第5章 计算机软件系统组成
计算机硬件系统由大量的、复杂的、特性各异的物理器件组成。这个庞大的军团由谁指挥？用户发出的命令由谁去完成？应用程序提出的请求由谁去实现？计算机中繁杂的数据由谁去管理？用户如何与计算机交流？这些都由计算机系统中一种非常重要的系统软件——操作系统来完成。操作系统是计算机系统中各种资源的管理者，是计算机系统中各种活动的组织者和指挥者。通过本章的学习，我们将了解计算机的软件系统及其组成，重点了解操作系统的基本概念、主要功能，并从用户使用的角度了解操作系统的用户接口。
5.1 计算机软件系统概述 5.1.1 计算机系统
现代计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的。硬件系统由各种机械的、电子的、光的、磁的部件，包括中央处理器、存储器、输入和输出子系统等构成，是整个计算机系统赖以工作的物理实体；软件系统是各种程序、数据和相关文档的集合，是保证整个计算机系统有效协调工作的逻辑产品。
纯硬件的、无任何软件支持的计算机称为“裸机”。裸机是计算机系统的物质基础，没有硬件就不能执行各种指令和操作，软件中的各种思想就无法贯彻和执行，软件也就失去了作用；而没有软件，硬件也将无法发挥其能力，就像一支有着现代化的装备但却无人指挥的部队。因此，硬件和软件相互依赖，二者的有机结合方构成了完整的计算机系统。
软件系统分为系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、各种语言的编译系统、数据库管理系统和网络管理软件等。应用软件是为各种应用目的而编制的各种软件。
在计算机系统中，硬件处于整个系统的最底层，硬件系统的外围是软件系统。而软件本身也是相当丰富的。系统软件在应用软件的内层，负责支持其他软件的工作，应用软件在系统软件的外围，它一方面为用户服务，另一方面必须在系统软件的支持下方能完成各项工作。计算机硬件和软件共同合作，为用户和程序提供了良好的工作环境。整个计算机系统可分为硬件层、操作系统层、应用软件层和用户层。
5.1.2 系统软件
系统软件是为整个计算机系统配置的、保障计算机系统正常运行的、与特定应用领域无关的通用软件。在系统软件中，操作系统处于核心地位，负责整个计算机系统的管理和控制，是其他系统软件和应用软件的基础。它直接与计算机硬件相接，与硬件的关系最为密切。
操作系统是计算机系统中的第一层软件，它位于所有软件的最内层，负责所有硬件的管理，使硬件在操作系统的控制下正常、高效地工作；而其他软件都在操作系统的支持下有条不紊地工作；操作系统为其他软件提供了一个良好的运行环境。操作系统是整个系统的中枢
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神经和控制中心，是整个计算机系统不可缺少的系统软件。
5.1.2.1 操作系统
1．操作系统的定义
操作系统是一组程序的集合，它直接管理和控制计算机的硬件和软件资源，是计算机系统中最基本的软件。所有其他软件都是以操作系统为基础的。操作系统主要实现如下任务。
① 管理计算机系统中的全部软件和硬件资源。
② 为用户使用计算机提供方便、友好、人性化的接口。 ③ 最大限度地发挥整个计算机系统的效率。
操作系统是用来控制和管理计算机的硬、软件资源，合理地组织计算机流程，并方便用户高效地使用计算机的各种程序的集合，是计算机系统必备系统软件，是用户与硬件的桥梁。
2．操作系统的分类
在操作系统的形成过程中，逐渐发展形成了以下几种操作系统。 (1) 单用户操作系统
采用单用户操作系统的计算机系统在某个时间内只为一个用户服务，该用户独占整个系统资源。它又可分为单用户单任务操作系统(如DOS操作系统)和单用户多任务操作系统(如Windows操作系统)，适合于个人计算机。
(2) 批处理操作系统
批处理操作系统将用户提交的作业成批地送入计算机，组成一个后备作业队列，然后由作业调度选择适当的作业运行。在计算机系统中，多个作业同时存在，中央处理器轮流地执行各个作业。只要调度得当、搭配合理，这种操作系统可以极大地提高系统的吞吐量和资源的利用率，主要应用在较大的计算机系统中。
(3) 分时操作系统
分时操作系统可以为多个终端用户提供服务，且保证各个终端用户都可以与计算机主机进行交互。其采用时间片轮转调度策略，中央处理器将其时间合理地划分为若干个较小的时间片段，一台主机可挂多个终端，每个终端用户每次可以使用其中的一个时间片。中央处理器轮流为各个终端用户服务，如果此用户的任务在一个时间片内没有完成，则等到下一轮，从而实现了多个用户分时轮流使用一台计算机系统，大大提高了计算机系统的效率(如Unix操作系统)。分时操作系统具有多路性、交互性等特征。
(4) 实时操作系统
实时操作系统能够对外部随机出现的信息以足够快的速度进行响应和处理，并在规定的时间内作出反应。该操作系统主要用于实时控制，一般是为专用机设计的。实时操作系统按其使用方式的不同可分为以下两种：
① 实时控制系统 实时控制系统是以计算机系统为中心的过程控制系统。这种操作系统可以通过各种传感器对现场数据进行实时采集，以尽可能快的速度对数据进行及时的分析和处理，并做出决策，进而产生反馈信号，利用反馈信号实现过程的自动控制。实时控制系统一般为专用的，其交互性能较差，但对响应时间的要求非常高。
② 实时信息处理系统 实时信息处理系统是一台或多台主机通过通信线路与成千上万
72大学计算机基础 个远程终端相连，计算机系统接收远程终端发出的服务请求，根据请求服务的性质对信息进行检索和处理，并对用户的问题作出回答。此类系统须保证数据库的实时性、真实性、可靠性，广泛使用在订票系统、银行交易系统、情报检索系统、学籍管理系统等一类实时系统中。
(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，要同时为本机用户和网络用户使用本机资源提供服务。网络操作系统负责管理网络资源，将计算机网络中的各台计算机有机地联合起来，以实现网上各计算机之间的数据通信和资源共享，同时还需要解决网络传输中遇到的各种问题，解决网络上的各种冲突等。
(6) 分布式操作系统
分布式操作系统可通过网络将大量的计算机连接在一起，并将一个任务分解为若干个可以并行执行的子任务后分布到网络中的不同的计算机上并行执行，使系统中的各台计算机相互协作完成一个任务，以充分利用网上计算机的资源优势，并获取极高的运算能力。分布式操作系统则负责整个系统的资源管理、任务的划分、信息的传输，并为用户提供一个统一的界面和接口。分布式操作系统已成为当今操作系统发展的一个重要方向。
5.1.2.2 各种语言的编译和解释系统
利用计算机解决特定问题，用户必须使用计算机语言编写程序，并将程序输入计算机内部，计算机通过执行用户的程序方能实现程序规定的功能。但计算机硬件只能识别和执行机器语言书写的指令，为了让用汇编语言或高级语言编写的程序能在计算机上执行，就必须为它配备“翻译”，这就是程序设计语言的翻译系统。
程序设计语言的翻译系统是一种软件，它能将某一种语言编写的程序翻译成与其等价的另一种计算机可以直接执行的目标语言的程序。使用源语言编写的程序称为源程序，使用目标语言编写的程序称为目标程序。源程序是程序设计语言翻译系统加工的“原材料”，而目标语言编写的程序是程序设计语言翻译系统加工的“最终产品”。不同的程序设计语言需要有不同的程序设计语言翻译系统。翻译程序是现代计算机系统的基本组成部分之一。
程序设计语言翻译系统可以分为3种：汇编语言翻译系统、高级语言源程序编译系统和高级语言源程序解释系统。它们的区别主要体现在它们生成机器代码的过程。
1．汇编语言翻译系统
汇编语言是由帮助记忆的符号组成的语言，与机器语言形成一一对应的关系，即一条汇编语言的指令对应于一条机器语言的指令。汇编语言翻译系统的主要功能是将用汇编语言书写的程序翻译成用二进制0、1表示的等价的、计算机可以执行的机器指令代码程序。汇编程序的翻译步骤如下：
① 用机器操作码代替符号化的操作符。 ② 用数值地址代替符号名字。
③ 将常数翻译为机器的内部表示形式。 ④ 分配指令和数据的存储单元。 2．编译系统
高级语言是由自然语言、数学式子加上一定的语法规则组成的语言，高级语言编译系统
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(Compiler)是将用高级语言书写的源程序翻译成等价的机器语言程序的处理系统。大多数高级语言都采用编译方式，如C、Pascal、FORTRAN等。编译程序的翻译步骤如下：
① 词法分析 扫描以字符串形式输入的源程序，识别出一个个的单词并将其转换为机内表示形式。完成该工作的程序称为词法分析程序，又称扫描器。
② 语法分析 对单词进行分析，按照语法规则分析出一个个的语法单位，如语句、表达式、结构等。完成该工作的程序称为语法分析程序，又称分析器。
③ 中间代码生成 将语法单位转换为某种中间代码，如三元式、四元式、波兰式、逆波兰式等。完成该工作的程序称为中间代码生成程序。
④ 代码优化 对中间代码进行优化，使得优化后的中间代码在运行速度、存储空间方面具有较高的质量。完成该工作的程序称为优化程序。
⑤ 目标代码生成 将优化后的中间代码转换成目标程序。
编译完成后生成与源程序等价的目标程序代码，该代码形成一个完整的文件，可被计算机反复、直接执行。
3．解释系统
实现高级语言源程序在计算机上的运行主要有两种方法：一是把该程序翻译为这个计算机的指令代码序列，即编译过程；二是按照程序中语句的动态顺序逐条翻译并立即执行相应的功能，这就是解释过程，完成该功能的程序就是解释程序(Interpreter)。
