操作系统引论
操作系统_第一章 操作系统引论
操作系统_第一章操作系统引论在我们日常使用的电脑和各种智能设备中，操作系统扮演着至关重要的角色。
它就像是一个幕后的大管家，默默地协调着硬件和软件的资源，为我们提供了一个稳定、高效、便捷的计算环境。
那么，操作系统到底是什么？它是如何工作的？又有哪些重要的功能和特点呢？让我们一起来揭开操作系统的神秘面纱。
首先，我们来谈谈操作系统的定义。
简单来说，操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
它负责控制和管理计算机的硬件设备，如处理器、内存、硬盘、输入输出设备等，同时为应用程序提供一个稳定、安全、高效的运行环境。
操作系统的主要功能可以概括为以下几个方面：进程管理是操作系统的核心功能之一。
在计算机中，多个程序可以同时运行，而操作系统需要合理地分配处理器资源，让每个程序都能得到适当的执行时间。
它通过进程调度算法，决定哪个进程先执行，哪个进程后执行，以及如何在多个进程之间切换，以确保系统的高效运行。
内存管理也至关重要。
计算机的内存是有限的，而操作系统需要合理地分配和管理内存空间，确保每个程序都能得到所需的内存，并且避免内存泄漏和内存冲突等问题。
它采用了虚拟内存技术，让程序看起来拥有比实际物理内存更大的内存空间。
文件管理是操作系统的另一个重要功能。
它负责管理计算机中的文件和目录，包括文件的创建、删除、读取、写入、存储等操作。
通过文件系统，我们可以方便地组织和管理数据，并且可以对文件进行权限设置，保护数据的安全性。
设备管理则负责管理计算机的各种输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。
操作系统需要为设备驱动程序提供接口，使得设备能够正常工作，并且能够处理设备的中断和错误情况。
除了以上这些功能，操作系统还提供了用户接口，让用户能够方便地与计算机进行交互。
比如，图形用户界面（GUI）让我们可以通过点击图标和菜单来操作计算机，而命令行界面则适合那些熟悉计算机命令的用户。
接下来，让我们了解一下操作系统的分类。
操作系统第一章详解(考研)精品PPT课件
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 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。
第一章 操作系统引论
(3) 图形、窗口方式：用户通过屏幕上的窗口和 图标来实现与OS的通信，并取得它的服务。（用户 接口）
第一章 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 1-1 OS作为接口的示意图
第一章 操作系统引论
2. OS作为计算机系统资源的管理者
计算机系统资源： 硬件：处理器
I/O软 件 物理接口
硬件 虚机器
图1-2 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节
第一章 操作系统引论
3. OS实现了对计算机资源的抽象
同样，可以再覆盖一层用于文件管理的软 件，由它来实现对文件操作的细节，并向 上提供一组对文件进行存取操作的命令， 方便用户对文件进行存取。
由此可见，OS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。
第一章 操作系统引论
外围机（卫星机）
外围机：专门用于与I/O设备打交道，完 成面向用户的输入输出（纸带或卡片）， 中间结果暂存在磁带或磁盘上。
第一章 操作系统引论
1.1.1 操作系统的目标
有效性：提高系统资源的利用率；提高系 统的吞吐量（指系统在单位时间内所完成 的总工作量）。
方便性：配置操作系统后可使计算机系统 更容易使用。
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。
操作系统引论
第一章操作系统引论一、什么是操作系统操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。
解释：资源的概念被计算机系统工作时所引用的一切客体都称为资源。
这里所说的客体可能是处理机、设备、内存、外存等硬件，也可能是程序、数据、信息等软件。
为了资源可以被引用，资源都有名字。
控制资源的使用，有两条资源管理命令：申请资源和释放资源。
我们约定：申请命令在程序使用资源前发出，如果所申请的资源可以使用，则程序可立即得到该资源的使用权，称为程序占有该资源或把这个资源分配给申请它的程序。
释放命令在程序使用资源后发出，表示程序放弃对于资源的使用权，称为程序释放该资源或把这个资源由占有它的程序处收回。
操作系统需要管理的资源一般多是下面三种类型：单一资源--由一个资源实体组成的资源。
如一台打字机、一台处理机等。
根据单一资源被占用的情况，分为“空闲”和“工作”两个状态。
有限资源--由若干个相同的单一资源组成的资源集合。
它的使用限制与集合中元素的个数有关，它可以被多次占用，也可以被不同的程序同时占用。
如内存是由多个单一资源即单元构成的，是有限资源。
无穷资源--由无限多个相同单一资源组成的资源集合。
如果有限资源中的元素个数多到充分够用，可以看作由无穷多个单一资源所组成。
如当内存的容量无限大时，可以看成是无穷资源。
二、操作系统的主要功能操作系统主要有五大功能：存储器管理��内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充。
处理机管理��作业和进程调度、进程控制和进程通信。
设备管理��缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。
文件管理��文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。
用户界面管理��命令界面、程序界面和图形界面。
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。
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第一章 操作系统引论
(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。
第一章 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 1-1 OS作为接口的示意图
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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。
01.操作系统引论
3.
