第1章 操作系统概论
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操作系统课件 第1章 操作系统概论
1.1.1 操作系统的地位和作用
1.地位 ➢ 计算机系统由硬件和软件组成 ➢ 操作系统在硬件基础上的第一层软件 ➢ 是其他软件和硬件之间的接口
OS
操作系统和软硬件的层次关系图
应用软件设计者
各种应用软件 编译软件等 操作系统
裸机
系统软件设计者 操作系统设计者
OS
1.1.1 操作系统的地位和作用
2.作用 ➢ 从一般用户的观点
第一章 操作系统概论
➢1.1 操作系统概念 ➢1.2 操作系统的形成和发展 ➢1.3 操作系统的分类 ➢1.4 操作系统的结构设计 ➢1.5 Linux操作系统简介
1.1 操作系统概念
➢ 1.1.1 操作系统的地位和作用 ➢ 1.1.2 操作系统的定义 ➢ 1.1.3 操作系统的功能 ➢ 1.1.4 操作系统的特性 ➢ 1.1.5 操作系统的性能
软件范筹，开放性接口都已作为一种明 确的或实际的行业标准广泛应用在公开 OS 发行的文档中。
1.1 操作系统概念
➢ 1.1.1 操作系统的地位和作用 ➢ 1.1.2 操作系统的定义 ➢ 1.1.3 操作系统的功能 ➢ 1.1.4 操作系统的特性 ➢ 1.1.5 操作系统的性能
1.1.2 操作系统的定义
1.1.3 操作系统的功能（续）
5.网络管理
网络管理的主要功能包括： （1）网上资源管理功能。计算机网络的主要目的之一是共享 资源，网络操作系统应实现网上资源的共享，管理用户对资源 的访问，保证信息资源的安全性和完整性。 （2）数据通信管理功能。计算机联网后，结点之间可以互相 传送数据，按照通信协议的规定，完成网络上计算机之间的信 息传送。 （3）网络管理功能。包括：故障管理、安全管理、性能管理、 配置管理等。
《操作系统原理与实践教程(第二版)》第1章：操作系统概论
1.1.3 操作系统的功能
(1) 内存分配
内存分配指的是为每道程序分配合适的内存空间，使其能在 运行期间将运行所需数据放置在内存指定区域，以保证CPU 能够顺利地获取指令并存取指定数据。 分配内存空间时应尽量提高内存空间的利用率，减少不可用 内存空间。此外还应能响应正在运行的程序发出的动态空间 申请，以便满足新增指令和数据对新空间的需求。 内存分配通常采用的方式有动态和静态两种方式。静态分配 方式指的是程序在装入内存时需要估计所需空间，一旦进入 内存开始运行，就不能再申请新的空间，也不能将该程序所 占空间“搬运”到其它位置。动态分配方式指的是尽管程序 装入内存时申请了一定的空间，但在程序运行期间还可以为 运行过程中所需的新的程序和数据再申请额外的空间，以满 足程序空间动态增长的需要。
有效性指的是OS应能有效地提高系统资源利用率和系统吞 吐量。 方便性指的是配置了OS后的计算机应该更容易使用。 这两个性有效和方便的特性是操作系统最重要的设计目标。 开放性指的是OS应遵循世界标准规范。 可扩展性指的是要提供对系统软硬件组成以及功能的扩充保 证。
1.1.5 操作系统的性能指标
操作系统性能的优劣显著地影响用户工作的效率 和成本，而衡量其性能优劣的指标有系统吞吐量、 资源利用率、响应速度等。
1.1.3 操作系统的功能
现代操作系统的主要任务就是维护一个优良的运 行环境，以便多道程序能够有序地、高效地获得 执行，而在运行的同时，还要尽可能地提高资源 利用率和系统响应速度，并保证用户操作的方便 性。 操作系统的基本功能
处理器管理 存储器管理 设备管理 文件管理。 友好的人机接口
1.1.3 操作系统的功能
1.1.3 操作系统的功能
(4) 虚拟设备
通过SPOOLing虚拟技术实现，该技术可将一台物 理设备虚拟为多台逻辑设备，每个用户使用一台逻 辑设备，即将独占的物理I/O设备交由多个用户共 享使用。 这种方法能够大大提高I/O速度，改善设备利用率， 对每个用户而言也感觉自身具有一台独享的物理设 备，改善了用户请求的响应感受。
第1讲 操作系统概论
（3）进程通信 多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者相互制约 的关系。为保证系统中所有进程都能正常活动，就必须设置进程 同步机制，它分为同步方式和互斥方式。相互合作的进程之间往 往需要交换信息，为此系统要提供通信机制。
第1章：操作系统概论
3．设备管理功能 设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱
第1章：操作系统概论
早期的批处理分为联机批处理和脱机批 处理两种类型 ：
（1）联机批处理 在这种系统中，操作员有选择地把若干 作业合为一批，由监督程序先把它们输入 到磁带上，之后在监督程序的控制下，使 这批作业能一个接一个地连续执行。即： 第一个作业全部完成之后，监督程序又自 动调入该批的第二个作业，并重复此过程， 直至该批作业全部完成，再把下一批作业 输入到磁带上。在这样的系统中，作业处 理是成批进行的，并且在内存中总是只保 留一道作业（故名单道批处理）。同时作 业的输入、调入内存以及结果输出都在 CPU直接控制下进行。
返回到本节
第1章：操作系统概论
操作系统的发展和计算机的组成与体系结 构相关，经历了四个发展阶段。 1946年～50年代末：第一代，电子管时代， 无操作系统。 50年代末～60年代中期：第二代，晶体管时 代，批处理系统。 60年代中期～70年代中期：第三代，集成电 路时代，多道程序设计。 70年代中期至今：第四代，大规模和超大规模 集成电路时代，分时系统。现代计算机正向着 巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几 个方面发展。
第1章：操作系统概论
计算机系统的层次关系如图1-1所示。
用户1
用户2
用户n
……
各种应用程序软件 编辑器、编译器等系统软件
操作系统 裸机
图1-1 计算机系统的层次关系
第1章：操作系统概论
3．设备管理功能 设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱
第1章：操作系统概论
早期的批处理分为联机批处理和脱机批 处理两种类型 ：
（1）联机批处理 在这种系统中，操作员有选择地把若干 作业合为一批，由监督程序先把它们输入 到磁带上，之后在监督程序的控制下，使 这批作业能一个接一个地连续执行。即： 第一个作业全部完成之后，监督程序又自 动调入该批的第二个作业，并重复此过程， 直至该批作业全部完成，再把下一批作业 输入到磁带上。在这样的系统中，作业处 理是成批进行的，并且在内存中总是只保 留一道作业（故名单道批处理）。同时作 业的输入、调入内存以及结果输出都在 CPU直接控制下进行。
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第1章：操作系统概论
操作系统的发展和计算机的组成与体系结 构相关，经历了四个发展阶段。 1946年～50年代末：第一代，电子管时代， 无操作系统。 50年代末～60年代中期：第二代，晶体管时 代，批处理系统。 60年代中期～70年代中期：第三代，集成电 路时代，多道程序设计。 70年代中期至今：第四代，大规模和超大规模 集成电路时代，分时系统。现代计算机正向着 巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几 个方面发展。
第1章：操作系统概论
计算机系统的层次关系如图1-1所示。
用户1
用户2
用户n
……
各种应用程序软件 编辑器、编译器等系统软件
操作系统 裸机
图1-1 计算机系统的层次关系
第一章 操作系统教程概论
进程P1
进程Pn 虚 虚 虚 虚 处 存 辅 设 理 存 备 器 虚拟机
虚 虚 虚 虚 处 存 辅 设 理 存 备 器 虚拟机
操作系统 资源管理 （复用、虚 化、抽象） 处 I/O I/O 主 辅 理 设 设 存 助 存 器 备 备 储 器 物理计算机
图1.3 物理计算机仿真成虚拟计算机
虚拟计算机（续）
科学计算
编译程序 汇编程序 编辑程序 … 数据库 （系统程序） 操作系统 计算机硬件
操作系统在计算机系统中的位置(续)
计算机硬件层
操作系统赖以工作的基础，也是操作系统设计者可以使 用的功能和资源
操作系统层
