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
操作系统概论
第一章操作系统概论一、本章要求熟练掌握的内容1、操作系统的定义：计算机操作系统是与计算机硬件紧密相关的一层系统软件，由一整套分层次的控制程序（模块）组成，统一管理计算机系统的所有资源，包括处理器、存储器、输入输出设备以及其它系统软件、应用程序和数据文件等。
操作系统合理地组织计算机系统工作流程，有效地利用计算机系统资源为用户提供一个功能强大、界面良好、使用方便的工作环境，让用户无需了解硬件细节，而是直接利用逻辑命令就能灵活方便地使用计算机。
操作系统为计算机软硬件功能的进一步扩展提供了一个支撑平台。
2、操作系统的特性：操作系统具备了程序并发、资源共享和独立随机可访问三大特征。
（1）程序的并发：在操作系统中，我们把一个功能上独立的程序的一次执行称为一个进程，每一个进程都需要占用一部分系统资源，包括占用处理器时间、内存、输入输出设备等。
若某一段时间内同时有两个或两个以上进程在运行，则称为“程序的并发”。
（2）资源共享：资源的共享是指计算机的软硬件资源为多个拥有授权的用户或程序所共用，以提高这些资源的利用率。
（3）独立随机可访问：在多任务环境下执行的每一个进程在逻辑上具有独立性和随机性。
如果有充分的资源保障，每一个进程都会独立的完成并且其执行速度与其它进程无关，进程执行的起始和结束时间也是独立的并且是随机发生的。
这种独立和随机性形成了对操作系统的客观要求，即必须具备同时处理多个随机并发进程的能力，操作系统的系统管理程序要保证对资源的访问的独立性和随机性。
3、操作系统的功能：（1）处理机管理：处理机管理是操作系统最主要任务之一，其主要功能是对中央处理机的使用进行调度分配，最大限度地提高它的处理能力。
操作系统通过对进程的管理实现对处理机的管理，包括进程创建、进程执行、进程通信、进程撤销、进程等待和进程优先级控制等。
（2）存储管理：存储管理指对内存及其扩展空间的管理。
由于内存资源的紧缺性，存储管理的目标是为程序设计者提供方便、安全和足够的存储空间。
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
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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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卡片 纸带
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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。
第一章 操作系统概述
24
1.2 操作系统的发展与分类
5.分布式操作系统
分布式操作系统是为分布式系统配臵的操作系统。分 布式系统中的计算机既相互对立又相互协作，系统统 一进行资源分配和共享，执行中协调各计算机之间的 同步，实现它们之间的通信和负载平衡。 分布式操作系统以计算机网络为基础，系统的各个子 功能和子任务被布臵在多个处理器上执行，形成处理 上的分布；系统的管理模块可以在系统中的任何一个 处理器上运行，进行系统任务分配和负载均衡调整， 形成控制上的分布。
13
1.2.2 操作系统分类
（1）单道批处理操作系统每次只加载一道作业到内 存中执行。硬件配臵如下图所示：
单道批处理的处理流程如下图所示：14Biblioteka 开始还有下一是
个作业？
否 停止 是 源程序 有错吗？
否
运 行 目标程序
把作业的源程序 转换为目标程序 装配目标程序
图 单道批处理系统的处理流程
15
1.2.2 操作系统分类
设备管理的主要功能包括：I/O设备的控制、缓冲管理、设 备独立性、设备分配、设备处理、虚拟设备管理和磁盘存 储管理等。
31
1.3 操作系统的主要功能
1.3.4 文件管理功能
文件管理主要管理计算机系统中的信息资源。操作系统对 文件进行有效的管理，有助于提高系统资源利用率和用户 满意度。 操作系统的文件管理模块是最接近用户的部分，也是用户 比较熟悉的部分。 现代计算机系统中，文件的存储介质主要是磁盘。不同的 操作系统对文件的磁盘存储结构有不同的组织方式，文件 在磁盘上以何种结构进行组织和存放直接影响文件存取速 度。 文件管理的主要功能包括：文件组织方式、目录管理、文 件存储控制、文件共享和保护、文件操作和文件存储空间 管理等。
1.2 操作系统的发展与分类
5.分布式操作系统
分布式操作系统是为分布式系统配臵的操作系统。分 布式系统中的计算机既相互对立又相互协作，系统统 一进行资源分配和共享，执行中协调各计算机之间的 同步，实现它们之间的通信和负载平衡。 分布式操作系统以计算机网络为基础，系统的各个子 功能和子任务被布臵在多个处理器上执行，形成处理 上的分布；系统的管理模块可以在系统中的任何一个 处理器上运行，进行系统任务分配和负载均衡调整， 形成控制上的分布。
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1.2.2 操作系统分类
（1）单道批处理操作系统每次只加载一道作业到内 存中执行。硬件配臵如下图所示：
单道批处理的处理流程如下图所示：14Biblioteka 开始还有下一是
个作业？
否 停止 是 源程序 有错吗？
否
