第1章 操作系统引论
第一章操作系统引论
第一章 操作系统引论
输入设备
外围机
磁盘
主机
外围机
图 脱机示意图
输出设备
第一章 操作系统引论
类似地，当需要输出时，可由直接高速地把数据从内存 送到磁带上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁带上的 结果通过相应的输出设备输出。图示出了脱机输入输出过程。 由于程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的， 或者说，它们是在脱离主机的情况下进行的，故称为脱机输 入输出方式；反之，在主机的直接控制下进行输入输出的方 式称为联机 。
第一章 操作系统引论
．脱机输入输出方式
为了解决人机矛盾及和设备之间速度不匹配的矛盾，世 纪年代末出现了脱机输入输出( )技术。该技术是事先将装有 用户程序和数据的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片机)， 在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入 到磁带上。当需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速 地调入内存。
第一章 操作系统引论
由此可知，是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，它 们不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节， 由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。值得说 明的是，对一个硬件在底层进行抽象后，在高层还可再次对 该资源进行抽象，成为更高层的抽象模型。随着抽象层次的 提高，抽象接口所提供的功能就越来越强，用户使用起来也 更加方便。
在世纪和年代，又分别出现了能有效提高设备和利用率 的系统和改善存储器系统利用率的虚拟存储器技术，以及在 网络环境下，在服务器上配置了允许所有网络用户访问的文 件系统和数据库系统。
第一章 操作系统引论
．方便用户
当资源利用率不高的问题得到基本解决后，用户在上机、 调试程序时的不方便性便又成为主要矛盾。于是人们又想方 设法改善用户上机、调试程序时的环境，这又成为继续推动 发展的主要因素。随之便形成了允许进行人机交互的分时系 统，或称为多用户系统。在世纪年代初出现了受到用户广泛 欢迎的图形用户界面，极大地方便了用户使用计算机，使中 小学生都能很快地学会上机操作，这无疑会更加推动计算机 的迅速普及。
第一章操作系统引论
第一章 操作系统引论
1.1 操作系统的目标和作用
• 1.1.1 操作系统的目标
• 1.1.2 操作系统的作用
• 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力
第一章 操作系统引论 1.1.2 操作系统的作用
1．OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处
于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。
在20世纪60和70年代，又分别出现了能有效提高I/O设备 和CPU利用率的SPOOLing系统和改善存储器系统利用率的虚 拟存储器技术，以及在网络环境下，在服务器上配置了允许 所有网络用户访问的文件系统和数据库系统。
第一章 操作系统引论 2．方便用户 当资源利用率不高的问题得到基本解决后，用户在上机、 调试程序时的不方便性便又成为主要矛盾。于是人们又想方 设法改善用户上机、调试程序时的环境，这又成为继续推动 OS发展的主要因素。随之便形成了允许进行人机交互的分时 系统，或称为多用户系统。在20世纪90年代初出现了受到用 户广泛欢迎的图形用户界面，极大地方便了用户使用计算机， 使中小学生都能很快地学会上机操作，这无疑会更加推动计 算机的迅速普及。
时相应OS的功能和性能也都有显著的增强和提高。
第一章 操作系统引论 在多处理机快速发展的同时，外部设备也在迅速发展。 例如，早期的磁盘系统十分昂贵，只能配置在大型机中。随
着磁盘价格的不断降低且小型化，很快在中、小型机以及微
型机上也无一例外地配置了磁盘系统，而且其容量还远比早 期配置在大型机上的大得多。现在的微机操作系统(如
外部存储器 软盘 输入设备
0 0 1 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 101
第一章 操作系统引论
31
操 作 系 统
网络OS和分布式OS的区别
(1) 分布具有各个计算机间相互通讯， 无主从关系；网络有主从关系； (2) 分布式系统资源为所有用户共享；
第 一 章 操 作 系 统 引 论
而网络有限制地共享； (3) 分布式系统对用户是透明的。
32
操 作 系 统
3.微型机(个人）操作系统
计算机在某一时间内为单用户服务,其追求目 标是界面友好，使用方便，丰富的应用软件。
借助于通道和中断技术，输入输出操作可以在中央 处理机控制之下完成。这时，原有的监督程序不仅要负 责调度作业自动运行，而且还要提供输入输出控制功能， 它比原有的监督程序的功能增强了。这个发展了的监督 程序常驻内存，称为执行系统。 20
操 作 系 统
二、 操作系统的完善
1． 多道批处理系统
多道程序设计技术是指在计算机内存中同时存放多 个作业，它们在管理程序控制之下交替执行，共享系统 中的各种资源。 多道程序运行的特征： 1）主存中存放多道程序； 2）宏观上并行； 3）微观上串行。
28
操 作 系 统
三、操作系统的发展
1．网络操作系统
计算机网络是通过通信设备和通信线路将地理上分散的多 个计算机系统相互连接起来，实现信息交换、资源共享、 可互操作和协作处理的系统。 网络环境下的操作系统是网络用户和网络之间的接口， 它除了具有通常操作系统的资源管理功能外，还具有网络 管理、网络通信、网络资源共享、系统安全和多种网络应 用服务的功能。 网络操作系统既要为本机用户提供使用网络资源的手 段，又要为网络用户使用本机资源提供服务。
