第一章操作系统概论
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。
操作系统概论自考提纲
操作系统复习提纲第1章引论1.计算机系统组成硬件：中央处理器，存储器（主存和辅存），输入输出控制系统和各种输入输出设备构成软件：系统软件，支撑软件和应用软件。
2.操作系统的功能/本质从资源管理的观点出发，操作系统功能可分为：处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理。
此外，操作系统还为用户提供了两类使用接口：程序员接口-“系统功能调用”和操作员接口-“操作控制命令”。
3.按照操作系统提供的服务，大致可以把操作系统分为以下几类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、微机操作系统、嵌入式操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。
其中批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是基本的操作系统。
①批处理操作系统按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动化。
又可分为批处理单道系统和批处理多道系统。
单道系统每次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，多个作业可自动、顺序地被装入运行。
批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备，这样可以充分利用计算机系统的资源，缩短作业时间，提高系统的吞吐率。
②分时操作系统，这种系统中，一个计算机系统与许多终端设备连接，分时系统支持多个终端用户，同时以交互方式使用计算机系统，为用户在测试、修改和控制程序执行方面提供了灵活性。
分时系统的主要特点是同时性、独立性、及时性和交互性。
③实时操作系统能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的规定时间内完成处理，且给出反馈信号。
它是较少有人为干预的监督和控制系统。
实时系统对可靠性和安全性要求极高，不强求系统资源的利用率。
4.Unix，Linux特点Unix：通用的交互式分时操作系统。
特点：①短小精悍。
②具有可装卸的多层次文件系统。
③可移植性好。
④网络通信功能强。
Unix是目前惟一可以安装和运行在从微机、工作站、大型机到巨型机上的操作系统。
第1讲 操作系统概论
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1.操作系统定义：计算机系统中的一个系统软件，一些程序模块的集合——他们能有效组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效的运行。
2.操作系统特征：并发性、共享性（互斥共享、同时共享）、随机性3.操作系统功能：1）进程管理（进程调度、进程同步、进程间通信、调度（处理机调度，包括进程调度、线程调度、作业调度））2）存储管理（内存的分配与回收、存储保护、内存扩充）、3）文件管理（文件存储空间的管理、目录管理、文件系统的安全性）4）设备管理5）用户接口。
4.操作系统的发展手工操作、监控程序（早期批处理）、多道批处理、分时系统、unix通用操作系统、个人计算机操作系统（ios windows linux）、android操作系统5.操作系统分类1）批处理操作系统特点是成批处理。
优点是作业流程自动化较高，资源利用率较高，作业吞吐量达，从而提高整个系统效率；但用户不能直接与计算机交互，不适合调试程序。
用户模式——目态——一般指令特权模式——管态——特权指令Spooling技术2）分时系统（采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交货方式在终端上向用户显示结果）特点：多路线、交互性、独占性、及时性3）实时操作系统（分硬实时系统和软实时系统）除具有多道程序系统基本能力外，还有实时时钟管理、过载保护、高可靠性能力。
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）分布式操作系统特点：是一个统一的操作系统，在系统中的所有主机使用的是同一个操作系统；实现资源的深度共享；透明性；自治性集群是分布式系统地一种。
8）智能卡操作系统（片内操作系统COS）6.操作系统结构1）整体式结构优点：结构紧密，接口简单直接，系统效率较高缺点：模块间转接随便，各模块互相牵连，独立性差，系统结构不清晰；更换修改困难；以大型表格为中心。
第1章 操作系统概论
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
第1章操作系统概论
分时技术示意图
假设系统中有4个联机用户，按如下方式排列：
时间片 运行
用户1
用户2
用户3
用户4
1 用户1
用户2
用户3
用户4
2 用户2
用户3
用户4
用户1
3 用户3
用户4
用户1
用户2
4 用户4
用户1
用户2
用户3
5 用户1
用户2
用户3
用户4
分时操作系统
在操作系统中采用分时技术就形成了分时操 作系统。
操作系统 裸机
……
虚拟机
裸机：没有配置软件的计算机。 虚拟机：覆盖了软件的机器称为虚拟机
或扩展机。 每当人们在计算机系统上覆盖了一层软
件，系统功能便增强了。
配置操作系统的主要目标
提供用户与计算机之间的接口，使计算机 更易于使用；
有效地控制和管理计算机系统中的各种资 源，使之得到更有效的利用；
单处理机系统中多道程序运行特点