运 行 目标程序
把作业的源程序 转换为目标程序 装配目标程序
图 单道批处理系统的处理流程
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1.2.2 操作系统分类
设备管理的主要功能包括：I/O设备的控制、缓冲管理、设 备独立性、设备分配、设备处理、虚拟设备管理和磁盘存 储管理等。
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1.3 操作系统的主要功能
1.3.4 文件管理功能
文件管理主要管理计算机系统中的信息资源。操作系统对 文件进行有效的管理，有助于提高系统资源利用率和用户 满意度。 操作系统的文件管理模块是最接近用户的部分，也是用户 比较熟悉的部分。 现代计算机系统中，文件的存储介质主要是磁盘。不同的 操作系统对文件的磁盘存储结构有不同的组织方式，文件 在磁盘上以何种结构进行组织和存放直接影响文件存取速 度。 文件管理的主要功能包括：文件组织方式、目录管理、文 件存储控制、文件共享和保护、文件操作和文件存储空间 管理等。
【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
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1.2.2 简单批处理系统
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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。
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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
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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。
操作系统原理第1章操作系统概论
• ②协作式（cooperative）是指多个任务联合动作，通过某种通信方式来分 享CPU。Windows和Novell公司的Netware网络操作系统是协作式的。
• 多机1操.作3系.2统多的类机型：操作系统
• ①主从模式，是一种非对称多处理模式，主CPU只有一个，从CPU可有多个。 主从式系统是在主CPU上配备操作系统，它控制所有的系统资源，将整个任 务分解成许多个子任务，并将这些子任务分配给其他的从CPU，让其执行， 并且它还要协调这些从CPU的执行过程。
1.1.2操作系统的目标
• ⒈方便性 • 用户便可通过操作系统所提供的各种命令来使用计 算机系统，从而使计算机变得易学易用。 • ⒉有效性 • 操作系统的基本目标就是提高计算机系统中各种资 源的利用率 。 • ⒊可扩充性 • 操作系统必须具备很好的可扩充性来适应发展的要 求。
•⒋开放性、标准化• 源自放性、标准化是指操作系统遵守国际标准和规范，使不同计算机体 系结构的系统之间可以相互数据通信。
•⒌可靠性
• 可靠性包括正确性和健壮性。
•⒍可移植性
• 可移植性是指把一个程序从一个计算机系统环境中移到另一个计算机 系统环境中并能正常执行的特性。
11
1.1.3操作系统的地位和作用
1.操作系统是用户与计算 机系统之间的接口
•①命令行接口 •②图形用户接口 •③程序接口
2.操作系统是计算机系统资源的管 理者和竞争资源的仲裁者
1.1.1操作系统和网络操作系统
•⒈操作系统的定义 •操作系统（Operating System，简称OS） 是负责控制、管理和调度计算机系统软 硬件资源的系统软件，控制并协调多个 任务的活动，并向用户提供方便用户的 接口、应用支撑平台和工作环境。
• 多机1操.作3系.2统多的类机型：操作系统
• ①主从模式，是一种非对称多处理模式，主CPU只有一个，从CPU可有多个。 主从式系统是在主CPU上配备操作系统，它控制所有的系统资源，将整个任 务分解成许多个子任务，并将这些子任务分配给其他的从CPU，让其执行， 并且它还要协调这些从CPU的执行过程。
1.1.2操作系统的目标
• ⒈方便性 • 用户便可通过操作系统所提供的各种命令来使用计 算机系统，从而使计算机变得易学易用。 • ⒉有效性 • 操作系统的基本目标就是提高计算机系统中各种资 源的利用率 。 • ⒊可扩充性 • 操作系统必须具备很好的可扩充性来适应发展的要 求。
•⒋开放性、标准化• 源自放性、标准化是指操作系统遵守国际标准和规范，使不同计算机体 系结构的系统之间可以相互数据通信。
•⒌可靠性
• 可靠性包括正确性和健壮性。
•⒍可移植性
• 可移植性是指把一个程序从一个计算机系统环境中移到另一个计算机 系统环境中并能正常执行的特性。
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1.1.3操作系统的地位和作用
1.操作系统是用户与计算 机系统之间的接口
•①命令行接口 •②图形用户接口 •③程序接口
2.操作系统是计算机系统资源的管 理者和竞争资源的仲裁者
1.1.1操作系统和网络操作系统
•⒈操作系统的定义 •操作系统（Operating System，简称OS） 是负责控制、管理和调度计算机系统软 硬件资源的系统软件，控制并协调多个 任务的活动，并向用户提供方便用户的 接口、应用支撑平台和工作环境。
