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第1章 操作系统引论

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第一章操作系统引论

第一章操作系统引论

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
• 1.1.2 操作系统的作用
• 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力
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
OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：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。
在20世纪60和70年代，又分别出现了能有效提高I/O设备 和CPU利用率的SPOOLing系统和改善存储器系统利用率的虚 拟存储器技术，以及在网络环境下，在服务器上配置了允许 所有网络用户访问的文件系统和数据库系统。
第一章 操作系统引论 2．方便用户 当资源利用率不高的问题得到基本解决后，用户在上机、 调试程序时的不方便性便又成为主要矛盾。于是人们又想方 设法改善用户上机、调试程序时的环境，这又成为继续推动 OS发展的主要因素。随之便形成了允许进行人机交互的分时 系统，或称为多用户系统。在20世纪90年代初出现了受到用 户广泛欢迎的图形用户界面，极大地方便了用户使用计算机， 使中小学生都能很快地学会上机操作，这无疑会更加推动计 算机的迅速普及。
时相应OS的功能和性能也都有显著的增强和提高。
第一章 操作系统引论 在多处理机快速发展的同时，外部设备也在迅速发展。 例如，早期的磁盘系统十分昂贵，只能配置在大型机中。随
着磁盘价格的不断降低且小型化，很快在中、小型机以及微
型机上也无一例外地配置了磁盘系统，而且其容量还远比早 期配置在大型机上的大得多。现在的微机操作系统(如
外部存储器 软盘 输入设备
0 0 1 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 101

第一章 操作系统引论

第一章 操作系统引论

31
操 作 系 统
网络OS和分布式OS的区别
(1) 分布具有各个计算机间相互通讯， 无主从关系；网络有主从关系； (2) 分布式系统资源为所有用户共享；
第 一 章 操 作 系 统 引 论
而网络有限制地共享； (3) 分布式系统对用户是透明的。
32
操 作 系 统
3.微型机(个人）操作系统
计算机在某一时间内为单用户服务,其追求目 标是界面友好，使用方便，丰富的应用软件。
借助于通道和中断技术，输入输出操作可以在中央 处理机控制之下完成。这时，原有的监督程序不仅要负 责调度作业自动运行，而且还要提供输入输出控制功能， 它比原有的监督程序的功能增强了。这个发展了的监督 程序常驻内存，称为执行系统。 20
操 作 系 统
二、 操作系统的完善
1． 多道批处理系统
多道程序设计技术是指在计算机内存中同时存放多 个作业，它们在管理程序控制之下交替执行，共享系统 中的各种资源。 多道程序运行的特征： 1）主存中存放多道程序； 2）宏观上并行； 3）微观上串行。
28
操 作 系 统
三、操作系统的发展
1．网络操作系统
计算机网络是通过通信设备和通信线路将地理上分散的多 个计算机系统相互连接起来，实现信息交换、资源共享、 可互操作和协作处理的系统。 网络环境下的操作系统是网络用户和网络之间的接口， 它除了具有通常操作系统的资源管理功能外，还具有网络 管理、网络通信、网络资源共享、系统安全和多种网络应 用服务的功能。 网络操作系统既要为本机用户提供使用网络资源的手 段，又要为网络用户使用本机资源提供服务。
•错综复杂、纵横交叉： 与硬件有关、与其它软件有关、与用户有关、 讲课过程中往往用到后面的知识。
3

第1章 操作系统引论

第1章 操作系统引论


2016年11月7日
第一章 操作系统引论
21
1.5 操作系统的主要功能
5. 用户接口
主要任务：方便用户使用操作系统，以命令、系统调用或者图形方式 为用户提供接口 。 用户
接口 操作系统
计算机硬件
接 口
用户
操作系统
1.命令接口 2.程序接口 3.图形接口
命令接口：包括联机用户接口和脱机用户接口； 程序接口：由一组具有特定功能的系统调用组成。； 图形接口：图形化的操作界面。
7
1.2 操作系统的目标和作用
1. 操作系统的目标
方便性 方便使用计算机系统，避免用户自己编写程序的繁琐工作。
有效性 合理组织计算机的工作流程，进一步改善资源的利用率， 提高系统的吞吐量。 可扩充性 VLSI 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuites)，计算机技术以及计算机网络Internet的发展的 需求 。 开放性 遵循世界标准规范，如开放系统互联OSI国际标准。
操作系统（Operating System-OS）是一组控制和 管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行 调度，以及方便用户使用的程序的集合。
2016年11月7日 第一章 操作系统引论 5
1.1 操作系统概述
2. 理解操作系统
下面哪些是操作系统？
UNIX，SQL Server，Word，DOS， WindowsXP， PowerPoint，Linux
1.5 操作系统的主要功能
1. 处理机管理
主要任务：对CPU进行分配，且对其运行控制和管理 进程控制：为作业创建进程、撤销已结束的进程； 进程同步：进程互斥和进程同步； 进程通信：进程之间的信息交换； 调度：作业调度和进程调度。

