华南理工大学 操作系统课件
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实时操作系统主要是为联机实时任务服务的， 相比分时系统它有其自身的特点： (1)与分时系统一样具有多路性和独立性。 (2)对外部实时信号必须能及时响应，响应的时间间隔要足以 控制发出实时信号的那个环境。 (3)整体性强。 (4)有交互性，但这里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。 (5)要求有高可靠性和安全性，系统的效率则放在第二位。
计算机操作系统
第1章 操作系统概论
1
本章知识点
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 操作系统的作用 操作系统的演变 操作系统的主要成就 操作系统举例 操作系统的主要研究课题
2
1.1 操作系统的作用
操作ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统是
控制应用程序执行， 充当硬件系统和应用程序(用户)之间界面(方便用户)
的软件 软件。 软件
操作系统是
控制应用程序执行， （控制和管理资源 控制和管理资源） 控制和管理资源 充当硬件系统和应用程序(用户)之间界面(方便用户)
的软件 软件。 软件
内存 操作系统 软 件 I/O 控 制 器 I/O 控 制 器
M
I /O 设 备
程序和 数 据 处理器
I/O 控 制 器 处 M 理 器 OS 程 序 数 据 M
10
系统对作业的处理是成批地进行 作业在系统中配置的监督程序控制下，
先把磁带上的第一个作业调入内存， 并把控制权交给该作业， 当该作业处理完后，再由监督程序把第二个作业输入内 存
磁带机 读 机 卡 片 阅 打印机
卡 片 IBM 1401 IBM 7094 IBM 1401
11
输入磁带
输
磁带
1.2.2 简单批处理系统的不足
23
1.2.5 实时系统
计算机不但广泛使用于科学计算和数据处理，也 广泛用于工业生产中的自动控制 控制、实验室中的实 控制 验过程控制、导弹发射的控制、票证预订管理等 方面，通常我们称之为实时控制。 “实时”，是指对随机发生的外部事件，作 出及时的响应 及时的响应并对其进行处理，不然就有可能发 及时的响应 生事故或灾难。 这些随机发生的外部事件，并非由于人来启 动和直接干预而引起的。 实时系统就是以此种方式工作的控制和管理系统。
6
1.2 操作系统的演变
设计操作系统主要有两个目的： 第一，为程序的开发和执行提供一个方便的环境； 第二，为保证计算机系统顺利执行，操作系统对各个计算活 动进行调度。
硬件： 昂贵－>便宜 硬件： 昂贵－ 便宜 人力： 便宜－ 昂贵 人力： 便宜－>昂贵
无操作系统（串行处理 人工操作 人工操作） 无操作系统（串行处理/人工操作） 批处理系统： 批处理系统：简单批处理和多道程序批处理 分时系统、实时系统、 分时系统、实时系统、 网络OS、分布式OS、嵌入式OS 网络 、分布式 、嵌入式
利用率还需改进 系统利用率 利用率
P6 图1.5的例子：读/写记录：1.5ms CPU执行：0.1ms 改进思路： 改进思路：多个程序穿插进行
12
1.2.3 多道程序批处理系统
多道程序设计技术： 在内存中同时保持若干道程序，系统按某种调度策略 交替执行这些程序，使CPU保持最少的空闲时间。 交替执行 交替执行： 交替执行：已开始运行且尚未结束的程序，它们交替运行， 共享系统中的各种硬、软资源。
24
1.2.5 实时系统
实时系统是能够在事先指定或确定的时间 内，完成系统功能，和对外部（内部）、同步 （异步）的事件作出响应的系统。 “事件”，是指与计算机相连接的设备向计 算机发出的各种服务请求。 实时系统的正确性 正确性，不仅依赖计算的逻辑结 正确性 果，也依赖结果产生的时间。
25
1.2.5 实时系统
将某组件分割为多个部分， 将某组件分割为多个部分，分散到系统中
28
1.2.7分布式操作系统 分布式操作系统
分布式应用程序 进程调度 设备管理 文件管理 存储管理
分布式操作系统 计算机硬件… 网络
通常用来管理多处理器或者同构多处理机， 通常用来管理多处理器或者同构多处理机， 其主要目的是隐藏硬件细节，管理硬件资源， 其主要目的是隐藏硬件细节，管理硬件资源， 提供系统接口， 提供系统接口，使得并发进程能够共享系统资源
7
1.2.1 串行处理系统
