ZGSOS(64,1-11)操作系统导论
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2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 8
计算机系统的组成
软件 计算机系统 (层次结构)
应用软件 系统软件
编辑程序/ 汇编程序/编译程序/ 数据库管理系统 操作系统
硬件及固件（裸机）
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
9
操作系统在计算机系统中的地位
应用用户 应用开发人员 应用软件 系统工具 操作系统 计算机硬件
《 操 作 系 统 》
2016年11月5日星期六
主讲教师：翟高寿（副教授）
联系电话：010-51683610 (办) 电子邮件：zhaigaoshou@sohu.com 制作人：翟高寿 制作单位：北京交通大学计算机学院
北京交通大学计算机学院 1
教学目标
全面、系统地介绍计算机操作 系统的体系结构、实现机理及 相关方法和技术，培养广大学 生在系统软件开发方面的理论 基础及技术素养。
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 21
操作系统举例
MS DOS Windows UNIX Linux Novell Netware
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
22
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
操作系统的作用(3) 用作扩充机器（或虚拟机）
在裸机上添加处理机管理、存储 管理、设备管理、文件管理、作 业管理、图形化用户接口等功能， 使计算机系统功能显著增强、使 用更为方便
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
15
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 25
推动操作系统发展的主要动力
北京交通大学计算机学院 34
顺序性
单道性
2016年11月5日星期六
1.2 操作系统的发展
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 12
操作系统的作用(1) 用户与计算机硬件系统之间的接口
命令方式（操作系统外壳）
面向一般用户 命令行/菜单式/命令脚本式/图形用户接口
系统调用方式（操作系统内核）
面向程序开发人员 形式上类似于过程调用，编制程序中使用
北京交通大学计算机学院 13
2016年11月5日星期六
操作系统的作用(2) 计算机系统资源的管理者
管理对象
处理器、存储器、外围设备以及信息（数据 和软件） 资源的分配、回收和访问操作 记录资源的当前状态（数量和使用情况）、 相应管理策略（共享、保护及用户权限）
北京交通大学计算机学院 14
管理内容
2016年11月5日星期六
CPU与I/O设备间矛盾
缓和途径
2016年11月5日星期六
脱机输入输出技术
输入设备 外围机
Input 磁带
Input 磁带
主机
(处理机/内存)
Output 磁带
Output 磁带
2016年11月5日星期六
外围机
输出设备
北京交通大学计算机学院
30
1.2 操作系统的发展
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
进程管理 存储管理 设备管理 文件系统 系统接口
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
4
教材
计算机操作系统 汤子瀛 哲凤屏 汤小丹 西安电子科技大学出版社
参考教材
计算机操作系统教程 张尧学 史美林 操作系统教程 陈向群 杨芙清 Windows操作系统原理 尤晋元 史美林 陈向群 操作系统基础 屠立德 屠祁 操作系统教程 孙仲秀 操作系统教程-原理和实例分析 孟静 清华大学出版社 北京大学出版社 机械工业出版社 清华大学出版社 高等教育出版社 高等教育出版社 Applied Operating System Concept Abrahan Silberschatz 高等教育出版社
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 2
先修课程与后续课程
先修课程：
数据结构、汇编语言、C语言、 计算机组成原理
后续课程：
操作系统实践
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 3
课程主要内容
系统结构
操作系统的功能
•管理系统软硬件资源
•扩展计算机的功能 •向用户提供服务
北京交通大学计算机学院 39
无序性
调度性
2016年11月5日星期六
多道批处理系统优缺点
优点
系统资源利用率高 系统吞吐量大
缺点：
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 16
操作系统的组成及层次模型
用户接口
（命令接口、程序接口、图形用户接口）
对对象进行操纵和管理的软件集合
（处理机/存储器/设备/文件/作业管理软件）
操作系统对象
（处理机、存储器、设备、文件和作业）
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
17
操作系统的定义
操作系统是最基本的系统软件， 是一组有效管理和控制计算机 硬件和软件资源、合理地对各 类作业进行调度以组织和控制 系统工作流程，并方便用户使 用计算机的程序的集合。
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
20
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院
32
单道批处理系统的处理流程
开始 否
还有作业？
停止
是 把下一道作业的源程序转换为目标程序 源程序有错？ 是
否 装配目标程序
运行目标程序