•错综复杂、纵横交叉： 与硬件有关、与其它软件有关、与用户有关、 讲课过程中往往用到后面的知识。
3
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课程教学开始之前（2）
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·课程是计算机类专业必修的核心课程之一，但它 具有理论性强、知识点多、概念难理解等特点，变 成教师最难教、学生最难学的课程。课程要开，但 内容要调整，教学方法要改进，OS应用自学为主， OS知识讲授为主，并积极开展学习讨论活动。
·问题3：单道批处理系统需要作业调度程序吗？多 道批处理系统的作业调度程序需要解决哪些问题？
第1章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展与分类
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·分时系统
同时性 交互性 独立性 及时性
分时系统：在不同的时间间隔内，不同程序访问 （共享）同一个设备或其他资源。
3.0—95—98—2000—XP—2003，微软公司，微 机
·UNIX操作系统
主要运行在大中小型计算机上，重点行业与关键事 务
·Linux操作系统
UNIX技术、Windows对手、UNIX补充，自由软 件
第1章 操作系统引论
操作系统实用教程
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1.6 Windows 2003 的安装与启动
第1章 操作系统引论
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·学习目标：理解操作系统的概念，知道操作系统 的功能，了解操作系统的类型、特征及内容结构， 了解常用操作系统的基本情况。
·学习内容：操作系统的定义、操作系统的分类、 操作系统的功能和性能、操作系统的特征结构、实 用操作系统、Windows 2003安装与启动。
第1章 操作系统引论
2016年11月7日
第一章 操作系统引论
21
1.5 操作系统的主要功能
5. 用户接口
主要任务：方便用户使用操作系统，以命令、系统调用或者图形方式 为用户提供接口 。 用户
接口 操作系统
计算机硬件
接 口
用户
操作系统
1.命令接口 2.程序接口 3.图形接口
命令接口：包括联机用户接口和脱机用户接口； 程序接口：由一组具有特定功能的系统调用组成。； 图形接口：图形化的操作界面。
7
1.2 操作系统的目标和作用
1. 操作系统的目标
方便性 方便使用计算机系统，避免用户自己编写程序的繁琐工作。
有效性 合理组织计算机的工作流程，进一步改善资源的利用率， 提高系统的吞吐量。 可扩充性 VLSI 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuites)，计算机技术以及计算机网络Internet的发展的 需求 。 开放性 遵循世界标准规范，如开放系统互联OSI国际标准。
操作系统（Operating System-OS）是一组控制和 管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行 调度，以及方便用户使用的程序的集合。
2016年11月7日 第一章 操作系统引论 5
1.1 操作系统概述
2. 理解操作系统
下面哪些是操作系统？
UNIX，SQL Server，Word，DOS， WindowsXP， PowerPoint，Linux
1.5 操作系统的主要功能
1. 处理机管理
主要任务：对CPU进行分配，且对其运行控制和管理 进程控制：为作业创建进程、撤销已结束的进程； 进程同步：进程互斥和进程同步； 进程通信：进程之间的信息交换； 调度：作业调度和进程调度。
第1章 操作系统引论
目的及要求：1.了解操作系统的目标、作用和模型2.领会和理解操作系统的发展过程3.初步了解和领会操作系统的特征和服务4.领会和掌握操作系统的功能5.了解操作系统的进一步发展注：需了解的→知识点若在选项中出现，知道对错即可需掌握的→必须深刻掌握！！！重点：1.批处理操作系统2.分时操作系统3.操作系统的特征4.操作系统的功能难点：1.多道程序设计的基本概念2.多道批处理系统的特征内容§1.1 操作系统的目标和作用（2个重要问题：（1）OS的定义（或者说作用、功能），（2）OS的目标）§1.2 操作系统的发展过程§1.3 操作系统的基本特性§1.4 操作系统的主要功能§1.5 OS结构设计§1.6 常见的OS§1.1 操作系统的目标和作用一、OS的定义（一）、你用过哪些OS？Windows；Unix；Linux；Dos（二）、OS能做什么？各种命令：dir copy del format启动、结束用户程序系统调用：例如INT指令UNIX 等提供多任务、多用户环境结论：os为你完成所有“硬件相关、应用无关”的工作，以给你方便、效率、安全（三）、OS不能做什么？不做天气预报不做房屋设计不是编译程序… …总之，OS不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序...✧（四）、OS是什么？（也叫OS的定义？）3点OS是（1）、直接控制和管理计算机硬件、软件资源，（2）、合理地对各类作业进行调度，（3）、以方便用户使用的程序集合（补充——作业的概念：一次上机需要完成的任务（意图）的集合）补充——OS的开发过程：需求（功能）P16 →设计（用到DS和算法（用自然语言描述算法即可））→编码→测试二、OS在计算机中的地位——紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）三、OS的目标P1【（1）方便性（2）有效性（3）可扩充性——即预留一些接口（4）开放性】四、OS的作用P2（1）、作为用户和计算机间的接口，示意图（课本P2 图1-1）。
第一章操作系统引论