从20世纪40年代末到50年代中期，没有OS。 没有OS 没有OS
用户既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员，直接与硬件接触 用户是计算机专业人员， 用户是计算机专业人员
1. 由操作员 操作员将纸带（或卡片、词典）装入输入机， 操作员
把程序和数据输入计算机， 2. 当程序行完毕，由用户取走纸带和计算结果后， 3. 让下一个用户上机操作。 特点： 特点
15
采用多道程序设计技术，可让这三个作业并行运行。 由于它们运行中几乎不同时使用同一资源，所以三个 作业可同时运行：JOB1在进行数据处理的同时， JOB2在终端上进行作业输入，JOB3在使用磁盘和打 印机。因此，JOB1只需5min完成，JOB2需15min完 成，JOB3需10min完成。这样三个作业全部完成的时 间只需15min，显然系统处理效率明显提高。
29
1.2.8 嵌入式操作系统
运行在设备、装置、系统中，对整个系统及所有 操作部件、装置等资源进行统一协调、处理、指 挥和控制的计算机系统软件 实时高效、与硬件相关依赖、软件固化、专用 例如：
在“勇气号”（2004年1月）、“极地登陆者”号，“深空 二号”和火星气候轨道器等登陆火星探测器上，就采用了 VxWorks VxWorks负责火星探测器全部飞行控制，包括飞行纠正、载 体自旋和降落时的高度控制等，而且还负责数据收集和与地 球的通信工作
21
分时系统的特征
多路性：多用户同时在各自终端上使用同一CPU。 多路性 交互性：用户与系统进行人机对话。 交互性 独立性：用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。 独立性 及时性：用户在短时间内可得到系统的及时回答。 及时性
22
分时系统的要求
需要应对竞争、通讯、死锁、安全保护等一 系列的新问题
33
1.3.1 进程
进程就是：可并发执行的程序,在一个数据集合上的 运行过程。是操作系统结构的基础。 进程由以下3部分组成： ①一个可执行的程序； ②该程序所需的相关数据(变量、工作空间，缓冲区 等)； ③该程序的执行上下文(Context)。
34
1.3.1 进程
典型的进程实现
内 存 进 程 索 引 寄 存 器 i
用户不能与其作业交互 不能与其作业交互以捕捉程序中的问题。 不能与其作业交互
用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力，用户程序中的所有 问题必须事先安排好。
安全问题：有意或无意地读取他人的卡片。 安全问题
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 特权指令，操作系统就能保证 特权指令 在任何时候都能控制整个系统。
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。 3
用户1…n 应用程序1,2 应用程序1,2 1,2… 用户
----------------------- 虚拟机器界面
操作系统
----------------------- 物理机器界面 硬件（裸机） 硬件（裸机）
用户独占全机。 串行性
人工操作方式缺点： 人工操作方式缺点
效率非常低，CPU等待人工操作。 用户独占全机，资源浪费。 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码 工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力
8
1.2.1 串行处理系统
浪费： 浪费
CPU与外设速度不匹配 手工操作方式和高速机器之间的不匹配
·· ·
进 程 表 列 i
PC
·· · ·· ·
基 址 寄 存 器 限 制 寄 存 器
b h
j
其 他 寄 存 器
4
操作系统的定义
操作系统是
有效控制和管理计算机硬件和软件资源、 有效 合理地组织计算机工作流程、 合理 以及方便用户使用计算机的 方便用户 方便
程序的集合
5
操作系统的定义
有效：系统效率，资源利用率 有效 （如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌） 人工操作，机械、电子部件速度差异大 合理： 合理 公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿” 方便：两种角度： 方便 用户界面 编程接口
