1、大学计算机基础教程高守平 第二版第2章 操作系统基础第二章 操作系统基础大学计算机基础教程操作系统基础操作系统是最重要的计算机系统软件，计算机发展到今天，从微型机到高性能计算机，无一例外都配置了一种或多种操作系统，操作系统已经成为现代计算机系统不可分割的重要组成部分。本章主要内容包括：操作系统的基本概念和主要功能；中文Windows7操作系统的基本操作、文件管理、系统管理等。2.1 操作系统概述计算机系统由硬件和软件两部分组成，操作系统(Operating System，OS)是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。它在计算机系统中占据了特别重要的地位，而其他的诸如汇编程序、
2、编译程序、数据库管理系统等系统软件，以及大量的应用软件，将都依赖于操作系统的支持，取得它的服务。操作系统已成为现代计算机系统（大、中、小及微型机）中都必须配置的软件。2.1.1操作系统的基本概念操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源，为用户提供便捷使用计算机的程序的集合。它是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件功能的扩充。操作系统在计算机中具有极其重要的地位，它不仅是硬件与其他软件的接口，也是用户和计算机之间进行“交流”的界面。操作系统在计算机系统中特别重要，汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件，以及大量的应用软件，都依赖于操作系统的支持，取得它的服务。操作系统已成为现代计算机系
3、统中必须配置的软件。没有安装软件的计算机称为裸机，而裸机无法进行任何工作；它不能从键盘、鼠标接收信息和操作命令，也不能在显示器屏幕上显示信息，更不能运行可以实现各种操作的应用程序。图2-1给出了操作系统与计算机软件、硬件的层次关系。图2-1操作系统与计算机软件和硬件的层次关系2.1.2操作系统的功能操作系统通过内部极其复杂的综合处理，为用户提供友好、便捷的操作界面，以便用户无需了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能方便地使用计算机。操作系统的主要任务是有效管理系统资源、提供友好便捷的用户接口。为实现其主要任务，操作系统具有以下五大功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件系统管理和接口管理。
4、 1. 处理机管理在多道程序系统中，由于存在多个程序共享系统资源，就必然会引发对处理机（CPU）的争夺。如何有效地利用处理机资源，如何在多个请求处理机的进程中选择取舍，就是进程调度要解决的问题。处理机是计算机中宝贵的资源，能否提高处理机的利用率，改善系统性能，在很大程度上取决于调度算法的好坏。因此，进程调度成为操作系统的核心。在操作系统中负责进程调度的程序称为进程调度程序。 2. 存储器管理存储器（内存）管理的主要工作是：为每个用户程序分配内存，以保证系统及各用户程序的存储区互不冲突；内存中有多个系统或用户程序在运行，但要保证这些程序的运行不会有意或无意地破坏别的程序的运行；当某个用户程序的运
5、行导致系统提供的内存不足时，如何把内存与外存结合起来使用、管理，给用户提供一个比实际内存大得多的虚拟内存，而使程序能顺利地执行，这便是内存扩充要完成的任务。为此，存储的管理应包括内存分配、地址映射、内存保护和扩充。 3. 文件系统管理在操作系统中，负责管理和存取文件信息的部分称为文件系统或信息管理系统。在文件系统的管理下，用户可以按照文件名访问文件，而不必考虑各种外存储器的差异，不必了解文件在外存储器上的具体物理位置以及如何存放。文件系统为用户提供了一个简单、统一的访问文件的方法，因此它也被称为用户与外存储器的接口。 4. 设备管理每台计算机都配置了很多外部设备，它们的性能和操作方式都不一样，