从功能上说，一个解释程序能让计算机执行高级语言源程序。它与编译程序的主要不同之处在于它不生成一个完整的目标语言程序。解释程序是将源程序中的语句逐句翻译成机器指令并立即执行该指令，因此，源程序每次执行都需要重新解释。
编译系统生成的目标代码由计算机执行才能生成结果。使用编译系统将程序得到结果的过程分为2个阶段：编译阶段和运行阶段。编译阶段对源程序进行编译，并生成目标代码；运行阶段运行目标程序并得到结果。而解释系统则是一边解释一边执行。
可将编译比喻为笔译(产生目标程序)，将解释比喻为口译(不产生目标程序)。很多语言如Basic、Lisp和Prolog等最初都解释执行，后来都发展出各自的编译系统。
5.1.2.3 数据库管理系统
数据库是统一管理的相关数据集合，而数据库管理系统(Data Base Management System)是指在数据库系统中对数据库进行管理的软件，它是数据库系统的重要组成部分，也是数据库系统的核心。数据库管理系统的主要功能是实现对共享数据的有效组织、管理和存取，同时数据库管理系统必须负责维护数据库，保证数据库的完整性和安全性。
数据库管理系统位于用户和操作系统之间，它一方面建立在操作系统基础之上，另一方面支持用户对数据库的各种操作。在数据库管理系统支持下，用户可按逻辑意义、抽象地使用数据库中的数据，而不必涉及数据在计算机系统中的存放细节，提高了数据的独立性。
5.1.3 应用软件
应用软件是指为某类应用需要或解决某个特定问题而设计的程序，如文字处理软件、图形软件、财务软件、软件包等，这是范围很广的一类软件。在计算机应用中，应用软件发挥着巨大的作用，承担了许多应用任务。如人事管理、财务管理、图书管理等。按照应用软件
74大学计算机基础 使用面的不同，一般可将应用软件分为以下两类。
(1) 专用应用软件
专用应用软件是指为解决专门问题而定制的软件。它按照用户的特定需求而专门开发，其应用面窄，往往只局限于本单位或部门使用。如某高校教学管理系统、超市销售系统、铁路运行调度管理系统等。
(2) 通用应用软件
通用应用软件是指为解决较有普遍性的问题而开发的软件，其可广泛应用于各领域。如办公软件包、计算机辅助设计软件、各种图形图像处理软件、电子书刊阅读软件、多媒体音乐、视频播放软件等。它们在计算机应用普及进程中，被迅速推广流行，又反过来推进了计算机应用的进一步普及。
也有一些应用软件被称为工具软件，或称实用工具软件。它们一般较小，功能相对单一，但却是解决一些特定问题的有力工具，如下载软件、阅读器、防毒软件等。
5.2 操作系统的功能
现代计算机系统的复杂性决定了管理计算机系统的操作系统本身也很复杂。从管理的角度分析，操作系统具有为以下4大管理功能：处理器管理、内存管理、文件管理、外设管理。此外，操作系统必须实现计算机系统与用户之间的沟通，为用户使用计算机提供良好、方便、人性化的接口。上述各管理功能之间既相互独立，又相互关联、相互协调、相互合作，确保整个系统有序、高效地运行。
5.2.1 操作系统的用户接口
用户使用的计算机中操作的界面称为用户接口。操作系统是用户与计算机之间的接口，用户通过操作系统使用计算机。操作系统本身也由若干个模块组成，其中用户接口是操作系统与用户之间进行交流的通路。通过用户接口，用户请求操作系统为其服务，也正是通过这个接口，系统向用户反馈信息。
操作系统在管理计算机的同时，必须为用户使用计算机提供良好而方便的用户接口，用户接口处在操作系统的最外层。操作系统提供以下两种接口。
1．操作系统的命令接口
该接口方式一般为用户提供了各种操作命令接口，包括各种键盘操作命令等。操作系统的命令接口有两个基本任务：一是接收、判别、解释用户输入的操作命令，并将此命令转化为对应的命令处理程序；二是接收操作系统回传的信息，并通过各种显示方式提供给用户。命令方式的用户接口有以下几种。
(1) 命令行界面(CUI)
该方式为用户提供了许多命令，用户通过键盘直接输入有着特定意义的命令行，以实现请求计算机系统的服务，计算机系统也以命令行回应用户。该方式操作较简单，但是必须记忆命令以及各种复杂的参数，增加了用户的负担。DOS操作系统就是典型的命令行界面的操作系统。
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(2) 菜单界面
操作系统为用户提供一系列可用的选项，即菜单驱动方式，用户不必事先记住各种命令，而是根据屏幕提供的菜单项通过数字或字母进行选择，也可通过单击鼠标来选择相应的菜单，以实现调用此菜单对应的功能。该方式操作简单，便于掌握。
(3) 图形界面(GUI)
按该方式工作的操作系统以窗口形式为用户提供一种可视化的界面。操作系统与用户的交流在一个窗口中进行，窗口中有菜单、图标、按钮，用户可通过单击鼠标选择相应的操作，做到了“所见即所得”(What you see is what you get)。该方式易于理解、学习和掌握。窗口技术已成为当今人机对话的重要技术。Windows系统就是典型的窗口界面的操作系统。
2．操作系统的程序接口
操作系统的程序接口是操作系统为编程人员提供的在程序模式下的系统调用接口，也称程序接口。这种接口由若干个可以实现系统功能的系统调用组成，在用户的程序中用户通过使用这些系统调用命令请求操作系统为其服务，而操作系统则执行其对应的系统调用程序，从而实现用户程序需要的功能。在用户编写的高级语言的程序中使用的过程调用语句经过编译后则被翻译为系统调用命令。
5.2.2 处理器管理(进程管理)
处理器是计算机系统中最重要的硬件资源，而处理器的管理则是操作系统中最核心的管理。在多道程序系统中，由于多个程序共同执行，势必引起对CPU的竞争。如果没有相应的管理机制，就会引起无序竞争，进而造成系统的效率降低甚至系统瘫痪。如何将处理器合理地分配给各个任务使用成为处理器管理的首要任务。处理器管理系统负责管理计算机系统中的处理器。目前大多数操作系统都是以进程为基础的，因此处理器的管理又称为进程管理。
1．程序 (1) 程序
程序是一组指令的有序集合，它存在于各种存储介质上，是静态的。一个静止的程序是不可能有结果的，它必须通过计算机的执行才能得到其最终的结果，而计算机对程序执行的过程是一个动态的过程。该过程一般分为3个阶段：输入、计算和输出。这3个阶段在计算机系统中是顺序执行的，即先输入信息，然后才能计算，计算有了结果后才能输出。这种执行方式称为程序的顺序执行。
程序的顺序执行有以下3个特征：
① 顺序性 程序的所有操作都按照一定的顺序执行。只有在前一个操作完成后，才能进行其后继的操作。
② 封闭性 程序一旦开始执行，就独占系统中的各种资源。计算结果不受外界因素影响。 ③ 可再现性 程序的执行结果与其执行速度无关，而只与其初始条件有关。只要其初始条件相同，无论是连续执行，还是间断执行，程序反复执行都得到相同的结果。
(2) 单道与多道程序
在早期的计算机系统中，程序一旦开始执行，它将占用系统的全部资源，直到程序执行全部完成，这就是单道程序，即某一时刻系统内部只有一道程序，它占用了系统内部的全部
76大学计算机基础 资源。当该程序执行结束后释放资源，才可开始下一道程序。因此整个系统资源利用率较低。 为增强计算机系统的处理能力，提高资源的利用率，现代计算机系统普遍采用多道程序设计技术。由于计算机系统本身由多个物理部件组成，而程序中的不同工作可以在不同的部件上同时进行，即并发执行，因此整个计算机系统中可以存在多个程序，即多个程序可以并发交替地执行，从而大大提高了计算机系统的处理能力和资源利用率。多道程序的特征如下：
① 多道 计算机系统中同时存放了多道程序。 ② 宏观上并行 从宏观上看多道程序并发执行。
③ 微观上串行 从微观上看多道程序轮流占用CPU，交替执行。 2．进程
在多道程序系统中，同时存在多道程序，各程序共享系统资源，提高了资源的利用率，同时，各程序相互影响和相互制约，这就要求操作系统必须对资源进行管理，合理地分配资源，适时地调度程序，以保障程序的执行结果的正确。
由于存在多道程序，且相互影响、相互制约，因而使得程序失去了其封闭性和可再现性。它们有时处于执行状态；有时因为所需要的资源被别的程序所占有而不得不处于等待状态。当它们终于获得资源后，又可继续执行；如果它们失去资源，又必须进入等待状态。此时如果仍然用静止的、孤立的程序的概念，则无法反映程序活动的规律和动态的变化过程。为了动态地管理程序及其执行的过程，操作系统引入一个新的概念——进程。操作系统的内容都围绕着进程而展开。
进程是一个程序与其数据一起在处理器上的一次执行过程，就是执行着的程序。 3．进程的特征
进程具有以下几个特征：
① 动态性 进程是程序的一次执行过程。
② 并发性 多个进程可以在一段时间内同时运行。
同时③ 独立性 进程是一个可以独立运行的基本单位，也是资源独立分配的基本单位，还是处理器独立调度的基本单位，因此处理器管理也称为进程管理。
④ 异步性 进程以各自独立的、不可预知的速度和方向向前推进，这就要求系统必须提供保证进程协作的机制。
4．进程和程序的区别
进程与程序既有区别，又有联系，具体表现在以下几个方面：
① 程序是静态的，是指令的序列；而进程是动态的，是程序在处理器上的执行过程。 ② 程序是永久的，可在存储介质上永久保存；而进程是短暂的，有生命期的。 ③ 进程具有并发性、独立性、异步性，程序不具备这些特性。
同一个程序可以被反复运行，但每次产生的是不同④ 程序和进程不是一一对应的关系，的进程。
5．进程的状态
进程是动态的，进程从创建到消失，具有3种基本状态。 (1) 运行状态