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 33
单道批处理系统的特征
自动性
磁带上的一批作业能自动地逐个依次执行， 而无需人工干预 磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道 作业完成地顺序与它们进入内存的顺序完全 一致 监督程序每次仅从磁带上调入一道程序进入 内存运行，仅当该程序完成或发生异常情况 时，才调入其后继程序进入内存运行
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机பைடு நூலகம்院 5
教材内容删减说明
第三章
3.3
处理机调度与死锁
实时调度 3.4 多处理机系统中的调度
第五章
5.6
设备管理
磁盘存储器管理
第八章
网络操作系统 第九章 系统安全性 第十章 UNIX系统内核结构
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 6
多道程序运行情况
A 再次被调度 I/O 请求 程序 A 计算 I/O 操作 I/O 请求 计算 I/O 完成 A 完成 计算 I/O完成 B再次被调度 计算
I/O 完成且 C 完成
程序 B
I/O 操作 I/O 请求 计算
程序 C
I/O 操作 I/O 请求 计算
程序 D
I/O 操作
调度程序 时间
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 37
第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展 1.3 操作系统的功能 1.4 操作系统的特征 1.5 操作系统的结构设计 1.6 常用操作系统设计技术要领
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 7
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
可扩充性
开放性
不同厂家与不同类型的计算机及其设备的网络化集 成和协同工作，实现应用程序可移植性和互操作性
北京交通大学计算机学院 11
2016年11月5日星期六
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 10
操作系统 开发人员
操作系统的设计目标
方便性
提供用户接口，使计算机系统更方便使用 通过有效管理和分配软、硬件资源及合理组织计算 机工作流程来改善资源利用率、提高系统吞吐量 计算机硬件和体系结构的迅猛发展及其所对应的更 高的功能和性能要求
有效性
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 31
单道批处理系统
为解决人机矛盾和CPU与I/O设备速率不
匹配的矛盾而形成，也即其旨在提高系统 资源的利用率和系统吞吐量 把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上， 并在系统所配置的监督程序的控制下使这 批作业能一个接一个地自动依次连续处理。 系统对作业的处理成批进行，但在内存中 始终之保存着一道作业
不断提高计算机资源利用率和系统 性能的需要 改善和方便用户使用计算机的需要 适应器件不断更新换代的需要 适应计算机体系结构不断发展变化 的需要
北京交通大学计算机学院 26
2016年11月5日星期六
1.2 操作系统的发展
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 27
人工操作方式
1946
~ 50年代中期 计算机资源昂贵、集中计算 工作方式
用户：同时兼有程序员/操作员双重身份 输入输出：纸带或卡片 编程语言：机器语言
工作特点
用户独占全部资源，资源利用率低
计算前后，CPU因等待人工操作而空闲
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 28
史前速度矛盾及缓和途径
人机矛盾
人工操作方式与资源利用率之间的矛盾 伴随CPU速度提高、系统规模的扩大而日趋严重
CPU速度迅速提高而I/O设备速度提高缓慢 通道技术、中断技术、缓冲技术 脱机输入输出技术 专门的操作员及批处理技术
北京交通大学计算机学院 29
多道批处理系统作业处理过程
运行 完成
作业调度 用户 提交 收容 就绪 执行 作业录入 作业调度 等待
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
38
多道批处理系统特征
多道性
内存中同时驻留多道程序，并允许并发 执行
多个作业完成的先后次序与它们进入内 存的顺序之间，并无严格的对应关系 作业调度 进程调度
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 35
多道程序设计基本概念
单道批处理系统缺陷
系统资源空闲问题
多道程序设计技术
作业后备队列/作业调度算法/系统资源共享
包括CPU、内存和I/O设备在内的系统资源
利用率的提高 系统吞吐量增加
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 36
操 作 系 统 层 次 模 型 细 化
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 18
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 19
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 23
第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展 1.3 操作系统的功能 1.4 操作系统的特征 1.5 操作系统的结构设计 1.6 常用操作系统设计技术要领
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 24
1.2 操作系统的发展
计算机系统的组成
软件 计算机系统 (层次结构)