6、操作系统的设备管理就是负责对设备进行有效的管理。设备管理的主要任务是方便用户使用外部设备，提高CPU和设备的利用率。 5. 操作系统接口为了方便用户使用操作系统，操作系统又向用户提供了“用户与操作系统的接口”。该接口通常是以命令或系统调用的形式呈现在用户面前的，前者提供给用户在键盘终端上使用；后者提供给用户在编程时使用。2.1.3操作系统的分类 对操作系统进行严格的分类是困难的。早期的操作系统，按用户使用的操作环境和功能特征的不同，可分为3种基本类型：批处理系统、分时系统和实时系统。随着计算机体系结构的发展，又出现了嵌入式操作系统、分布式操作系统和网络操作系统。 1. 批处理系统批处理系统的突
7、出特征是“批量”处理，它把提高系统处理能力作为主要设计目标。它的主要特点是：用户脱机使用计算机，操作方便；成批处理，提高了CPU利用率。它的缺点是无交互性，即用户一旦将程序提交给系统后就失去了对它的控制能力，使用户感到不方便。例如，VAX/VMS是一种多用户、实时、分时和批处理的多道程序操作系统。目前这种早期的操作系统已经被淘汰。 2. 分时系统分时系统是指多用户通过终端共享一台主机CPU的工作方式。为使一个CPU为多道程序服务，将CPU划分为很小的时间片，采用循环轮转方式将这些CPU时间片分配给队列中等待处理的每个程序，由于时间片划分得很短，循环执行得很快，使得每个程序都能得到CPU的响应，
8、好像在独享CPU。分时操作系统的主要特点是允许多个用户同时运行多个程序；每个程序都是独立操作、独立运行、互不干涉。现代通用操作系统中都采用了分时处理技术，如图2-2所示，Windows，Linux，Mac OS X等，都是分时操作系统。图2-2苹果计算机Mac OS X操作系统和Linux操作系统桌面 3. 实时操作系统实时操作系统是指当外界事件或数据产生时，能够快速接收并以足够快的速度予以处理，处理结果能在规定时间之内完成，并且控制所有实时设备和实时任务协调一致地运行的操作系统。实时操作系统通常是具有特殊用途的专用系统。实时控制系统实质上是过程控制系统，例如，通过计算机对飞行器、导弹发射过程
9、的自动控制，计算机应及时将测量系统测得的数据进行加工，并输出结果，对目标进行跟踪或向操作人员显示运行情况。在工业控制领域，早期常用的实时操作系统主要有VxWorks，QNX等，目前的操作系统（如Linux，Windows等）经过一定改变后（定制），都可以改造成实时操作系统。 4. 嵌入式操作系统近年来各种掌上型数码产品（如数码相机、智能手机、平板微机等）成为一种日常应用潮流。除以上电子产品外，还有更多的嵌入式系统隐身在不为人知的角落，从家庭用品的电子钟表、电子体温计、电子翻译词典、电冰箱、电视机等，到办公自动化的复印机、打印机、空调、门禁系统等，甚至是公路上的红绿灯控制器、飞机中的飞行控制系统
10、、卫星自动定位和导航设备、汽车燃油控制系统、医院中的医疗器材、工厂中的自动化机械等、嵌入式系统已经成为我们日常生活中不可缺少的一部分。根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。从中可看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，与应用结合紧密，具有很强的专用性。绝大部分智能电子产品都必须安装嵌入式操作系统。嵌入式操作系统运行在嵌入式环境中，它对电子设备的各种软硬件资源进行统一协调、调度和控制。嵌入式操作系统从应用角度可分为通用型和专用型。如图2-3所示，常见的通用型嵌入式操作系统有Linux，VxWorks，Windows CE，QNX