第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.1.1操作系统的目标1.1.2操作系统的作用1.1.3推动操作系统发展的主要动力1.1操作系统的目标和作用1.1.1操作系统的目标1.1.2操作系统的作用1.1.3推动操作系统发展的主要动力1.1.1操作系统的目标1.1.2操作系统的作用1.1.3推动操作系统发展的主要动力1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2.6微机操作系统的发展1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2.6微机操作系统的发展1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2.6微机操作系统的发展1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2.6微机操作系统的发展1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2.6微机操作系统的发展1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2.6微机操作系统的发展1.3操作系统的基本特性1.3.1并发性1.3.2共享性1.3.3虚拟技术1.3.4异步性进程管理1.3操作系统的基本特性1.3.1并发性1.3.2共享性1.3.3虚拟技术1.3.4异步性1.3操作系统的基本特性1.3.1并发性1.3.2共享性1.3.3虚拟技术1.3.4异步性1.3操作系统的基本特性1.3.1并发性1.3.2共享性1.3.3虚拟技术1.3.4异步性1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能1.4.2存储器管理功能1.4.3设备管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5操作系统与用户之间的接口1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能1.4.2存储器管理功能1.4.3设备管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5操作系统与用户之间的接口1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能1.4.2存储器管理功能1.4.3设备管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5操作系统与用户之间的接口1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能1.4.2存储器管理功能1.4.3设备管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5操作系统与用户之间的接口1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能1.4.2存储器管理功能1.4.3设备管理功能1.4.4文件管理功能1.4.5操作系统与用户之间的接口1.5OS结构设计1.5.1传统的操作系统结构1.5.2客户/服务器模式1.5.3面向对象的程序设计1.5.4微内核OS结构1.5OS结构设计1.5.1传统的操作系统结构1.5.2客户/服务器模式1.5.3面向对象的程序设计1.5.4微内核OS结构1.5OS结构设计1.5.1传统的操作系统结构1.5.2客户/服务器模式1.5.3面向对象的程序设计1.5.4微内核OS结构1.5OS结构设计1.5.1传统的操作系统结构1.5.2客户/服务器模式1.5.3面向对象的程序设计1.5.4微内核OS结构为此，系统应设置相应的数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间时参考；系统还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。
第1章 操作系统引论
● 操作系统的产生和发展
●
操作系统的特征 操作系统的功能 操作系统的类型
●
●
1.1 操作系统的定义
资源管理的观点 1
●操作系统：是控制和管理计算机的软、硬件资源， 操作系统：是控制和管理计算机的软、硬件资源，
合理地组织计算机的工作流程，以方便用户使用的程序集 合理地组织计算机的工作流程， 合。 2 用户的观点
● ● ●
高可靠性 过载保护 对截止时间的要求
微机操作系统
●CP/M
操作系统
● MS-DOS ● OS/2 ● ●
操作系统
操作系统
UNIX 操作系统 Linux 操作系统
● Windows
操作系统
多处理机操作系统
● 引入原因 ●增加系统吞吐量 ●
节省投资
●提高系统可靠性
● 多处理机OS类型 多处理机OS类型 ●非对称多处理模式 非对称多处理模式——主-从模式 主 从模式 ●对称多处理模式 对称多处理模式——
1958年 年
第二代计算机上有了监控系统（OS雏形） 第二代计算机上有了监控系统（ 雏形） 雏形
第二代： 第二代：监控系统
● 第二代计算机主要用于科学和工程计算，程序大 多用FORTRAN语言书写，该语言适用于作数值运 算，当时主机上用的控制程序称之为监控程序 （Monitor），其功能相对比较简单，监控程序是 操作系统的雏形 。 ● 单道批处理系统（Simple Batch System）是将所有 的作业用一台相对比较便宜的计算机（如IBM 1401） 输入到磁带上，此计算机称为输入/输出机，实施 数值运算、速度较快的计算机称为主机（如 IBM7094）。大批的作业在输入/输出机的控制下 输入到磁带后，用一个特殊的程序来控制作业的读 入和运行，这个特殊的程序叫作业控制语言（JCL， Job Control Language）书写，它能控制程序的运行， 如图所示。
第一章 操作系统引论
第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计操作系统的结构设计计算机系统由硬件和软件组成，操作系统（OS,Operating OS,Operating SystemSystem ）是配置在计算机硬件上的第一层系统软件；其它系统软件、应用软件都依赖于OS 。