多道批处理系统（1960s）
作为三大基本操作系统类型之一（另两种是分时系统、实时系统）， 多道批处理系统资源利用率高，系统吞吐量大，但平均周转时间长，无 交互能力。 多道批处理系统很有效，但又很复杂，为使多道程序能协调运行，
必须引入一组软件，用以对处理机、内存、I/O设备、文件、作业等进行
妥善、有效的管理，也正是这样一组软件构成了操作系统。
OS必须具有很好的可扩充性，方能适应计算机硬件、体系结构以及应用
发展的要求。
4.
开放性
开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连(Open
System Interconnection, OSI)国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和 软件，均能彼此兼容，可方便地实现互连。
1.
OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
A 从A继承
类 类名 属性 操作
类的实例 对象名 属性值 操作
继承部分 B 增加部分
基于面向对象技术中的“抽象”和“隐蔽”原则，利用封装、继承、 多态等方法，可保证操作系统的正确性、可靠性、易修改性、易扩展性， 并提高操作系统的产品质量和开发效率。
现代操作系统 - 微内核结构（1980s）
◦ 微内核的基本功能
苹果
1.
并发性 共享性 虚拟技术 异步性
并发性是最重要的特征。 并发性和共享性是最基本的特征，两者又 是互为存在的条件。
2.
3.
4.
1.
并发性
并发性(Concurrency) 两个或多个事件在同一时 间间隔内发生。在多道程序环 并行性(Parallelism) 两个或多个事件在同一 时刻发生。倘若在计算机系 统中有多个处理机，则这些 可以并发执行的程序便可被 分配到多个处理机上，实现 并行执行，即利用每个处理 机来处理一个可并发执行的 程序。
第1章 操作系统引论
24
操作系统的主要功能 3.进程通信 主要是指进程之间的信息交换。 4.调度 1）作业调度 作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法， 选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源。 2）进程调度 进程调度的任务，是从就绪队列中选出一新进程，把处 理机分配给它，并为它设置运行现场使进程投入执行。
25
操作系统的主要功能 二、存储器管理功能 1.内存分配 1）内存分配的主要任务 为每道程序分配内存空间；提高存储器的利用率；允许正 在运行的程序申请附加的内存空间。 2）内存分配方式 ①静态分配方式 ②动态分配方式
26
操作系统的主要功能 3）内存分配机制中的结构和功能 ①内存分配数据结构 ②内存分配功能 ③内存回收功能 2.内存保护 1）内存保护的主要任务 确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互 不干扰。 2）内存保护机制 一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器， 分别用于存放正在执行程序的上界和下界。
1
操作系统的目标和作用 一、 操作系统的目标 1.方便性 配置OS后可使计算机系统更容易使用。一个未配置OS 的计算机系统是极难使用的，因为计算机硬件只能识别0和1 这样的机器代码。 2.有效性 配置了OS后，可使CPU和I/O设备由于能保持忙碌状态而 得到有效的利用，且由于可使内存和外存中存放的数据有序而 节省了存储空间。此外，OS还可以通过合理地组织计算机的 工作流程，而进一步改善资源的利用率及提高系统的吞吐 量。
1.多道程序设计的基本概念
1）概念：让多个作业（算题）同时进入一个计算机系统 的主存储器并行执行，这种程序设计方法称为多道程序设计。 2）多道程序设计技术可带来以下好处: (1)提高CPU的利用率。 (2)可提高内存和I/O设备利用率。 (3)增加系统吞吐量。
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。
第一章 操作系统引论
第一章操作系统引论
1.设计现代的操作系统的主要目标是提高资源的利用率和方便用户。
2.单批道处理系统是在解决人机矛盾和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾中发展起来的。
3.在单道处理机系统下的多道程序设计具有多道，宏观上同时运行和微观上交替运行的特点。
4.现在操作系统的两个最基本的特征是并发和资源共享，除此之外，它还具有虚拟性和异步性的特征。
5.从资源管理角度看，操作系统具有四大功能：处理机管理，存储器管理，设备管理和文件管理；为了方便用户，操作系统还必须提供友好的用户接口。
6.操作系统的基本类型主要有批处理系统，分时系统和实时系统。
7.批处理系统的主要有点是资源利用率高和系统吞吐量大；主要的缺点是无交互作业能力和作业平均周转时间长。
8.实现分时系统的关键问题是人机交互，为此必须引入时间片的概念，并采用时间片轮转调度算法。
9.分时系统的基本特征是：多路性，独立性，交互性，及时性。
10.若干事件在同一时间间隔内发生称为并发；若干事件在同一时刻发生称为并行。
11.实时系统可分为实时信息处理系统和实时控制系统；民航售票系统属于实时信息处理系统，而导弹飞行控制系统属于实时控制系统。
12.为了使实时系统高度可靠和安全，通常不强求资源利用率。
13.当前比较流行的微内核的操作系统结构，是建立在层次化结构的基础上的，而且还采用了客户机/服务器模式和面向对象程序设计。
操作系统引论
67%
67% 15 min 12 jobs/h 10 min
28
第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的发展过程
1.3.4 分时系统
1. 分时系统(Time-Sharing System)的概念 一台主机上连接多个键盘显示终端，用户可以通过各 自的终端，以交互方式使用计算机，共享计算机软硬资源。 (1) 人—机交互
也应能全部地及时接收并处理。
(1) 及时接收
30
(2) 及时处理
第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的发展过程
