【思维导图】第一章 操作系统引论-
操作系统课件第1章 引论
源程序有 错吗？
否
装配目标 程序
在计算机系统中安装 一个监控程序 Monitor,作业在其控 制下顺序连续处理。
缺点： 资源得不到充分利用
优点： 简单
三、多道批处理系统（第7页）
t
多道批处理系统是真正的OS
特征：
•多道性 •无序性 •作业调度性
•CPU利用率↑ •内存利用率↑ •I/O设备的利用率↑
出设备的使用顺序和时间如下：
A：I2(30ms)；CPU (10ms)；I1 (30ms)；CPU(10ms)；I2(20ms) B： I1(20ms)； CPU (20ms)； I2(40ms) C： CPU (30ms) ； I1 (20ms)； CPU (10ms)； I1(10ms) 假定：CPU、I1，I2能并行工作， A优先级最高，B次之、C优
1.4 操作系统的功能
• 处理机管理 • 储存器管理 • 设备管理 • 文件管理 • 用户接口
处理机管理
1) 进程控制：创建、管理、撤消 2)进程同步:互斥、同步 3)进程间的通信：交换信息 4)调度：作业调度和进程调度
储存器管理
1)内存分配
静态内存分配、动态内存分配
2)内存保护 3)地址影射 4)内存扩充
先级最低，优先级高的作业可以抢占优先级低的作业的 CPU但不能抢占I1和I2。 要求：
（1）画出三个程序的运行情况。 （2）计算从投入到完成CPU利用率和每个I/O设备的利用率。
1.3 操作系统基本特征
一、并发性 二、共享性 三、虚拟性 四、异步性
一、并发性(Concurrence)
并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 并行：是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。 单处理器系统：宏观上是并行的，微观上是串行的。 多处理器系统：宏观和微观上都是并行的。 并发机制的引入的目的：有效改善了系统资源的利用
第1章 操作系统引论
河南大学操作系统计算机学院第1章操作系统引论|大纲大纲1 1.1操作系统的目标和作用2 1.2操作系统的发展过程3 1.3操作系统的基本特征4 1.4操作系统的主要功能5 1.5操作系统的结构设计6本章作业第1章操作系统引论|1.1操作系统的目标和作用1 1.1操作系统的目标和作用2 1.2操作系统的发展过程3 1.3操作系统的基本特征4 1.4操作系统的主要功能5 1.5操作系统的结构设计6本章作业操作系统的地位：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）。
执行用户程序，并使用户问题更易解决。
以一种高效率的方式使用资源（有效性）提高系统资源利用率提高系统吞吐量使计算机系统更易于使用（方便性）计算机硬件只能识别0、1；用户熟悉的是各种高级语言采用层次化结构，易于增、删、改（可扩充性）要求统一开放的环境，能通过网络集成化，并正确、有效地协同工作，实现应用程序的移植（开放性）遵循开放互连（OSI）国际标准OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口命令方式、系统调用方式、图形和窗口方式OS作为计算机系统资源的管理者（四大管理）处理机管理（第2、3章）存储器管理（第4、5章）设备管理（第6章）文件管理（第7、8章）OS实现了对计算机资源的抽象（用作扩充机器/虚拟机）I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，不仅增强了系统的功能，还隐藏了对硬件操作的细节，实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。
第1章操作系统引论|1.1操作系统的目标和作用|1.1.3推动操作系统发展的主要动力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真空管⇒晶体管⇒集成电路⇒VLSI⇒···8位⇒16位⇒32位⇒64位⇒128位⇒···单核⇒多核⇒众核⇒···计算机体系结构的不断发展单机OS⇒多机OS⇒网络OS⇒···不断提出的新的应用需求（实时、多媒体等）第1章操作系统引论|1.2操作系统的发展过程1 1.1操作系统的目标和作用2 1.2操作系统的发展过程3 1.3操作系统的基本特征4 1.4操作系统的主要功能5 1.5操作系统的结构设计6本章作业未配置操作系统的计算机系统人工操作方式运算速度：5000次/每秒,18000个真空管,占地182平方米，重量130吨，功耗140kW。
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课程教学开始之前（2）
操作系统实用教程
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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
操作系统实用教程
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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
操作系统实用教程
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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。
王道操作系统第一章操作系统概述思维导图脑图
与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
外中断（狭义的中断）
时钟中断
I/O中断请求
中断机制的基本原理
检查中断信号
内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生 外中断：每个指令周期末尾CPU都会查是否有外中断信号需要处理
找到相应的中断处理程序
通过“中断向量表”实现
操作系统内核
时钟管理
实时计时功能
中断处理
负责实现中断机制
是—种特殊的程序
层次结构
原语
处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分 这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短、调用频繁
进程管理
对系统资源进行管理的功能
存储器管理
设备管理
内核是操作系统最基本，最核心的部分
实现操作系统内核功能的那些部分就是内核程序