11、，Nucleus Plus等；常用的专用型嵌入式操作系统有Android（安卓），Symbian（塞班）等。图2-3常见嵌入式操作系统工作界面嵌入式操作系统具有以下特点：1 系统内核小。嵌入式系统一般应用于小型电子设备，系统资源相对有限，所以系统内核比其他操作系统要小得多。例如Enea公司的OSE嵌入式操作系统内核只有5KB。2 专用性强。嵌入式操作系统与硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中，也需要根据硬件的变化对系统进行修改。3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，要求功能设计及实现上不要过于复杂，这样一方面利于控制成本，同时
12、也利于实现系统安全。4 高实时性。嵌入式系统的软件一般采用固态存储（集成电路芯片），以提高运行速度。5. 网络操作系统网络操作系统是基于计算机网络的操作系统，它的功能包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。网络操作系统的目标是用户可以突破地理条件的限制，方便地使用远程计算机资源，实现网络环境下计算机之间的通信和资源共享。例如，Windows Server，Linux，FreeBSD等，都是一种网络操作系统。 6. 分布式操作系统分布式操作系统是指通过网络将大量计算机连接在一起，以获取极高的运算能力、广泛的数据共享以及实现分散资源管理等功能为目的的一种操作系统。目前还没有一个成功的商业
13、化分布式操作系统软件，学术研究的分布式操作系统有Amoeba，Mach，Chorus和DCE等。Amoeba是一个高性能的微内核分布式操作系统，可在因特网上免费下载，它可以用于教学和研究。分布式操作系统与个人计算机操作系统有以下不同点：数据共享（允许多个用户访问一个公共数据库）；设备共享（允许多个用户共享昂贵的计算机设备）；通信（计算机之间通信更加容易）；灵活性（用最有效的方式将工作分配到可用的机器中）。分布式操作系统也存在以下缺点：目前为分布式操作系统而开发的软件还极少；分布式操作系统的大量数据需要通过网络进行传输，这会导致网络可能因为饱和而引起拥塞；分布式操作系统容易造成对保密数据的访问。
14、2.1.4进程管理在早期的计算机系统中，一旦某个程序开始运行，它就占用了整个系统的所有资源，直到该程序运行结束，这就是所谓的单道程序系统。在单道程序系统中，任一时刻只允许一个程序在系统中执行，正在执行的程序控制了整个系统资源，一个程序执行结束后才能执行下一个程序。因此，系统的资源利用率不高，大量的资源在许多时间内处于闲置状态。例如，图2-4所示是单道程序系统中CPU依次运行3个程序的情况：首先程序A被加载到系统内执行，执行结束后再加载程序B执行，最后加载程序C执行，这3个程序不能交替运行。 图2-4单道程序系统中程序的执行图 2-5多道程序系统中程序片段的执行 1. 多道程序的执行 为了提高系
15、统资源的利用率，现在的操作系统都允许同时有多个程序被加载到内存中执行，这样的操作系统称为多道程序系统。从宏观上看，系统中多个程序同时在执行，但从微观上来看，任一时刻（时间片段）仅能执行一个程序的片段，系统中各个程序片段交替执行。由于系统中同时有多道程序在运行，它们共享系统资源（如CPU、内存等），提高了系统资源的利用率。但是操作系统必须承担资源管理的任务，操作系统必须对处理机（CPU）、内存等系统资源进行管理。如图2-5所示，3个程序的分为不同的程序片段在CPU中交替运行。程序A的程序片段执行结束后，就放弃CPU资源，让其他程序片段执行；程序C的程序片段结束后，将CPU资源让给程序A的片段，这