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。
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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在一个计算机系统中，归纳起来可以将资源分为 四类：处理机、存储器、设备及文件（程序和数 据）。相应地，操作系统的主要管理功能也正是 针对这4类资源进行的。处理机管理；存储管理； 设备管理；文件系统。
3.操作系统是计算机系统功能的扩充 3.操作系统是计算机系统功能的扩充
每当人们在计算机系统上覆盖一层软件后，系统功 能便增强一级。由于操作系统自身包含了若干层软 件，因此当裸机上覆盖了操作系统后，便可获得一 台功能显著增强，使用极为方便的多层虚拟机器。 虚拟机的观点也是我们分析操作系统的基本出发点。
◆时间片和响应时间
t=nq
1)时间片长短的确定 2）主计算机的系统配置直接影响分时系统的性能
◆特征
①同时性。多个用户同时在自己的终端上上机，共享计 同时性。多个用户同时在自己的终端上上机， 算机的CPU和其他资源。 和其他资源。 算机的 和其他资源 独立性。系统内每个用户程序独立工作， ②独立性。系统内每个用户程序独立工作，让用户有自 己一个人在使用计算机的感觉。 己一个人在使用计算机的感觉。 及时性。 ③及时性。计算机系统应该在用户能够忍受的等待时间 内对用户的请求予以响应。 内对用户的请求予以响应。 交互性。计算机系统和用户用会话方式工作。 ④交互性。计算机系统和用户用会话方式工作。
网络操作系统
授课教师:陈 卫
Email:chenwei_1976@ 电 话:5786623 单 位:信息与计算机学院网络工程系 信息与计算机学院网络工程系
课程性质：网络工程专业核心课程 教学时数：50理论学时+30实验学时+1周课
程设计
教学内容：主要讲述计算机操作系统的基本 课程要求：理解概念,多上机实习。 其它要求：
实时系统具有如下的特征
①及时性 实时系统的及时性是非常关键的，主要反映在对用户的 响应时间的要求上。 ②交互性 实时系统的交互性根据应用对象的不同和应用要求的不 同，对交互操作的方便性和交互操作的权限性有特殊的 要求。 ③安全可靠性 这是实时系统最重要的设计目标之一。 ④多路性 实时系统也具有多路性。
15
图1-6多道程序设计技术示意图
16
在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处： (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 1-7(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。
实时系统和分时系统比较： 实时系统和分时系统比较： ◆分时系统中以进程作为调度和分配资源的基本单位，而
实时系统中以一个事件处理程序为调度基本单位，没有 进程概念； ◆分时系统中各用户进程地位是平等的，而实时系统中系 统对不同事件的响应优先级不一样； ◆分时系统是通用系统，而实时系统是专用系统 ◆分时系统响应及时性是以人能忍受的等待时间来衡量 （以秒为单位），而实时系统响应时间是以该事件能忍 受的等待时间来衡量（通常以毫秒。微秒为单位）
1.3 操作系统的发展
1.3.1微机操作系统的发展 1.单用户单任务操作系统 2.单用户多任务操作系统 3.多用户多任务操作系统 1.3.2多机操作系统 1.多处理机系统的类型 2.多处理机操作系统的类型
29
1.3.3网络操作系统 1.3.3网络操作系统 ◆定义：用于控制管理网络通信和资源共享，协调各主 机上任务的执行，并向用户提供统一的网络接口的软 件的集合。 ◆计算机网络操作系统的模式： 1）客户/服务器模式（client-server) 2)对等模式（peer-to-peer)
1.2.3 操作系统的形成
1. 多道程序设计技术 在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业， 它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。 为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代 中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批 处 理 系 统 (Multiprogrammed Batch Processing System)。在该系统中， 用户所提交的作业都先存放在 外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由 作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作 业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。
21
5. 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。
22
5.分时系统 5.分时系统
图1-9 分时系统示意图
◆分时技术:把处理机的运行时间分成很短的时间片，按