1.1 操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标目前存在着多种类型的OS ，不同类型的OS ，其目标各有所侧重。
通常在计算机硬件上配置的OS ，其目标有以下几点：1.1.有效性(早期):提高系统资源利用率;提高系统吞吐量；2.2.方便性（近年来）：用户->OS->计算机硬件3.3.可扩充性：便于增加和修改功能和模块4.4.开放性：遵循世界标准规范；遵循OSI 标准注意：有效性和方便性是开发OS 时最重要的目标计算机系统上配置OS 的目标与计算机系统的规模(大中型机和小型机)和应用环境(查询系统，实时工业控制和武器控制)有关。
1.1.2 操作系统的作用1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为一个系统软件，处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。
或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。
如图1-1，用户通过以下三种方式使用计算机：图1-1 OS作为接口的示意图用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件(1) 命令方式：由OS提供了一组命令，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机。
(2) 系统调用方式：OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过相应的系统调用来操纵计算机。
第1章 操作系统引论
输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才
让下一个用户上机。
图1-2 格伦· 贝克(远)和贝蒂· 斯奈德(近) 在位于弹道研究实验室（BRL）Building 328的ENIAC上编程
图1-3 程序员贝蒂· 让· 詹宁斯（左）和弗兰· Bilas（右） 操作位于穆尔电气工程学院的ENIAC主控制面板。
用户=东家，计算机=大掌柜？
计算机系统包括软件和硬件部分。如果用户是计
算机的“东家”，那么操作系统就是替用户打理计
算机系统中所有的软、硬件资源的“大掌柜”。
用户对计算机的控制与操作，是通过操作系统来
完成的。正是操作系统提供的良好的界面，使得用
户能够方便自然地使用计算机资源。
1.1 操作系统概念
计算机发展到今天，从个人计算机到巨型计算机系统，毫无 例外都配置一种或多种操作系统。操作系统管理和控制计算
1.2.2 单道批处理系统
计算机发展的早期，没有任何用于管理的软件，所有的运 行管理和具体操作都由用户自己承担，任何操作出错都要重 做作业，CPU的利用率很低。 解决的方法有两个：首先配备专门的计算机操作员，程序 员不再直接操作机器，以减少操作机器的错误。另一个是进 行批处理，操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业 编成一个作业执行序列。每一批作业将有专门编制的监督程 序(Monitor)自动依次处理。图1-4示出了单道程序顺序运行 情况。
2 虚拟机 裸机在最里层，它的外面是操作系统，通过操作系统提供 的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成 功能更强，且使用更方便的机器，通常称之为虚拟机
(Virtual Machine)。
1.1 操作系统概念
引入操作系统的目的可从三方面来考察： •观点一，从系统管理人员的观点来看，操作系统是计算机资源的管理者。 •观点二，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
第1章-操作系统引论
操作系统的目标和作用 操作系统的发展过程 操作系统的基本特征 操作系统的主要功能 操作系统的结构设计 **UNIX系统简介 本章作业
OS引论
1.1 操作系统的目标和作用
一、操作系统目的/目标 二、计算机系统组成 三、 操作系统的作用
返回目录
OS引论
二、计算机系统组成
待I/O的完成，特别因为I/O设备的低速性，从而使机器的利用率很低。
返回
OS--------Introduction
1.2.4 多道批处理系统
特征：（1）调度性
（2）无序性 （3）多道性
优点：（1）资源的利用率高 （2）系统吞吐量大
缺点：（1）平均周转周期长 （2）无交互能力
需解决问题
处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件及作业管理问题
多用户多任务：UNIX, Solaris x86, Linux。
返回
OS--------Introduction
六、多处理机操作系统
多处理机系统引入原因 增加系统的吞吐量 节省投资 提高系统的可靠性
多处理机系统的类型 紧密耦合MPS 松散耦合MPS
多处理机操作系统的类型 非对称多处理模式 对称多处理模式
精心设计的，能实现现代OS核心功能的小型内核，它 小而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内 存紧张而换出，它为构建通用OS提供了一个重要基础。
微内核的基本功能
进程管理 存储器管理 进程通信管理 I/O设备管理
特点
小而精练 系统的灵活性和可扩充性好 系统的可靠性高 适用于分布式系统
1.2.3 单道批处理系统 用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算
1、工作流程： 机系统所做的全部工作。
操作系统实用教程第1章-操作系统引论
第1章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展与分类
操作系统实用教程
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问题与讨论：
1、你如何理解分时系统与实时系统的区别？
2、如果将操作系统分类为传统与现代两类，你将 如何划分？说说想法。