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如果某进程已获得处理器资源的使用权，对应的程序正在处理器上运行，则该进程处于运行状态。对于单CPU的计算机系统，处在运行状态的进程数量是唯一的；而在多CPU的计算机系统中，可能有多个进程处在运行状态。
(2) 就绪状态
如果某进程已获得了除处理器之外的全部资源，一旦获得处理器就可立即运行，则该进程处于就绪状态。在多道程序系统中，可能有多个进程处于就绪状态，系统将它们排成一条等待运行的就绪队列。
(3) 等待状态
如果某个正在执行的进程因为等待某个事件的发生而无法执行，并暂时放弃CPU，则该进程处于等待状态。如进程需要某个资源，而此资源已被其他进程占有；一旦此资源被释放，进程就有可能获得此资源，从而离开等待状态。在计算机系统中，同时处于等待状态的进程数量可能有许多，按其等待事件的不同，可将其排成不同的等待队列。
6．进程状态的转换
一个进程从创建到消亡，必处于上述3种基本状态之一。随着进程的推进和运行环境的变化，其状态也将发生变化。如图5-1所示，进程有以下4种基本状态变化。
图5-1 进程状态的变化
(1) 运行态→等待态
一个运行的进程在运行过程中启动了外围设备，等待设备传输信息，或在运行过程中申请资源却得不到满足，则该进程由运行态变成等待态。
(2) 运行态→就绪态
一个运行的进程在运行过程中时间片已经用完，或遇到了更高优先权的进程，被迫暂时让出处理器，这种被迫暂时让出处理器的进程由运行态转为就绪态。
(3) 等待态→就绪态
处于等待态的进程在其等待的事件结束后，由等待态转为就绪态。等待的事件如外围设备工作结束、等待的资源得到满足、故障已被排除等。
(4) 就绪态→运行态
由于某种原因CPU空闲，系统则按一定的调度策略从就绪状态的进程中选中一个进程，使其占有CPU，这个被选中的进程由就绪态变为运行态。
进程从其创建的那一刻起，就加入了这些状态的变化，并在这些状态的变化之中，断断
78大学计算机基础 续续地执行着，并最终实现了其对应的功能。
7．进程的调度
在多道系统中，处于就绪状态的进程有多个且都具备执行的条件。当处理器空闲时系统需要从这些处于就绪状态的进程中挑选出一个，使其占用CPU。进程调度按一定的调度策略，负责从中选取一个进程。常用的进程调度策略如下。
(1) 先来先服务调度策略
该策略将进程按其进入就绪队列的时间顺序排成队列，并按照先来先服务调度策略，将CPU分配给队头的进程，一旦某进程占用CPU，不可抢占。此种方式与生活中的排队非常相似，其算法简单，但效率较低，一般不单独使用。
(2) 优先级调度策略
优先级则代表进程在调度中的优先权利。使用优先级调度策略的关键是必须为每一个进程分配一个优先级，因而如何合理地确定进程的优先级就成为算法的核心。
确定进程的优先级的常用策略有静态法和动态法。静态法是根据进程的特征事先分配一个优先级，一旦确定就不再改变；动态法是根据进程的特征事先分配一个优先级，但该优先级在进程的执行过程中会根据现场的情况而调整，以适应现场环境，从而提高系统的效率。
(3) 时间片轮转调度策略
时间片轮转调度策略主要用于分时操作系统，是可以抢占式的调度策略。它将进程按其进入就绪队列的时间顺序排成队列，并规定一个时间片作为进程使用CPU的最长时间。CPU将时间片顺序地依次分配给队列中的每个进程。如果时间片已到，则剥夺该进程使用CPU的权利，将其排列到就绪队列的队尾，等待下一个轮次的调度。此时CPU则转去为队列中的下一个进程服务，即采用循环调度的策略。
任何一种调度策略或多或少存在一些考虑不周之处，不可能满足所有情况，因此在计算机系统中不可能只采用一种调度策略，而是采用各种策略形成的组合策略，以提高系统的综合效率。
8．进程的通信与协调
在计算机系统中，多个进程同时存在且以各自独立的速度向前推进。由于这些进程存在于同一个系统中，因而可能存在着这样或那样的关系，这时就需要在各进程之间建立起通信机制，以协调进程之间的关系，保障进程正常的运行。这种进程之间的信息交换称为进程通信。进程通信的方式有消息缓冲方式、信箱通信和管道通信等。
由于进程的合作与资源共享，使得并发执行的各个进程之间可能产生互斥或同步的相互制约关系。
(1) 互斥
系统中的多个进程都想拥有某种独占资源，而独占资源在某一时刻只能被一个进程拥有，这些进程之间就存在对资源的竞争，多个进程之间的关系是相互排斥关系，这就是进程互斥。
为解决互斥，进程管理系统提出以下规则，只要进程按照准则进行，即可以避免出错。
① 一次只能让一个进程使用独占资源。
② 任何一个已经拥有独占资源的进程必须在有限的时间内让出独占资源。 ③ 不能让一个等待独占资源的进程无限地等待。
第5章 计算机软件系统组成 79
例如在一个繁忙的十字路口，如果没有交通灯，也没有交通警察，那么很可能会出现交通拥挤，甚至交通事故。此时可将十字路口看成是一种独占资源，东西和南北两个方向的车辆不可同时拥有十字路口的行驶权，即互斥使用十字路口。具体解决方法为：当东西方向的车辆正在行驶时，南北方向等待，但不能让其无限地等待；当南北方向的车辆正在行驶时，东西方向等待，即两个方向的车辆交替使用。交通灯管制系统正是基于这个原理，利用“红灯停、绿灯行”的道理非常简单地解决了这个问题。计算机系统中的互斥问题可用类似的方法解决。
(2) 同步
在计算机系统中，为了一个共同目标，一些进程必须相互合作、相互配合，因此它们必须经常互通消息，以了解各自的工作进展情况。当对方的消息或信号没有到达，这一方的进程必须等待，直到信号到达。进程之间的这种合作关系称为进程同步。为实现不同进程的同步，进程管理系统提出了一整套解决方案，有专门的同步机制，如信号量机制、PV操作等。
9．死锁
计算机系统中有限的资源和众多的请求分配资源的进程之间会产生各种矛盾。如果管理和分配不当，则会引起进程相互等待资源而无法继续执行的情况，即某个进程占用了某种资源并在等待另一个进程已经占用的资源。为竞争资源它们陷入一种僵局，互不相让，从而造成这种等待永远不能结束，这就是死锁。操作系统必须提供各种解决死锁的方法，如死锁的防止、死锁的避免、死锁的解除等。
如图5-2所示，进程1占用资源Y，却在等待资源X，但资源X已被进程2占有；进程2占用资源X，却在等待资源Y，而资源Y已被进程1占有。这两个进程拥有资源，却又在等待其他进程正在拥有的资源，相互等待，陷入僵局，造成死锁。如果出现了上述死锁问题，系统可以采取抢占式方法，从一个死锁的进程中强行剥夺资源，以解除死锁。
图5-2 两个进程死锁示意图
10．线程
为进一步提高程序的并发执行的速度，提高系统的整体效率和吞吐量，操作系统引入了一个比进程更小、可以独立运行的基本单位——线程。线程由进程进一步派生出来，是一段可以独立运行的一组代码的执行过程。一个进程可以产生多个线程，这些线程可以共享该进程的内存空间，可以并发、异步地执行，不仅提高了执行速度，且减少了系统开销，因此线程又称轻型进程。目前线程已被广泛应用于计算机系统中。
80大学计算机基础 5.2.3 存储管理
主存储器又称为内存，是计算机系统的重要资源之一。计算机系统中的任何程序最终都必须调入内存方能执行，而程序中加工的数据也存储在内存中。内存是计算机系统中程序和数据的集散地和周转站，同时为各种系统程序和用户程序所共享，因而内存管理的效果直接影响着整个计算机系统的性能，内存管理也必将成为操作系统的重要组成部分。
5.2.3.1 存储管理功能
计算机系统中的内存空间一般分为两部分：一部分为系统区，用于存放系统的程序和数据；另一部分为用户区，用于存放用户的程序和数据等。操作系统中的存储管理主要是针对内存中的用户区进行管理，其目的是尽可能充分地利用内存空间，为计算机系统中活跃的程序和数据提供存储基础，从而保障整个系统的性能。存储管理主要有以下几个功能。
1．存储空间的分配和回收
操作系统在创建进程的同时，必须为其分配空间。进程运行结束时，操作系统又及时收回其占有的空间以便再次合理利用。这就是存储空间的分配和回收，此功能由存储管理实现。
在计算机系统中，不仅进程的数量多，而且还存在着许多随机的因素，如进程所需空间的大小、进程何时进入、进程何时撤离等，从而导致内存空间的分布情况也是随机的，因此存储管理必须设置一张内存使用情况表格，如实地记录整个内存的使用情况，如：哪些区域已被进程占用，哪些区域尚且空闲等。当申请者提出占用内存的要求后，存储管理则查找表格，按照一定的分配策略找到合适的空间分配给申请者，同时修改表格中的相关记录，将相应主存空间的状态由“闲”改为“忙”；另一方面当内存中某个进程撤离而归还内存时，存储管理应及时地收回其内存空间，使之成为可再次分配的空闲区域，同时修改表格中的相关记录，将相应主存空间的状态由“忙”改为“闲”。可将内存看作一家大型酒店，内存使用情况表看作是旅客登记表，内存空间的分配和回收看作是旅客的入住和退房。
2．地址转换
用户在编写程序时并不知道也不可能知道其程序将来在内存中的地址，因此编译程序以“0”地址为基址编译用户的应用程序，从而形成的程序地址都是相对于“0”地址的地址。该地址称为相对地址或逻辑地址。
系统内部为每一个内存单元分配一个唯一的地址，它是计算机系统内部执行程序时使用的地址，称为绝对地址或物理地址。
当系统将用户程序装入内存的同时即为其分配了物理地址，从而建立了逻辑地址和物理地址之间的对应关系，将用户程序中的逻辑地址转化为物理地址的过程就称为地址转换或重定位。存储管理也必须解决地址转换问题。
3．存储空间的共享和保护
内存共享是指多个进程公用内存中的某段区域，其目的是提高内存的使用效率，实现进程之间的通信等。
在计算机系统中，同时运行着操作系统和用户的多个程序，它们同时存在于内存中。如果不加限制，则用户甲的程序可能访问了用户乙的存储空间，修改了用户乙的数据，从而导