时间片轮流把处理机分配给各联机用户作业使用。若在 其分配的时间片内不能完成计算，则该作业暂时中断， 把处理机让给另一作业使用，等待下一轮继续其运行。 ◆分时操作系统：采用分时技术进行处理机分配，在一台 计算机上连接多个用户终端，多个用户可同时在自己的 终端上使用计算机，好像自己独占机器一样。
19
2. 多道批处理系统
作业1 作业2 作业2 os
读卡机
后备 作业
完成 作业
打印机
提交状态
后备状态
运行状态
完成状态
图1-8 多道批处理系统示意图
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3. 多道批处理系统的特征 (1)多道性。 (2) 无序性。 (3) 调度性。 4. 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。
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用户程序 监督程序 I/O 操作
I/O 中断请求 启动 I/O I/O 完成
I/O 中断请求 启动 I/O I/O 完成 结束中断
结束中断
t1
t2
t3
t4
t5 t6
t7 t8
(a) 单道程序运行情况 程序A I/O 请求 程序A I/O 完成 程序A再被调度 A完成 程序B I/O 请求
程程A 程程B 程程C 程程D 再再程程
◆设计分时系统优先考虑的目标是： 设计分时系统优先考虑的目标是： 交互性和响应的及时性
6.实时系统 6.实时系统
◆定义：指对外部事件能在允许的时间范围内做出响应的 操作系统。 ◆特征：（设计实时系统优先考虑的目标） 响应的及时性（对特定事件） 系统的高可靠性 ◆实时操作系统一般是专用系统，而其他操作系统一般是 通用系统。 ◆实时系统一般采用设备冗余的办法解决系统的高可靠性 问题。
图1-2.1.4操作系统的层次模型
操作系统对象（处理 机、存储器、设备、 文件） 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） 用户接口（命令行接 口，图形用户接口， 程序接口）
用户接口 （命令行接口、图形用户接口、程 序接口） 对对象操纵和管理的软件集合 （处理机管理、存储器管理、设备 管理、文件管理） 操作系统对象 （处理机、存储器、设备、文件）
4
1.1.2操作系统的目标(了解)
⒈方便性 ⒉有效性 ⒊可扩充性 ⒋开放性、标准化 ⒌可靠性 ⒍可移植性
1.1.3操作系统的地位和作用
图1-1操作系统的供求关系
1.操作系统是用户与计算机系统之间的接口 1.操作系统是用户与计算机系统之间的接口
①命令行接口 ②图形用户接口 ③程序接口
2.操作系统是计算机系统资源的管理者和竞 2.操作系统是计算机系统资源的管理者和竞 争资源的仲裁者
◆引入操作系统的目的： 引入操作系统的目的：
提高系统资源使用效率； 方便用户工作； 方便系统扩充; 操作系统的定义： ◆操作系统的定义：它是计算机系统中控制和 管理计算机系统资源、合理组织计算机工作流程、 提高资源利用率和方便用户使用计算机系统的计算 机程序的集合。它是计算机系统中的一个系统软件。 网络操作系统的定义 操作系统的定义： ◆网络操作系统的定义：就是具有网络功能 的操作系统，用于管理网络通信和共享网络资源， 协调各主机上任务的运行，并向用户提供统一的、 有效的网络接口的软件集合。
这种脱机I/O方式的主要优点如下： (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
图1-4脱机I/O的示意图
2 单道批处理阶段
(1). 单道批处理系统 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程 的处理过程
1.2.2 操作系统的产生
⒈手工阶段（46年---50年代末） 手工阶段（46年---50年代末） 50年代末 (1)人工操作方式
没有系统软件、用户直接用机器语言编程。在上机时独 占全部资源。用户既是程序员又是操作员。
缺点： 缺点：
◆CPU工作时间大量被浪费 ◆编程困难、操作困难
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脱机输入/输出(Off (OffI/O)方式 方式 (2). 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式
开始 还有下 一个作业？ 否 停止 是 源程序 有错吗？ 否 运 行 目标程序 装 配 目标程序
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是
把下一个作业的源 程序转换为目标程 序
图 1-5 单道批处理系统的处理流程
(2). 单道批处理系统的特征 2 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。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已 有很大进步。 该系统的主要特征如下： (1) 自动性。 (2) 顺序性。 (3) 单道性。
1.3.4、 1.3.4、分布式操作系统
◆分布式操作系统定义：能够通过通信网络将物理分布的
具有自治功能的数据处理系统和计算机系统连接起来， 实现信息交换和资源共享，协作完成任务的操作系统。 ◆特征： 1）、统一性：系统内只有一个全局操作系统，采用分布 式控制的方法，负责全系统的资源管理和运行控制； 2）、共享性：资源共享； 3）、分布性