对硬件作扩充和改造，提供了操作系统接口，为编译程 序、编辑程序、数据库系统等的设计者提供有力支撑。 操作系统还要做资源的调度和分配，信息的存取和保护， 并发活动的协调和控制等许多工作
第一层抽象：从磁盘到分区 第二层抽象：从分区到扇区 第三层抽象：从扇区到簇 第四层抽象：从簇到文件系统分区
簇序列被分为：超级块、inode区和数据区
基础抽象小结
操作系统担负两项基本任务
防止硬件资源被失控的应用程序滥用 屏蔽复杂的硬件操作细节
进程抽象 虚存抽象
文件抽象
处理器
主存
设备
图1.2 操作系统的基础抽象
进程抽象
进程：是对于进入主存的当前运行程序在处理器 上操作的状态集的一个抽象 理论上每个进程都是独立执行的单元，运行时至 少需要处理器和主存 实际上，若干进程时分或空分复用这些资源
虚存抽象
物理内存被抽象成虚拟主存，每个进程独占一个 硕大的虚存空间 虚存通过对主存和磁盘的管理来实现 进程的虚拟主存中的内容存储在磁盘上 主存作为磁盘的高速缓存
第1章 操作系统概论
第二十四页，共41页。
1.2.5.5 分布式操作系统 分布式系统的主要特点是：各节点的自治
性；资源共享的透明性；各节点间的协同性； 系统的坚定性。 在分布式系统中使用的操作系统是分布式 操作系统。分布式操作系统的主要特点是：系 统状态的不精确性 、 控制结构的复杂性 、 通信开销引起性能下降。
第十八页，共41页。
(2) 程序接口。程序接口是用户获取操作系统服务的 唯一途径。程序接口由一组系统调用组成。每一个系 统调用都是一个完成特定功能的子程序
(3) 图形接口。图形接口不需要记忆命令，图形接口的
目标是对出现在屏幕上的对象直接进行操作，以控制和 操纵程序的运行。这种图形用户接口大大减免用户记忆 的工作量，受到用户的欢迎。图形用户接口的主要构件 是：窗口、菜单和对话框。
第二页，共41页。
本章要点
操作系统的定义 掌握操作系统的特征 操作系统的功能 操作系统的类型 操作系统结构
第三页，共41页。
1. 1 操作系统的形成与发展
1.1.1 人工操作方式
计算机诞生初期并没有操作系统，人们采用手工操作
方式使用计算机,信息的输入／输出由人工在联机状态下进
行。首先程序员将事先穿孔的纸带（或卡片）装入纸带输
A I/O
B I/O
t t1
A A I/O
t3
t4
单道程序工作过程
B B I/O
t5
CPU
A
A I/O
B I/O t
B
A
B
t1
t2 t3
t4 t5
多道程序执行过程
第九页，共41页。
1. 2 操作系统的基本概念
计算机系统中的各种程序、数据和各种硬件设备统称
为计算机系统中的资源 。由谁来管理计算机系统中的资
1.2.5.5 分布式操作系统 分布式系统的主要特点是：各节点的自治
性；资源共享的透明性；各节点间的协同性； 系统的坚定性。 在分布式系统中使用的操作系统是分布式 操作系统。分布式操作系统的主要特点是：系 统状态的不精确性 、 控制结构的复杂性 、 通信开销引起性能下降。
第十八页，共41页。
(2) 程序接口。程序接口是用户获取操作系统服务的 唯一途径。程序接口由一组系统调用组成。每一个系 统调用都是一个完成特定功能的子程序
(3) 图形接口。图形接口不需要记忆命令，图形接口的
目标是对出现在屏幕上的对象直接进行操作，以控制和 操纵程序的运行。这种图形用户接口大大减免用户记忆 的工作量，受到用户的欢迎。图形用户接口的主要构件 是：窗口、菜单和对话框。
第二页，共41页。
本章要点
操作系统的定义 掌握操作系统的特征 操作系统的功能 操作系统的类型 操作系统结构
第三页，共41页。
1. 1 操作系统的形成与发展
1.1.1 人工操作方式
计算机诞生初期并没有操作系统，人们采用手工操作
方式使用计算机,信息的输入／输出由人工在联机状态下进
行。首先程序员将事先穿孔的纸带（或卡片）装入纸带输
A I/O
B I/O
t t1
A A I/O
t3
t4
单道程序工作过程
B B I/O
t5
CPU
A
A I/O
B I/O t
B
A
B
t1
t2 t3
t4 t5
多道程序执行过程
第九页，共41页。
1. 2 操作系统的基本概念
计算机系统中的各种程序、数据和各种硬件设备统称
为计算机系统中的资源 。由谁来管理计算机系统中的资
全国计算机等级考试四级网络工程师操作系统原理部分
操作系统原理第一章操作系统概论1.1操作系统的概念操作系统的特征：并发性，共享性，随机性。
研究操作系统的观点：软件的观点，资源管理的观点，进程的观点，虚拟机的观点，服务提供者的观点。
操作系统的功能：1.进程管理：进程控制，进程同步，进程间通信，调度。
2.存储管理：内存分配与回收，存储保护，内存扩充。
3.文件管理：文件存储空间管理，目录管理，文件系统安全性。
4.设备管理5.用户接口UNIX是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。
1969年AT&T公司Kenneth L.Thompson 用汇编语言编写了Unix第一个版本V1，之后Unix用C语言编写，因此事可移植的。
1.3操作系统分类1.批处理操作系统：优点是作业流程自动化较高，资源利用率较高，作业吞吐量大，从而提高了整个系统的效率。
缺点是用户不能直接与计算机交互，不适合调试程序。
2.分时系统：特点是多路性，交互性，独占性，及时性。
3.实时操作系统4.嵌入式操作系统5.个人计算机操作系统6.网络操作系统7.分布式操作系统8.智能卡操作系统1.4操作系统结构1.整体式结构2.层次结构3.微内核（客户机/服务器）结构：①可靠，②灵活（便于操作系统增加新的服务功能），③适宜分布式处理的计算机环境第二章操作系统运行机制2.1中央处理器寄存器：用户可见寄存器：数据寄存器（通用寄存器），地址寄存器，条件码寄存器。
控制和状态寄存器：程序计数器，指令寄存器，程序状态字。
目态到管态的转换唯一途径是通过终端和异常。
管态到目态的转换可以通过设置PSW指令（修改程序状态字）实现。
PSW包括：①CPU的工作状态代码②条件码③中断屏蔽码2.2存储体系存储器设计：容量，速度，成本存储保护：①界地址寄存器（界限寄存器）：产生程序中断-越界中断或存储保护中断②存储键2.3中断与异常机制分类：中断：时钟中断，输入输出（I/O）中断，控制台中断，硬件故障中断异常：程序性中断，访管指令异常2.4系统调用系统调用程序被看成是一个低级的过程，只能由汇编语言直接访问。
第1章 操作系统概论
A)进程在某一时刻需要显示图像信息 B)进程申请使用计算机的声卡 C)操作系统维护着系统的时钟 D)操作系统内核进行进程切换
四级网络工- 1程8 -师
01 考点1：OS的概念
19
3.研究操作系统的观点
软件的 观点
外在特性：操作命令定义集和界面，完全确定了操作系统这个软件的使用方式； 内在特性：具有一般软件的结构特点；具有一般应用软件所不具备的特殊结构；
8
四级网络工- 8程- 师
01 考点1：OS的概念
【真题链接】 2.从软件设计和开发角度来看，操作系统的主要作用是提供（ B）
A)人机交互接口 B)软件开发基础平台 C)第一道安全防线 D)虚拟机和扩展机
9
四级网络工- 9程- 师
01 考点1：OS的概念
【真题链接】 3.从计算机安全保护角度来看，操作系统的主要作用是提供（ C ）
完
完
成
成
先把第一个作业
将下一个作业内
调入内存并运行
调入存并运行
完
成
将下一个作业内
直到该批所有的
调入存并运行
作业都处理完毕
四级网络工- 3程6 -师
01 考点2：OS的分类
37
1.批处理操作系统
4）一般指令和特权指令 CPU运行模式的引入：为了防止由于用户的错误而导致整个系统发生不可预料的 后果，有必 要对中央处理器的运行划分出不同的状态（运行模式）。
进程的 观点
分析计算机系统各部分的并行工作。 研究处理各项管理任务的分割以及这些管理任务相互之间的关系。
四级网络工- 1程9 -师
01 考点1：OS的概念
20
3.研究操作系统的观点
◆ 资源管理的观点：如何协调这些用户程序和作业呢？如何有条不紊地进行资源分配呢？
四级网络工- 1程8 -师
01 考点1：OS的概念
19
3.研究操作系统的观点
软件的 观点
外在特性：操作命令定义集和界面，完全确定了操作系统这个软件的使用方式； 内在特性：具有一般软件的结构特点；具有一般应用软件所不具备的特殊结构；
8
四级网络工- 8程- 师
01 考点1：OS的概念