3. 分时系统的特征 (1) 多路性
(2) 独立性
(3) 及时性 (4) 交互性
31
第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的发展过程
1.3.5 实时系统
所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统 (Real-
JOB3
偏重I/O 10min 80KB Yes No Yes
第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的发展过程
多道程序设计在提高资源利用率方面产生的效果
单道程序设计 处理机使用 内存使用 17% 30% 33% 67% 多道程序设计
磁盘使用
打印机使用 经过时间 吞吐率 平均响应时间
33%
33% 30 min 6 jobs/h 18 min
25
第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的发展过程
4. 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
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第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的发展过程
设想一台电脑配备256KB的可用内存空间(未被OS
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OS基础知识
第一章 操作系统引论
处理器管理(进程管理)
• 讨论如何分配CPU ----即采用什么策略把CPU分配给多个进程，从 而决定了操作系统的性质或类型。
第一章 操作系统引论
存储管理
• • • • 主存空间的分配与回收 逻辑地址与物理地址的映射 主存的共享与保护 ，体现OS是否真正有效利用了 资源。
特点：资源共享、通信功能
第一章 操作系统引论
六、分布式操作系统
①系统中任两台计算机可通过通信来交换信息；
②各个计算机无主次之分；
③系统中的资源为所有用户共享； ④若干台计算机相互协作完成一件共同的任务。 七、当代操作系统的两大发展方向 ----宏观应用与微观应用
推动OS发展的主要动力：
1、不断提高计算机资源利用率的需要；2、方便用户；3、器件的不断更新换代；
第一章 操作系统引论
二、 OS作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和 软件资源。作为资源，就是要“物尽其用”，即最大限度 地提高资源利用率。 如：①CPU与外设并行工作； ②提高内存的利用率。 OS确是计算机系统资源的管理者。事实上，当今世界上 广为流行的一个关于 OS 作用的观点，正是把 OS 作为计算 机系统的资源管理者。
第一章 操作系统引论
设备管理
—是OS中最复杂、最具多样性的部分
• 外围设备的分配: --独占型设备的分配 共享型磁盘的驱动调度 Spooling技术与虚拟设备 设备的启动 设备的中断处理
第一章 操作系统引论
文件管理
—是用户直接可见的部分，体现OS是否真正方便用户。
• 外存空间的分配与回收 • 实现逻辑文件与物理文件的转换 • 建立文件目录实现按名存取 • 提供合适的存取方法以适应不同的应用 • 实现文件的共享、保护与保密 • 提供一组文件操作来使用文件
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)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(2)OS作为计算机系统资源的管理者(3)OS实现了对计算机资源的抽象1.1.3.推动操作系统发展的主要动力(1)不断提高计算机系统资源的利用率(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.未配置操作系统的计算机系统(1)人工操作方式早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带（或卡片），装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将纸带（或卡片）上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。
仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机。
人工操作方式的缺点:(1)用户独占全机即一台计算机的全部资源由上机用户所独占；(2)CPU等待人工操作当用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。
可见，人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，此即所谓的人机矛盾。
(2)脱机输入/输出方式利用脱机输入/输出技术,事先将装有用户程序和数据的纸带，装入纸带输入机，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CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。
类似地，当CPU需要输出时，可先由CPU把数据直接从内存高速地送到磁带上，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。
脱机输入/输出方式的优点:(1)减少了CPU 的空闲时间装带、卸带，以及将数据从低速I/O 设备，送到高速磁带上（或反之）的操作，都是在脱机情况下由外围机完成的，并不占用主机时间，从而有效地减少了CPU 的空闲时间。
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
操作系统引论
1.1.4 操作系统的层次模型 1. 操作系统对象（处理机、存储器、设备、 文件） 2. 对对象操纵和管理的软件集合（处理机 管理、存储管理、设备管理、文件管理） 3. 用户接口（命令行接口，图形用户接口， 程序接口）
1.1.5 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.