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致用户乙的程序出现错误的结果。为保障系统的正常运行，避免内存中的各个程序相互干扰，必须实现对内存中的程序和数据的保护。存储保护可从以下3个方面进行。
① 进程执行时对属于自己的内存区域既可读也可写。
② 进程执行时对共享的内存区域中的信息只能读不可写。
③ 进程执行时对属于其他进程的非共享的内存区域既不可读也不可写。 4．内存扩充
目前计算机解决的问题日益复杂，导致应用程序日益增大。尽管计算机系统的性能在不断提高，内存也在增大，但是任何一种计算机系统的内存容量都是有限的。为了提高计算机系统处理大程序的能力，提高系统运行多道程序的能力，使用户在编写程序时不受内存容量的限制，内存管理必须解决内存扩充问题，即如果内存的容量无法满足用户的应用程序的要求时如何解决。为此操作系统将内存和外存统一管理，为用户提供一个大容量的虚拟存储空间，这就是虚拟存储技术。
5.2.3.2 各种存储管理技术
管理内存有多种方法，以下简要介绍几种常用的存储管理技术。 1．分区存储管理技术
(1) 固定分区
固定分区的基本原理是：将内存事先划分成若干个大小不一定相等但数目固定的分区，其中每一个分区可以装入一个进程，这样多个分区即可装入多个进程。为便于管理，建立一个分区分配表，以记录各个分区的号码、起始地址、长度，并实时地记录分区的占有情况。如图5-3所示，其中状态1代表分区忙，状态0代表分区闲，也可用占有进程名代表忙。
图5-3 固定分区示意
① 分配 当用户程序需要装入内存时，系统根据用户程序的大小查找分区分配表。找到大于用户程序长度的分区且状态为空闲，则将整个分区分配给用户程序，同时修改表格中的相关记录，将其状态由空闲改为占有进程名，即分区状态改为忙。
② 回收 当用户程序撤离内存时，根据用户程序的名称查找分区分配表。找到后修改表格中的相关记录，将其状态由占有进程名改为空闲，则此分区的使用权归还系统，实现了系统对此分区的回收。运用此表即可实现对内存的管理。固定分区管理内存采取的是“以不变应万变”的策略：内存的分区是固定的，而有待装入内存的用户程序的大小却是随机变化的。
82大学计算机基础 这样极易造成将一个小的程序装入一个大的分区，从而造成了内存空间的浪费。
(2) 可变分区
可变分区不再将内存事先固定，而是遵循“需要多少给多少”的策略。当用户申请空间时，系统根据用户程序的大小查找空闲区表。如果找到的空闲区的长度大于用户程序的长度，则只从空闲区中拿出一部分进行分配，剩余部分仍然保留在空闲区表中。这样就不会出现小程序占用大空间的情况。但是由于每一次分配从一个较大的空闲区中分割出一部分，而剩余部分可能又被其他程序分割出一部分，若干次分配后，容易造成剩余的部分长度太小，形成无法利用的“碎片”，也造成了内存空间的浪费，同时由于空闲区的数量较多，分布较散，影响查找速度，因此在适当的时候，系统将对“碎片”进行整理。
2．分页存储管理技术
页式存储采取的是“从两个方面进行分割”的原则：一方面将用户的程序划分为若干个大小相等的页面，并为每个页面取一个页号，如0，1，2，3，…；另一方面将系统的内存划分为若干个大小相等的块，并为每个块取一个块号，如0，1，2，3，…；同时保证块的长度与页的长度相等。这样可以分别为用户程序的若干个页面在内存中寻找若干个块，即内存的分配和回收以块的整数倍进行，一方面解决了用户文件的分散存放；另一方面有效地解决了“碎片”问题。
页式存储中页的划分与内存大小、内外存之间传递数据的速度等有关，一般为1 024Byte的整数倍。页式存储将用户的程序分散存放在内存的不同的块中，从而导致用户程序的页面之间不连续，形成的物理地址也不再连续。为此，系统为每一个进程建立一个页表，记录各个页面的逻辑页号和物理块号。如图5-4所示，当需要用户程序2页的数据时，查找页表，得知2页存储在块号为87的物理块中，则计算出块号为87的块首地址，将块首地址加逻辑页内地址，即可计算出物理地址，从而实现逻辑地址向物理地址的转换。
图5-4 页式存储示意图
3．分段存储管理技术
分区管理和分页管理的进程地址空间均是线性的，即进程逻辑地址是连续的。用户在编制程序时，通常采用模块化的原则，用户的程序和数据通常以段落为单位，如一个进程的程序和数据可被划分为主程序段、子程序段、数据段，工作区段。因此若按照页式划分则容易造成不符合其逻辑意义的现象，如将一个逻辑段中的内容划分在两个页面中，而将两个段划
第5章 计算机软件系统组成 83
分在一个页面中。
段式管理采用“以程序自身的划分为基础”原则，按照用户程序的逻辑意义，将用户的程序按模块的原则自然地划分为若干个相对独立的自然段，并取段号为0，1，2，3，…。系统以段为单位进行分配和回收，即为每一个自然段分配一片连续的存储区域。
这样用户的程序和数据以段为单位分散地装入内存，造成了各段之间物理地址的不连续。为此系统必须为每个进程建立一张段表，如实地记录各段的段号、起始地址、长度。如图5-5所示，当需要用户程序2段的数据时，查找段表，得知2段存储在首地址为c、长度为L3的物理块中，则将块首地址c加逻辑段内地址，即可计算出其物理地址，从而实现逻辑地址向物理地址的转换。
图5-5 段式存储管理示意
5.2.4 文件管理
操作系统中的文件管理子系统负责计算机系统中信息的组织和存取，是操作系统中与用户最直接的部分。文件管理系统负责管理文件，实现用户信息的存储、共享和保护，为文件的“按名存取”提供技术支持，合理地分配和使用外存空间。
1．文件与文件名
文件是存储在存储介质上的一组相关信息的有序集合。文件可以是用户编制的各种程序，可以是可执行的二进制代码，可以是一段文本、一张表格、一首歌曲、一幅静态图像、一段动态视频影像等。计算机中的各种信息都是以文件的形式存放的，用户存储、处理信息也是通过文件实现的。
计算机系统中存在大量的文件，为标识文件，要求每一个文件必须有自己的文件名。用户对文件的使用是“按名存取”的，同时系统对文件的使用也需要文件名来查找文件的地址。
“文件名.扩展名”的原则，如“第5章.doc”。不同的系统文件命名的规则有所差异，但基本遵循其中文件名由若干个字母、汉字、数字和下划线组成，扩展名由一些特定的字符组成，代表特定的含义，通常用以代表文件的类型。
2．文件的分类
为了方便而有效地管理文件，文件子系统首先应对文件进行分类。常用的分类方法如下。 (1) 按性质和用途分
① 系统文件 由系统软件构成的文件。
84大学计算机基础 ② 库文件 由各种标准子函数库组成的文件。 ③ 用户文件 用户的各种文件。 (2) 按保护级别分
① 只读文件 只能读，不可修改和删除，起到保护文件的作用。
② 读写文件 可以读，也可写，一般适合于文件的主人或授权用户。 ③ 文档文件 任何用户都可直接进行读和写，此类文件为不保护文件。 ④ 只执行文件 用户拿到的只是程序的执行代码，只能执行，不能读和写。 (3) 按信息流向分
① 输入文件 从外部设备流向内存，如打开文件或读文件。
② 输出文件 从内存流向外部设备，如保存文件或写文件。
③ 输入和输出文件 既可从外部设备流向内存，也可从内存流向外部设备。 (4) 按存取物理结构分
① 顺序文件 文件中的记录顺序存储在相邻的物理块中。
② 链式文件 文件中的记录存储在不相邻的物理块中，以链接指针建立关联。 ③ 索引文件 文件中的记录存储在不相邻的物理块中，以索引表建立关联。 3．文件系统的功能
操作系统中与文件管理有关的程序和数据的集合称为文件系统。文件系统主要功能如下。 ① 实现文件和目录的管理，帮助用户建立、打开、读写文件和目录。
② 实现文件存储空间的管理，在用户建立或删除文件时，分配或回收外存空间。 ③ 实现文件名与文件存储空间的映射，当用户对文件“按名存取”时，文件系统负责建立文件名与文件在外存的物理地址之间的对应关系，为用户提供服务。
④ 实现文件的共享、保护和保密。
⑤ 提供方便接口为用户使用文件提供一组相关操作，如建立、打开、读写、关闭和删除。 4．文件的存取方式
用户对文件中信息的存取方式有两种。 (1) 顺序存取
指用户对文件中的信息的读写按照顺序依次进行，下一次存取的位置总是在上一次存取位置的后面。由于它不必给出每一次的读写位置，因而是一种简单的读写文件的方法。
(2) 随机存取
指用户对文件中信息的读写不一定按照顺序依次进行，而是随机给定存取位置，可按任意次序随机的读写文件中的信息。随机存取也称为直接存取，它对存储设备有着较高的要求。
5．文件的组织结构
文件中存在大量的信息，这些信息的组织和存放是否合理将直接影响文件的使用与效率。用户和系统处理文件的角度有所不同：用户从使用者的角度将文件信息合理地组织在一起，这种文件的组织称为文件的逻辑结构；而系统更多关心的是文件在外存中如何存放、如何存取，却不大关心文件内部信息如何组织。文件在存储设备上的组织形式称为文件的物理结构。
(1) 文件的逻辑结构
第5章 计算机软件系统组成 85
用户从使用者角度将观察到的信息合理组织在一起，这种文件结构称为逻辑结构。其组织形式与存储设备无关，只和用户要求有关。常用的文件逻辑结构有记录式文件和流式文件。
记录式文件是由若干条记录所组成的文件，如学生成绩表、工资表、电话号码本等。流式文件是由若干字符流组成的文件，如文本文件、源程序文件等。
(2) 文件的物理结构
系统根据文件的特点和存储介质的特性，将文件合理地组织在存储介质上，文件的这种结构称为物理结构。它和存储设备的特性有关。按文件在外存的存放形式可将文件分为顺序文件、链接文件和索引文件。