多道：计算机内存中同时存放多道相互 独立的程序。
宏观上并行：同时进入系统的多道程序 都处于运行过程中，即它们先后开始了 各自的运行，但都未运行完毕。
微观上串行：内存中的多道程序轮流占 有 CPU，交替执行。
多道批处理系统需要解决的问题
处理机管理：如何分配回收处理机 内存管理：内存分配回收，信息保护 设备管理：设备分配回收、缓冲管理 文件管理：文件存储、共享保护及检索 作业管理：作业合理搭配（如CPU型与I/O型）
操作系统课程概述
操作系统课程介绍的内容 课程考试方式及成绩计算
闭卷考试 平时成绩30%，由作业及课堂测试构成 期末考试成绩70%
第1章 操作系统绪论
第1章操作系统概论
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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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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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
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ch1.操作系统概论
Computer System Structure
• Computer system can be divided into four components –Hardware – provides basic computing resources • CPU, memory, I/O devices –Operating system • Controls and coordinates use of hardware among various applications and users –Application programs – define the ways in which the system resources are used to solve the computing problems of the users • Word processors, compilers, web browsers, database systems, video games –Users • People, machines, other computers
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 。
(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。
• Operating system goals:
–Execute user programs and make solving user problems easier
新版第1章操作系统概论习题答案-新版-精选.pdf
新版第1章操作系统概论习题答案-新版-精选.pdf第1章操作系统概论(1) 试说明什么是操作系统，它具有什么特征？其最基本特征是什么？解：操作系统就是一组管理与控制计算机软硬件资源并对各项任务进行合理化调度，且附加了各种便于用户操作的工具的软件层次。
现代操作系统都具有并发、共享、虚拟和异步特性，其中并发性是操作系统的最基本特征，也是最重要的特征，其它三个特性均基于并发性而存在。
(2) 设计现代操作系统的主要目标是什么？解：现代操作系统的设计目标是有效性、方便性、开放性、可扩展性等特性。
其中有效性指的是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。
这两个性质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，如开放系统互连OSI国际标准。
可扩展性指的是OS应提供良好的系统结构，使得新设备、新功能和新模块能方便地加载到当前系统中，同时也要提供修改老模块的可能，这种对系统软硬件组成以及功能的扩充保证称为可扩展性。
(3) 操作系统的作用体现在哪些方面？解：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。
因此操作系统的基本功能应包括处理器管理、存储器管理、设备管理和文件管理。
此外，为了给用户提供一个统一、方便、有效的使用系统能力的手段，现代操作系统还需要提供一个友好的人机接口。
在互联网不断发展的今天，操作系统中通常还具备基本的网络服务功能和信息安全防护等方面的支持。
(4) 试说明实时操作系统和分时操作系统在交互性、及时性和可靠性方面的异同。
解：交互性：分时系统能够使用户和系统进行人-机对话。
实时系统也具有交互性，但人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。
及时性：分时系统的响应时间是以人能够接受的等待时间为标准，而实时控制系统对响应时间要求比较严格，它是以控制过程或信息处理中所能接受的延迟为标准。
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。
os
操作系统复习第一章操作系统概论01、操作系统的定义。
操作系统是一组用于控制和管理计算机系统的所有资源的程序集合，其任务是合理地组织计算机的工作流程，有效地组织所有资源协调一致地工作以完成各种任务，从而达到充分发挥资源效率、方便用户使用计算机的目的。
02、操作系统的主要功能【记忆】P3-41）处理机管理2）存储管理3）设备管理4）文件管理5）网络管理6）提供良好的用户界面03、操作系统的特性【记忆+理解】P5-61）并发性（指两个或两个以上的事件或活动在同一事件间隔内发生。