【真题链接】 2.从软件设计和开发角度来看，操作系统的主要作用是提供（ B）
A)人机交互接口 B)软件开发基础平台 C)第一道安全防线 D)虚拟机和扩展机
9
四级网络工- 9程- 师
01 考点1：OS的概念
【真题链接】 3.从计算机安全保护角度来看，操作系统的主要作用是提供（ C ）
完
完
成
成
先把第一个作业
将下一个作业内
调入内存并运行
调入存并运行
完
成
将下一个作业内
直到该批所有的
调入存并运行
作业都处理完毕
四级网络工- 3程6 -师
01 考点2：OS的分类
37
1.批处理操作系统
4）一般指令和特权指令 CPU运行模式的引入：为了防止由于用户的错误而导致整个系统发生不可预料的 后果，有必 要对中央处理器的运行划分出不同的状态（运行模式）。
进程的 观点
分析计算机系统各部分的并行工作。 研究处理各项管理任务的分割以及这些管理任务相互之间的关系。
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01 考点1：OS的概念
20
3.研究操作系统的观点
◆ 资源管理的观点：如何协调这些用户程序和作业呢？如何有条不紊地进行资源分配呢？
第1章操作系统概论
2
1.执行的系统软件，已经存在很多年，其功能和内涵 也在不断丰富和扩充，所以至今仍无法给出一个严格和统一的定义。但比较公认的 定义是：管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，合理组织 计算机工作流程和为用户方便而有效地使用计算机提供良好运行环境的最基本的系 统软件。
南京工程学院
5
地址：江苏省南京市江宁科学园弘景大道1号 邮编：211167
1.1.2 操作系统的形成和发展
1946年诞生第一台计算机至今，计算机经历了60多年的发展时期，操作系统 伴随计算机硬件的发展及应用的日益广泛而发展。最初的计算机系统上没有操作系 统，软件的概念也不明确。随着处理器集成技术、中断技术和通道技术等硬件技术 的不断发展，促进了软件概念的形成，从而也推动了操作系统的形成和发展。而操 作系统等软件的发展反过来也促进了硬件的发展。粗略地说，操作系统的发展是由 人工操作阶段过渡到早期批处理阶段而具有其雏形，而后发展到多道程序系统时才 逐步完善的。
3
操作系统的主要目标可归结为以下几个：
1. 方便使用：操作系统通过对外提供各种接口，尽可能简化用户操作，提高计 算机系统的易用性。例如，用户可以直接输入命令或点击屏幕上显示的菜单，操作 程序的运行和计算机的使用；而计算机软件开发人员可以在程序中利用系统调用直 接对磁盘的文件或外部设备上检测数据进行读写操作。
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7
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图1-1人工操作方式的计算过程
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8
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2. 批处理系统
早期批处理系统借助于作业控制语言（Job Control Language, JCL）对人工 操作方式进行了变革。用户可以通过脱机方式控制和实用计算机，通过作业控制卡 来描述对作业的加工和控制步骤，并把作业控制卡连同程序、数据一起提交给操作 员，操作员收集到一批作业后一起把它们放到卡片机上输入计算机。计算机上则运 行一个驻留内存的执行程序，以对作业进行自动控制和成批处理。显然，这种系统 能实现作业到作业的自动转换，缩短作业的准备和创建时间，减少人工操作和人工 干预，提高了计算机的使用效率。
1.执行的系统软件，已经存在很多年，其功能和内涵 也在不断丰富和扩充，所以至今仍无法给出一个严格和统一的定义。但比较公认的 定义是：管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，合理组织 计算机工作流程和为用户方便而有效地使用计算机提供良好运行环境的最基本的系 统软件。
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1.1.2 操作系统的形成和发展
1946年诞生第一台计算机至今，计算机经历了60多年的发展时期，操作系统 伴随计算机硬件的发展及应用的日益广泛而发展。最初的计算机系统上没有操作系 统，软件的概念也不明确。随着处理器集成技术、中断技术和通道技术等硬件技术 的不断发展，促进了软件概念的形成，从而也推动了操作系统的形成和发展。而操 作系统等软件的发展反过来也促进了硬件的发展。粗略地说，操作系统的发展是由 人工操作阶段过渡到早期批处理阶段而具有其雏形，而后发展到多道程序系统时才 逐步完善的。
3
操作系统的主要目标可归结为以下几个：
1. 方便使用：操作系统通过对外提供各种接口，尽可能简化用户操作，提高计 算机系统的易用性。例如，用户可以直接输入命令或点击屏幕上显示的菜单，操作 程序的运行和计算机的使用；而计算机软件开发人员可以在程序中利用系统调用直 接对磁盘的文件或外部设备上检测数据进行读写操作。
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2. 批处理系统
早期批处理系统借助于作业控制语言（Job Control Language, JCL）对人工 操作方式进行了变革。用户可以通过脱机方式控制和实用计算机，通过作业控制卡 来描述对作业的加工和控制步骤，并把作业控制卡连同程序、数据一起提交给操作 员，操作员收集到一批作业后一起把它们放到卡片机上输入计算机。计算机上则运 行一个驻留内存的执行程序，以对作业进行自动控制和成批处理。显然，这种系统 能实现作业到作业的自动转换，缩短作业的准备和创建时间，减少人工操作和人工 干预，提高了计算机的使用效率。
第1章操作系统概论
(2)提供用户与计算机系统的接口。 操作系统提供了两种用户接口: • 作业级接口向用户提供作业控制语 言和操作命令。 • 程序级接口：提供一组系统调用， 又称广义指令。用户程序通过接口 向操作系 统提出资源申请，由操 作系统为其服务。
§3 操作系统的分类
一．批处理操作系统 对多个用户的作业进行成批处理的 系统。 设计目标是提高系统资源的使用率 和作业吞吐量。
为了减少人为干预，提高计算机的利 用效率，把需要机器运行的若干程序 按一定顺序组织在一起成为一道作业， 把它成批地交给计算机，让计算机自 动地、按顺序逐个运行程序。 采用这种批量处理运行程序的操作系 统就 称为批处理操作系统。
1．单道批处理系统 处理机和所有的系统资源仅为一道作业 服务。 解决了人工干预对机器运行效率的影响。
• 通用操作系统
• 网络操作系统 • 分布式操作系统
提供给上层两种接口：操作接口和编程 接口。 用户可以通过操作接口方便地使用计算 机。 编程接口是一系列的系统调用，其它程 序可以使用该接口使操作系统为其服务， 使用硬件资源和软件资源。
3．系统应用软件 由一系列的语言处理程序和系统服务 程序构成。 系统应用层的程序是在操作系统的支 持下工作的，它们使用操作系统的系统 调用和机器指令编制程序。
二. 操作系统的功能 1．存储管理 (1)存储分配。为系统中运行的多个用户 程序分配内存空间，完成相对地址向 绝对地址的变换。 (2)存储安全和保护。保护内存区域不被 非法访问。
(3)存储共享。用户程序共同使用内存中 的某些程序或数据。 (4)存储扩充。操作系统通过软件的方法 为用户程序提供一个比物理内存空间 大得多的存储空间，这就是虚拟存储 技术。
2．多道批处理系统 处理机与设备并行工作方式，处理机同 时运行多道作业，作业轮流交替占用处 理机运行。 不仅处理机，其它所有的系统资源均由 多个作业共享。 批处理系统中作业以成批的方式自动运 行， 所以它适合运行那些经过调试的固 定程序。
操作系统概论
(3) 当I/O操作完成(或出错)时，通道以中断方式中断 CPU正在执行的程序，请求CPU的处理
多道程序设计原理
第一章 操作系统概论
①
作 业 程 序A
③ I/O 请 求 ② 读 /写 数 据 ⑦
数据
主 存缓 冲 区
通
④
道
作 业 程 序B ⑥
⑤ I/O 结 束 中 断
图
1
.