第1章 操作系统引论 1.3 操作系统的功能与性能
操作系统实用教程
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第1章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展与分类
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分时系统
同时性 交互性 独立性 及时性
分时系统：在不同的时间间隔内，不同程序访问 （共享）同一个设备或其他资源。
第1章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展与分类
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实时系统
第1章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展与分类
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问题1：单道批处理系统与多道批处理系统的系统 吞吐量、资源利用率，谁高？为什么？
问题2：单道批处理系统与多道批处理系统的作业 周转时间，谁长？为什么？
问题3：单道批处理系统需要作业调度程序吗？多 道批处理系统的作业调度程序需要解决哪些问题？
1.4 操作系统的特征与内部结构
操作系统的内部结构 模块化结构：由功能模块构成OS，模块间接口调
用。
层次化结构：模块间按照某种关系排成若干层， 层间模块只单向依赖。
虚拟机结构：在裸机上扩展了一层软件，向上提 供了若干台虚拟机。
C/S结构：客户/服务器结构。 对象结构：操作系统管理的信息和资源均为对象
实时系统：能及时响应随机发生的外部事件，并 在规定的时间内完成对该事件处理的系统。
第一章操作系统引论
推动操作系统发展的主要动力
不断提高计算机资源利用率： 方便用户： 器件的不断更新换代： 计算机体系结构的不断发展： 不断提出新的应用需求：
1.2操作系统的发展过程
在20世纪50年代中期，出现了第一个简单的批处理 OS；60年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推 出分时系统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS 也相继问世。20世纪70到90年代，是VLSI和计算机体系 结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机 网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机 OS、多处理机OS和网络OS，并得到极为迅猛的发展。
多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统， 为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述 一系列问题：
(1) 处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要， 又要能提高处理机的利用率。
(2) 内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必 要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出 现异常情况而破坏其它程序。
(5) 作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序)， 系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些 作业用户的不同要求。
(6) 用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作 系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。
4、分时系统(Time Sharing System)
分时系统的引入：
前面所介绍的多道批处理系统、分时系统和实 时系统这三种基本操作系统都具有各自不同的特征， 如批处理系统有着高的资源利用率和系统吞吐量； 分时系统能获得及时响应；实时系统具有实时特征。 除此之外，它们还共同具有并发、共享、虚拟和异 步四个基本特征。
并发
并行与并发：
并行性：多个事件在同一时刻发生 并发性：多个事件在同一时间间隔内发生。
操作系统1 操作系统引论
1.2 操作系统的发展过程
1.2.1 无操作系统的计算机系统（诞生于1945年）
1. 人工操作方式
计算机操作是由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用 计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和 数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再 启动它们将程序和数据输入计算机， 然后启动计算机运行。 缺点： (1) 用户独占全机。 (2) CPU等待人工操作。
2. 多道批处理系统的特征
(1)多道性。 (2) 无序性。 (3) 调度性。
3. 多道批处理系统的优缺点
(1)资源利用率高。 (2) 系统吞吐量大。 (3) 平均周转时间长。 (4) 无交互能力。
单道和多道批处理的比较：
单道
多道
内存使用
每次一个作业
每次多个作业（充 分利用内存）
作业顺序
顺序，先进先 出
第一章 操作系统引论
1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计
1.4 操作系统的主要功能
1.4.1 处理机管理功能 1. 进程控制 2. 进程同步 3. 进程通信 4. 进程调度
1.4.2 存储器管理功能 1. 内存分配 2. 内存保护 3. 地址映射 4. 内存扩充
1.1.3 推动操作系统发展的主要动力
1.不断提高计算机资源利用率 2. 方便用户 3. 器件的不断更新换代 4. 计算机体系结构的不断发展
