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
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
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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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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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
(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
【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。
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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。
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。
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。
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。
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。
1.1操作系统概论
并发技术的关键在于如何对系统中多个运行程序 （进程）进行切换。
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。
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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操作系统
北京大学计算中心 付中南 fuzhongnan@
第1章 导论
1.1
操作系统做什么 1.2 计算机系统组织 1.3 计算机系统体系结构 1.4 操作系统结构 1.5 操作系统操作 1.6 进程管理 1.7 内存管理 1.8 存储管理 1.9 分布式系统
第1章 导论
1.6
进程管理
操作系统负责下述与进程管理相关的活动：
创建和删除用户进程及系统进程。 挂起和重启进程。 提供进程同步机制。
提供进程通信机制。
第1章 导论
1.4
操作系统结构
分时系统是多道程序设计的延伸。 在分时系统中，CPU还是通过在作业之间切换来 执行多个作业，但由于切换频率很高，用户可以 在程序运行期间与之进行交互。 分时操作系统允许许多用户同时共享计算机。由 于分时系统的每个动作或命令都比较短，因而每 个用户只要少量的CPU时间。随着系统从一个用 户快速切换到另一个用户，每个用户会感到整个 系统只为自己所用。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
1.5.1 双重模式操作
双重模式保证操作系统不受用户破坏，也保证用户
不受其他用户影响。 将可能引起损害的机器指令被设计成特权指令，这 些指令仅在内核模式下可以执行，任何用户在用户 模式下无法直接执行这类指令。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
1.5.2 定时系统
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
操作系统是几乎所有计算机系统的一个重要部分。 计算机系统可以大致分为4个组成部分：计算机 硬件、操作系统、系统程序与应用程序和用户等。 计算机系统的组成部分包括硬件、软件及数据。 在计算机系统的操作过程中，操作系统提供了正 确使用这些资源的方法。 为了更加全面地理解操作系统所担当的角色，接 下来从两个视角探索操作系统：用户视角和系统 视角。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
1.1.1 用户视角
在某些情况下，用户坐在与大型机或小型机相连的
终端前，其他用户通过其他终端访问同一台计算机。 这些用户共享资源并可交换信息。这时操作系统设 计为资源使用做了优化：确保所有的CPU时间、内 存和I/O都能得到充分.2
计算机系统组织
1.2.2 存储结构
计算机程序必须在内存（RAM）中以便运行。内存
是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区域。 一个典型的指令执行周期首先从内存中获取指令并 保存在指令寄存器中。接着，指令被解码，并可能 导致从内存中获取操作数或将操作数保存在内部寄 存器中。在指令完成对操作数的执行后，其结果可 以存回到内存。
的定义。操作系统之所以存在，是因为它们提供了 解决创建可用的计算机系统问题的合理途径。 一个比较比较公认的定义是，操作系统是一直运行 在计算机上的程序（通常称为内核），其他程序则 为系统程序和应用程序。
第1章 概述
1.2
计算机系统组织
1.2.1 计算机系统操作
现代通用计算机系统由一个或多个CPU和若干设备