4
多
道
磁带
程 序
运
行
概
念
图
计算采用多道程序设计方法时，处理器的利用率 为多少？
第一章 操作系统概论
多道程序设计的实现
为实现多道程序设计， 必须妥善解决以
(1) 存储保护和地址重定位。 (2) 处理机管理和调度。 (3) 资源的管理和分配。
第一章 操作系统概论
通道 1 通道 2 调度程序 程序 A 程序 B 程序 C
图 1.6 多道程序设计环境下各程序的 执行和状态的转换
第一章 操作系统概论
文件管理
（2）由于文件都存放在外存，要随时记住外存 上文件存储空间的使用情况，哪些已经分配， 哪些为待分配。
（3）制定文件存储空间的分配策略，实施具体 的分配和回收。
（4）确保存放在外存上文件的安全、保密和共 享。
（5）提供一系列文件使用命令，以便用户能对 文件进行存取、检索和更新等操作。
第一章 操作系统概论
共享(sharing)
多个进程共享有限的计算机系统资源。操作 系统要对系统资源进行合理分配和使用。 资源在一个时间段内交替被多个进程所用
互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释 放前，不能被其他进程所用。
同时访问（如可重入代码，磁盘文件） 资源分配难以达到最优化 问题：资源的分配、对数据同时存取的保护。
多道程序设计原理
第一章 操作系统概论
①
作 业 程 序A
③ I/O 请 求 ② 读 /写 数 据 ⑦
数据
主 存缓 冲 区
通
④
道
作 业 程 序B ⑥
⑤ I/O 结 束 中 断
图
1
.
4
多
道
磁带
程 序
运
行
概
念
图
计算采用多道程序设计方法时，处理器的利用率 为多少？
第一章 操作系统概论
多道程序设计的实现
为实现多道程序设计， 必须妥善解决以
(1) 存储保护和地址重定位。 (2) 处理机管理和调度。 (3) 资源的管理和分配。
第一章 操作系统概论
通道 1 通道 2 调度程序 程序 A 程序 B 程序 C
图 1.6 多道程序设计环境下各程序的 执行和状态的转换
第一章 操作系统概论
文件管理
（2）由于文件都存放在外存，要随时记住外存 上文件存储空间的使用情况，哪些已经分配， 哪些为待分配。
（3）制定文件存储空间的分配策略，实施具体 的分配和回收。
（4）确保存放在外存上文件的安全、保密和共 享。
（5）提供一系列文件使用命令，以便用户能对 文件进行存取、检索和更新等操作。
第一章 操作系统概论
共享(sharing)
多个进程共享有限的计算机系统资源。操作 系统要对系统资源进行合理分配和使用。 资源在一个时间段内交替被多个进程所用
互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释 放前，不能被其他进程所用。
同时访问（如可重入代码，磁盘文件） 资源分配难以达到最优化 问题：资源的分配、对数据同时存取的保护。
【操作系统】操作系统概论-计算机-
7
1.2.1 串行处理系统
最早的计算机，从20世纪40年代末到50 年代中期，程序员直接与硬件接触，根 本没有OS。计算机运行在一个集成了指 示器、各种开关、一些输入设备以及一 个打印机的控制台之上。早期的这种系 统存在两个问题： • (1)上机安排 • (2)启动时间
8
1.2.2 简单批处理系统
10
1.2.2 简单批处理系统
批处理系统存在很多不方便之处，主要有： 用户不能与其作业交互以捕捉程序中的问题。 用户程序中的所有问题必须事先安排好，否 则程序的排错就可能在转储信息上盲目地进 行。此外，对一个用户作业而言，可能需要 较长的周转时间。
在批处理系统中，为了避免有意或无意地读 取他人的卡片，必须建立监控和用户两种操 作态，使其只有在监控态下才能读控制卡。 通过建立一组仅能在监控态下执行的特权指 令，操作系统就能保证在任何时候都能控制 整个系统。
12
1.2.3 多道程序批处理系统
设想一台电脑配备256KB的可用内存空间(未
被OS占用的)，一个磁盘，一个终端和一台打
印机。3个程序JOB1、JOB2和JOB3，同时被提 交执行，如下表所列。
作业类型 执行时间 所需内存 是否需要磁盘 是否需要终端 是否需要打印机
JOB1 偏重计算 5 min 50KB No No No
2
1.1.1 硬件系统和应用程序间的 界面
由操作系统定义的软、硬件和数据，给 程序员提供了方便的界面，使程序员和 应用程序更容易获取和使用计算机系统 中的资源、工具和服务。
3
1.1.1 硬件系统和应用程序间的界面
OS具有如下功能： • ① 程序创建。 • ② 程序执行。 • ③ I/O设备的访问。 • ④ 控制对文件的访问。 • ⑤ 系统访问。 • ⑥ 查错和纠错。 • ⑦ 簿记。
1.2.1 串行处理系统
最早的计算机，从20世纪40年代末到50 年代中期，程序员直接与硬件接触，根 本没有OS。计算机运行在一个集成了指 示器、各种开关、一些输入设备以及一 个打印机的控制台之上。早期的这种系 统存在两个问题： • (1)上机安排 • (2)启动时间
8
1.2.2 简单批处理系统
10
1.2.2 简单批处理系统
批处理系统存在很多不方便之处，主要有： 用户不能与其作业交互以捕捉程序中的问题。 用户程序中的所有问题必须事先安排好，否 则程序的排错就可能在转储信息上盲目地进 行。此外，对一个用户作业而言，可能需要 较长的周转时间。
在批处理系统中，为了避免有意或无意地读 取他人的卡片，必须建立监控和用户两种操 作态，使其只有在监控态下才能读控制卡。 通过建立一组仅能在监控态下执行的特权指 令，操作系统就能保证在任何时候都能控制 整个系统。
12
1.2.3 多道程序批处理系统
设想一台电脑配备256KB的可用内存空间(未
被OS占用的)，一个磁盘，一个终端和一台打
印机。3个程序JOB1、JOB2和JOB3，同时被提 交执行，如下表所列。
作业类型 执行时间 所需内存 是否需要磁盘 是否需要终端 是否需要打印机
JOB1 偏重计算 5 min 50KB No No No
2
1.1.1 硬件系统和应用程序间的 界面
由操作系统定义的软、硬件和数据，给 程序员提供了方便的界面，使程序员和 应用程序更容易获取和使用计算机系统 中的资源、工具和服务。
3
1.1.1 硬件系统和应用程序间的界面
OS具有如下功能： • ① 程序创建。 • ② 程序执行。 • ③ I/O设备的访问。 • ④ 控制对文件的访问。 • ⑤ 系统访问。 • ⑥ 查错和纠错。 • ⑦ 簿记。
第01课操作系统概论
2
单用户多任务操作系统 只允许一个用户上机， 但允许将一个用户程序分 成若干个任务并发执行。 随着32位微机的出现，多 任务处理能力和图形用户 界面成为微机操作系统的 趋势，最具代表性的是 OS/2和Windows操作系统。
3
多用户多任务操作系统 允许多个用户共享主 机中的各类资源，而每个 用户程序又可进一步分为 多个任务并发执行。大、 中、小型机中配置的都是 多用户多任务操作系统， 32位微机也有不少，最具 代表性的是UNIX和Linux。 19
23
1.3 操作系统的特征与功能
特征：
并发性、共享性、虚拟性、异步性
功能：
处理器管理、存储器管理、设备管理、 文件管理、用户接口
24
1. 处理器管理（进程管理）
处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控 制和管理。在单道环境下，处理器为一个作业所独占，其管理十分简单。但 在多道程序并发环境下，必须引入进程以动态地描述程序的执行过程，并以 进程为单位来分配处理器，因而对处理器的管理可归结为对进程的管理 。
（1）手工操作阶段（1946年-50年代中期）
输入设备
运算器 主机 控制器 存储器
控制台
输出设备
计算机的手 工操作方式
减少了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾 提高了I/O速度，缓解了CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾
输入设备 外围机 运算器 主机 控制器 存储器 外围机
磁盘
磁盘
控制台
输出设备
计算机外设
22
嵌入式操作系统
在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统，它们是 一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是 “计算机”。通常工作在反应快或对处理时间有较严格要求环境中，由于 它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统。 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面 向应用，软硬件可裁减的；适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等 综合性能有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统应具有的特点是：高可靠性；实时性；嵌入式系统和具体 应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行；嵌入式 系统中的软件代码要求高质量、高可靠性；一般都固化在只读存储器中而 不是存储在磁盘等载体中。