3.操作系统是计算机系统功能的扩充 3.操作系统是计算机系统功能的扩充
每当人们在计算机系统上覆盖一层软件后，系统功 能便增强一级。由于操作系统自身包含了若干层软 件，因此当裸机上覆盖了操作系统后，便可获得一 台功能显著增强，使用极为方便的多层虚拟机器。 虚拟机的观点也是我们分析操作系统的基本出发点。
◆时间片和响应时间
t=nq
1)时间片长短的确定 2）主计算机的系统配置直接影响分时系统的性能
◆特征
①同时性。多个用户同时在自己的终端上上机，共享计 同时性。多个用户同时在自己的终端上上机， 算机的CPU和其他资源。 和其他资源。 算机的 和其他资源 独立性。系统内每个用户程序独立工作， ②独立性。系统内每个用户程序独立工作，让用户有自 己一个人在使用计算机的感觉。 己一个人在使用计算机的感觉。 及时性。 ③及时性。计算机系统应该在用户能够忍受的等待时间 内对用户的请求予以响应。 内对用户的请求予以响应。 交互性。计算机系统和用户用会话方式工作。 ④交互性。计算机系统和用户用会话方式工作。
网络操作系统
授课教师:陈 卫
Email:chenwei_1976@ 电 话:5786623 单 位:信息与计算机学院网络工程系 信息与计算机学院网络工程系
课程性质：网络工程专业核心课程 教学时数：50理论学时+30实验学时+1周课
程设计
教学内容：主要讲述计算机操作系统的基本 课程要求：理解概念,多上机实习。 其它要求：
实时系统具有如下的特征
①及时性 实时系统的及时性是非常关键的，主要反映在对用户的 响应时间的要求上。 ②交互性 实时系统的交互性根据应用对象的不同和应用要求的不 同，对交互操作的方便性和交互操作的权限性有特殊的 要求。 ③安全可靠性 这是实时系统最重要的设计目标之一。 ④多路性 实时系统也具有多路性。
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图1-6多道程序设计技术示意图
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在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处： (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 1-7(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。
实时系统和分时系统比较： 实时系统和分时系统比较： ◆分时系统中以进程作为调度和分配资源的基本单位，而
实时系统中以一个事件处理程序为调度基本单位，没有 进程概念； ◆分时系统中各用户进程地位是平等的，而实时系统中系 统对不同事件的响应优先级不一样； ◆分时系统是通用系统，而实时系统是专用系统 ◆分时系统响应及时性是以人能忍受的等待时间来衡量 （以秒为单位），而实时系统响应时间是以该事件能忍 受的等待时间来衡量（通常以毫秒。微秒为单位）
1.3 操作系统的发展
1.3.1微机操作系统的发展 1.单用户单任务操作系统 2.单用户多任务操作系统 3.多用户多任务操作系统 1.3.2多机操作系统 1.多处理机系统的类型 2.多处理机操作系统的类型
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1.3.3网络操作系统 1.3.3网络操作系统 ◆定义：用于控制管理网络通信和资源共享，协调各主 机上任务的执行，并向用户提供统一的网络接口的软 件的集合。 ◆计算机网络操作系统的模式： 1）客户/服务器模式（client-server) 2)对等模式（peer-to-peer)
1.2.3 操作系统的形成
1. 多道程序设计技术 在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业， 它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。 为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代 中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批 处 理 系 统 (Multiprogrammed Batch Processing System)。在该系统中， 用户所提交的作业都先存放在 外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由 作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作 业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。
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5. 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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5.分时系统 5.分时系统
图1-9 分时系统示意图
◆分时技术:把处理机的运行时间分成很短的时间片，按