在批处理中采用多道程序设计技术，就形成了多道 多道 批处理系统。 批处理系统。
13
14
为了说明多道程序的优点，再来参考 Turner 提出的例子：某计算机系统，有256KB的主存(不包含操作系统)，
一个磁盘，一个终端和一台打印机。同时提交的三个作业分别命名为 JOB1、JOB2、JOB3。
对于简单批处理情况，这些作业将按顺序执行： JOB1运行5min完成，JOB2在等待5min后，运行15min完 成，JOB3在等待20min后开始执行。 三个作业全部完成需要30min(这三个作业是一批)。
提高资源利用率
多部件并行， 多任务共享
9
1.2.2 简单批处理系统
主要思想是： 主要思想 通过应用一种被称为监控器的软件，使用户不必再 用户不必再 直接接触机器，而是先通过卡片机和纸带机向计算机控 直接接触机器 制器提交 提交作业，由监控器将作业组织 组织在一起，构成一批 提交 组织 作业， 然后将整批作业放入由监控器管理的输入设备上， 批 每当一个程序执行完毕返回监控器时，监控器已自动装 入下一个程序。 减少安装磁带、装入程序和返绕磁带等有关的工序浪费的 时间，因此，也就减少了计算机的空闲时间。
30
当代操作系统的特征
并发： 并发：指两个或两个以上事件在同一时间间隔 内发生。 并行” 内发生。（区别 “并行”：两个或多个事件在同一时
刻发生，多指硬件支持 ）
共享： 共享：指系统中硬件和软件资源可为多 个用户同 时使用（互斥共享、同时访问）。 时使用（互斥共享、同时访问）。 虚拟： 虚拟：指物理上的一个实体变成逻辑上的多个 对应物。 对应物。 异步性： 异步性：指内存中的多个进程均按照各自独立 不可预知的速度向前推进。 的、不可预知的速度向前推进。
20
1.2.4 分时系统
分时操作系统： 是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用 时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端服务。 对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互 会话能力。 时间片 ： 是把计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行 时间上的分割，每个时间段称为一个时间片，每个 用户依次轮流使用时间片。
18
多道程序设计技术的要求
Memory management(存储管理)– 系统必须为若干作业分派空间 CPU scheduling (CPU调度) – 系统必须在就绪作业中挑选 Allocation of devices (设备分配) Security安全管理
19
多道程序设计的不足
多道程序设计提高了系统利用率 但没有解决用户不能与其作业交互
16
系统的吞吐量 指单位时间内系统所处理的作业个数， 周转时间是指从作业进入系统到作业完成退出系统所用的时间， 平均周转时间是指同时参与系统运行的几个作业的周转时间的平均值
17
多道程序设计的特点
多道： 多道 计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。 宏观上并发执行： 宏观上并发执行 同时进入系统的几道程序都处于运行状态，但都未运行结 束。 微观上串行运行： 微观上串行运行 各作业交替使用 CPU 主要优点： 通过将用户的CPU请求和I/O请求重叠起来， 以此来提高CPU的利用率。
31
小结
1.1 OS的作用
管理资源、 硬件与程序(组织程序流程)和用户(方便使用)的界 面
1.2 OS的演变
无操作系统（串行处理/人工操作） 批处理系统：简单批处理和多道程序批处理 分时系统、实时系统、 网络OS、分布式OS、嵌入式OS
32
1.3 操作系统的主要成就
成就： 成就： 进程、 内存管理、 信息的保护与安全性、 调度与资源管理、 系统结构。
26
1.2.5 网络操作系统
网络：
将计算机互联起来，实现通信和相互合作。
网络OS：
为网络用户提供各种服务的软件和协议的集合。
三种模式：
1. 集中 2. 客户/服务器 3. 对等(Peer to Peer)
27
1.2.7 分布式操作系统
分布式计算机系统
多个分散的计算机，经网络连接而成的系统
分布（ 分布（Distribution）技术 ）
计算机操作系统
第1章 操作系统概论
1
本章知识点