应用软件 系统软件
编辑程序/ 汇编程序/编译程序/ 数据库管理系统 操作系统
硬件及固件（裸机）
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
9
操作系统在计算机系统中的地位
应用用户 应用开发人员 应用软件 系统工具 操作系统 计算机硬件
《 操 作 系 统 》
2016年11月5日星期六
主讲教师：翟高寿（副教授）
联系电话：010-51683610 (办) 电子邮件：zhaigaoshou@sohu.com 制作人：翟高寿 制作单位：北京交通大学计算机学院
北京交通大学计算机学院 1
教学目标
全面、系统地介绍计算机操作 系统的体系结构、实现机理及 相关方法和技术，培养广大学 生在系统软件开发方面的理论 基础及技术素养。
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 21
操作系统举例
MS DOS Windows UNIX Linux Novell Netware
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
22
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
操作系统的作用(3) 用作扩充机器（或虚拟机）
在裸机上添加处理机管理、存储 管理、设备管理、文件管理、作 业管理、图形化用户接口等功能， 使计算机系统功能显著增强、使 用更为方便
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
15
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 25
推动操作系统发展的主要动力
北京交通大学计算机学院 34
顺序性
单道性
2016年11月5日星期六
1.2 操作系统的发展
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 12
操作系统的作用(1) 用户与计算机硬件系统之间的接口
命令方式（操作系统外壳）
面向一般用户 命令行/菜单式/命令脚本式/图形用户接口
系统调用方式（操作系统内核）
面向程序开发人员 形式上类似于过程调用，编制程序中使用
北京交通大学计算机学院 13
2016年11月5日星期六
操作系统的作用(2) 计算机系统资源的管理者
管理对象
处理器、存储器、外围设备以及信息（数据 和软件） 资源的分配、回收和访问操作 记录资源的当前状态（数量和使用情况）、 相应管理策略（共享、保护及用户权限）
北京交通大学计算机学院 14
管理内容
2016年11月5日星期六
CPU与I/O设备间矛盾
缓和途径
2016年11月5日星期六
脱机输入输出技术
输入设备 外围机
Input 磁带
Input 磁带
主机
(处理机/内存)
Output 磁带
Output 磁带
2016年11月5日星期六
外围机
输出设备
北京交通大学计算机学院
30
1.2 操作系统的发展
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
进程管理 存储管理 设备管理 文件系统 系统接口
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
4
教材
计算机操作系统 汤子瀛 哲凤屏 汤小丹 西安电子科技大学出版社
参考教材
计算机操作系统教程 张尧学 史美林 操作系统教程 陈向群 杨芙清 Windows操作系统原理 尤晋元 史美林 陈向群 操作系统基础 屠立德 屠祁 操作系统教程 孙仲秀 操作系统教程-原理和实例分析 孟静 清华大学出版社 北京大学出版社 机械工业出版社 清华大学出版社 高等教育出版社 高等教育出版社 Applied Operating System Concept Abrahan Silberschatz 高等教育出版社
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 2
先修课程与后续课程
先修课程：
数据结构、汇编语言、C语言、 计算机组成原理
后续课程：
操作系统实践
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 3
课程主要内容
系统结构
操作系统的功能
•管理系统软硬件资源
•扩展计算机的功能 •向用户提供服务
北京交通大学计算机学院 39
无序性
调度性
2016年11月5日星期六
多道批处理系统优缺点
优点
系统资源利用率高 系统吞吐量大
缺点：
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 16
操作系统的组成及层次模型
用户接口
（命令接口、程序接口、图形用户接口）
对对象进行操纵和管理的软件集合
（处理机/存储器/设备/文件/作业管理软件）
操作系统对象
（处理机、存储器、设备、文件和作业）
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
17
操作系统的定义
操作系统是最基本的系统软件， 是一组有效管理和控制计算机 硬件和软件资源、合理地对各 类作业进行调度以组织和控制 系统工作流程，并方便用户使 用计算机的程序的集合。
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
20
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院
32
单道批处理系统的处理流程
开始 否
还有作业？
停止
是 把下一道作业的源程序转换为目标程序 源程序有错？ 是
否 装配目标程序
运行目标程序
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 33
单道批处理系统的特征
自动性
磁带上的一批作业能自动地逐个依次执行， 而无需人工干预 磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道 作业完成地顺序与它们进入内存的顺序完全 一致 监督程序每次仅从磁带上调入一道程序进入 内存运行，仅当该程序完成或发生异常情况 时，才调入其后继程序进入内存运行