第一章 操作系统引论
1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计
早期脱机批处理模型
第1章操作系统引论
2)
(1) 硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任 务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。
(2) 软实时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个 截止时间， 但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不会太大。
1. 互斥共享方式
系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提 供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造 成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资 源。为此，当一个进程A要访问某资源时，必须先提出请求， 如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程A使用， 此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要A未用完)则必须 等待。仅当A进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对 该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享， 而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源 或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软 件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被 互斥地共享。
(3) 增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙 碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而 降低作业加工所需的费用。
2. 多道批处理系统的优缺点
(1) 资源利用率高。 (2) 系统吞吐量大。 (3) 平均周转时间长。 (4) 无交互能力。
3. 多道批处理系统需要解决的问题
(1) 处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。 (3) I/O设备管理问题。 (4) 文件管理问题。 (5) 作业管理问题。
在OS (1) 提高CPU的利用率。
当内存中仅有一道程序时，每逢该程序在运行中发出 I/O请求后，CPU空闲，必须在其I/O完成后才继续运行；尤 其因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。图 14(a)示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t2~t3、 t6~t7时间间隔内CPU空闲。在引入多道程序设计技术后， 由于同时在内存中装有若干道程序，并使它们交替地运行， 这样，当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度 另一道程序运行，从而保持了CPU处于忙碌状态。
操作系统引论
用户 应用程序 系统调用 命令 图标、窗口
操作系统 计算机硬件
图 1.2 OS作为接口的示意图
(1) 命令接口。这是指由OS提供了一组联机命令(语 言), 用户可通过键盘输入有关命令, 来直接操纵计算机 系统。
(2) 程序接口。OS提供了一组系统调用, 用户可在 自己的应用程序中通过相应的系统调用, 来操纵计算机。
(1) 用户独占全机。 (2) CPU等待人工操作。
2.脱机输入/输出(Off-Line I/O)
这种脱机I/O方式的主要优点如下: 减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。
输 入设 备
图
外 围机
1.3 I/O
脱
机
主机
示 意 图
外 围机
磁盘 输 出设 备
1.2.2 单道批处理系统
1.单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程
1.2 操作系统的发展过程
1.2.1 无操作系统的计算机系统
1. 人工操作方式
从第一台计算机诞生(1946年)到50年代中期的计算机，属 于第一代，这时还未出现OS。这时的计算机操作是由用户(即 程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程 序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸 带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算 机， 然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点:
3. OS
对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机), 即使其功能 再强, 也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层 I/O设备管理软件, 用户便可利用它所提供的I/O命令, 来进行 数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器, 将是一台比 裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机 器称为扩充机器或虚机器。如果我们又在第一层软件上再覆 盖上一层文件管理软件, 则用户可利用该软件提供的文件存 取命令, 来进行文件的存取。此时, 用户所看到的是一台功能 更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面 向用户的窗口软件, 则用户便可在窗口环境下方便地使用计 算机, 形成一台功能更强的虚机器。