① 顺序文件 无论逻辑文件有多少内容，顺序文件按照逻辑文件的原顺序将文件内容依次顺序地存放在外存的连续空间中，进而所形成的物理文件在次序上与逻辑文件保持一致，是一种连续的存储形式。如图5-6所示，文件A需要3个块，系统为其分配了3个连续的块78，79和80，文件A在外存中顺序存放。顺序文件便于读写，但由于其要求文件连续存放，对外存容量的要求较高，所以外存的利用率较低。
图5-6 顺序文件
② 链接文件 链接文件是一种非连续的存储形式，它首先将文件的内容按逻辑顺序进行分割，然后将分割后的内容分散存放在非连续的物理块中，并将各个分散的块串联起来。如图5-7所示，文件B需要3个块，系统为其分配了3个分散的块99，78和36，并将3个分散的块之间以地址进行链接，因此文件B在外存中分散存放。这种存放形式可以实现对外存空间的充分利用，但文件的读写速度受到一定的影响。
图5-7 链接文件
③ 索引文件 系统首先为每一个文件建立一个索引表，指明每一个逻辑记录的号码与物理块号之间的对应关系。索引文件也是一种非连续的存储形式，有利于文件的随机存取。如图5-8所示，文件C需要3个块，系统为其分配了3个分散的块99，78和36，同时建立索引表，指明逻辑记录0，1，2的物理块号分别为99，78和36，文件C在外存中分散存放。
86大学计算机基础
图5-8 索引文件
6．文件存储空间的管理
文件是存储在存储介质上的一组相关信息的有序集合，因此文件与文件的存储介质密不可分。常用的文件存储介质有磁带和磁盘。磁带是一种典型的顺序存储介质，一般用于存储大量的、不经常使用的信息，如备份文件等。磁盘是一种可以随机存取的外部设备，由于其存储容量大、性能稳定、适合于直接存取，因而成为计算机系统中最常用的存储设备。这时文件存储空间的管理实际上也就是磁盘空间的管理。
为确保文件的存储，文件系统必须对文件的存储空间进行有效的管理。为便于管理，系统首先对磁盘的三维地址进行改造，根据外存空间的大小，系统将某柱面、某磁头下的某几个扇区整合并分配一个一维的块号，这样三维的柱面号、磁头号、扇区号与一维的块号之间形成了对应的关系。文件系统必须如实地记录各个磁盘块的使用情况，当用户建立文件时，为文件查找合适大小的磁盘空间进行分配，并及时修改各种记录。
例如某用户的某文件需要3个磁盘块，系统查找磁盘空间使用情况表，发现78，79，80这3个磁盘块为空闲，则将它们分配给该文件，同时将78，79，80这3个磁盘块的使用状态改为“忙”；当用户删除文件时，及时地收回磁盘空间，将78，79，80这3个磁盘块的使用状态由“忙”改为“闲”，以利于下一次的分配。磁盘空间的管理与内存空间的管理有许多相似之处，也必须建立磁盘空间使用情况表，并根据使用情况及时修改，磁盘空间的分配与回收是以磁盘块为基本单位的。
7．文件目录的管理
对于现代计算机系统中存在的大量各种类型的文件，必须合理地设置和组织文件的目录，以实现对文件的有效管理和使用，便于文件的查找。 (1) 文件目录的内容
文件目录是对文件进行管理的有效工具。为更好的管理文件，首先必须了解文件的特性，为此系统为每一个文件建立了一个文件目录。文件目录中包括文件各方面的特性，如文件名、文件类型、文件长度、存储位置、访问权限、文件建立的日期和时间等。
(2) 文件目录的组织
为了对文件系统中数量庞大的文件实现有效管理与查找，必须合理地组织各个文件的目录。文件目录可分为一级、二级和多极。
第5章 计算机软件系统组成 87
① 一级目录结构 一级目录是最简单的目录形式，在一级目录结构中，整个系统的文件目录组织成一个线性的目录表，每个文件的目录是平级的，可以实现文件的“按名存取”。当文件的数量较大时，文件目录表较长，不利于查找，也不利于文件的分类存放。
② 二级目录结构 二级目录结构中文件的目录分为2级，第一级是主文件目录，第二级是用户文件目录。在主文件目录为每个用户的文件创建一个文件目录项，而这个文件目录项指向各用户的文件目录表，此表中存放该用户的所有文件的文件目录信息。该方式可以实现各用户的文件分类存放。
③ 多级树形目录结构 在现代计算机系统中，各用户的文件数量仍然很大，二级目录仍然不利于各用户文件的分类存放，也不利于用户文件的快速查找，为此系统在二级目录的基础上加以推广，形成了多级树形目录。多级树形目录结构便于快速查找文件，有利于文件的分类存放。
为了便于管理和查找计算机的外存上的众多文件，一般将外存空间组织成树型结构形式，其中每一个结点称为一个文件夹。文件夹是用于存储程序、数据、文档和其他文件夹的地方。文件夹中可以有文件，也可以有文件夹。某个文件夹下的文件夹称为该文件夹的子文件夹，而该文件夹称为其父文件夹。用户一般将文件分类存放在不同的文件夹中，从而方便操作，便于管理。这种文件结构可以准确地反映文件之间的层次关系。
在多级树形目录结构中，使用文件时需要指明文件的路径。文件路径分为绝对路径和相对路径。绝对路径是从根目录开始，沿各级目录直至指定文件的目录名序列，如“C:\\My Documents\\第5章.doc”。相对路径是从当前路径开始，沿各级目录直至指定文件的目录名序列。如图5-9所示为Windows资源管理器中的目录清单和多级树形目录结构，其中左窗格显示系统的多级树形目录结构，右窗格显示选中的文件夹中的信息。
8．文件的共享和文件的安全
文件的共享和文件的安全是同一个问题的两个方面。文件的共享是指同一个文件可以被不同的用户使用。文件的共享在为用户提供便利的同时，必须加以控制，否则又将引起文件安全性方面的问题。
(1) 文件的共享
一个文件被不同的用户共享可使用多种方法，其中最简单的是各用户分别自备文件的副本。该方法既造成存储空间的巨大浪费，又不利于保持文件内容的一致性。现代计算机系统中的共享技术均是在只有一个文件副本的情况下实现的，如通过文件路径实现共享或通过链接实现共享。
(2) 文件的安全
文件的安全性包括文件的保护和文件保密两个方面，具体可采用以下一些方法：
图5-9 Windows资源管理器
88大学计算机基础 ① 将用户分类 有的操作系统将用户分为不同的种类，赋予不同的权限，以实现对文件的保护。如Unix系统将用户分为文件主、伙伴、一般用户。文件主可拥有读、写和执行的权力；伙伴可拥有读和执行的权力；一般用户可拥有执行的权力。
② 存取控制矩阵 系统设置一个二维矩阵，行坐标i代表用户，列坐标j代表文件。元素aij代表用户i对文件j的使用权限，当其为1，表示用户i对文件j有此权力；当其为0，表示用户i对文件j无此权力。如aij有3位，分别代表读、写、执行的权力，则101代表有读和执行的权力，没有写的权力；001代表有执行的权力，没有读和写的权力。
③ 口令 用户为自己的文件设置口令，附在文件目录中。凡请求访问文件的用户必须提供口令，口令不正确，则拒绝访问文件。
④ 密码 用户在建立或存储文件时，对文件进行编码，即对文件进行加密。读出文件时，读出的是加密文件，必须对文件进行译码解密，否则无法使用文件。通过该方式可实现对文件的保密，一般用在非常重要的场合。
9．文件的使用
操作系统中的文件管理系统在管理文件的同时，必须为用户使用文件提供一组操作命令以方便用户使用和管理文件。常用的文件操作命令有建立、打开、读写、关闭、删除等，用户可利用操作系统提供的菜单、按钮或组合键，请求操作系统为其提供相应的服务。如用户单击“文件”菜单中的“打开”菜单项，则系统根据用户提供的文件名，在文件目录中查找它的目录项，找到并获得文件的物理地址后启动外设读取此地址的信息；同时请求内存管理为其分配相应的内存。如用户单击“文件”菜单中“保存”菜单项，系统则在外存中查找适当大小的空闲的空间，找到后启动磁盘将存储在内存中的文件信息存储到外存中。
5.2.5 外部设备管理
计算机系统本身是一个复杂的系统，其硬件系统由主机和外设构成。在整个计算机系统中，外部设备是必不可少的。外部设备包括各种输入和输出设备，主要负责数据的输入和输出，外部设备的管理则负责管理和调度各种外部设备，因此外部设备的管理也称为输入和输出的管理。
1．外部设备的分类
外部设备种类繁多，特性各异，从不同的角度可将外部设备分为以下几类。 (1) 按信息交换的单位分
① 块设备 块设备与主机之间的数据交换以“块”为单位，磁盘属于块设备。 ② 字符设备 字符设备与主机之间的数据交换以“字符”为单位，键盘、打印机等属于字符设备。
(2) 按传送信息的流向分
① 输入设备 数据通过输入设备输入，如键盘。
② 输出设备 数据通过输出设备输出，如打印机、显示器等。
③ 输入和输出设备 通过此种设备数据既可进行输入，也可进行输出，如磁盘。当打开磁盘上的文件时，磁盘作为输入设备；当保存文件时，磁盘作为输出设备。
第5章 计算机软件系统组成 89
2．外部设备管理的目的和功能 (1) 外设管理的目的
① 为用户使用外设提供方便。
② 提高外设的利用率。
③ 掩盖各种外设的复杂操作和硬件特征，为用户提供一个统一而简单的操作平台。 (2) 外设管理的主要功能 ① 实现外部设备的分配和回收。 ② 控制外部设备的启动与运行。 ③ 管理输入和输出缓冲区。
④ 实现虚拟设备(在一些较大型系统中)。 3．外设的输入输出控制方式
计算机外设与内存之间的数据传递称为输入输出操作，输入输出操作有4种方式：程序直接控制方式、中断控制方式、DMA方式、通道控制方式。
4．外部设备的管理技术
外部设备的管理技术有：中断技术、缓冲技术、虚拟设备技术。 5．外部设备的管理
计算机系统的外部设备种类繁多，其工作原理、工作方式各不相同，操作系统必须掩盖设备的具体的物理特性，为用户提供一个统一的、操作简单的接口。设备管理一般分为两层：设备分配程序和设备驱动程序。