3. 器件的不断更新换代
(3) 图形用户接口。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和竞争资源的仲裁者 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和 软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、 I/O设备以及信息(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也 正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理， 用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分 配与回收； I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文 件管理，负责文件的存取、共享和保护。可见，OS确是计 算机系统资源的管理者。事实上，当今世界上广为流行的 一个关于 OS 作用的观点，正是把 OS 作为计算机系统的资
因此大多数操作系统理论上注重提高计算机资源利用 率和系统吞吐量问题，但近十年来在微机上配置的操 作系统更重视其方便性。
1.1.3 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、
(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. 多道批处理系统的特征 (1) 多道性。
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计算机操作系统
单道批处理系统的特征
开始
(1) 自动性 (2) 顺序性 (3) 单道性
还有下 一个作业？ 否 停止
是
把下一个作业的源 程序转换为目标程 序
是
源程序 有错吗？ 否
运 行 目标程序
装 配 目标程序
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4 多道批处理系统 (Multiprogramming System)
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几种观点
从系统观点：操作系统是对计算机资源管理；这 些资源包括硬件和软件。
从用户观点：操作系统是用户使用计算机的界面。
从软件观点：操作系统是程序和数据结构的集合。 操作系统在计算机系统中的位置：是计算机硬件 的首次扩展。
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为什么学习操作系统?
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2. 模块化OS结构
整个系统分成若干功能各异的模块，模块预先定 义有接口，各模块之间只能通过这些接口进行通 信。模块可以自由调用。
计算机操作系统
模块化OS的优点
(1)提高了OS设计的正确性、 可理解性和 可维护性。 (2) 增强了OS的可适应性。 (3) 加速了OS的开发过程。
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多道程序设计技术好处
提高CPU的利用率。 可提高内存和I/O设备利用率。 增加系统吞吐量
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举例比较单道与多道程序运行
现有一台CPU，多台I／O设备，有两道程序A、
B，各自的执行情况如图。在60ms内分别观察 按单道程序方式运行和多道程序方式运行的轨 迹及CPU的利用率。忽略监督程序的切换时间， 并假设起始时首先运行程序A。
主要任务：完成用户进程提出的I/O请求； 为用户进程分配其所需的I/O设备；提高 CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方 便用户使用I/O设备。 (1)缓冲管理 (2)设备分配 (3)设备处理
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4 文件管理功能
(1) 文件存储空间的管理 (2) 目录管理 (3) 文件的读/写管理和保护
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1 处理机管理功能
(2) 进程同步 主要任务：协调多个进程(含线程)的运行。 两种协调方式： ① 互斥方式， 这是指诸进程(线程)在对临界资源 进行访问时， 应采用互斥方式； ② 同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸 进程(线程)间，由同步机构对它们的执行次序加 以协调。
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分时系统的特征：
(1)多路性：多个终端用户可以同时使用计算机， 共享系统的硬软件资源。
(2)独立性：各用户的操作互不干扰，每个用户 都认为整个计算机系统被他所独占，为他服务
(3)交互性：用户能与系统进行对话。 (4)及时性：系统一般能在数秒钟内接受和响应 用户的输入命令或数据，在秒内显示命令的执行 结果。
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1.3 现代操作系统的类型
1、分时系统(time-sharing system) 把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进 行时间上的分割，每个时间段称为一个时 间片，每个用户依次轮流使用时间片。
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分时系统的特点：
(1) 人机交互性好。在调试和运行程序时由 用户自己操作。 (2) 共享主机：多个用户同时使用。 (3) 用户独立性：对每个用户而言好象独占 主机。
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1.4 操作系统的特征和服务
3.虚拟(Virtual) 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。 虚拟可提高资源利用率。 CPU 存储器
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1.4 操作系统的特征和服务
4.异步性(Asynchronism)