第1章 导论
1.3
计算机系统体系结构
1.3.1 单处理器系统
绝大多数系统采用单处理器。 在单处理器系统中，有一个主CPU能够执行一个通
用指令集，包括来自用户进程的指令。 绝大多数的单处理器系统还包括其他特定目的的处 理器，它们可能以专用设备处理器的形式出现。
第1章 导论
1.3
控制器通过共同的总线相连而成，该总线提供了对 共享内存的访问。每个设备控制器负责一种特定类 型的设备。CPU与设备控制器可以并发工作，并竞 争内存周期。 为了确保对共享内存的有序访问，需要内存控制器 来协调对内存的访问。
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
打印机 鼠标 键盘 显示器
1.2.1 计算机系统操作
1.3
计算机系统体系结构
1.3.3 集群系统
多CPU系统的另一种类型是集群系统。 与多处理器不同，它是由两个或多个独立的系统耦
合起来的。 集群系统可以是对称的，也可以是非对称的。
第1章 导论
1.4
操作系统结构
操作系统最重要的一点是要有多道程序处理能力。 单个用户通常不能总是使得CPU和I/O设备都忙。 多道程序设计通过组织作业使CPU总有一个作业 在执行，从而提高了CPU的利用率。 多道程序系统提供了一个可以充分使用各种系统 资源的环境，但是它们没有提供与计算机系统直 接交互的能力。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
1.1.1 用户视角
在另一些情况下，用户坐在工作站前，工作站与其
他工作站和服务器相连。这些用户不但可以使用专 用的资源，而且可以使用共享资源，如果网络和服 务器等。因此，这类操作系统的设计目的是个人使 用性能和资源利用率的折中。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
计算机系统体系结构
1.3.2 多处理器系统
多处理器的重要性日益突出，有三个主要优点：
增加吞吐量：通过增加处理器的数量，能在更短的时 间内做更多的事情。 规模经济：多处理器系统比单处理器系统能节省资金， 因为它们能共享外设、大容量存储和电源供给。 增加可靠性：将功能分布在多个处理器上，那么单个 处理器的失灵不会导致系统停止，只会使它变慢。
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
寄存器 高速缓存 主存 磁盘
1.2.2 存储结构
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
1.2.3 I/O结构
在计算机中，存储器只是众多I/O设备中的一种，
操作系统大部分代码用来进行I/O管理，这既是因 为它对系统可靠性和性能十分重要，也是因为设备 变化的特性。 现代计算机由设备控制器负责控制特定类型的设备。 设备控制器维护一定量的本地缓冲存储和一组特定 用途的寄存器，负责在其所控制的外部设备与本地 缓冲存储之间进行数据传递。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
现代操作系统是由中断驱动的。如果没有进程要 执行，没有I/O设备要服务，也没有用户请求要 响应，操作系统将会静待某事件的发生。 由于操作系统和用户共享了计算机系统的硬件和 软件，必须保证用户程序出错时仅影响该程序自 身。 如果没有保护机制来处理这些错误，计算机一次 只能执行一个进程。操作系统的合理设计必须确 保错误程序不会造成其他程序的执行错误。
1.1.2 系统视角
从计算机的角度来看，操作系统是与硬件最为密切
的程序。我们可以将操作系统看做资源分配器。 操作系统管理计算机资源并决定如何为各个程序和 用户分配资源，以便计算机系统能有效而公平地运 行。
第1章 概述
1.1
操作系统做什么
1.1.3 定义操作系统
一般来说，目前没有一个关于操作系统的十分完整
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
1.2.3 I/O结构
操作系统为每个设备控制器提供一个设备驱动程序。
这些设备驱动程序驱动设备控制器并向操作系统其 它部分提供设备的统一接口。 要开始I/O操作，设备驱动程序首先将适当的寄存 器装载到设备控制器中。然后设备控制器检查寄存 器中的内容后决定采取什么样的操作。数据传输完 成后，控制器会通过中断通知设备驱动程序它已完 成操作。最后，设备驱动程序将系统控制权交回给 操作系统。
必须确保操作系统保持对CPU的控制权。 同时必须阻止用户程序陷入死循环或既不调用系统
服务也不将控制权交还给操作系统。 操作系统设计者使用定时系统来满足上述两个要求。 可将定时器设置为在给定时间后中断计算机。一般 通过一个固定速率的时钟和计数器来实现。操作系 统设置计数器。每经过一个时钟周期，计数器都要 递减。当计数器的值为0时，产生中断。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
1.1.1 用户视角
计算机的用户观点因使用接口的不同而不同。 绝大多数用户面对的是一台由显示器、键盘、鼠标
和主机组成的PC。这类系统设计是为了让单个用 户单独使用其资源，其目的是优化用户所进行的工 作。对于这种情况，操作系统的设计目的是为了用 户使用方便，性能是次要的，而且不在乎资源使用 率——如何共享硬件和软件资源。
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
1.2.2 存储结构