）2）共享性（指计算机系统中的资源可被多个并发执行的用户程序和系统程序共同使用，而不是被其中某一个程序所独占。
）3）不确定性（也称异步性，系统事件（运行、I/O等）的发生是具有随机性和不确定性。
）4）虚拟性（指操作系统中的一种管理技术，它是把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。
）04、多道程序运行的特征【记忆】P11宏观上并行，微观上串行。
05、从操作系统的体系结构来看可以把操作系统分成几种结构及各种结构的定义、优缺点。
【理解】整体式结构、层次式结构、虚拟机结构、客户/服务器结构和微内核结构。
1）操作系统的整体式结构又叫模块组合法，是基于结构化程序设计的一种软件结构设计方法。
优点：结构紧密、组合方便，对不同环境和用户的不同需求，可以组合不同模块来满足，从而，灵活性大；针对某个功能可用最有效的算法和任意调用其他模块中的过程来实现，因此，系统效率较高；由于划分成模块和子模块，设计及编码可齐头并进，能加快操作系统研制过程。
缺点：模块独立性差，模块之间牵连甚多，形成了复杂的调用关系，甚至有很多循环调用，造成系统结构不清晰，正确性难保证，可靠性降低，系统功能的增、删、改十分困难。
2）层次式结构，是把操作系统划分为内核和若干模块，这些模块按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间只能是单向依赖或单向调用关系，即低层为高层服务，高层可以调用低层的功能，反之则不能。
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。
《操作系统概论》PPT课件
精选课件ppt
27
1.5 操作系统的主要研究课题
调度
进程描述 和控制
内存管理
并发控制
I/O 管 理
安全性
文件管理
网络与分布 计算
精选课件ppt
28
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操作系统概论
引言
课程特点:概念多、原理性强、较抽象 课程学习目的：基础核心课、有利于对计 算机系统的理解和软件开发 课程学习方法：以问题驱动学习、理论联 系实际 课程学习难点：概念、原理、算法、数据 结构
课程内容安排
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
操作系统概述 进程管理 存储管理 外部设备管理 文件管理
在这个过程中，需要人工装卸纸带、人工控 制程序运行。手工操作速度相对于计算机的运行
速度而言是很慢的，因此在使用计算机完成某一
工作的整个过程中，手工操作时间占了很大的比
例，而计算机运行时间所占比例较小，这就形成
了明显的人机矛盾，致使计算机资源利用率很低， 从而使计算机工作效率很低。在早期计算机运行
速度较慢的时候，这种状况还是可以容忍的。
从作为机器功能扩充的观点看，操作系统是为用 户提供基本的方便的接口，这是一种自顶向下的观点 或是自内向外的观点。但是从用户向机器的观点或自 底向上的观点来看，操作系统则用来管理一个复杂计 算机系统的各个部分。现代计算机包含处理器、存储 器、时钟、磁盘、终端、网络接口、打印机以及许多 其他设备。从这个角度来看，操作系统的任务是在相 互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及 其他I/O接口设备的分配。
16
第1章 操作系统概论
Windows中的系统功能调用要比DOS丰 富，且层次要高，不只局限于硬件驱动，以用 户可在编程语言中使用的应用编程接口函数的 方式提供，称为API——Application Programming Interface 。使用Windows的 API函数，可以提高编程效率，并规范 Windows环境下的编程，如可开发具有统一风 格的应用程序窗口界面，这会使得软件用户能 很快熟悉该软件的窗口界面而不必重新学习。
1.1操作系统概论
并行性（parallelism）指两个或两个以上事件或活动 在同一时刻发生。
在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在 不同CPU上同时执行。
并行的事件或活动一定是并发的，并发的事件或活动 未必是并行的，
并行性是并发性的特例，并发性是并行性的扩展。
3. 系统程序层建立在操作系统改造和扩充过的机器上，提供 扩展指令集，实现各种语言处理程序、数据库管理系统和 其他系统程序。提供种类繁多的实用程序，如连接装配程 序、库管理程序、诊断排错程序、分类/合并程序等供用户 使用。
4. 应用程序层解决用户不同的应用问题，应用程序开发者借 助程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用程序，操 作系统和硬件组成了一个运行平台，其他软件都运行在这 个平台上。
在计算机系统中，并发的实质是一个物理CPU(也可以 多个物理CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是 对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。
在多处理器系统中，程序的并发性不仅体现在宏观上， 而且体现在微观上，这称为并行的。
六、操作系统的主要特性 (3)
2. 共享性 共享指操作系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）可被 多个并发执行的进程共同使用，而不是被其中某一个程序所 独占。 共享的原因有时来源于经济，有时来源于逻辑上的必须。 资源共享可分成两种方式： 透明资源共享 资源隔离 授权访问 显式资源共享
