归纳起来具有以下五个特点。

（1）透明性：

使用户觉得此系统就是老式的单CPU分时系统。

（2）灵活性：

可根据用户需求，方便地对系统进行修改或扩充。

（3）可靠性：

若系统中某个机器不能工作，那么有另外的机器代替它。

（4）高性能：

执行速度快，响应及时，资源利用率高。

（5）可扩充性：

可根据使用环境的需要，方便地扩充或缩减规模。

3．1．4WindowsXP操作系统的操作

操作系统的操作通常有两种方式：

一种是命令方式；另一种是图形界面方式。

对于非计算机专业人员来说图形界面方式直观友好，不需要记忆复杂的命令格式就能轻松自如地使用操作系统，因而是操作系统使用的发展方向。

WindowsXP操作系统就是典型的图形界面操作方式。

1．登录与退出WindowsXP

所谓登录（也称注册）,就是用户要求进人自己的账户使用计算机。

如果WindowsXP安装后未进行用户设置，则系统是一个单用户的环境。

打开计算机电源,WindowsXP启动出现欢迎画面，若用户未设置密码，则自动进入WindowsXP的桌面。

如图3-2所示。

图3-2WindowsXP的桌面

如果WindowsXP安装后并进行了多用户的设置，则系统是一个多用户的环境，WindowsXP启动后进人欢迎画面，用户在欢迎画面上单击对应于自己账户的图标,若设置有密码的话,系统还将提示键人密码，这样用户将以合法的身份进人WindowsXP系统中，进行属于权限范围内的操作。

在多用户的环境下,每个用户具有一个属于自己的账户。

从系统的角度讲,账户有利于对不同用户的信息进行分别管理。

注销用户，当登录于系统的某用户所有的操作完成之后，若其他用户要使用机器,这时该用户可以选择“注销”用户的操作。

当用户完成所有操作不再使用计算机时,可以选择退出WindowsXP操作系统。

用鼠标单击屏幕左下角的“开始”按钮，选择“关闭计算机”命令，在出现的关闭计算机对话框上单击“关闭”按钮，在退出WindowsXP的同时关闭计算机。

2．桌面和任务栏

WindowsXP启动后的整个屏幕称为桌面，桌面下部的一条水平长条称为任务栏。

如图3-2所示。

桌面上除了WindowsXP固有的图标：

我的文档，我的电脑，网上邻居，回收站，InternetExplorer外，用户可以根据自己的爱好配置桌面上的内容，如创建各种应用程序的快捷方式、放置常用的文件或文件夹等。

任务栏包括“开始”按钮、“快速启动”工具栏、“正在执行的窗口”按钮、状态区域，时间等几个部分。

在缺省状态下，任务栏位于屏幕的底部，可根据需要用