(1) 设备分配程序
设备分配程序处于外层，可与用户进程直接交互，与设备无关。它完成设备的分配、回收和调度，并向程序员提供一个统一的编程接口，完成逻辑设备向物理设备的转换，即当有输入输出请求时，根据请求设备的逻辑号和当前实际设备的分配情况，设法找到一个实际的空闲的物理设备与其对应，从而实现设备的分配。
(2) 设备驱动程序
处在输入输出控制系统下面一层的是设备驱动程序，它直接与设备打交道，控制设备的启动和执行，真正实现具体的输入和输出操作。设备驱动程序接到输入输出控制系统发出的调用请求后，根据请求的内容，组织相关设备控制寄存器的内容，完成设备的初始化，并指挥设备完成具体的输入输出工作；当输入输出结束后，负责将设备的状态信息反馈给输入输出控制系统。
一方面设备驱动程序是操作系统中负责管理和驱动设备的程序，是操作系统的核心，没有设备驱动程序则无法使用设备，因此计算机系统必须安装设备驱动程序。另一方面设备驱动程序与设备紧密相连，不同类型、不同厂家、不同型号的设备其设备驱动程序是不同的，因此要求操作系统配备所有类型、所有厂家、所有型号设备的设备驱动程序是不现实的。为此操作系统采取这样一种解决办法，由操作系统提供一个统一的安装设备驱动程序的标准框架，由提供设备的硬件厂商提供设备的设备驱动程序。当用户安装新的设备时，必须同时安装与此设备匹配的设备驱动程序。
90大学计算机基础 随着计算机性能的提高，资源的丰富，现代操作系统自身已配备了许多通用设备的设备驱动程序，在安装操作系统时，计算机系统会自动检测已经安装的设备，搜索配备的设备驱动程序，并安装相应的设备驱动程序。当用户安装新的设备时，在用户将设备物理连接到计算机后，系统会自动搜索所配备的设备驱动程序，找到后自动安装，无须用户手动配置，做到了即插即用(Plug and Play，PnP)。如果系统没有搜索到相应的设备驱动程序，则会提示用户提供由硬件厂商提供的设备驱动程序，由软盘或光碟安装后即可使用。
5.3 常见操作系统 5.3.1 Windows简介
1．Windows的发展
美国微软公司(Microsoft)于1975年由比尔·盖茨和保罗·艾伦创立，当时只有一个Basic程序，现在已发展成为世界上最大的软件公司，其产品涵盖操作系统、数据库管理系统、办公自动化软件等多个领域。
Windows是微软公司开发的系列图形界面操作系统的名称。微软公司于1983年10月推出其最早的版本Windows 1.0。之后微软公司不断地改进其性能，先后推出了Windows 3.X、Windows 95、Windows 98、Windows 2000、Windows XP、Windows Vista等版本。由于其界面友好、使用方便、功能强大，已经成为多数计算机用户首选的操作系统。表5-1列出了Windows的发展历程。
表5-1 Windows发展一览
操作系统名称 Windows 1.0 Windows 2.0 Windows 3.0 Windows 3.1
Windows NT Workstation 3.5 Windows NT 3.5x Windows 95
Windows NT Workstation 4.x Windows NT Server 4.0 Windows 98 Windows 2000
Windows 2000 Server Windows XP
Windows Server 2003 Windows Vista
发布日期 1983.10 1987.10 1990.5 1992.4 1994.7 1994.9 1995.8 1996.7 1996.9 1998.6 2000.2 2000.2 2001.10 2003.4 2007.1
类 型 桌面操作系统 桌面操作系统 桌面操作系统 桌面操作系统 桌面操作系统 服务器操作系统 桌面操作系统 桌面操作系统 服务器操作系统 桌面操作系统 桌面操作系统 服务器操作系统 桌面操作系统 服务器操作系统
2．Windows的特点
Windows操作系统有着众多的优点，主要表现在以下几个方面：
① 强大的多窗口技术 Windows系统提供了多窗口技术，为用户运行多道程序提供了一个集成化的环境，用户可以打开多个窗口，并发执行多个任务，并可以在各个窗口之间方
第5章 计算机软件系统组成 91
便地进行切换。
② 丰富的菜单技术 Windows系统将当前可以使用的命令都以菜单的形式显示在屏幕上，用户只需根据需要打开相应的菜单进行选择，减轻了用户的负担。
③ 通用的图形化界面 Windows系统为所有应用程序提供了风格统一的图形界面。所有的菜单、图标、窗口、按钮、对话框等都以直观、方便、统一、形象的图形形式展现在用户面前，充分体现了人性化、图形化的特点，做到了“所见即所得”，为用户使用计算机提供了极大的方便。
④ 方便的鼠标操作 Windows系统下的许多工作都可由鼠标实现，而且鼠标的操作十分简单，只需单击、拖动等，这就为用户操作提供了方便快捷的工具，大大提高了操作速度。 ⑤ 高效的即插即用功能 Windows系统全面支持即插即用功能，硬件的设置几乎都是自动进行的，无需人工操作，做到了即插即用，使得硬件的安装工作变得简单。
⑥ 完善的网络与通信功能 Windows系统支持多种网络通信方式和网络传输协议，具有完善的Internet功能。
3．Windows Vista简介 (1) Windows Vista的版本
Windows Vista是美国微软公司开发的代号为Longhorn的Microsoft Windows操作系统的正式名称。它是继Windows XP和Windows Server 2003之后又一重要的操作系统。该系统带有许多新的特性和技术。2007年1月30日，微软在全球正式发布了Windows Vista。除了更眩的界面外观，在功能、安全性等方面Windows Vista也有了全面提升。同时，在版本部署方面，微软为不同领域的用户提供了7种版本，目前，微软在中国零售与品牌机预装的有4个版本：Windows Vista Home Basic(家庭普通版)、Windows Vista Home Premium(家庭高级版)、Windows Vista Business(商用版)、Windows Vista Ultimate(旗舰版)。还有一个只能通过微软批量许可认证后，才可购买的Windows Vista Enterprise(企业版)。
(2) Windows Vista的硬件需求
微软Windows Vista推荐的处理器配置是双核64位处理器，AMD和Intel的中阶处理器只能运行Windows Vista的基本功能。在内存方面，Windows Vista要求系统最小内存容量为512MB，推荐1GB容量内存。Windows Vista要求显卡必须有Windows Display Driver Model(WDDM)驱动程序，推荐显卡为DirectX 9显卡，64MB显存。在硬盘方面，Windows Vista
但没有给出对硬盘容量的要求。Windows 要求硬盘至少是拥有2MB缓存的7 200转IDE硬盘，
Vista要求PC必须具备网卡，同时运行Windows Vista的笔记本电脑最好支持802.11g无线网络规格。
(3) Windows Vista的安装
与早期版本的Windows相比，Windows Vista更易于安装到未安装操作系统的新计算机或运行早期版本Windows的计算机上。过去，如果没有特定的网络基础结构，就不能将没有操作系统的新计算机连接到网络从而安装Windows。Windows Deployment Services(WDS)增强Remote Installation Services(RIS)已提供该基础结构。WDS使用Windows PE或Preboot Execution Environment(PXE)在新计算机上启动安装过程，通过使用Windows Setup Manager所创建的XML无人看管文件使过程得到简化。管理员可以简单地将新计算机连接到局域网
92大学计算机基础 (LAN)并将其打开。短时间之内，无需管理员接触键盘或鼠标，Windows Vista就可以在新计算机上运行。对升级来说，文件和设置首先被复制到计算机硬盘的保留部分，然后在部署Windows Vista映像之后将其迁移回去。
(4) Windows Vista新特性
如图5-10所示为Windows Vista的桌面。Windows Vista使用了Windows Server 2003(SP1)
的底层核心编码，但是它仍然保留了Windows XP整体优良的特性，除了一些常用的操作及功能性以外，对于Windows Vista在安全性、可靠性及互动体验等方面都将更为突出和完善。Windows Vista包含了上百种新功能，如全新的界面风格、加强后的
搜寻功能、新的多媒体创作工具，以及重新设计的网络、音频、输出、打印和显示子系统等。
① 操作系统核心进行了全新修正。Windows XP和Windows 2000的核心并没有安全性方面的设
图5-10 Windows Vista的桌面
计，因此只能一点点打补丁，Vista在这个核心上进行了较大的修正。例如在Vista中，部分操作系统运行在核心模式下，而硬件驱动等运行在用户模式下，核心模式要求非常高的权限，这样一些病毒木马等就很难对核心系统形成破坏。Vista上的“heap”设计更先进，方便了开发者，提高了他们的效率。在电源管理上也引入了睡眠模式，可以从不关机，而只是极低电量消耗的待机，启动快，比现在的休眠效率高。内存管理和文件系统方面引入了SuperFetch技术，可以将经常使用的程序预存入到内存，提高性能，此外后台程序不会夺取较高的运行等级，用户不用担心突然一个后台程序的运行让你动弹不得。硬件驱动运行在用户模式，装驱动也不用重新启动系统。