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 操作系统的作用 操作系统的演变 操作系统的主要成就 操作系统举例 操作系统的主要研究课题
2
1.1 操作系统的作用
操作ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统是
控制应用程序执行， 充当硬件系统和应用程序(用户)之间界面(方便用户)
的软件 软件。 软件
操作系统是
控制应用程序执行， （控制和管理资源 控制和管理资源） 控制和管理资源 充当硬件系统和应用程序(用户)之间界面(方便用户)
的软件 软件。 软件
内存 操作系统 软 件 I/O 控 制 器 I/O 控 制 器
M
I /O 设 备
程序和 数 据 处理器
I/O 控 制 器 处 M 理 器 OS 程 序 数 据 M
10
系统对作业的处理是成批地进行 作业在系统中配置的监督程序控制下，
先把磁带上的第一个作业调入内存， 并把控制权交给该作业， 当该作业处理完后，再由监督程序把第二个作业输入内 存
磁带机 读 机 卡 片 阅 打印机
卡 片 IBM 1401 IBM 7094 IBM 1401
11
输入磁带
输
磁带
1.2.2 简单批处理系统的不足
23
1.2.5 实时系统
计算机不但广泛使用于科学计算和数据处理，也 广泛用于工业生产中的自动控制 控制、实验室中的实 控制 验过程控制、导弹发射的控制、票证预订管理等 方面，通常我们称之为实时控制。 “实时”，是指对随机发生的外部事件，作 出及时的响应 及时的响应并对其进行处理，不然就有可能发 及时的响应 生事故或灾难。 这些随机发生的外部事件，并非由于人来启 动和直接干预而引起的。 实时系统就是以此种方式工作的控制和管理系统。
6
1.2 操作系统的演变
设计操作系统主要有两个目的： 第一，为程序的开发和执行提供一个方便的环境； 第二，为保证计算机系统顺利执行，操作系统对各个计算活 动进行调度。
硬件： 昂贵－>便宜 硬件： 昂贵－ 便宜 人力： 便宜－ 昂贵 人力： 便宜－>昂贵
无操作系统（串行处理 人工操作 人工操作） 无操作系统（串行处理/人工操作） 批处理系统： 批处理系统：简单批处理和多道程序批处理 分时系统、实时系统、 分时系统、实时系统、 网络OS、分布式OS、嵌入式OS 网络 、分布式 、嵌入式
利用率还需改进 系统利用率 利用率
P6 图1.5的例子：读/写记录：1.5ms CPU执行：0.1ms 改进思路： 改进思路：多个程序穿插进行
12
1.2.3 多道程序批处理系统
多道程序设计技术： 在内存中同时保持若干道程序，系统按某种调度策略 交替执行这些程序，使CPU保持最少的空闲时间。 交替执行 交替执行： 交替执行：已开始运行且尚未结束的程序，它们交替运行， 共享系统中的各种硬、软资源。
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1.2.5 实时系统
实时系统是能够在事先指定或确定的时间 内，完成系统功能，和对外部（内部）、同步 （异步）的事件作出响应的系统。 “事件”，是指与计算机相连接的设备向计 算机发出的各种服务请求。 实时系统的正确性 正确性，不仅依赖计算的逻辑结 正确性 果，也依赖结果产生的时间。
25
1.2.5 实时系统
将某组件分割为多个部分， 将某组件分割为多个部分，分散到系统中
28
1.2.7分布式操作系统 分布式操作系统
分布式应用程序 进程调度 设备管理 文件管理 存储管理
分布式操作系统 计算机硬件… 网络
通常用来管理多处理器或者同构多处理机， 通常用来管理多处理器或者同构多处理机， 其主要目的是隐藏硬件细节，管理硬件资源， 其主要目的是隐藏硬件细节，管理硬件资源， 提供系统接口， 提供系统接口，使得并发进程能够共享系统资源
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1.2.1 串行处理系统
从20世纪40年代末到50年代中期，没有OS。 没有OS 没有OS
用户既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员，直接与硬件接触 用户是计算机专业人员， 用户是计算机专业人员
1. 由操作员 操作员将纸带（或卡片、词典）装入输入机， 操作员
把程序和数据输入计算机， 2. 当程序行完毕，由用户取走纸带和计算结果后， 3. 让下一个用户上机操作。 特点： 特点
15