ch1 操作系统概论
1．3 现代操作系统的类型
实时系统与批处理系统和分时系统的区别 专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统 通常是通用系统。 实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的 迅速响应，具有较强的中断处理机构。
高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具
有较高冗余。如双机系统。 可与通用系统结合成通用实时系统：实时处理前台作业，批 处理为后台作业。
1．3 现代操作系统的类型
(2)VxWorks VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占
有率最高的系统。它支持多种处理器，如x86、i960、Sun
Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、POWER PC 等等。大多数的VxWorks API是专有的。采用GNU的编
1．3 现代操作系统的类型
实时系统的特征 (1)实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时 钟管理功能； (2)过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务 周期（降低某些周期性任务的频率）； 过载是指进入系统的任务数目超出系统处理能力 (3)高度可靠性和安全性－－容错能力（如故障自动复位） 和冗余备份（双机，关键部件）；
现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时 系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统 、通用系统、个人系统等。
1．3 现代操作系统的类型
分时系统的特征： (1)多路性：一台主机可以连接多台终端，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：各个用户的操作互不干扰，每一个用户都认为 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。用户能通过键盘等设 备输入数据或命令，系统获得用户的输入后作出响应。 (4)及时性：系统一般能在一秒钟内接受和响应用户的输入 命令或数据，在数秒内显示命令的执行结果。
ch1-操作系统概论
第4页，共112页。
1.1.1操作系统与计算机系统
计算机系统：由硬件和软件相互交织形成的 集合体，构成一个解决计算问题的工具。
硬件：计算机物理装置本身，可以是电子的 、磁的、机械的、光的元件或装置。
软件：指计算机系统中的所有软件。 硬件是软件运行的物质基础，软件能够充分
地发挥硬件潜能并扩充其功能，完成各种应 用任务，两者互相促进，相辅相成，缺一不 可。
存储管理
(1)内存分配 ；
(2)地址转换； (3)存储保护； (4)内存共享 ； (5)存储扩充 。
第37页，共112页。
设备管理
(1)提供设备中断处理；
(2)提供缓冲区管理； (3)提供设备独立性，实现逻辑设备到
物理设备之间的映射；
(4)设备的分配和回收；
(5)实现共享型设备的驱动调度；
第26页，共112页。
观察和研究操作系统总纲
研究和观察操作系统
用户角度
OS是服务提 供者
服务用户 观点
系统角度
OS是资源管 OS是虚拟机 OS是程序执
理者
行的控制者
资源管理 观点
系统实现
观点
进程交互
观点
静态观察 方法
动态观察 方法
ch1(os定义、 功能、作用、 接口和服务)
ch2(处理器管理)、
对外作为“服务员”，是用户与硬件的接口 和人机界面，为用户提供最友善的运行环境 和最佳的服务，操作系统在管理好资源的基 础上，向外提供强有力的服务;
所以，资源管理是操作系统一项主要任务。
第33页，共112页。
1.1.4操作系统功能和特性
操作系统中，能分配给用户使用的硬件和 软件设施总称为资源，包括两类：硬件资 源和信息资源。 硬件资源：处理器、存储器、I/O设备等； 信息资源：程序和数据等。
1.1.1操作系统与计算机系统
计算机系统：由硬件和软件相互交织形成的 集合体，构成一个解决计算问题的工具。
硬件：计算机物理装置本身，可以是电子的 、磁的、机械的、光的元件或装置。
软件：指计算机系统中的所有软件。 硬件是软件运行的物质基础，软件能够充分
地发挥硬件潜能并扩充其功能，完成各种应 用任务，两者互相促进，相辅相成，缺一不 可。
存储管理
(1)内存分配 ；
(2)地址转换； (3)存储保护； (4)内存共享 ； (5)存储扩充 。
第37页，共112页。
设备管理
(1)提供设备中断处理；
(2)提供缓冲区管理； (3)提供设备独立性，实现逻辑设备到
物理设备之间的映射；
(4)设备的分配和回收；
(5)实现共享型设备的驱动调度；
第26页，共112页。
观察和研究操作系统总纲
研究和观察操作系统
用户角度
OS是服务提 供者
服务用户 观点
系统角度
OS是资源管 OS是虚拟机 OS是程序执
理者
行的控制者
资源管理 观点
系统实现
观点
进程交互
观点
静态观察 方法
动态观察 方法
ch1(os定义、 功能、作用、 接口和服务)
ch2(处理器管理)、
对外作为“服务员”，是用户与硬件的接口 和人机界面，为用户提供最友善的运行环境 和最佳的服务，操作系统在管理好资源的基 础上，向外提供强有力的服务;
所以，资源管理是操作系统一项主要任务。
第33页，共112页。
1.1.4操作系统功能和特性
操作系统中，能分配给用户使用的硬件和 软件设施总称为资源，包括两类：硬件资 源和信息资源。 硬件资源：处理器、存储器、I/O设备等； 信息资源：程序和数据等。
第1章操作系统概论
第1章操作系统概论本章学习目标●掌握操作系统的定义及其在计算机系统中的作用。
●掌握操作系统的特征及其功能。
●了解操作系统的形成过程及其发展趋势，掌握批处理系统、分时系统和实时系统的特点。
●了解操作系统的设计结构。
●了解常见操作系统的特点。
本章概述在现代计算机系统中，一个或多个处理器、主存、外存、网络接口以及各种不同的输入/输出设备共同协作，完成用户的各项需求。
用户需求的响应过程是十分复杂和关键的，对编写和监督管理上述各种部件的程序员能力要求极高。
为了将部分关键的操作封装起来，同时也达到简化程序员工作的目的，计算机体系中出现了操作系统这个软件层次。
它能在管理并正确使用上述部件的同时，为程序员提供一个通用的、相对简单的、能够驱动硬件工作的软件接口。
本章首先从操作系统的定义、特征、功能、设计目标、性能指标等方面阐述操作系统的概念。
然后从操作系统的发展分析操作系统的发展方向，由此引入不同结构的操作系统的性能比较与分析。
最后对最为流行的操作系统实例——Windows系列和Unix/Linux系统进行简要的介绍。
1.1 操作系统的概念1.1.1 操作系统的定义在现代计算机体系结构中，操作系统起着至关重要的作用。
如图1-1所示为操作系统在计算机体系结构中的位置。
操作系统是硬件之上的第一层软件，在操作系统之上的是各种应用程序。
其中每个层次又可以细分为更多的子层，如硬件层从底向上可分为物理设备、由各种寄存器和数据通道组成的微体系层以及主要由指令集组成的机器语言层，提供的是基本的计算资源。
应用程序层则通常是基于特定操作系统的、满足特定功能的、直接面向用户的软件，这些软件能够根据用户的具体需求申请特定的资源，并按照应用程序规定的方法来使用这些资源。
操作系统处于这两个层次之间，用来协调与控制应用程序对硬件资源的使用。
应用程序操作系统计算机硬件图1-1 计算机体系结构在当今社会，几乎每个人都与操作系统打过交道，但是要精确地给出操作系统的定义却并非易事。
第1章操作系统概论
手工操作的慢速与CPU运算的高速之间的矛 盾。此即人机矛盾。
CPU的快速与I/O设备慢速的矛盾。
1.2.2 早期批处理
为解决人机矛盾，人们提出了从一个作业 到下一个作业的自动过渡方式，从而出现 了批处理技术。
监督程序
监督程序是一个常驻内存的程序，它管理 作业的运行，负责装入和运行各种系统程 序来完成作业的自动过渡。
个人计算机操作系统
个人计算机操作系统主要供个人使用， 它功能强，价格便宜，能满足一般人工 作、学习、游戏等方面的需求。
个人计算机操作系统的主要特点是计算 机在某一段时间内为单个用户服务，采 用图形界面人机交互的工作方式，界面 友好，使用方便。
网络操作系统
网络操作系统是基于计算机网络的，是在各 种计算机操作系统上按网络体系结构协议标 准开发的软件
1.2.4 操作系统的发展