② 网络方面集成IPv6支持，防火墙的效率和易用性更高，优化了TCP/IP模块，从而大幅增加网络连接速度，加强了对于无线网络的支持。
③ 媒体中心模块将被内置在Home Premium版本中，用户界面更新，支持CableCard，可以观看有线高清视频。
④ 音频方面，音频驱动工作在用户模式，稳定性高，速度和音频保真度也得到提高，内置了语音识别模块，带有针对每个应用程序的音量调节。
⑤ 显示方面，Vista内置DirectX 10，使用更多的dll，不向下兼容，显卡的画质和速度会得到革命性的提升。
⑥ 集成应用软件方面，取代系统还原的新SafeDoc功能让你自动创建系统的影像，内置的备份工具将更加强大，许多人可以用它取代Ghost；在Vista上Outlook升级为Windows Mail，搜索功能将非常强大，还有内置日程表模块，新的图片集程序、Movie Maker、Windows Media Player11等都是众所期待的升级。
⑦ Aero Glass以及新的用户界面，窗口支持3D显示提高工作效率。显卡现在也是一个共享的资源，它也负责Windows的加速工作。
⑧ 重新设计的内核模式加强了安全性，加上更安全的IE7、更有效率的备份工具，安全性提高。
Windows Vista是个人计算领域的巨大飞跃。在可靠性、安全性、部署的方便性、性能和
第5章 计算机软件系统组成 93
便于管理方面的优势使得用户可以在任何时候任何地点自信地做想做的事，能方便地与其他人员、设备和计算机进行无缝连接。
5.3.2 Unix
Unix是当代最著名的多用户、多进程、多任务分时操作系统，它最初于1969~1971年由美国贝尔实验室的Ken L.Thompson和Dennis M.Ritchie研制，最初的目的是创建一个较好的程序开发环境。Unix直接吸取了Multics和CTSS的特征，Unix一词就是针对Multics的双关语。由于上述两位学者对Unix操作系统的卓越贡献，双双获得了1983年的图灵奖。
由于Unix简洁、易于移植等特点，很快得到发展和普及。Unix可用于任何类型的计算机，如工作站、小型机、巨型机。大型的商业应用，如电信、银行、证券、邮政等大都采用Unix系统，Unix操作系统具有如下特点。
1．开放性
Unix系统最本质的特征是开放性。Unix是目前开放性最好的操作系统，是目前唯一能稳定运行在从微型机到大、中型等各种规模计算机上的操作系统，而且还能方便地将已配置了Unix操作系统的计算机互联成计算机网络。
2．多用户及多任务环境
Unix系统是一个多用户、多任务操作系统，它既可以同时支持数十个乃至数百个用户通过各自的联机终端同时使用一台计算机，而且还允许每个用户同时执行多个任务。
3．功能强大而高效
Unix系统提供了精选的、丰富的系统功能，使用户可方便地、快速地完成许多其他操作系统难以实现的功能。Unix已成为世界上最强大的操作系统之一，而且它在许多功能的实现上有其独到之处，并且很高效。
4．网络功能丰富
Unix系统还提供了丰富的网络功能。作为Internet网络技术基础的TCP/IP协议，便是在Unix系统上开发出来的，并已成为Unix系统不可分割的部分。Unix系统还提供了许多常用的网络通信协议软件，其中包括网络文件系统NFS软件、客户/服务器协议软件LAN Manager Client/Server、IPX/SPX软件等。通过这些产品可以实现在各Unix系统之间、Unix与Novell的Netware，以及MS-Windows NT、IBM LAN Server等网络之间的互联和互操作。
5．支持多处理器功能
与Windows NT及Netware等操作系统相比，Unix是最早提供支持多处理器功能的操作系统，它所支持的处理器数目也一直处于领先水平。例如，1996年推出的NT4.0只能支持1~4个处理器，而Windows 2000最多也只支持16个处理器，但Unix系统在90年代中期，便已能支持32~64个处理器，且拥有数百个乃至数千个处理器的超级并行机也普遍支持Unix。
5.3.3 Linux
Linux操作系统是20世纪90年代推出的一个多用户、多任务操作系统。它与Unix操作
94大学计算机基础 系统兼容，同时是一个自由软件，免费、源代码开放。这正是它与其他商业软件的不同之处。 Linux操作系统最初是由芬兰赫尔辛基大学的一名学生Linus Torvalds为了自己的操作系统课程的学习和上网而陆续编写的，最初只是一个进程切换器和终端仿真程序，之后又增加了硬盘驱动程序和文件系统等，完成之后Linus Torvalds发现实际上他已基本实现了一个完整的操作系统内核，出于对这个内核的信心和对其美好未来的展望，Linus Torvalds在网络上公开了他的源代码，从此创造了奇迹。正是因为其源代码可以在网上免费自由传播，吸引了大量的爱好者和众多的软件公司以及科研机构，他们都加入到Linux操作系统的开发行列中，使得Linux操作系统不断地、快速地发展和提高，使其在不到3年的时间内成为了一个功能完善、稳定可靠的操作系统。目前主要流行的版本有Red Hat Linux、Turbo Linux及我国自己开发的红旗Linux、蓝点Linux等。Linux操作系统具有众多特点，如免费、源代码开放；具有高度的稳定性、可靠性和可扩展性；具有强大的功能，尤其是它的网络功能；具有友好的用户界面；内核小，硬件需求低；用户程序众多，程序兼容性好。
5.3.4 DOS
磁盘操作系统DOS(Disk Operating System)是存储在磁盘上的一组程序。它是一个典型的单用户单任务字符界面的操作系统，是目前个人计算机上使用最多的操作系统之一。DOS是由IBM和Microsoft公司联合开发的，1981年IBM公司买下86-DOS的专利，和Microsoft合作经改进后，于1981年秋推出了IBM-PC和DOS 1.0，这标志着DOS的诞生。此后，IBM公司一直委托Microsoft公司开发DOS。几乎每年都有新的DOS版本问世。80年代中后期，IBM和Microsoft公司分离，形成了功能基本相同的DOS。由IBM公司研制的称为PC-DOS，由Microsoft公司研制的称为MS-DOS。
DOS采用命令行界面，其中的命令都要用户记忆，这给用户的学习和使用带来了困难。DOS中文件名所用的字符不能超过8个，扩展名的字符不能超过3个。在DOS的提示符下，用户可以输入命令，按Enter键表示命令输入结束。输入命令的格式和语法必须正确，如不正确，DOS会给出出错信息。图5-11为DOS的命令行界面，从中可以看出命令dir/w的作用是显示文件的清单。
图5-11 DOS的界面
第5章 计算机软件系统组成 95
5.4 常见应用软件
计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机系统的功能是通过计算机软件系统来表现的。软件系统又可分为系统软件和应用软件，而不同的应用领域有着不同的应用软件，以下简单介绍几种常见的应用软件。
5.4.1 办公软件
现代办公涉及对文字、数字、表格、图表、图形、图像以及音频和视频等多种媒体信息的处理，为了实现办公信息处理的自动化，针对不同的信息数据的处理和不同的应用，必须使用不同类型的办公软件。办公软件一般包括文字处理、桌面排版、幻灯演示，电子表格等。
常用的办公系列软件有Microsoft公司的Microsoft Office和金山公司的WPS Office。它们都是运行在Windows操作系统环境下的应用软件，拥有优秀的办公处理功能和方便易用的特点，在很大程度上满足了单位和家庭用户办公的需求，深受广大用户的喜爱。
以下按功能简介常用办公软件。 1．文字处理软件
文字处理软件的主要功能是将中、英文字符、表格输入到计算机，进行存储、编辑、排版等，并可以各种所需的形式显示、打印。目前的字处理软件不仅可以方便地处理图形，如图形、图片，图表、艺术字，数学公式等，也可以处理声音等多媒体信息。最常用的文字处理软件有Microsoft Word、WPS Office金山文字等。
2．演示文稿软件
演示文稿软件是用于制作幻灯片和演示文稿的软件，它可通过计算机播放文字、图形、声音和动画等多媒体信息，广泛用于多媒体教学、产品宣传、会议演讲、学术报告、现场展示等。常见多媒体演示软件有Microsoft PowerPoint、WPS Office金山演示和Lotus Freelance Graphics等。
3．电子表格软件
电子表格软件发挥了计算机强大的计算和数据管理功能，通过在表格中输入文字、数字或公式，利用大量的内置库函数方便快捷地进行统计和运算，并可根据计算的结果进行分析，生成各种统计图表，以评价、预测发展趋势，提供决策支持。常见的电子表格处理软件有Microsoft Excel、WPS Office金山表格、Lotus 1-2-3等。
4．网页制作软件
随着互联网的普及，网页制作软件也迅速发展。网页制作软件可以让用户不必使用HTML语言就可编写网页的文本、装配图形元素、超链接到其他网站，为用户快速、方便的浏览网络上的信息提供了方便、快捷的途径。常用的网页制作软件有：Microsoft FrontPage、Macromedia Dreamweaver、Claris Page等，Microsoft Word软件也提供了将Word文档转换成HTML文档的功能。
5．桌面出版软件