指在多道程序的并发执行环境下程序的执行顺序、 开始时间和执行时间是不确定的（不可准确预 知）。 在相同的环境下，无论程序执行的顺序如何，何 时开始执行，也无论执行多少时间，只要输入相 同，则结果总是相同的（确定性）
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1.6 操作系统的结构设计
1.6.1 传统的操作系统结构 (1) 无结构操作系统 (2) 模块化OS结构 (3) 分层式OS结构
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1. 无结构操作系统
OS是一组过程的集合，各过程之间可以相 互调用，在操作系统内部不存在任何结构。 特征：所设计出的操作系统庞大杂乱，缺 乏清晰的程序结构。 缺点：所编制的程序错误很多，给调试有 困难；程序难以阅读和理解，增加维护人 员负担。
用户接口
脱机用户接口 控制方法：使用作业说明书(JCL)书写。 联机用户接口 控制方法：交互式。
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程序接口
概念：指用户在程序设计过程中调用操作 系统提供的一些子功能，是用户在程序级 请求操作系统服务的一种手段，是操作系 统提供给编程人员的唯一接口。 例如：Windows系统提供的API函数。
主要优点： (1)减少了CPU的空 闲时间。 (2) 提高I/O速度。
输入设备
外围机
磁盘
主机
外围机
输出设备
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3. 单道批处理系统
批处理中的作业的组成：包括用户程序、数据和 作业说明书（作业控制语言）
"批"：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干 个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软 件（系统带）。
计算机操作系统
1 处理机管理功能
(3) 进程通信
主要功能：用于实现在相互合作的进程之间的信 息交换。
(4) 调度
包括作业调度和进程调度两步。
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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
计算机操作系统
3 设备管理功能
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1.4 操作系统的特征和服务
2.共享(Sharing)
系统中有限的资源不在为某个用户独占，而是可 供多个用户共享。共享的方式： 互斥共享：一段时间内某一资源只允许一个用户 使用，当使用完后，其他用户才能使用。 非互斥共享：一个资源在一段时间内可以供多个 用户“同时”使用。依旧是：宏观上的并行，微 观上的串行。
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实时任务的分类
依据 任务 执行 的周 期性 对截 止时 间的 要求 名称 周期性 非周 期性 备注
外部设备所发出的激励信 号有明显的周期性
开始截止时间 外部设备所发出的激励信
号并无明显的周期性，但 完成截止时间 都必须联系着一个截止时 间(Deadline)
硬实时
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 联系着截止时间， 但并不 严格，若偶尔错过截止时 间，产生的影响不会太大
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5 用户与操作系统的接口
功能：向用户提供特定服务，以方便操作。 类型： 用户接口 程序接口
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用户接口
提供对作业的控制功能。最初是命令驱动 方式，现在多采用图形及视窗操作环境。 作业的分类: 脱机作业与联机作业
计算机操作系统
作业的分类
计算机操作系统
命令方式；系统调用； 图形界面
(2)计算机硬件、软件资源的管理者。
管理对象：CPU、存储器、外部设备、信息;
管理的内容：资源的当前状态、资源的分配、 回收和访问操作，相应管理策略。 (3)计算机资源的抽象。
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1.2 操作系统的发展历史
1945 ~ 50年代（电子管）， 集中计算（计算中心）， 计算机资源昂贵； 工作方式：手工 用户：用户既是程序员， 又是操作员；用户是计算 机专业人员； 编程语言：为机器语言； 输入输出：纸带或卡片；
计算机操作系统
2 操作系统的概念
定义：操作系统是控制和管理计算机和软 件资源、合理地组织计算机工作流程，以 及方便用户的程序与相关文档的集合。
计算机操作系统
OS的地位：位于硬件之上，所有其他软件之下。 它是对硬件系统功能的首次扩充。
计算机操作系统
3 操作系统的作用
(1)用户与硬件系统的接口。
计算机操作系统
1.4 操作系统的特征
1. 并发(Concurrency)
并发：多个事件在同一时间段内发生。
并行(parallel)：指在同一时刻发生。 在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替 执行（在单处理器情况下）。 程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是 进程（或称作任务），并发指的是进程。
软实时
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实时系统与分时系统特征的比较
项目 多路性 实时 周期性地对多路信 息进行采集 互不干扰 控制对象要求的截 止时间 访问特定应用的有 限交互 高度的可靠性，含 有多级容错 分时 与用户的情况相关， 时多时少 互不干扰 用户所能接受的等 待时间 交互性强 一般
独立性
及时性 交互性 可靠性
第一章 操作系统引论
主讲人：张 婷
计算机操作系统
第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展历史 1.3 操作系统的类型 1.4 操作系统的特征 1.5 操作系统的主要功能
计算机操作系统
1.1 什么是操作系统？
计算机系统组成
计算机操作系统
操作系统的位置
CPU的利用率=50/60＝83.3%
计算机操作系统
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。