理想情况下，程序和数据都永久驻留在内存中。由
于以下原因，这是不可能的：
内存太小，不能永久存储所有需要的程序和数据。 内存是易失性存储设备，当掉电时会失去所有内容。
因此，绝大多数计算机系统都提供辅存以作为内存
的扩充。对辅存的要求是它要能够永久地存储大量 的数据。 最为常用的辅存设备是磁盘，它能存储程序和数据。
第1章 导论
1.4
操作系统结构
分时和多道程序设计需要在存储器中同时保存有 几个作业。 通常由于主存较小而不能容纳太多作业，所以这 些作业刚开始存储在磁盘的作业池中。 该池由所有驻留在磁盘中需要等待分配内存的作 业组成。如果多个作业需要进入内存但又没有足 够的内存，那么系统必须在这些作业中做出选择。 这样的决策被称为作业调度。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
1.5.1 双重模式操作
为了确保操作系统的正常执行，必须区分操作系统
代码和用户代码的执行。许多操作系统所采取的方 法是提供硬件支持以允许区分各种执行模式。 至少需要两种独立的操作模式：用户模式（user mode）和内核模式（kernel mode) 在计算机硬件中增加一个名为模式位的位状态标记， 值为0时表示系统当前运行在内核模式，值为1时表 示系统当前运行在用户模式。
北京大学计算中心 付中南 fuzhongnan@
第1章 导论
1.1
操作系统做什么 1.2 计算机系统组织 1.3 计算机系统体系结构 1.4 操作系统结构 1.5 操作系统操作 1.6 进程管理 1.7 内存管理 1.8 存储管理 1.9 分布式系统
第1章 导论
1.6
进程管理
操作系统负责下述与进程管理相关的活动：
创建和删除用户进程及系统进程。 挂起和重启进程。 提供进程同步机制。
提供进程通信机制。
第1章 导论
1.4
操作系统结构
分时系统是多道程序设计的延伸。 在分时系统中，CPU还是通过在作业之间切换来 执行多个作业，但由于切换频率很高，用户可以 在程序运行期间与之进行交互。 分时操作系统允许许多用户同时共享计算机。由 于分时系统的每个动作或命令都比较短，因而每 个用户只要少量的CPU时间。随着系统从一个用 户快速切换到另一个用户，每个用户会感到整个 系统只为自己所用。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
1.5.1 双重模式操作
双重模式保证操作系统不受用户破坏，也保证用户
不受其他用户影响。 将可能引起损害的机器指令被设计成特权指令，这 些指令仅在内核模式下可以执行，任何用户在用户 模式下无法直接执行这类指令。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
1.5.2 定时系统
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
操作系统是几乎所有计算机系统的一个重要部分。 计算机系统可以大致分为4个组成部分：计算机 硬件、操作系统、系统程序与应用程序和用户等。 计算机系统的组成部分包括硬件、软件及数据。 在计算机系统的操作过程中，操作系统提供了正 确使用这些资源的方法。 为了更加全面地理解操作系统所担当的角色，接 下来从两个视角探索操作系统：用户视角和系统 视角。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
1.1.1 用户视角
在某些情况下，用户坐在与大型机或小型机相连的
终端前，其他用户通过其他终端访问同一台计算机。 这些用户共享资源并可交换信息。这时操作系统设 计为资源使用做了优化：确保所有的CPU时间、内 存和I/O都能得到充分.2
计算机系统组织
1.2.2 存储结构
计算机程序必须在内存（RAM）中以便运行。内存
是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区域。 一个典型的指令执行周期首先从内存中获取指令并 保存在指令寄存器中。接着，指令被解码，并可能 导致从内存中获取操作数或将操作数保存在内部寄 存器中。在指令完成对操作数的执行后，其结果可 以存回到内存。
的定义。操作系统之所以存在，是因为它们提供了 解决创建可用的计算机系统问题的合理途径。 一个比较比较公认的定义是，操作系统是一直运行 在计算机上的程序（通常称为内核），其他程序则 为系统程序和应用程序。
第1章 概述
1.2
计算机系统组织
1.2.1 计算机系统操作
现代通用计算机系统由一个或多个CPU和若干设备
第1章 导论
1.3
计算机系统体系结构
1.3.1 单处理器系统
绝大多数系统采用单处理器。 在单处理器系统中，有一个主CPU能够执行一个通
用指令集，包括来自用户进程的指令。 绝大多数的单处理器系统还包括其他特定目的的处 理器，它们可能以专用设备处理器的形式出现。
第1章 导论
1.3
控制器通过共同的总线相连而成，该总线提供了对 共享内存的访问。每个设备控制器负责一种特定类 型的设备。CPU与设备控制器可以并发工作，并竞 争内存周期。 为了确保对共享内存的有序访问，需要内存控制器 来协调对内存的访问。
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
打印机 鼠标 键盘 显示器
1.2.1 计算机系统操作
1.3
计算机系统体系结构
1.3.3 集群系统
多CPU系统的另一种类型是集群系统。 与多处理器不同，它是由两个或多个独立的系统耦
合起来的。 集群系统可以是对称的，也可以是非对称的。
第1章 导论
1.4
操作系统结构