桌面出版软件在字符及图形设计技术的编辑排版处理方面的功能比文字处理软件更加强
96大学计算机基础 大，主要用于报纸、书刊、杂志等出版行业，可以提供更复杂、更专业的排版和输出效果。目前国内常用的排版软件有北大方正排版软件、华光排版软件等。随着文字处理软件技术的发展及功能的丰富，其与桌面出版软件之间的差距越来越小，如Microsoft Word也已广泛地用于书籍的出版。
5.4.2 图形和图像处理软件
随着计算机技术的发展，人们获取信息的方法和数量也越来越多。图形、图像已成为常用的媒体信息。相关的图形、图像处理软件的应用也越来越普遍。在计算机中，图形一般分为两种类型：矢量图形和点阵图形(也称位图)，这两种图形的格式不相同，软件的处理方式也不相同。
1．图像软件
图像软件主要用于创建和编辑位图文件。在位图文件中图像由像素点组成。位图文件是最本质的图像表示方式，它适合表示真实的场景。
Adobe公司开发的Photoshop软件是目前世界上最流行的图像处理软件，广泛应用于广告设计、美术编辑、彩色印刷、摄影等领域。其主要功能如下：
① 绘图功能 提供多种绘图工具和方法。 ② 创意功能 能实现各种独特的艺术效果。
③ 矢量图功能 可以在位图文件中合成可编辑的矢量图形。 ④ 图像浏览功能 可打开各种格式的图像文件。
⑤ 图像编辑功能 提供多种对已有图像的编辑功能。
⑥ 多样化的图像输入手段 可以与扫描仪、摄像头、数码相机等输入设备相连，获得高品质的图像。
此外Windows操作系统中自带的PaintBrush也是一个简单的图像软件，用户可通过绘图工具在屏幕上简单地创建和编辑图像。
2．图形软件
图形软件主要用于创建和编辑矢量图文件。在矢量图文件中，图形由点、线、圆、椭圆、矩形、多边形等基本图素或体素构成。绘图软件主要应用于工业设计和三维建模等领域。 由美国Autodesk公司开发的AutoCAD是一个通用的交互式绘图软件包，广泛使用在建筑、机械等行业，其主要功能如下：
① 基本绘图功能 绘制直线、圆、圆弧及文字等。
② 图形编辑功能 对图形进行移动、复制、旋转、修剪、删除等。 ③ 图形显示功能 缩放、扫视、三维视察控制、多视窗控制等。
④ 二次开发功能 内嵌Lisp编程语言并提供了图形转换文件接口。 ⑤ 三维造型功能 绘制三维图形，对三维实体进行交、并、差等操作以生成较复杂实体。 此外常用的绘图软件还有CorelDraw、Macromedia FreeHand等。 3．动画制作软件
计算机动画技术已广泛地应用于影视特技、广告艺术及Internet等领域。一般动画软件
第5章 计算机软件系统组成 97
都包括对各种动画的编辑工具，用户只要根据自己的想法来编排动画，分镜头的处理工作由计算机和软件完成。此外，动画制作软件还提供场景变换、角色更替等功能。
3D MAX是AutoDesk公司推出的三维建模和动画制作软件。具有建模、修改模型、赋材质、运动控制、设置灯光和摄像机，插值生成动画以及后期制作等功能。
此外常见的动画制作软件还有Flash、After Effect等。
5.4.3 Internet服务软件
Internet技术的快速发展，对人们的工作、学习和生活都产生了很大的影响。人们可以通过网络完成商业交易、远程诊断、学习、办公、娱乐等。在Internet上提供服务的软件有很多，以下仅对WWW浏览器、电子邮件和FTP文件传输软件作简要介绍。
1．WWW浏览器软件
WWW是“World Wide Web”的缩写，译为“万维网”，也称“全球互联网”，是当今Internet上最受欢迎、最方便的信息检索服务系统。其使用超文本技术，将Internet上现有资源连接起来，使用户能从在Internet上已经建立了WWW服务器的所有站点提取超文本媒体资源文档。WWW能把各种类型的信息(静止图像、文本、声音、音像)无缝地集成起来，供用户浏览、查询。
要浏览WWW的信息，客户机端必须使用浏览器软件。浏览器软件就是客户机端访问WWW服务器所用的程序。常见的浏览器软件有Microsoft Internet Explorer、Netscape Navigator等。
2．电子邮件软件
电子邮件(Electronic Mail，E-mail)是Internet所有信息服务中用户最多和接触面最广泛的所不同的是电子邮件传送的不是实物，一类服务。电子邮件的收发过程和普通信件非常相似，而是电子信号，因此它不仅可以传送文字、图形，也可传送声音、视频等各种信息，快速方便，深受广大网络用户的喜爱，已经成为广大用户交换信息的重要途径。
电子邮件功能的实现也是采用客户机/服务器模式。用户一般在客户机上通过客户端的电子邮件软件向提供电子邮件服务的网络服务器发送邮件或从服务器上接收邮件。在客户机端常用的电子邮件软件有Microsoft Outlook Express、Foxmail、Netscape Messenger等
3．FTP软件
计算机上所有的信息都以文件的形式存储，当文件从一台计算机传递到另一台计算机时，由于两台计算机可能使用不同的操作系统、采用不同的字符编码、硬件设备的类型不一致等原因，就会给文件交换带来一些问题。解决计算机之间因数据交换而产生的问题，通常采用协议的方式。Internet上的文件传输协议(File Transfer Protocol)就是为了解决在Internet上文件交换问题而提供的服务。
FTP是文件传输最主要工具，使用FTP软件功能在于与远程服务器(通常称为FTP服务器)建立连接，交互式查看服务器上的文件目录，并从服务器上下载(Download)文件到自己计算机上，或将自己计算机上的文件上传(Upload)到服务器。FTP是一种实时的联机服务，它几乎可以传送任何类型的文件，如文本文件、二进制文件、图形文件、音像文件、数据压缩文件等。访问FTP服务器通常有两种方式，一种是注册用户访问到服务器系统，另一种是用
98大学计算机基础 “匿名用户”身份访问服务器，不同身份访问服务器所拥有的权限和享受的服务不一样。 在Windows系统中都内嵌有FTP程序模块，可在浏览器界面的地址栏上直接输入FTP服务器的IP地址或域名，浏览器将自动调用FTP程序完成连接。常用的FTP软件有：CuteFTP、WS-FTP等。
5.4.4 数据库管理软件
数据库技术是计算机应用的一个重要领域。自20世纪80年代以来，计算机越来越多地应用于事务处理。在事务处理过程中，计算机需要对大量数据进行存储、组织和检索。这些任务主要依赖数据库管理系统(DBMS)以及数据库来实现。DBMS提供功能齐全的数据库程序设计语言，用户可以自行设计、开发符合需求的数据库应用软件。目前，在微型机上常用的数据库软件有Microsoft Access、Visual FoxPro、My Sql等，大型计算机上的数据库软件有SQL Server、Oracle、Sybase和DB2等。
在银行、保险、证券等行业，由于数据处理量巨大，且数据具备实时性、可靠性、安全性，为满足这些要求，一般均采用大型数据库管理系统。
在一般中小型企业、公司及学校，通常采用小型数据库管理系统，数据处理量较少，对系统环境的要求较低，能够满足企业发展的需要，又便于系统维护使用。
5.4.5 娱乐与学习软件
当前休闲、娱乐、教育、学习已成为计算机应用的重要方面。随着多媒体技术和网络技术的发展，与娱乐和学习有关的计算机软件也越来越多。
1．娱乐软件
娱乐软件包括游戏、音乐欣赏、观看影视动画等。除了有用于计算机上的游戏软件，还有专门用于游戏机或家庭游乐器上的游戏娱乐软件；有单机版的软件，也有多人共同参与的网络版软件，为用户工作之余提供了休闲的途径。
2．CAI软件
随着计算机在教育领域应用的普及和多媒体技术、网络技术的不断发展，CAI(Computer-Aided Instruction，计算机辅助教学)在现代化教育中的作用日益加大，已显示出传统教育手段无法比拟的优越性。
CAI系统可以根据具体的教学目标和教学内容，采用不同的教学模式，主要有如下几种。 ① 讲解演示 模仿教师课堂讲授，演示教学过程。
② 计算机模拟 利用计算机模仿真实现象，有模拟实验、模拟训练、过程模拟等。 ③ 操作与练习 利用计算机反复练习，使学生巩固和熟练运用相应的知识和技能。 ④ 计算机辅助考试 是CAI的重要组成部分，包括试题库、组卷、机考、阅卷、学生成绩分析等，利用网络还可使考试不受时间、地点、环境的影响。目前许多大型考试都采用了计算机网络考试的方式，如托福等。
⑤ 远程辅导与在线讨论 处于异地的学习者及教师可通过网络进行学习、指导和交流。 基于Internet技术、计算机技术、多媒体技术以及上述多种教学模式的综合，是CAI未来的发展方向。
第5章 计算机软件系统组成 99
5.5 本章小结
计算机系统由硬件和软件共同组成，软件由系统软件和应用软件组成。本章详细介绍了计算机系统中软件系统的组成及其功能，同时介绍了系统软件中最重要的软件——操作系统。本章从管理的角度介绍了操作系统在计算机系统中的作用，并通过对进程管理、内存管理、外设管理、文件管理和用户接口的介绍，使读者认识操作系统，进而了解用户发出的命令在计算机系统中的执行过程。
思考题
1．简述计算机软件系统的组成。 2．简述操作系统的作用。
3．列出几种类型的操作系统。 4．写出进程与程序的区别。 5．多级树形目录有哪些优点。 6．简述操作系统的管理功能。 7．简述几种类型的应用软件。
8．操作系统中用户直接接触的是哪一部分? 有哪几种类型？ 9．从操作系统的角度简述“打开”文件操作的执行过程。 10．简述计算机系统的层次结构。
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