操作系统内核需要运行在内核态
两种指令
特权指令
只允许“管理者”，即操作系统内核来使用的指令 Eg：内存清零指令
非特权指令
Eg：加法指令，减法指令
内核态/核心态/管态
处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
用户态/目态
处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
两种处理器状态
CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有一个二进制位，1表 示“内核态”，0表示“用户态”
实现操作系统所写的程序
两种程序
内核程序
很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核” 内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分 操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”
应用程序
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）。
计算机操作系统(汤小丹第三版)第1章_操作系统引论
3
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
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——便于使用 2、有效性 ——效率高 3、可扩充性 ——方便增加模块 4、开放性 ——兼容性
4
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
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第一章 操作系统引论
2、脱机输入/输出(Off-Line I/O)
图 1-3 脱机I/O示意图 脱机I/O (1) 减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。
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第一章 操作系统引论
1.2.2 单道批处理系统
1、单道批处理系统的处理过程
开始
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
批处理系统。
（1）同时在内存中装有若干道程序，并使它们交 替地运行。
（2）保持了CPU处于忙碌状态。 （3）进一步提高了资源的利用率和系统吞吐量！
18
第一章 操作系统引论
单道程序与多道程序系统
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第一章 操作系统引论
1、多道程序设计的基本概念
单道程序与多道程序系统
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第一章 操作系3 Heavy I/O 10 min. 80 K Yes No Yes
Processor use Memory use Disk use Printer use Elapsed time Throughput rate Mean response time
1） 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。
2）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。
操作系统知识框架图
演讲人 2020-10-10
目录
1 基本概念 2 资源管理技术
01 基本概念
基本概念
处理器管理 存储管理 设备管理 文件管理
联网与通信 管理
操作系统定 义及作用
多道程序定 义及特点
现代操作系统 的基本功能
操作系统内 核的定义
02 资源管理技术
资源管理技术
处理器管理
存储管理
分页存储
分段存储
段页存储
虚存
分段 分页
页面置换策略
资源管理技术
设备管理
A
概念题
B
设备管理
I/O控制方式及其主要优 缺点
虚拟设备定义及其实现
设备独立性存在原因及其 实现
概念题
引入缓冲技术原因及其基 本思想
SPOOLing原理
设备管理
轮询方式
中断方式
DMA方式
I/O控制方式
设备管理
缓冲技术
单缓
文件目录
文件目录检录
文件控制块 文件目录 目录文件
目录结构
单层 双层 树状 无环 通用
文件管理
文件逻 辑结构
文件物 理结构
文件组织与数据存储
文件管理
文件系统功能及实现
文件类系
A
统调用
Hale Waihona Puke 文件B共享
文件空
C
间管理
虚拟文
D
件系统
文件性能
E
及可靠性
感谢聆听
02 并发性
03 拥有资 源
04 系统开 销
概念题
A
高级 调度
B
中级 调度
C
低级 调度
处理器调度的类型
第一章 操作系统引论
四、异步性(Asynchronism) 或不确定性 1.程序执行的速度不确定。 2.程序执行的结果不确定。 1.4 操作系统的类型 1.4.1 操作系统的基本类型 一、批处理操作系统 采用批量化处理作业运行技术的操作系统就称为批处 理操作系统。批处理操作系统确保作业不断地流入系 统，经过处理后又撤离系统，使整批作业能够自动、 顺利地进行，节省了人工操作时间，从而加大了系统 对作业的吞吐量(也就是计算机一天能够处理作业的数 量)，提高了系统的运行效率。
第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.1.1 操作系统（Operating System）是硬件的延伸 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的帮助下能够方便、快捷、安全、 可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应当注意， OS是一个系统软件，这种接口是软件接口用户可以通过 以下两种方式来使用计算机。 (1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语 言)，用户可通过键盘键入有关的命令，来直接操纵计 算机系统。