操作系统最重要的一点是要有多道程序处理能力。 单个用户通常不能总是使得CPU和I/O设备都忙。 多道程序设计通过组织作业使CPU总有一个作业 在执行，从而提高了CPU的利用率。 多道程序系统提供了一个可以充分使用各种系统 资源的环境，但是它们没有提供与计算机系统直 接交互的能力。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
1.1.1 用户视角
在另一些情况下，用户坐在工作站前，工作站与其
他工作站和服务器相连。这些用户不但可以使用专 用的资源，而且可以使用共享资源，如果网络和服 务器等。因此，这类操作系统的设计目的是个人使 用性能和资源利用率的折中。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
计算机系统体系结构
1.3.2 多处理器系统
多处理器的重要性日益突出，有三个主要优点：
增加吞吐量：通过增加处理器的数量，能在更短的时 间内做更多的事情。 规模经济：多处理器系统比单处理器系统能节省资金， 因为它们能共享外设、大容量存储和电源供给。 增加可靠性：将功能分布在多个处理器上，那么单个 处理器的失灵不会导致系统停止，只会使它变慢。
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
寄存器 高速缓存 主存 磁盘
1.2.2 存储结构
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
1.2.3 I/O结构
在计算机中，存储器只是众多I/O设备中的一种，
操作系统大部分代码用来进行I/O管理，这既是因 为它对系统可靠性和性能十分重要，也是因为设备 变化的特性。 现代计算机由设备控制器负责控制特定类型的设备。 设备控制器维护一定量的本地缓冲存储和一组特定 用途的寄存器，负责在其所控制的外部设备与本地 缓冲存储之间进行数据传递。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
现代操作系统是由中断驱动的。如果没有进程要 执行，没有I/O设备要服务，也没有用户请求要 响应，操作系统将会静待某事件的发生。 由于操作系统和用户共享了计算机系统的硬件和 软件，必须保证用户程序出错时仅影响该程序自 身。 如果没有保护机制来处理这些错误，计算机一次 只能执行一个进程。操作系统的合理设计必须确 保错误程序不会造成其他程序的执行错误。
1.1.2 系统视角
从计算机的角度来看，操作系统是与硬件最为密切
的程序。我们可以将操作系统看做资源分配器。 操作系统管理计算机资源并决定如何为各个程序和 用户分配资源，以便计算机系统能有效而公平地运 行。
第1章 概述
1.1
操作系统做什么
1.1.3 定义操作系统
一般来说，目前没有一个关于操作系统的十分完整
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
1.2.3 I/O结构
操作系统为每个设备控制器提供一个设备驱动程序。
这些设备驱动程序驱动设备控制器并向操作系统其 它部分提供设备的统一接口。 要开始I/O操作，设备驱动程序首先将适当的寄存 器装载到设备控制器中。然后设备控制器检查寄存 器中的内容后决定采取什么样的操作。数据传输完 成后，控制器会通过中断通知设备驱动程序它已完 成操作。最后，设备驱动程序将系统控制权交回给 操作系统。
必须确保操作系统保持对CPU的控制权。 同时必须阻止用户程序陷入死循环或既不调用系统
服务也不将控制权交还给操作系统。 操作系统设计者使用定时系统来满足上述两个要求。 可将定时器设置为在给定时间后中断计算机。一般 通过一个固定速率的时钟和计数器来实现。操作系 统设置计数器。每经过一个时钟周期，计数器都要 递减。当计数器的值为0时，产生中断。
第1章 导论
1.1
操作系统做什么
1.1.1 用户视角
计算机的用户观点因使用接口的不同而不同。 绝大多数用户面对的是一台由显示器、键盘、鼠标
和主机组成的PC。这类系统设计是为了让单个用 户单独使用其资源，其目的是优化用户所进行的工 作。对于这种情况，操作系统的设计目的是为了用 户使用方便，性能是次要的，而且不在乎资源使用 率——如何共享硬件和软件资源。
第1章 导论
1.2
计算机系统组织
1.2.2 存储结构
理想情况下，程序和数据都永久驻留在内存中。由
于以下原因，这是不可能的：
内存太小，不能永久存储所有需要的程序和数据。 内存是易失性存储设备，当掉电时会失去所有内容。
因此，绝大多数计算机系统都提供辅存以作为内存
的扩充。对辅存的要求是它要能够永久地存储大量 的数据。 最为常用的辅存设备是磁盘，它能存储程序和数据。
第1章 导论
1.4
操作系统结构
分时和多道程序设计需要在存储器中同时保存有 几个作业。 通常由于主存较小而不能容纳太多作业，所以这 些作业刚开始存储在磁盘的作业池中。 该池由所有驻留在磁盘中需要等待分配内存的作 业组成。如果多个作业需要进入内存但又没有足 够的内存，那么系统必须在这些作业中做出选择。 这样的决策被称为作业调度。
第1章 导论
1.5
操作系统操作
1.5.1 双重模式操作
为了确保操作系统的正常执行，必须区分操作系统
代码和用户代码的执行。许多操作系统所采取的方 法是提供硬件支持以允许区分各种执行模式。 至少需要两种独立的操作模式：用户模式（user mode）和内核模式（kernel mode) 在计算机硬件中增加一个名为模式位的位状态标记， 值为0时表示系统当前运行在内核模式，值为1时表 示系统当前运行在用户模式。