采用多道程序设计技术，可让这三个作业并行运行。 由于它们运行中几乎不同时使用同一资源，所以三个 作业可同时运行：JOB1在进行数据处理的同时， JOB2在终端上进行作业输入，JOB3在使用磁盘和打 印机。因此，JOB1只需5min完成，JOB2需15min完 成，JOB3需10min完成。这样三个作业全部完成的时 间只需15min，显然系统处理效率明显提高。
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1.2.8 嵌入式操作系统
运行在设备、装置、系统中，对整个系统及所有 操作部件、装置等资源进行统一协调、处理、指 挥和控制的计算机系统软件 实时高效、与硬件相关依赖、软件固化、专用 例如：
在“勇气号”（2004年1月）、“极地登陆者”号，“深空 二号”和火星气候轨道器等登陆火星探测器上，就采用了 VxWorks VxWorks负责火星探测器全部飞行控制，包括飞行纠正、载 体自旋和降落时的高度控制等，而且还负责数据收集和与地 球的通信工作
21
分时系统的特征
多路性：多用户同时在各自终端上使用同一CPU。 多路性 交互性：用户与系统进行人机对话。 交互性 独立性：用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。 独立性 及时性：用户在短时间内可得到系统的及时回答。 及时性
22
分时系统的要求
需要应对竞争、通讯、死锁、安全保护等一 系列的新问题
33
1.3.1 进程
进程就是：可并发执行的程序,在一个数据集合上的 运行过程。是操作系统结构的基础。 进程由以下3部分组成： ①一个可执行的程序； ②该程序所需的相关数据(变量、工作空间，缓冲区 等)； ③该程序的执行上下文(Context)。
34
1.3.1 进程
典型的进程实现
内 存 进 程 索 引 寄 存 器 i
用户不能与其作业交互 不能与其作业交互以捕捉程序中的问题。 不能与其作业交互
用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力，用户程序中的所有 问题必须事先安排好。
安全问题：有意或无意地读取他人的卡片。 安全问题
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 特权指令，操作系统就能保证 特权指令 在任何时候都能控制整个系统。
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。 3
用户1…n 应用程序1,2 应用程序1,2 1,2… 用户
----------------------- 虚拟机器界面
操作系统
----------------------- 物理机器界面 硬件（裸机） 硬件（裸机）
用户独占全机。 串行性
人工操作方式缺点： 人工操作方式缺点
效率非常低，CPU等待人工操作。 用户独占全机，资源浪费。 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码 工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力
8
1.2.1 串行处理系统
浪费： 浪费
CPU与外设速度不匹配 手工操作方式和高速机器之间的不匹配
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进 程 表 列 i
PC
·· · ·· ·
基 址 寄 存 器 限 制 寄 存 器
b h
j
其 他 寄 存 器
4
操作系统的定义
操作系统是
有效控制和管理计算机硬件和软件资源、 有效 合理地组织计算机工作流程、 合理 以及方便用户使用计算机的 方便用户 方便
程序的集合
5
操作系统的定义
有效：系统效率，资源利用率 有效 （如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌） 人工操作，机械、电子部件速度差异大 合理： 合理 公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿” 方便：两种角度： 方便 用户界面 编程接口
在批处理中采用多道程序设计技术，就形成了多道 多道 批处理系统。 批处理系统。
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为了说明多道程序的优点，再来参考 Turner 提出的例子：某计算机系统，有256KB的主存(不包含操作系统)，