16、样，3个程序就可以交替运行。 2. 进程的特征进程是一个具有独立功能的程序对数据集的一次执行。简单地说，进程就是程序的运行状态。进程具有以下特征。1 动态性。进程是一个动态活动，这种活动的属性随时间而变化。进程由操作系统创建、调度和执行，进程可以等待、执行、撤销和结束，进程与计算机运行有关，计算机关机后，所有进程都会结束；而程序一旦编制成功，不会因为关机而消失。2 并发性。在操作系统中，同时有多个进程在活动。进程的并发性提高了计算机系统资源的利用率。例如，一个程序能同时与多个进程有关联。如图2-6所示，用IE浏览器程序打开多个网页时，只有一个IE浏览器程序，但是每个打开的网页都拥有自己的进程，
17、每个网页的数据对应于各自的进程，这样就不会出现网页数据显示混乱了。图2-6程序与进程之间关系3 独立性。进程是一个能够独立运行的基本单位，也是系统资源分配和调度的基本单位。进程获得资源后才能执行，失去资源后暂停执行。异步性。多个进程之间按各自独立的、不可预知的速度生存。也就是说，进程是按异步方式运行的。一个进程什么时候被分配到CPU上执行，进程在什么时间结束等，都是不可预知的，操作系统负责各个进程之间的协调运行。例如，用户会突然关闭正在播放的视频，而导致视频播放进程突然结束，其他进程的执行顺序也会做相应的改变。 3. 进程的状态和转换如图2-7所示，进程有3种基本状态：就绪、执行和阻塞。图2-
18、7进程的状态和转换1 就绪状态。进程获得了除CPU之外的所有资源，做好了执行准备时，就可以进入就绪状态排队，一旦得到了CPU资源，进程便立即执行，即由就绪状态转换到执行状态。 2 执行状态。进程进入执行状态后，在CPU中执行进程。每个进程在CPU中的执行时间很短，一般为几十个纳秒，这个时间称为时间片，时间片由CPU分配和控制。在单CPU系统中，只能有一个进程处于执行状态，在多核CPU系统中，则可能有多个进程处于同时执行状态（在不同CPU内核中执行）。如果进程在CPU中执行结束，不需要再次执行时，则进程进入结束状态；如果进程还没有结束，则进入阻塞状态。阻塞状态。进程执行中，由于时间片已经用完，或
19、进程因等待某个数据或事件而暂停执行时，进程进入阻塞状态（也称为等待状态），当进程等待的数据或事件已经准备好时，进程再进入就绪状态。 4. Windows操作系统中进程的运行状态在Windows7环境下，将鼠标移动到“任务栏”右击，单击“启动任务管理器”菜单，如图2-6所示，可以观察到程序和进程的运行情况。2.2 Windows7操作系统Windows是由Microsoft公司开发的一种具有图形用户界面的操作系统，是目前世界上最为成熟和流行的操作系统之一。本节将介绍Windows7的常用的基本功能和实用性的简单操作。2.2.1 Windows7基本操作在计算机中安装Window7后就可以登录到W
20、indow7进行各种操作了。 1. 熟悉桌面及其桌面图标 桌面是打开计算机并登录到Windows7之后看到的主屏幕区域，用于显示屏幕工作区域上的窗口、图标、菜单和对话框。Windows桌面主要有图标、任务栏和桌面背景等几个部分组成。如图2-8所示。图2-8桌面及桌面元素（1） 桌面图标及使用图标由图片和文字组成，是代表文件、文件夹、程序和其他项目的软件标识，文字描述图片所代表的对象，这些对象代表一个文件、文件夹程序、网页或命令等。图2-9桌面图标示例首次启动Windows7时，在桌面上至少有“回收站”图标。图2-9显示了一些桌面图标的示例。图标有助于用户快速执行命令和打开程序文件。双击图标可以
21、启动对应的应用程序、打开文档、文件夹；右键单击图标可以打开对象的属性操作菜单（快捷菜单）。（2） 管理桌面图标将图标放在桌面上可以快速访问经常使用的程序、文件和文件夹，但过多的桌面图标也会使得桌面显得凌乱而影响工作效率。 添加或删除系统图标用户可以选择要显示在桌面上的图标；也可以随时添加或删除桌面上的图标。桌面系统图标包括“计算机”、个人文件夹、“回收站”和“网络”。将它们添加到桌面的步骤如下：1 右键单击桌面上的空白区域打开快捷菜单，然后单击“个性化”菜单项，打开“个性化”窗口如图2-10所示。图2-10“个性化”窗口2 在“个性化”窗口左窗格中，单击【更改桌面图标】，打开“桌面图标设置”对