操作系统是一组控制和管理计算机硬件 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的集合。
操作系统的发展续
由于批处理系统没有人机交互性，后来 又出现了分时系统、实时系统；
近年来又出现了个人计算机操作系统、 网络操作系统、分布式操作系统、嵌入 式操作系统等。
脱机输出：当CPU需要输出时，高速地把结 果送到磁带上，然后在外围机的控制下， 把磁带上的计算结果由相应的输出设备输 出。
脱机输入/输出示意图
纸带机 打印机
外围机
输入带 输出带
输入带 输出带
主机
脱机I/O与联机I/O
脱机输入/输出：输入/输出操作在外围机 的控制下，脱离主机进行。
脱机I/O优点：
直接控制程序运行，同程序进行交互。
独立性：用户彼此之间都感觉不到别人也在
使用这台计算机，好像只有自己独占计算机一 样。
CPU的快速与I/O设备慢速的矛盾。
1.2.2 早期批处理
为解决人机矛盾，人们提出了从一个作业 到下一个作业的自动过渡方式，从而出现 了批处理技术。
监督程序
监督程序是一个常驻内存的程序，它管理 作业的运行，负责装入和运行各种系统程 序来完成作业的自动过渡。
个人计算机操作系统
个人计算机操作系统主要供个人使用， 它功能强，价格便宜，能满足一般人工 作、学习、游戏等方面的需求。
个人计算机操作系统的主要特点是计算 机在某一段时间内为单个用户服务，采 用图形界面人机交互的工作方式，界面 友好，使用方便。
网络操作系统
网络操作系统是基于计算机网络的，是在各 种计算机操作系统上按网络体系结构协议标 准开发的软件
1.2.4 操作系统的发展
操作系统是一组控制和管理计算机硬件 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的集合。
操作系统的发展续
由于批处理系统没有人机交互性，后来 又出现了分时系统、实时系统；
近年来又出现了个人计算机操作系统、 网络操作系统、分布式操作系统、嵌入 式操作系统等。
脱机输出：当CPU需要输出时，高速地把结 果送到磁带上，然后在外围机的控制下， 把磁带上的计算结果由相应的输出设备输 出。
脱机输入/输出示意图
纸带机 打印机
外围机
输入带 输出带
输入带 输出带
主机
脱机I/O与联机I/O
脱机输入/输出：输入/输出操作在外围机 的控制下，脱离主机进行。
脱机I/O优点：
直接控制程序运行，同程序进行交互。
独立性：用户彼此之间都感觉不到别人也在
使用这台计算机，好像只有自己独占计算机一 样。
操作系统引论
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。
计算机操作系统
第一章 操作系统概论
1.1.2 操作系统的作用
3. OS 通 常 把 覆 盖 了软件的机器称为扩充机器 （ Extended
Machine）或虚机器（Virtual Machine）。
计算机操作系统
第一章 操作系统概论
Computer software
Computer software can be roughly divided into two kinds: the system programs, which manage the operation of computer itself, and the application programs, which solve problems for their users. The most fundamental of all the system programs is the operating system.
Run in user mode Airline
Application programs
System programs Hardware
计算机操作系统
第一章 操作系统概论
1.1 操作系统的目标和作用
1.1.1 操作系统的目标
1. 方便性
2. 有效性
3. 可扩充性
4. 开放性
计算机操作系统
第一章 操作系统概论
(1) 硬实时任务(hard real-time task)。
(2) 软实时任务(Soft real-time task)。
一章节操作系统概论
1.1.2 操作系统的资源管理技术
资源复用
(解决物理资源数量不足 )
资源管理技术
资源虚化
(解决物理资源数量不足 ， 提高服务的能力和水平 )
资源抽象
(处理系统的复杂性，
解决资源的易用性)
1)资源复用
(1)空分复用共享 --该资源可进一步 分割成更多和更小的单位供进程 使用 。举例。
(2)时分复用共享--并不把资源进一 步分割成更小的单位，进程可在 一个时间片内独占使用整个物理 资源。举例。
❖第一层抽象，从磁盘到分区。 ❖第二层抽象，从分区到扇区。 ❖第三层抽象，从扇区到簇。 ❖第四层抽象，从簇到文件系统分区。
操作系统最基础抽象小结
进程抽象
处理器
虚存抽象 文件抽象
主存
设备
3 虚拟计算机(1)
❖ 什么是虚拟计算机? ❖ 什么是操作系统虚拟机? ❖ 操作系统虚拟机的组成：
1) 虚处理器 2) 虚拟主存 3) 虚拟辅存 4) 虚拟设备
设备管理
❖ (1)提供设备中断处理； ❖ (2)提供缓冲区管理； ❖ (3)提供设备独立性，实现逻辑设备
到物理设备之间的映射； ❖ (4)设备的分配和回收； ❖ (5)实现共享型设备的驱动调度； ❖ (6)实现虚拟设备。
文件管理
❖ (1)提供文件的逻辑组织方法； ❖ (2)提供文件的物理组织方法； ❖ (3)提供文件的存取和使用方法； ❖ (4)实现文件的目录管理； ❖ (5)实现文件的共享和安全性控制； ❖ (6)实现文件的存储空间管理。
处理机管理
❖ (1)进程控制和管理； ❖ (2)进程同步和互斥； ❖ (3)进程通信； ❖ (4)进程死锁； ❖ (5)线程控制和管理； ❖ (6)处理器调度，又分高级调度，中
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操作系统
Dr. Hai Wang
Email:hwang@
第1章 操作系统概论
1.1 操作系统概观 1.2 操作系统形成和发展 1.3 操作系统基本服务和用户接口 1.4 操作系统结构和运行模型 1.5 流行操作系统简介
操作系统
第1章 操作系统概论
2
1.1.1操作系统与计算机系统
操作系统 第1章 操作系统概论 30
1.1.4操作系统功能和特性
操作系统中，能分配给用户使用的硬件 和软件设施总称为资源，包括两类：硬 件资源和信息资源。 • 硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设 备等； • 信息资源又分：程序和数据等。 • 操作系统也可定义为：是能使诸用户有 效、方便地共享一套计算机系统资源的 一种系统软件。
操作系统既是“管理员”，又是“服 务员”
• 对内作为“管理员”，做好软硬件资源的管 理、控制与调度，在裸机基础上形成虚拟机 供应用程序使用，并对程序执行进行控制和 协调，提高系统效率和资源利用率； • 对外作为“服务员”，是用户与硬件的接口 和人机界面，为用户提供最友善的运行环境 和最佳的服务，操作系统在管理好资源的基 础上，向外提供强有力的服务; • 所以，资源管理是操作系统一项主要任务。
• 进程是支持程序执行的一种系统机制， 进程是执行中的程序，系统以进程方 式组织程序在计算机上运行； • OS 需要提供机制，解决并发进程执 行时产生的互斥、同步、通信和死锁 问题。
操作系统
第1章 操作系统概论
28
OS作为扩展机或虚拟机
• 把操作系统分成若干层次或模块，逐步添加 到裸机上，形成操作系统虚拟机; • 操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来 ; • 操作系统与硬件组成一台功能显著增强，使 用更加方便，安全可靠性更好的扩展机器或 虚拟机 。
虚 内 存 虚 辅 存 虚 设 备
虚拟机1
操作系统资 源管理技术( 复用、虚拟、 抽象)
虚拟机n
处 理 器
内
存
辅
存
设
备
物理计算机
操作系统 第1章 操作系统概论 20
1.1.3操作系统定义和作用
操作系统定义
管理系统资源、控制程序执行、改善人机 界面、提供各种服务，并合理组织计算机 工作流程和为用户方便有效地使用计算机 提供良好运行环境的一种系统软件。
财务系统
航空订票
上网浏览 (应用软件)
电子商务
…
科学计算
编译程序 汇编程序
数据库
…
实用程序
(支撑软件) 操作系统 (系统软件) 计算机硬件
操作系统
第1章 操作系统概论
4
计算机系统层次结构(2)
• • • • 硬件层 操作系统层 支撑软件层 应用软件层
操作系统
第1章 操作系统概论
5
操作系统的主要目标
操作系统 第1章 操作系统概论 10
(2) 虚拟
• 是对资源进行转化、模拟或整合，把物 理上的一个资源变成逻辑上的多个对应 物(或物理上多个变成逻辑上一个)的一 类技术。 • 空分复用分割实际存在的物理资源，虚 拟实现虚构假想的虚拟同类资源。 • 资源虚拟的例子—虚拟设备、虚拟主存、 虚拟文件、虚拟屏幕(终端)、虚拟信 道 。