第一章 操作系统引论
第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.1.1操作系统的目标1、计算机硬件上配置的OS的目标有：1）、方便性2）、有效性3）、可扩充性4）、开放性1.1.2 操作系统的作用1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。
或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。
应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。
图1-1 OS作为接口的示意图(1) 命令方式。
这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。
(2) 系统调用方式。
OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。
(3) 图形、窗口方式。
用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。
2. OS作为计算机系统资源的管理者在一个计算机系统中，可将各种的硬件和软件资源分为四类：处理器、存储器、I/O 设备以及信息(数据和程序)。
OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理。
3.*OS用作扩充机器对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。
如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。
此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。
通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。
1.1.3推动操作系统发展的主要动力1.不断提高计算机资源利用率2. 方便用户3. 器件的不断更新换代4. 计算机体系结构的不断发展5.不断提出新的应用需求1.2操作系统的发展过程1.2.1 无操作系统的计算机系统1. 人工操作方式从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。
人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。
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• 具有独占属性的物理设备或一些数据结构都属于临
界资源 • 对临界资源必须互斥地使用
2.同时访问方式
• 具有共享属性的物理设备或可重入码可同时
访问
• 宏观上的同时访问，微观上仍是交替访问的
并发和共享互为存在条件，是 OS 最基本
的特征：资源共享以进程并发为前提；协
调好并发进程对共享资源的访问，才能保证
1.2.3 多道批处理系统
1.基本概念
多道 内存中同时存放多道相互独立的程序 多道程序设计 在内存中同时存放若干道已开始运行且尚 未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的 各种硬、软资源，从而使处理机得到充分利用 多道批处理系统 在批处理中采用多道程序设计技术
2.为何引入
提高CPU的利用率 提高内存和设备的利用率 增加系统吞吐量
1）虚拟磁盘技术：通过虚拟磁盘技术将一个 硬盘虚拟为多个硬盘； 2）虚拟存储器技术：利用虚拟存储器技术从 逻辑上扩充物理存储器的容量。
1.3.4 异步性
异步环境：指各并发进程执行起始时间的随机性
和执行速度的独立性
直接制约： 一组异步环境下的并发进程，各自的
执行结果互为对方的执行条件，从而限制各进程执行
I/O软件 物理接口 硬件
屏蔽设备的操作细节，
为用户提供了一组抽象
的I/O设备。
OS是对裸机的首次扩充，加了OS的机器成为虚拟机
1.1.3 推动操作系统发展的主要动力
1.不断提高计算机资源的利用率 2.方便用户
3.器件的不断更新换代
4.体系结构的不断发展
1.2 操作系统的发展过程
操作系统的四个发展阶段
脱机输入技术
为解决低速输入设备与CPU速度不匹配 的问题，可将用户程序和数据，在一台外围 计算机的控制下，预先从低速输入设备输入 到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时， 再直接从磁带机高速输入到内存，从而大 大加快了程序的输入过程，减少了CPU等待 输入的时间
脱机输出技术
当程序运行完毕或告一段落，CPU需要
3.引入线程
进程：提高资源利用率；
线程：提高系统并发性。
进程属性：资源分配；独立运行
——切换开销大
线程属性：独立运行
进程属性：资源分配 ——减少切换开销
1.3.2 共享性
是指多个并发进程（线程）共同使用系 统资源，称为资源共享或资源复用。
1.互斥共享方式
• 把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临 界资源
时间片 把 CPU执行时间分割为等大小的时间段， 每个时间段称为一个时间片 分时技术 按时间片轮流把CPU分给各联机作业使用 分时操作系统 采用时间片轮转的方式为多个联机终端用 户服务的交互式操作系统
分时系统示意图
终 端
主机
2.为何引入
人-机交互 共享主机 便于用户上机
3.关键问题
及时接收：多路卡； 及时处理：缓冲区。 ——适合办公自动化、教学及事务处理等要 求人机会话的场合
4.工作方式
一台主机连接了若干个终端 每个终端有一个用户在使用 交互式的向系统提出命令请求
系统接受每个用户的命令
采用时间片轮转方式处理服务请求