22、话框如图2-11所示。图2-11“桌面图标设置”对话框在“桌面图标”页面中，选中想要添加到桌面的图标的复选框，或清除想要从桌面上删除的图标的复选框，然后单击【确定】按钮。 添加其他快捷方式如果想要从桌面上轻松访问偏好的文件或程序，可创建它们的快捷方式。快捷方式是一个表示与某个项目链接的图标，而不是项目本身。双击快捷方式便可以打开该项目。如果删除快捷方式，则只会删除这个快捷方式，而不会删除原始项目。可以通过图标上的箭头来识别快捷方式，如图2-12所示。图2-12原始项目图标与快捷方式图标除了常用的系统图标之外，用户会有一些常用的程序或文件，如视频播放器、常玩的游戏等，可将它们的快捷方式添加到桌面
23、，具体方法如下：1 找到要为其创建快捷方式的项目（程序或文件等）。 右键单击该项目打开快捷菜单，依次单击“发送到|桌面快捷方式”菜单项。该快捷方式图标便出现在桌面上。 将文件夹中的文件移动到桌面上1 打开包含该文件的文件夹。 将该文件拖动到桌面上。 从桌面上删除图标1 右键单击该图标。2 在快捷菜单中单击“删除”菜单项。如果该图标是快捷方式，则只会删除该快捷方式，原始项目不会被删除。 排列桌面图标Windows将图标排列在桌面左侧的列中并将其锁定在此位置。若要对图标解除锁定以便可以移动并重新排列它们，右键单击桌面上的空白区域，然后在快捷菜单中单击“查看|自动排列图标”菜单项。若“自动排列图标”
24、菜单项前有选择标记“”，则表示由系统自动排列图标，否则用户可以拖动图标以便移动它们的位置。右键单击桌面上的空白区域，然后在快捷菜单中单击“排序方式”菜单项，可选择图标的排列准则。 选择多个图标若要一次移动或删除多个图标，必须首先选中这些图标。操作如下：1 单击桌面上的空白区域并拖动鼠标，用出现的矩形框包围要选择的图标，然后释放鼠标按钮，如图2-13所示。 可以将这些被框选的图标作为一组来拖动或删除它们。 隐藏桌面图标 如果想要临时隐藏所有桌面图标，而实际并不删除它们，可右键单击桌面上的空白部分，单击“查看|显示桌面图标”菜单项，以从该菜单项中清除复选标记，此时桌面上不再显示任何图标。可以通过再
25、次单击“显示桌面项” 图2-13框选多个图标来显示图标。 2. 任务栏及其基本操作任务栏是位于屏幕底部的水平长条。与桌面不同的是，桌面可以被打开的窗口覆盖，而任务栏几乎始终可见。任务栏提供了整理所有窗口的方式，每个窗口都在任务栏上具有相应的按钮，任务栏有4个主要部分，如图2-14所示：图2-14任务栏有4个主要部分第1部分仅包含【开始】按钮，用于打开“开始”菜单。第2部分即中间部分，显示已打开的程序和文件的图标，单击这些图标可以快速切换当前窗口。第3部分是通知区域，包括时钟以及一些告知特定程序和计算机设置状态的图标（小图片）。第4部分仅包含【显示桌面】按钮，单击该按钮可立即显示桌面。（1）跟踪
26、窗口用户可以利用任务栏的中间部分跟踪窗口。如果一次打开多个程序或文件，则这些打开的窗口将快速堆叠在桌面上。由于窗口经常相互覆盖或者占据整个屏幕，因此有时很难看到下面的其他内容，或者不记得已经打开的内容。这种情况下使用任务栏会很方便。无论何时打开程序、文件夹或文件，Windows都会在任务栏上创建对应的按钮。按钮会显示为已打开程序的图标。如图2-15所示，打开了“计算器”和“扫雷”两个程序，每个程序在任务栏上都有自己的按钮。其中“计算器”的任务栏按钮是高亮突出显示的，这表示“计算器”是“活动”窗口，意味着它位于其他打开窗口的前面（即当前窗口），可以与用户进行交互。若要切换到另一个窗口，可单击它的
