软件与操作系统

孙栩信息科学技术学院xusun@pku.edu.cnhttp://xusun.org

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本节课的主要内容

计算机软件系统

系统软件

应用软件

操作系统概述

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一、计算机软件系统

1.1 软件及程序设计语言

软件是使用某种语言编写的可完成各种特定功能的程序

机器语言

汇编语言

高级语言

计算机硬件可直接识别的、最初级的语言

由汇编程序识别的语言，其源程序必须由汇编程序将其翻译成机器语言程序才能被执行

与计算机硬件无关，具有很好的通用性和可移植性。由相应的编译程序或解释程序支持。如Basic, C/C++, JAVA, ASP, C#...

计算机程序设计语言

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一、计算机软件系统

编译程序

解释程序

高级语言源程序 执行

解释程序

一次性把整个程序翻译成机器语言，并把翻译后的程序(目标

程序)保存在磁盘上，以备后用

将源代码逐句解释，边解释边执行

高级语言源程序 机器指令目标程序

编译程序

执行

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一、计算机软件系统

1.2 系统软件

系统软件

管理、监控、维护计算机硬件和软件资源并使之高效工作

包括操作系统、设备驱动程序、实用程序、高级程序设计

语言的编译、解释程序以及数据库管理系统等

应用软件

系统软件

硬 件

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一、计算机软件系统

设备驱动程序

用于控制设备与操作系统通迅

为方便用户使用，操作系统中往往包含了一些常用设备的

驱动程序（硬件兼容列表）

即插即用（plug and play, PnP）标准：支持该标准的设备

接口卡在安装时，计算机可自动检测和配置设备，并安装

适当的设备驱动程序

实用程序

操作系统的一种补充，为用户提供一些在计算机操作过程

中经常需要使用但未被操作系统所涵盖的功能，如：磁盘

格式化、分区、数据备份与恢复程序等

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一、计算机软件系统

1.3 应用软件

针对专门的应用或为解决特定问题而开发的软件。可根据

需要，在操作系统的基础上安装各种应用软件

典型的应用软件包括办公自动化软件、网络软件、媒体软

件、图像处理软件、游戏软件等

病毒查杀 BitDefender、卡巴斯基

通讯工具 微信、QQ、gtalk、skype

系统工具 WinRAR、7-zip、Daemon Tools

浏览器/邮件 IE、firefox、Chrome、360、foxmail

音频视频 Flash Player、RealPlayer、MediaPlayer

阅读/图像 Adobe Reader、Photoshop

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二、操作系统概述

2.1 什么是操作系统

操作系统（Operating System, OS）是计算机硬件和用户

（程序和人）之间的接口，它使得其他程序更加方便有效

地运行，并能方便地对计算机硬件和软件资源进行有效管

理和控制。是计算机中最基本的系统软件

操作系统担任：

- 用户与计算机硬件系统之间的接口

- 计算机系统资源的管理者

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二、操作系统概述

操作系统为其他程序提供支持

- 例如，负责把其他程序装入内存

系统启动

- 必须把OS装载到内存后，计算机才可以执行读写或计算操作

- 计算机必须具备自举能力将自己所有的元件激活，以便能完成

加载操作系统这一目的

- 自举（引导）过程：在主板的ROM中固化了BIOS，当计算机

被加电时，CPU的程序计数器被设置为这个ROM的开始处，

该程序的唯一职责是把操作系统本身（需要启动计算机的那部

分）装入RAM内存

[之前还需进行硬件自检]

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二、操作系统概述

2.2 操作系统的发展历程

操作系统是随着计算机硬件技术的发展而发展的

1. 手工操作阶段

- 基本采用人工操作，用户独占计算机、CPU等待人工操作

- CPU经常处于空闲状态（人机矛盾）

2. 单道批处理操作系统 (Batch Operating System)

- 只保证计算机的所有资源被从一个作业转换到另一个作业

- 用户与作业之间不具有交互性

每个要运行的程序叫做一个作业

- 仍然不能很好地利用系

统资源（I/O速度远远慢于

CPU的速度）

等待执行程序A

程序B

程序C

时间t

等待

等待

I/O

执行

执行

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二、操作系统概述

3. 多道批处理操作系统

- 多个程序同时加载到计算机内存中。OS需要能够在多个作业之

间进行切换，并管理多个I/O。同时还要保护一个进程不受另

一个进程干扰

- 允许用户在一个单用户计算机上实现多任务处理

进程：在内存中等待分配资源的程序

CPU和I/O的并发[并行处理]