一个磁盘，一个终端和一台打印机。同时提交的三个作业分别命名为 JOB1、JOB2、JOB3。
对于简单批处理情况，这些作业将按顺序执行： JOB1运行5min完成，JOB2在等待5min后，运行15min完 成，JOB3在等待20min后开始执行。 三个作业全部完成需要30min(这三个作业是一批)。
提高资源利用率
多部件并行， 多任务共享
9
1.2.2 简单批处理系统
主要思想是： 主要思想 通过应用一种被称为监控器的软件，使用户不必再 用户不必再 直接接触机器，而是先通过卡片机和纸带机向计算机控 直接接触机器 制器提交 提交作业，由监控器将作业组织 组织在一起，构成一批 提交 组织 作业， 然后将整批作业放入由监控器管理的输入设备上， 批 每当一个程序执行完毕返回监控器时，监控器已自动装 入下一个程序。 减少安装磁带、装入程序和返绕磁带等有关的工序浪费的 时间，因此，也就减少了计算机的空闲时间。
30
当代操作系统的特征
并发： 并发：指两个或两个以上事件在同一时间间隔 内发生。 并行” 内发生。（区别 “并行”：两个或多个事件在同一时
刻发生，多指硬件支持 ）
共享： 共享：指系统中硬件和软件资源可为多 个用户同 时使用（互斥共享、同时访问）。 时使用（互斥共享、同时访问）。 虚拟： 虚拟：指物理上的一个实体变成逻辑上的多个 对应物。 对应物。 异步性： 异步性：指内存中的多个进程均按照各自独立 不可预知的速度向前推进。 的、不可预知的速度向前推进。
20
1.2.4 分时系统
分时操作系统： 是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用 时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端服务。 对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互 会话能力。 时间片 ： 是把计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行 时间上的分割，每个时间段称为一个时间片，每个 用户依次轮流使用时间片。
18
多道程序设计技术的要求
Memory management(存储管理)– 系统必须为若干作业分派空间 CPU scheduling (CPU调度) – 系统必须在就绪作业中挑选 Allocation of devices (设备分配) Security安全管理
19
多道程序设计的不足
多道程序设计提高了系统利用率 但没有解决用户不能与其作业交互
16
系统的吞吐量 指单位时间内系统所处理的作业个数， 周转时间是指从作业进入系统到作业完成退出系统所用的时间， 平均周转时间是指同时参与系统运行的几个作业的周转时间的平均值
17
多道程序设计的特点
多道： 多道 计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。 宏观上并发执行： 宏观上并发执行 同时进入系统的几道程序都处于运行状态，但都未运行结 束。 微观上串行运行： 微观上串行运行 各作业交替使用 CPU 主要优点： 通过将用户的CPU请求和I/O请求重叠起来， 以此来提高CPU的利用率。
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小结
1.1 OS的作用
管理资源、 硬件与程序(组织程序流程)和用户(方便使用)的界 面
1.2 OS的演变
无操作系统（串行处理/人工操作） 批处理系统：简单批处理和多道程序批处理 分时系统、实时系统、 网络OS、分布式OS、嵌入式OS
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1.3 操作系统的主要成就
成就： 成就： 进程、 内存管理、 信息的保护与安全性、 调度与资源管理、 系统结构。
26
1.2.5 网络操作系统
网络：
将计算机互联起来，实现通信和相互合作。
网络OS：
为网络用户提供各种服务的软件和协议的集合。
三种模式：
1. 集中 2. 客户/服务器 3. 对等(Peer to Peer)
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1.2.7 分布式操作系统
分布式计算机系统
多个分散的计算机，经网络连接而成的系统
分布（ 分布（Distribution）技术 ）