27、任务栏按钮。在本示例中，单击“扫雷”的任务栏按钮会使其窗口位于前面，如图2-16所示。 图2-15打开的程序及任务栏上的相应的按钮 图2-16单击任务栏按钮切换活动窗口（2） 最小化窗口和还原窗口当窗口处于活动状态（即窗口是当前窗口，且突出显示其任务栏按钮）时，单击其任务栏按钮会“最小化”该窗口。这意味着该窗口从桌面上消失。最小化窗口并不是将其关闭或删除其内容，只是暂时将其从桌面上删除。如图2-17所示，“计算器”被最小化，但是没有关闭。可以说它仍然在运行，因为它在任务栏上有一个按钮。若要还原已最小化的窗口（使其再次显示在桌面上），可单击其任务栏按钮。图2-17最小化“计算器”仅使其任务栏按钮
28、可见也可以通过单击位于窗口右上角的相应按钮来设置窗口显示大小。图2-18所示为窗体右上角的3个按钮，依次为【最小化】、【最大化】/【还原】和【关闭】按钮。图2-18窗口右上角的按钮（3） 查看所打开窗口的预览将鼠标指针移向任务栏按钮时，会出现一个小图片，上面显示缩小版的相应窗口，称为“预览”或“缩略图”。此预览非常有用。如果其中一个窗口正在播放视频或动画，则会在预览中看到它正在播放（仅当Aero可在用户的计算机上运行且在运行Windows主题时，才可以查看缩略图）。如图2-19所示为任务栏“资源管理器”按钮的缩略图，其中第3个缩略图是正在进行中的文件复制。图2-19任务栏按钮的缩略图（4） 通
29、知区域通知区域位于任务栏的右侧，包括一个时钟和一组图标。它的外观如图2-14所示。这些图标表示计算机上某程序的状态，或提供访问特定设置的途径。通知区域所显示的图标集取决于已安装的程序或服务，以及计算机制造商设置计算机的方式。在图中从左至右图标依次为输入法（搜狗五笔）、显示隐藏的图标、网络认证客户端、QQ、网络、音量和日期/时间，最右边还有一个【显示桌面】按钮。将指针移向特定图标时，会看到该图标的名称或某个设置的状态。例如，指向音量图标将显示计算机的当前音量级别。指向网络图标将显示有关是否连接到网络、连接速度以及信号强度的信息。单击通知区域中的图标通常会打开与其相关的程序或设置。例如，单击音量图
30、标会打开音量控件。单击网络图标会打开“网络和共享中心”。有时，通知区域中的图标会显示小的弹出面板（称为通知），向用户通知某些信息。例如，向计算机添加新的硬件设备之后，可能会看到相应通知面板，单击消息面板右上角的【关闭】按钮可关闭该通知。如果没有执行任何操作，则几秒钟之后，通知会自行消失。为了减少混乱，如果在一段时间内没有使用图标，Windows会将其隐藏在通知区域中。如果图标变为隐藏，则单击【显示隐藏的图标】按钮可临时显示隐藏的图标，如图2-20所示。图2-20任务栏的通知区域（5） 自定义任务栏有很多方法可以自定义任务栏来满足用户个性化的偏好。例如，可以将整个任务栏移向屏幕的左边、右边或上边
31、；可以使任务栏变大；可以让Windows在用户不使用任务栏的时候自动将其隐藏；也可以在任务栏添加工具栏。 锁定任务栏/解除任务栏锁定锁定任务栏可帮助防止无意中移动任务栏或调整任务栏大小。具体方法如下：1 右键单击任务栏上的空白空间打开快捷菜单。 单击“锁定任务栏”菜单项，以便选择或取消复选标记。 移动任务栏任务栏通常位于桌面的底部，但可以将其移动到桌面的两侧或顶部（未锁定时）。具体方法如下：1 解除任务栏锁定。2 左键单击并拖动任务栏上的空白空间到桌面的四个边缘之一。 当任务栏出现在所需的位置时，释放鼠标按钮。 更改图标在任务栏上的显示方式可以自定义任务栏，包括图标的外观以及打开多个项目时这些项目组合在一起的方式。具体方法如下：1 右键单击任务栏空白处打开快捷菜单。2 单击“属性”菜单项，打开“任务栏和开始菜单属性”窗口，如图2-21所示。图2-21“任务栏和开始菜单属性”的窗口3 在“任务栏外观”栏下，从“任务栏按钮”列表中选择一个选项： 从不合并。任务栏显示效果将如图2-22所示。图2-22“从不合并”设置将每个项目显示为一个有标签的图标 始终合并、隐藏标签。任务栏显示效果将如图2-23所示。图2-23“始终合并、隐藏标签”设置将每个程序显示为一个无标签的图标这是默认设置。每个程序显示为一个无标签的图标，即使当打开某个程序的多个项目时也是如此。