等待执行

时间t

等待

等待

程序A

程序B

程序C 执行

执行

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二、操作系统概述

4. 分时操作系统 (Time-sharing Operating Systems)

- 多用户终过终端交互地运行程序，在所有连接的终端用户之间

进行分时。分给每个人有限的时间，只要时间到了就切换进程

（时间片轮转）

- 因为计算机运行速度很快，所以分时系统对于用户是隐藏的，

每个用户都感觉整个系统在为自己服务，好像独立使用计算机

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二、操作系统概述

5. 操作系统的进一步发展

实时操作系统

- 能够及时响应高优先级的任务，不会有较长的延时

通用操作系统

- 同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或者其中两种

以上功能的操作系统

网络操作系统

- 在通用操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能

嵌入式操作系统

- 运行在嵌入式芯片中，对整个智能芯片及它所操作、控制的各

种资源进行统一协调、处理和控制

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二、操作系统概述

2.3 常见操作系统

DOS

命令行界面，单用户、单任务

早期的磁盘操作系统，目前已不再单独使用

MS-DOS集成在Windows中

- 命令行提示符

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二、操作系统概述

Windows

1985年：windows 1.0 是微软第一次对个人电脑操作平台进行用户图形界面的尝试

(Graphical User Interface, GUI)

需要更强的计算能力，更多的内存和更灵活的表现

单用户、多任务，图形界面

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二、操作系统概述

微软公司windows操作系统产品线

1985

1.0

1995

95

2001

XP

1987

2.0

1998

98

1990

3.0

2000

ME

2015

win10

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2009

win7

二、操作系统概述

2015年至今：Windows 10

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二、操作系统概述

类UNIX（UNIX-like）家族

UNIX于1969年诞生于贝尔实验室

派生系统

Linux

Macintosh OS X

多用户、多任务

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二、操作系统概述

2.4 操作系统的主要功能

用户接口

CPU的控制与管理 文件的控制与管理

外部设备的分配与管理

内存的分配与管理

操作系统

用于接收用户（进程）的输入

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二、操作系统概述

CPU管理

CPU在同一时间只能执行一条指令。当多个用户程序请求处理器服

务时，OS要合理高效地安排不同程序之间的运行

内存分配与管理

在多道程序下，同一时刻可以装入多个程序，操作系统决定如何

分配使用存储器，以及进行存储保护

虚拟内存技术——由于CPU同一时间只能执行一条指令，因而也就

不需要把整个程序都存储在内存中，虚拟内存只需随时把马上要

用到的程序部分调入内存，其余的则可以留在磁盘上

不需要的模块移至

虚拟内存需要的模块移至主内存

虚拟内存和交换 23

二、操作系统概述

设备管理

操作系统要有序、高效地管理各种输入/输出设备，负责完成主机

与外设之间的信息交换

文件管理

系统中的信息资源(如程序和数据)是以文件的形式存放在外存上

的，需要时再把它们装入内存

操作系统将文件组织为文件系统，以控制对

文件的访问，使得用户和程序可以很方便地

在硬盘等外存储器上创建、移动、重命名或

删除文件等

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二、操作系统概述

不同的OS应用不同的文件系统，如NTFS、FAT16、FAT32

[Windows]; Ext3、Ext4 [Linux]; HFS[Mac]

一个文件系统的首要工作是维持簇列表并跟踪哪些簇是空的，哪

些存储数据。这些信息存储在一个专用文件里，称为文件分配表

(File Allocation Table, FAT)

删除文件时：把文件所在簇的状态置为“空”并从FAT中删除文

件名

文件的标识是由路径、文件名和扩展名组成的，如

c:\user\student\exam.txt

文件的扩展名表示文件的类型

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二、操作系统概述

常用的文件格式及其扩展名

可能使用的图标 扩展名 文件类型

exe 可执行文件

txt 文本文档文件

doc word文档文件

xls Excel文件

ppt、pps Powerpoint文件

zip、rar 压缩文件

bak 备份文件

htm、html HTML网页文件

jpeg、bmp 图片文件

wav、mp3 声音文件

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二、操作系统概述

文件夹：是文档、应用程序等

的分组表示。一个文件夹中可

以包含文件，也可以包含另外

的文件夹[树状结构]

绝对路径/相对路径

系统文件夹：存放操作系统主要文件的文件夹，一般在安装操

作系统过程中自动创建并将相关文件放在对应的文件夹中，这

里面的文件直接影响系统的正常运行

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