并通过交互方式在终端上向用户显示结果
进程并发的顺利执行。
1.3.3 虚拟性
是指通过虚拟技术把一个物理上的实体变
为若干个逻辑上的对应物。
1.时分复用技术
1）虚拟处理机技术：利用分时技术把一台物
理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU；
2）虚拟设备技术：利用虚拟设备技术将一台
物理设备虚拟为多台逻辑设备，实现独占设备
的同时访问。
2.空分复用技术
3.实时系统与分时系统的特征比较
多路性：多路采集，多方控制
独立性：独立操作，独立控制
及时性：人的感受，截止时间
交互性：访问专用服务程序
可靠性：多级容错机制，高可靠保证
——必须保证及时性和高可靠性，对系统的
效率则放在第二位
——实时系统必须和先进的技术装备相结合
通用操作系统
操作系统经过20世纪60年代、70年代的发
输出时，无须直接把计算结果送至低速输出 设备，而是高速地把结果送到磁带上，然后 在另一台外围机地控制下，把磁带上的计算 结果由相应的输出设备输出，就大大加快了 程序的输出过程
1.2.2 单道批处理系统 1.基本概念
批处理技术 是指计算机系统对一批作业自动进行处 理的一种技术 单道 在内存中仅有一道作业 监督程序（Monitor） 控制每个作业按照作业说明书的作业步 执行，并实现作业之间的自动过渡
第一章 操作系统引论
主要内容
1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特征
1.4 操作系统的主要功能
1.5 操作系统的结构设计
目的和要求
通过本章的学习，使学生建立起操作系 统的基本概念 要求了解操作系统的引入和发展 理解多道程序设计技术 掌握操作系统的功能和特征 了解操作系统的硬件环境
实时控制 通常是指以计算机为中心的生产过程 控制系统，又称计算机控制系统 实时信息处理
计算机及时接收从远程终端发来的服
务请求，根据用户提出的问题对信息进行
检索和处理，并在很短时间内对用户做出
正确回答
2.实时任务
1）按任务是否呈现周期性划分
• 周期性实时任务：任务按周期循环
• 非周期性实时任务：联系一个截止时间 （开始截止时间和完成截止时间） 2）根据对截止时间的要求划分 • 硬实时任务 • 软实时任务
2.为何引入
解决人机矛盾 缓解CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾 分联机和脱机两种方式
早期批处理系统
磁带机 打 印 机
卡 片 阅 读 机
卡片
IBM 1401
IBM 7094
IBM 1401
输入磁带
输出磁带
3.Monitor处理流程
4.单道批处理系统的特征
单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格 地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在 人们所理解的OS。 该系统的主要特征如下： 单道性：单道程序独占整机资源 自动性：无需人工干预 顺序性：先调入的先完成
异步性是操作系统的一个重要特征
* 性能指标 *
1）系统的可靠性
可靠性R：通常用平均无故障运行时间MTBF衡量；
可维护性S：通常用平均故障修复时间MTRF衡量；
速度的过程
间接制约： 一组在异步环境下的并发进程，彼此
之间相互独立，因共享临界资源而产生的对进程执行
速度的限制
同步：把异步环境下的一组并发进程，因直
接制约而互相发送消息以进行互相合作、互相
等待，使各进程按一定的速度执行的过程
异步：把异步环境下的一组并发进程，因间
接制约而呈现的走走—停停的执行方式
文件管理：存取、共享和保护；
作业管理（批处理系统）
3.OS实现了对资源的抽象
裸机：没有任何软件支持的计算机，用户通 过机器指令使用计算机；
用户 机器 指令 物理接口
硬件
OS实现了对计算机资源的抽象
用户
I/O命令 （Read、Write）
在裸机上覆盖I/O设
备管理软件，向上提供
统一的读写命令，向下
用户根据上步结果发出下道命令
5. 特征
多路性 交互性
同时有多个用户使用一台计算机 宏观上：是多个人同时使用一个CPU 微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU
用户根据系统响应结果进一步 提出新请求(用户直接干预每一步)
用户感觉不到计算机为其他人服务 （OS提供虚机器，各个用户的虚 机器互不干扰）
3.可扩充性
可扩充性是适应计算机硬件、体系结构和 应用发展的要求。 • 可采用微内核结构或C/S模式； • 方便增加新功能和模块； • 方便修改老功能和模块。
4.开放性
开放性是指遵循世界标准规范，比如开放 系统互连（OSI）标准，使不同的设备和系统 均能彼此兼容、实现互连。
1.1.2 操作系统的作用
速度不匹配：主机与外设速度差异
3.脱机输入/输出方式
外围机
输入设备
磁盘
磁盘
主机
磁盘
磁盘
外围机
输出设备
概念 脱机输入/输出方式
脱机输入技术
脱机输出技术 特点
减少了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾
提高了I/O速度，缓和了速度不匹配的矛盾
脱机输入/输出方式
采用脱机输入输出方式时，由于程序和 数据的输入输出都是在外围计算机控制下完 成的，或者说它们是脱离主机进行的，故称 之为脱机输入/输出操作
1.人工操作方式
将程序和数据制成穿孔卡片或纸带
将穿孔卡片或纸带装入相应的输入机 启动输入机将程序和数据读入计算机 启动计算机运行 程序完成后取走纸带或卡片 下一个用户开始上机
2.特点和问题
特点
用户独占全机
CPU等待人工操作
串行工作
问题
人机矛盾：计算机等待人工操作
操作系统的新领域
有线电视机顶盒领域，PowerTV
移动通信领域，EPOC
掌上计算机领域，Palm OS
数字影像领域， Digita
1.3 操作系统的基本特征
1.3.1 并发性 1.并行与并发
并行：两个或以上的事件在同一时刻发生； 并发：两个或以上的事件在同一事件间隔内 发生。
3.多道批处理系统的特点
多道性
调度性 无序性
4.多道批处理系统的性能
资源利用率高
系统吞吐量大
平均周转时间长
无交互能力！！！