三、虚拟(Virtual) 在操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技 术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。物理 实体(前者)是实的，即实际存在的，而后者是虚的，是 用户感觉上的东西。例如，在多道分时系统中，虽然 只有一个CPU，但每个终端用户却都认为是有一个 CPU在专门为他服务，亦即，利用多道程序技术可以 把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称 为虚处理机。类似地，也可以把一台物理I／O设备虚 拟为多台逻辑上的I／0设备。此外，也可以把一条物 理信道虚拟为多条逻辑信道(虚信道)。在操作系统中虚 拟的实现，主要是通过分时使用的方法。显然，如果n 是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟 设备的速度必然是物理设备速度的1／n。
操作系统思维导图版
1.3. 线程.....................................................................................................................10 1.3.1. 引入 .............................................................................................................10 1.3.2. 概念 .............................................................................................................10 1.3.3. 实现 .............................................................................................................11
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。
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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
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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
第一章操作系统引论在我们日常使用电脑、手机等电子设备时，操作系统就像是一个默默工作的幕后英雄，为我们的各种操作提供了稳定、高效的支持。
但你是否真正了解它是什么，又是如何发挥作用的呢？操作系统，简单来说，是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石。
它就像是一个大管家，负责协调和分配计算机的各种资源，让计算机的各个部件能够有条不紊地协同工作，以满足用户的需求。
想象一下，如果计算机没有操作系统，那将会是怎样的混乱场景？每次我们要使用某个硬件设备，比如打印机，都需要自己去编写复杂的控制程序；每运行一个新的软件，都要从头开始了解计算机的硬件配置和底层工作原理。
这几乎是不可能完成的任务，而且效率极其低下。
而有了操作系统，这一切都变得简单和便捷。
操作系统的主要功能可以概括为几个方面。
首先是进程管理。
进程就像是计算机里的一个个任务，操作系统要负责合理地安排这些任务的执行顺序和时间，确保它们能够高效地运行，不会出现互相冲突或者抢占资源的情况。
比如，当你同时打开多个程序时，操作系统会根据它们的优先级和资源需求，合理地分配 CPU 时间，让每个程序都能得到及时的处理。
其次是内存管理。
内存是计算机存储数据和程序的地方，操作系统要确保内存的合理分配和使用，防止某个程序占用过多的内存导致其他程序无法正常运行。
它就像一个精明的仓库管理员，知道如何把有限的内存空间分配给不同的需求，并且在程序不再需要时及时回收内存，以便给其他程序使用。
然后是文件管理。
我们在计算机中存储的各种文档、图片、视频等都以文件的形式存在，操作系统要负责对这些文件进行组织、存储和检索。
它为我们提供了一个清晰的文件目录结构，让我们能够方便地找到和操作自己需要的文件。
还有设备管理。
计算机连接着各种各样的外部设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等，操作系统要负责管理这些设备的驱动程序，确保它们能够正常工作，并且在多个设备同时请求服务时进行协调。
操作系统还提供了用户接口，让我们能够与计算机进行交互。
操作系统chapter1_引论
三、分时系统
3.分时系统的4个主要特征 ：
多路性/同时性；宏观上同时有多个用户在运行。 交互性；在终端上编辑、运行程序，或其它操作。 独占性；每个用户一个终端，独立操作，互不干扰 及时性；在很短时间内得到响应，小于2～3秒。
四、实时系统
实时操作系统（Real-Time Operating System） ：指系统 能及时（或即时）响应外部事件的请求，并控制所有实时 任务协调一致地运行。
应用软件 系统工具
操作系统 开发人员
虚
操作系统
机 器
计算机硬件
操作系统的地位：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）。 1.1
二、操作系统的目标
方便性
计算机只能识别0、1；用户熟悉的是各种语言。
有效性
使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利 用，提高系统吞吐量。
可扩充性
嵌入式操作系统大多用于机电设备、仪器等专用 控制方面，因此大多采用微内核结构。
九、嵌入式操作系统
嵌入式操作系统的几个重要特征：
系统内核小；由于是应用于小型电子装置，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 专用性强；个性化很强，软件系统和硬件结合非常紧密。
系统精简；一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 以安全可靠为主。 高实时性操作系统；这是嵌入式软件的基本要求，而且 软件要求固态存储，以提高速度。
1.1
四、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的需要 如批处理系统的出现
方便用户 如分时交互式系统的出现
器件的不断更新换代 8位－16－32－64－...