时间片轮流把处理机分配给各联机用户作业使用。若在 其分配的时间片内不能完成计算，则该作业暂时中断， 把处理机让给另一作业使用，等待下一轮继续其运行。 ◆分时操作系统：采用分时技术进行处理机分配，在一台 计算机上连接多个用户终端，多个用户可同时在自己的 终端上使用计算机，好像自己独占机器一样。
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2. 多道批处理系统
作业1 作业2 作业2 os
读卡机
后备 作业
完成 作业
打印机
提交状态
后备状态
运行状态
完成状态
图1-8 多道批处理系统示意图
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3. 多道批处理系统的特征 (1)多道性。 (2) 无序性。 (3) 调度性。 4. 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。
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用户程序 监督程序 I/O 操作
I/O 中断请求 启动 I/O I/O 完成
I/O 中断请求 启动 I/O I/O 完成 结束中断
结束中断
t1
t2
t3
t4
t5 t6
t7 t8
(a) 单道程序运行情况 程序A I/O 请求 程序A I/O 完成 程序A再被调度 A完成 程序B I/O 请求
程程A 程程B 程程C 程程D 再再程程
◆设计分时系统优先考虑的目标是： 设计分时系统优先考虑的目标是： 交互性和响应的及时性
6.实时系统 6.实时系统
◆定义：指对外部事件能在允许的时间范围内做出响应的 操作系统。 ◆特征：（设计实时系统优先考虑的目标） 响应的及时性（对特定事件） 系统的高可靠性 ◆实时操作系统一般是专用系统，而其他操作系统一般是 通用系统。 ◆实时系统一般采用设备冗余的办法解决系统的高可靠性 问题。
图1-2.1.4操作系统的层次模型
操作系统对象（处理 机、存储器、设备、 文件） 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） 用户接口（命令行接 口，图形用户接口， 程序接口）
用户接口 （命令行接口、图形用户接口、程 序接口） 对对象操纵和管理的软件集合 （处理机管理、存储器管理、设备 管理、文件管理） 操作系统对象 （处理机、存储器、设备、文件）
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1.1.2操作系统的目标(了解)
⒈方便性 ⒉有效性 ⒊可扩充性 ⒋开放性、标准化 ⒌可靠性 ⒍可移植性
1.1.3操作系统的地位和作用
图1-1操作系统的供求关系
1.操作系统是用户与计算机系统之间的接口 1.操作系统是用户与计算机系统之间的接口
①命令行接口 ②图形用户接口 ③程序接口
2.操作系统是计算机系统资源的管理者和竞 2.操作系统是计算机系统资源的管理者和竞 争资源的仲裁者
◆引入操作系统的目的： 引入操作系统的目的：
提高系统资源使用效率； 方便用户工作； 方便系统扩充; 操作系统的定义： ◆操作系统的定义：它是计算机系统中控制和 管理计算机系统资源、合理组织计算机工作流程、 提高资源利用率和方便用户使用计算机系统的计算 机程序的集合。它是计算机系统中的一个系统软件。 网络操作系统的定义 操作系统的定义： ◆网络操作系统的定义：就是具有网络功能 的操作系统，用于管理网络通信和共享网络资源， 协调各主机上任务的运行，并向用户提供统一的、 有效的网络接口的软件集合。
这种脱机I/O方式的主要优点如下： (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
图1-4脱机I/O的示意图
2 单道批处理阶段
(1). 单道批处理系统 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程 的处理过程
1.2.2 操作系统的产生
⒈手工阶段（46年---50年代末） 手工阶段（46年---50年代末） 50年代末 (1)人工操作方式
没有系统软件、用户直接用机器语言编程。在上机时独 占全部资源。用户既是程序员又是操作员。
缺点： 缺点：
◆CPU工作时间大量被浪费 ◆编程困难、操作困难
11
脱机输入/输出(Off (OffI/O)方式 方式 (2). 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式
开始 还有下 一个作业？ 否 停止 是 源程序 有错吗？ 否 运 行 目标程序 装 配 目标程序
13
是
把下一个作业的源 程序转换为目标程 序
图 1-5 单道批处理系统的处理流程
(2). 单道批处理系统的特征 2 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。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已 有很大进步。 该系统的主要特征如下： (1) 自动性。 (2) 顺序性。 (3) 单道性。
1.3.4、 1.3.4、分布式操作系统
◆分布式操作系统定义：能够通过通信网络将物理分布的
具有自治功能的数据处理系统和计算机系统连接起来， 实现信息交换和资源共享，协作完成任务的操作系统。 ◆特征： 1）、统一性：系统内只有一个全局操作系统，采用分布 式控制的方法，负责全系统的资源管理和运行控制； 2）、共享性：资源共享； 3）、分布性