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机பைடு நூலகம்院 5
教材内容删减说明
第三章
3.3
处理机调度与死锁
实时调度 3.4 多处理机系统中的调度
第五章
5.6
设备管理
磁盘存储器管理
第八章
网络操作系统 第九章 系统安全性 第十章 UNIX系统内核结构
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 6
多道程序运行情况
A 再次被调度 I/O 请求 程序 A 计算 I/O 操作 I/O 请求 计算 I/O 完成 A 完成 计算 I/O完成 B再次被调度 计算
I/O 完成且 C 完成
程序 B
I/O 操作 I/O 请求 计算
程序 C
I/O 操作 I/O 请求 计算
程序 D
I/O 操作
调度程序 时间
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 37
第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展 1.3 操作系统的功能 1.4 操作系统的特征 1.5 操作系统的结构设计 1.6 常用操作系统设计技术要领
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 7
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
可扩充性
开放性
不同厂家与不同类型的计算机及其设备的网络化集 成和协同工作，实现应用程序可移植性和互操作性
北京交通大学计算机学院 11
2016年11月5日星期六
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 10
操作系统 开发人员
操作系统的设计目标
方便性
提供用户接口，使计算机系统更方便使用 通过有效管理和分配软、硬件资源及合理组织计算 机工作流程来改善资源利用率、提高系统吞吐量 计算机硬件和体系结构的迅猛发展及其所对应的更 高的功能和性能要求
有效性
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 31
单道批处理系统
为解决人机矛盾和CPU与I/O设备速率不
匹配的矛盾而形成，也即其旨在提高系统 资源的利用率和系统吞吐量 把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上， 并在系统所配置的监督程序的控制下使这 批作业能一个接一个地自动依次连续处理。 系统对作业的处理成批进行，但在内存中 始终之保存着一道作业
不断提高计算机资源利用率和系统 性能的需要 改善和方便用户使用计算机的需要 适应器件不断更新换代的需要 适应计算机体系结构不断发展变化 的需要
北京交通大学计算机学院 26
2016年11月5日星期六
1.2 操作系统的发展
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 无操作系统时的计算机系统 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时系统 1.2.6 实时系统 1.2.7 操作系统的进一步发展
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 27
人工操作方式
1946
~ 50年代中期 计算机资源昂贵、集中计算 工作方式
用户：同时兼有程序员/操作员双重身份 输入输出：纸带或卡片 编程语言：机器语言
工作特点
用户独占全部资源，资源利用率低
计算前后，CPU因等待人工操作而空闲
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 28
史前速度矛盾及缓和途径
人机矛盾
人工操作方式与资源利用率之间的矛盾 伴随CPU速度提高、系统规模的扩大而日趋严重
CPU速度迅速提高而I/O设备速度提高缓慢 通道技术、中断技术、缓冲技术 脱机输入输出技术 专门的操作员及批处理技术
北京交通大学计算机学院 29
多道批处理系统作业处理过程
运行 完成
作业调度 用户 提交 收容 就绪 执行 作业录入 作业调度 等待
2016年11月5日星期六
北京交通大学计算机学院
38
多道批处理系统特征
多道性
内存中同时驻留多道程序，并允许并发 执行
多个作业完成的先后次序与它们进入内 存的顺序之间，并无严格的对应关系 作业调度 进程调度
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 35
多道程序设计基本概念
单道批处理系统缺陷
系统资源空闲问题
多道程序设计技术
作业后备队列/作业调度算法/系统资源共享
包括CPU、内存和I/O设备在内的系统资源
利用率的提高 系统吞吐量增加
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 36
操 作 系 统 层 次 模 型 细 化
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 18
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 操作系统的组成及层次模型 1.1.4 操作系统的定义 1.1.5 操作系统举例
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 19
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 23
第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展 1.3 操作系统的功能 1.4 操作系统的特征 1.5 操作系统的结构设计 1.6 常用操作系统设计技术要领
2016年11月5日星期六 北京交通大学计算机学院 24
1.2 操作系统的发展