注意：交替轮流执行的含义不是一个进程执行完了，另一个 进程接着执行，而是每个进程都执行一段时间后就必须暂 停，把CPU控制权交给另一个进程！
在多进程并发环境里，任意一个进程都不能保证一次执行 完毕！
操作系统是一个并发系统，并发性是操作系统最重 要的特征。操作系统的并发性是指计算机系统中同 时存在若干个运行着的程序（包括操作系统程序和 用户程序），这些程序交替、穿插地执行。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，改进系统的吞吐量， 提高系统效率。利用并发技术可以使多个I/O设备同 时输入输出，也可使设备I/O与CPU的计算同时进行。
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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。
存储管理的主要功能包括：
①为每一个进程分配内存并保护每一个获得内存空间的进程不被其他进程破坏；
②将分配给各个进程的逻辑地址空间正确地映射为相应的物理地址空间；
③利用虚拟内存管理实现扩大内存空间的效果；
④进程完成或撤销时及时回收分配出去的内存，以供其它进程使用。
存储管理的主要方法有：
①分区式存储管理；
②页式存储管理；
③段式与段页式存储管理。
（3）设备管理：设备管理指对计算机外围设备的管理。
通常设备管理技术包括中断、输入输出缓存、通道技术和设备的虚拟化等技术。
设备管理的主要任务可以归纳为：
①按照用户的要求和设备的类型控制设备工作、完成用户的输入输出操作；
②当多个进程同时请求某一独享设备时，按照一定的策略对设备进行分配和管理，以保证系统有条不紊的工作；
③充分利用系统的通道和中断功能等来提高设备的使用效率。
（4）文件管理：大量的程序、文档、数据以文件形式保存在外存中。
文件管理系统是操作
系统中专门负责存取和管理外存中文件的那部分软件的集合。
（5）作业管理：作业是用户所提供的一个完整计算任务，包括运行应用程序所需要的数据以及控制应用程序执行的指令集合。
作业控制的两种方式是：批处理和交互式终端控制。
随着计算机系统的网络化，对操作系统的要求越来越高。
现代操作系统除了具备上述管理功能之外，还具有网络通信、服务和网络资源管理、安全机制等功能。
二、本章要求掌握的内容
1、操作系统的分类：按照用户数来分，可分为单用户（如MS-DOS）和多用户（如Unix）操作系统；按照可同时执行的任务数来分，可以分为单任务（如MS-DOS）和多任务（如Windows）操作系统；按照运行操作系统的计算机硬件来分，可分为主机+终端（如Unix）、微机（如Windows）、嵌入式（如Windows CE3.0）和掌上电脑操作系统（如Palm OS）等；从操作系统所具备的功能特性的角度来看，操作系统大致可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、通用操作系统、网络操作系统或分布式操作系统。
2、各类操作系统的特点：
（1）批处理操作系统：批处理操作系统所追求的目标是作业周转时间短、系统吞吐量大、处理器资源使用效率高。
批处理操作系统又称为作业流处理系统，分为“单道批”和“多道批”两种。
（2）分时操作系统（TSOS：time slot operating system）是一种单主机、多终端体系结构，即多个用户利用终端设备共享一个主机。
典型的分时操作系统如V AX/ VMS等。
（3）实时操作系统（TOS：real-time operating system）能够及时响应和处理用户操作请求，并在规定的时间内将处理结果反馈给用户。
与其他操作系统相比，实时操作系统的最大特征在于其实时性和专用性。
根据应用领域的区分，实时操作系统分为实时控制和实时信息处理两类。
（4）通用操作系统（COS：combination operating system）是指现代操作系统，除同时具有上述三类操作系统的功能特征外，还有更多的其他功能。
对现代通用操作系统的发展起着重大影响的是Unix操作系统和Windows操作系统。
（5）网络操作系统（NOS：network operating system），多种适用于网络环境下的操作系统的统称。
网络操作系统除具有一般操作系统所具有的功能之外，还必须具备网络通信和网络资源管理的功能，以保证能够对多台计算机及其设备之间的信息传递和资源共享进行有效的管理。
（6）分布式操作系统是近年来发展起来的更高水平的网络操作系统，它更倾向于一种“单机化的多处理机”结构，所有的系统资源虽然分布在不同的计算机上，但都是“透明”的，运行的程序可能在本地，也可能在其他计算机上，由分布式操作系统自行决定。
三、本章要求了解的内容
1、操作系统的形成与发展。
2、操作系统与计算机硬件、软件的关系：硬件是计算机系统资源的基础，包括可摸可见的各种计算机设备和相关部件；操作系统是与硬件紧密结合的一层系统软件，为其它系统软件、应用软件和用户提供与硬件的接口，操作系统屏蔽了使用硬件的细节，担当起统一管理硬件资源的角色。
计算机软件产品的分类，总体上包括系统软件和应用软件两大类。
系统软件是计算机能够完成正常使用和软件开发工作所需要配置的基本软件。
操作系统归于系统软件之列，并且是其
它系统软件的基础。
当今操作系统的发展趋势是“微内核”，即尽量把一些非基本的操作移出操作系统核心，以增进操作系统的稳定性和可靠性，因此，把操作系统和其它系统软件进行严格的界定是困难的。
一般区分原则是把操作系统软件包中包括的全部软件都可以认为是操作系统软件。
3、操作系统的体系结构：是指操作系统运行过程中，各功能模块之间相互调用、相互联系的一种关系，它是随着软件技术的进步而发展变化的。