计算机体系结构的不断发展： 单机OS－多机OS－网络OS－…
第1章-引论
1
本章要点
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 OS结构设计
2
为什么要学习操作系统？
设计操作系统 或者 修改现有的系统 大量“操作系统”存在，如 嵌入式系统 加深对OS的理解，有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 OS中所用的许多概念和技巧可以推广应用 选择购买操作系统 我们并不总使用Win98/2000/XP/2003
五、实时系统 1．应用需求 -实时控制 -实时信息处理 2．实时任务
周期性实时任务 非周期性实时任务 硬实时任务 软实时任务
3．实时系统与分时系统特征的比较 ⑴多路性 ⑵独立性 ⑶及时性 ⑷交互性 ⑸可靠性
18
1.2 操作系统的发展过程
六、微机操作系统的发展
1．单用户单任务操作系统 CP/M和MS-DOS 2．单用户多任务操作系统 微软公司的Windows 3．多用户多任务操作系统 UNIX OS
16
分时系统
1．分时系统的产生 • 人－机交互 • 共享主机 • 便于上机 将一台计算机提供给多个用户同时使用 2．分时系统实现中的关键问题 ⑴及时接收-多路卡 ⑵及时处理-所有作业进入内存、作业频繁获得处理 机 3．分时系统的特征 ⑴多路性 ⑵独立性 ⑶及时性 ⑷交互性
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1.2 操作系统的发展过程
•网络系统：用于连接所有客户机和服务器。
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客户/服务器模式
2．客户/服务器之间的交互
(1)客户发送请求消息；（信息装配）
(2)服务器接收消息；
(3)服务器回送消息；
计算机操作系统引论思维导图
时分复用技术 空分复用技术
4.异步a n r i
无结构操作系统
模块化 S
传统操作系统结构
分层式结构 S 客户/服务器模式
面对对象的程序设计
微内核o 结构
5. S结构设计
进程控制
进程互斥方式 进程同步方式(协同)
进程同步 进程通信
1.处理机管理功能
作业调度 进程调度
调度
静态分配 动态分配
内存分配
内存保护 地址映射
2.存储器管理功能
内存扩充
缓冲管理设备处理程序又称源自备驱动程序设备分配 设备处理
3.设备管理功能
文件存储空间的管理
目录管理 文件的读写管理和保护
4.文件管理功能
用户接口 程序接口
5.操作系统与用户之间的接口
系统安全
网络的功能和服务 支持多媒体
6.现代操作系统的新功能
4.操作系统的主要功能
一.操作系统引论
1.操作系统的目标和功能 2.操作系统的发展过程
目标 作用
实时系统
集群系统–超算~云计算
微机操作系统的发展
3.操作系统的基本特征
1.并发c n
n
区别并行和并发 引入进程
并发是进程宏观一起运行，微观上交替运行，而 并行是指同时运行
1.互斥共享方式
2.共享 h n
2.同时访问方式
并发和共享是多用户(多任务) S的两个最基本的 特征。它们又是互为存在的条件
3.虚拟 u
方便性
有效性
提高系统资源利用率 提高系统吞吐量
可扩充性
开放性
S作为用户与计算机硬件系统之间的接口
S实现了对计算机资源的抽象
命令方式 系统调用方式 图标–窗口方式