16
操作系统
第1章 操作系统概论
2.操作系统中三个基础抽象
文件是通过将文件中的字 节映射到存储设备的物理 块中来实现文件抽象。 文件抽象的效果是让用户 感觉到总能满足自己对设 备上信息的存取需求，而 且使用十分方便。
操作系统
第1章 操作系统概论
17
基础抽象的包含关系
进程抽象 虚存抽象 文件抽象 处理器 内存 设备
操作系统
第1章 操作系统概论
14
2.操作系统中三个基础抽象
进程是对于进入内存的执 行程序在处理器上操作的 状态集的一个抽象。进程 抽象的效果是让用户感觉 到有自己独享的处理器， 从而，可为用户提供多任 务操作系统和分时操作系 统。
操作系统
第1章 操作系统概论
15
操作系统中三个基础抽象
虚 存(virtual memory) （虚存是内存的一种抽象） 用户：运行应用程序，使用逻辑 地址
• 现代计算机系统是由硬件和软件 相互交织形成的集合体，构成一个 解决计算问题的工具。 • 硬件是软件运行的物质基础，软件 能够充分地发挥硬件潜能并扩充其 功能，完成各种应用任务，两者互 相促进，相辅相成，缺一不可。
操作系统 第1章 操作系统概论 3
计算机系统层次结构(1)
用户1 用户2 用户3 用户4 … 用户n
操作系统
第1章 操作系统概论
29
OS作为资源管理者和控制者
• 对软硬件资源进行资源复用、虚拟和抽象， 管理各类资源，记录使用情况，确定分配 策略，实施分配和回收，满足用户对资源 的需求和申请。 • 提供机制协调应用程序对资源的使用冲突， 研究资源使用的统一方法，为用户提供简 单、有效的资源使用手段，在满足应用程 序需求的前提下，最大限度地实现各种资 源的共享，提高资源利用率。
操作系统 第1章 操作系统概论 22
观察和研究操作系统总纲
研究和观察操作系统 用户角度 OS是服务 提供者 服务用户 观点 OS是资源 管理者 资源管理 观点 静态观察 方法
ch1(os定义 、功能、作 用、接口和 服务)
ch2(处理器管理)、 ch1(os虚拟机、os ch4(存储管理)、 结构、os运行模 ch5(设备管理)、 型)、 ch6(文件管理)
系统角度 OS是虚拟机 OS是程序执 行的控制者 进程交互 观点
系统实现 观点
ch7(安全与保护)
ch2(进程、线 程、调度)、 ch3(同步、通 信、死锁)
操作系统
第1章 操作系统概论
23
观察和研究操作系统的4种观点
• 服务用户观点 • 进程交互观点 • 系统实现观点 • 资源管理观点
操作系统
第1章 操作系统概论
• (1)网络资源管理； • (2)数据通信管理； • (3)应用服务; • (4)网络管理。
操作系统
第1章 操作系统概论
37
1.1.4操作系统主要特性
第一个特性--并发性 第二个特性--共享性 第三个特性--异步性
操作系统
第1章 操作系统概论
38
第一个特性--并发性(1)
• 并发性--指两个或两个以上的事件 或活动在同一时间间隔内发生。 • 发挥并发性能够消除系统中部件和 部件之间的相互等待，有效地改善 系统资源的利用率，改进系统的吞 吐率，提高系统效率。
虚拟机界面 虚拟地址
OS:虚存及其管理
物理机界面 物理地址
硬件:主存+辅存
虚存抽象的效果是给用 户造成假象，感觉独占 了一个连续地址空间， 编写应用程序的长度不 受物理内存大小限制。 虚存是通过结合对内存 和外存的管理来实现的 ， 把一个进程的虚存中的 内容存储在磁盘上，用 内存作为磁盘的高速缓 存，以此为用户提供比 物理内存空间大得多的 虚拟内存空间。
操作系统 第1章 操作系统概论 39
第一个特性--并发性(2) 并发性使系统变得复杂化
• 如何从一个活动切换到另一个活动？ • 怎样将各个活动隔离开来，使之互不干扰， 免遭对方破坏？怎样让多个活动协作完成任 务？ • 怎样协调多个活动对资源的竞争？ • 如何保证每个活动的资源不被其它进程侵犯? • 多个活动共享文件数据时，如何保证数据的 一致性？
分割成更多和更小的单位供进程 使用 。 (2)时分复用共享--并不把资源进一 步分割成更小的单位，进程可在 一个时间段内独占使用整个物理 资源。
操作系统 第1章 操作系统概论 9
时分复用共享分类
• 时分独占式--进程获得时分独占式资 源后，对资源执行多个操作，通常 使用一个完整的周期后才会释放(如 磁带)。 • 时分共享式--时分共享式资源指进程 占用该类资源使用后，很可能随时 被剥夺，被另一个进程抡占使用(如 处理器、磁盘机)。
用户 用户 I/O机器指令 物理接口 设备 I/O软件及设 备驱动程序 物理接口 设备
第1章 操作系统概论 13
I/O系统调用 read( ),write( )
操作系统
(4) 组合使用资源管理技术
• 对于一类资源，操作系统往往同时 实施几种资源管理技术。 • 例1 --虚拟设备--抽象+虚拟。 • 例2--虚拟主存--复用+虚拟。 • 例3--虚拟屏幕--抽象+虚拟。
操作系统 第1章 操作系统概论 7
1.1.2 操作系统资源管理技术
资源复用
(解决物理资源数量不足)
资源管理技术
资源虚拟
(解决物理资源数量不足，提 高服务的能力和水平)
资源抽象
(处理系统的复杂性，解决资源
的易用性)
操作系统 第1章 操作系统概论 8
1.资源管理 (1)复用
(1)空分复用共享 --该资源可进一步
操作系统 第1章 操作系统概论 31
操作系统主要功能
• • • • • 处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 网络与通信管理
操作系统
第1章 操作系统概论
32
处理机管理
• (1)进程控制和管理； • (2)进程同步和互斥； • (3)进程通信； • (4)进程死锁； • (5)线程控制和管理； • (6)处理器调度，又分高级调度，中 级调度和低级调度。
操作系统 第1章 操作系统概论 11
(3) 抽象
• 资源抽象用于处理系统的复杂性， 重点解决资源的易用性。 • 资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬 件资源物理特性和接口细节，简化 对硬件资源的操作、控制和使用的 一类技术。 • 单级资源抽象与多级资源抽象。
操作系统 第1章 操作系统概论 12
设备抽象接口(隐蔽I/O操作实现细节)
Dr. Hai Wang
Email:hwang@
第1章 操作系统概论
1.1 操作系统概观 1.2 操作系统形成和发展 1.3 操作系统基本服务和用户接口 1.4 操作系统结构和运行模型 1.5 流行操作系统简介
操作系统
第1章 操作系统概论
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1.1.1操作系统与计算机系统
操作系统 第1章 操作系统概论 30
1.1.4操作系统功能和特性
操作系统中，能分配给用户使用的硬件 和软件设施总称为资源，包括两类：硬 件资源和信息资源。 • 硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设 备等； • 信息资源又分：程序和数据等。 • 操作系统也可定义为：是能使诸用户有 效、方便地共享一套计算机系统资源的 一种系统软件。
操作系统既是“管理员”，又是“服 务员”
• 对内作为“管理员”，做好软硬件资源的管 理、控制与调度，在裸机基础上形成虚拟机 供应用程序使用，并对程序执行进行控制和 协调，提高系统效率和资源利用率； • 对外作为“服务员”，是用户与硬件的接口 和人机界面，为用户提供最友善的运行环境 和最佳的服务，操作系统在管理好资源的基 础上，向外提供强有力的服务; • 所以，资源管理是操作系统一项主要任务。
• 进程是支持程序执行的一种系统机制， 进程是执行中的程序，系统以进程方 式组织程序在计算机上运行； • OS 需要提供机制，解决并发进程执 行时产生的互斥、同步、通信和死锁 问题。
操作系统
第1章 操作系统概论
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OS作为扩展机或虚拟机
• 把操作系统分成若干层次或模块，逐步添加 到裸机上，形成操作系统虚拟机; • 操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来 ; • 操作系统与硬件组成一台功能显著增强，使 用更加方便，安全可靠性更好的扩展机器或 虚拟机 。
虚 内 存 虚 辅 存 虚 设 备
虚拟机1
操作系统资 源管理技术( 复用、虚拟、 抽象)
虚拟机n
处 理 器
内
存
辅
存
设
备
物理计算机
操作系统 第1章 操作系统概论 20
1.1.3操作系统定义和作用
操作系统定义
管理系统资源、控制程序执行、改善人机 界面、提供各种服务，并合理组织计算机 工作流程和为用户方便有效地使用计算机 提供良好运行环境的一种系统软件。
财务系统
航空订票
上网浏览 (应用软件)
电子商务
…
科学计算
编译程序 汇编程序
数据库
…
实用程序
(支撑软件) 操作系统 (系统软件) 计算机硬件
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计算机系统层次结构(2)
• • • • 硬件层 操作系统层 支撑软件层 应用软件层
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第1章 操作系统概论
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操作系统的主要目标
操作系统 第1章 操作系统概论 10
(2) 虚拟
• 是对资源进行转化、模拟或整合，把物 理上的一个资源变成逻辑上的多个对应 物(或物理上多个变成逻辑上一个)的一 类技术。 • 空分复用分割实际存在的物理资源，虚 拟实现虚构假想的虚拟同类资源。 • 资源虚拟的例子—虚拟设备、虚拟主存、 虚拟文件、虚拟屏幕(终端)、虚拟信 道 。
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操作系统
第1章 操作系统概论
2.操作系统中三个基础抽象
文件是通过将文件中的字 节映射到存储设备的物理 块中来实现文件抽象。 文件抽象的效果是让用户 感觉到总能满足自己对设 备上信息的存取需求，而 且使用十分方便。
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第1章 操作系统概论
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基础抽象的包含关系
进程抽象 虚存抽象 文件抽象 处理器 内存 设备
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第1章 操作系统概论
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2.操作系统中三个基础抽象
进程是对于进入内存的执 行程序在处理器上操作的 状态集的一个抽象。进程 抽象的效果是让用户感觉 到有自己独享的处理器， 从而，可为用户提供多任 务操作系统和分时操作系 统。
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第1章 操作系统概论
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操作系统中三个基础抽象
虚 存(virtual memory) （虚存是内存的一种抽象） 用户：运行应用程序，使用逻辑 地址
• 现代计算机系统是由硬件和软件 相互交织形成的集合体，构成一个 解决计算问题的工具。 • 硬件是软件运行的物质基础，软件 能够充分地发挥硬件潜能并扩充其 功能，完成各种应用任务，两者互 相促进，相辅相成，缺一不可。
操作系统 第1章 操作系统概论 3
计算机系统层次结构(1)
用户1 用户2 用户3 用户4 … 用户n
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第1章 操作系统概论
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OS作为资源管理者和控制者
• 对软硬件资源进行资源复用、虚拟和抽象， 管理各类资源，记录使用情况，确定分配 策略，实施分配和回收，满足用户对资源 的需求和申请。 • 提供机制协调应用程序对资源的使用冲突， 研究资源使用的统一方法，为用户提供简 单、有效的资源使用手段，在满足应用程 序需求的前提下，最大限度地实现各种资 源的共享，提高资源利用率。
操作系统 第1章 操作系统概论 22
观察和研究操作系统总纲
研究和观察操作系统 用户角度 OS是服务 提供者 服务用户 观点 OS是资源 管理者 资源管理 观点 静态观察 方法
ch1(os定义 、功能、作 用、接口和 服务)
ch2(处理器管理)、 ch1(os虚拟机、os ch4(存储管理)、 结构、os运行模 ch5(设备管理)、 型)、 ch6(文件管理)
系统角度 OS是虚拟机 OS是程序执 行的控制者 进程交互 观点
系统实现 观点
ch7(安全与保护)
ch2(进程、线 程、调度)、 ch3(同步、通 信、死锁)
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观察和研究操作系统的4种观点
• 服务用户观点 • 进程交互观点 • 系统实现观点 • 资源管理观点
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• (1)网络资源管理； • (2)数据通信管理； • (3)应用服务; • (4)网络管理。
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1.1.4操作系统主要特性
第一个特性--并发性 第二个特性--共享性 第三个特性--异步性
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第一个特性--并发性(1)
• 并发性--指两个或两个以上的事件 或活动在同一时间间隔内发生。 • 发挥并发性能够消除系统中部件和 部件之间的相互等待，有效地改善 系统资源的利用率，改进系统的吞 吐率，提高系统效率。
虚拟机界面 虚拟地址
OS:虚存及其管理
物理机界面 物理地址
硬件:主存+辅存
虚存抽象的效果是给用 户造成假象，感觉独占 了一个连续地址空间， 编写应用程序的长度不 受物理内存大小限制。 虚存是通过结合对内存 和外存的管理来实现的 ， 把一个进程的虚存中的 内容存储在磁盘上，用 内存作为磁盘的高速缓 存，以此为用户提供比 物理内存空间大得多的 虚拟内存空间。
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第一个特性--并发性(2) 并发性使系统变得复杂化
• 如何从一个活动切换到另一个活动？ • 怎样将各个活动隔离开来，使之互不干扰， 免遭对方破坏？怎样让多个活动协作完成任 务？ • 怎样协调多个活动对资源的竞争？ • 如何保证每个活动的资源不被其它进程侵犯? • 多个活动共享文件数据时，如何保证数据的 一致性？
分割成更多和更小的单位供进程 使用 。 (2)时分复用共享--并不把资源进一 步分割成更小的单位，进程可在 一个时间段内独占使用整个物理 资源。
操作系统 第1章 操作系统概论 9
时分复用共享分类
• 时分独占式--进程获得时分独占式资 源后，对资源执行多个操作，通常 使用一个完整的周期后才会释放(如 磁带)。 • 时分共享式--时分共享式资源指进程 占用该类资源使用后，很可能随时 被剥夺，被另一个进程抡占使用(如 处理器、磁盘机)。
用户 用户 I/O机器指令 物理接口 设备 I/O软件及设 备驱动程序 物理接口 设备
第1章 操作系统概论 13
I/O系统调用 read( ),write( )
操作系统
(4) 组合使用资源管理技术
• 对于一类资源，操作系统往往同时 实施几种资源管理技术。 • 例1 --虚拟设备--抽象+虚拟。 • 例2--虚拟主存--复用+虚拟。 • 例3--虚拟屏幕--抽象+虚拟。
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1.1.2 操作系统资源管理技术
资源复用
(解决物理资源数量不足)
资源管理技术
资源虚拟
(解决物理资源数量不足，提 高服务的能力和水平)
资源抽象
(处理系统的复杂性，解决资源
的易用性)
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1.资源管理 (1)复用
(1)空分复用共享 --该资源可进一步
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操作系统主要功能
• • • • • 处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 网络与通信管理
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处理机管理
• (1)进程控制和管理； • (2)进程同步和互斥； • (3)进程通信； • (4)进程死锁； • (5)线程控制和管理； • (6)处理器调度，又分高级调度，中 级调度和低级调度。
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(3) 抽象
• 资源抽象用于处理系统的复杂性， 重点解决资源的易用性。 • 资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬 件资源物理特性和接口细节，简化 对硬件资源的操作、控制和使用的 一类技术。 • 单级资源抽象与多级资源抽象。
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设备抽象接口(隐蔽I/O操作实现细节)