第一章 操作系统引论

第一章 操作系统引论
单机——NET 单CPU——多CPU 计算机网络 NETOS 多CPUOS NOS
24
操 作 系 统
1.2.1 无操作系统的计算机系统 1.人工操作方式

1946 年第一台电子计算机 ENIAC ~ 50年代中期 工作方式：采用人工方式直接使用计算机硬件系统。
输入设备 主 机 输出设备
第 一 章 操 作 系 统 引 论
第 一 章 操 作 系 统 引 论

调度性 作业从提交到完成经两次调度
作业调度 外存--->内存（选多个） 进程调度 分配处理机（选一个）
32
操 作 系 统
1.2.3 多道批处理系统 3 多道批处理系统的优缺点

优点 系统资源利用率高
基础条件——计算机部件能力的匹配
第 一 章 操 作 系 统 引 论
第三章 处理机调度与死锁
第 一 章 操 作 系 统 引 论
第四章 存储器管理 第五章 设备管理 第六章 文件管理
5
操 作 系 统
课程特点及难点

课程特点：

第 一 章 操 作 系 统 引 论


概念多 原理性强 较抽象 理论性和实践性都很强 内容繁杂 ----概念、原理、算法、数据结构
6

8
考研书目参考：
操 作 系 统

计算机操作系统联考辅导教程(2012版) 李春葆、曾平、 曾慧编著，清华大学出版社。
操作系统习题与解析（第3版） 曾平、曾林、金晶编 著，清华大学出版社 计算机操作系统习题解析 刘欣怡、宫明明、杨振辉编 著，清华大学出版社，北京交通大学出版社

第 一 章 操 作 系 统 引 论
特征：

第1章 操作系统引论

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）。

第1章 操作系统引论

第1章 操作系统引论

● 操作系统的产生和发展
●
操作系统的特征 操作系统的功能 操作系统的类型
●
●
1.1 操作系统的定义
资源管理的观点 1
●操作系统：是控制和管理计算机的软、硬件资源， 操作系统：是控制和管理计算机的软、硬件资源，
合理地组织计算机的工作流程，以方便用户使用的程序集 合理地组织计算机的工作流程， 合。 2 用户的观点
● ● ●
高可靠性 过载保护 对截止时间的要求
微机操作系统
●CP/M
操作系统
● MS-DOS ● OS/2 ● ●
操作系统
操作系统
UNIX 操作系统 Linux 操作系统
● Windows
操作系统
多处理机操作系统
● 引入原因 ●增加系统吞吐量 ●
节省投资
●提高系统可靠性
● 多处理机OS类型 多处理机OS类型 ●非对称多处理模式 非对称多处理模式——主-从模式 主 从模式 ●对称多处理模式 对称多处理模式——
1958年 年
第二代计算机上有了监控系统（OS雏形） 第二代计算机上有了监控系统（ 雏形） 雏形
第二代： 第二代：监控系统
● 第二代计算机主要用于科学和工程计算，程序大 多用FORTRAN语言书写，该语言适用于作数值运 算，当时主机上用的控制程序称之为监控程序 （Monitor），其功能相对比较简单，监控程序是 操作系统的雏形 。 ● 单道批处理系统（Simple Batch System）是将所有 的作业用一台相对比较便宜的计算机（如IBM 1401） 输入到磁带上，此计算机称为输入/输出机，实施 数值运算、速度较快的计算机称为主机（如 IBM7094）。大批的作业在输入/输出机的控制下 输入到磁带后，用一个特殊的程序来控制作业的读 入和运行，这个特殊的程序叫作业控制语言（JCL， Job Control Language）书写，它能控制程序的运行， 如图所示。

第1章操作系统引论

第1章操作系统引论
合理有效地组织计算机工作流程的一种系统软 件。
第一章 操作系统引论
1.1.2 操作系统的作用
1.用户接口（服务员）
OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：
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 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。 OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。
第一章 操作系统引论
问题二：你用过的操作系统能做什么

提供各种命令（字符和图形方式） 提供多任务多用户环境 启动、结束用户程序 系统调用：INT指令调用OS功能
第一章 操作系统引论
问题三：你知道操作系统不能做什么 不做天气预报 不做房屋设计 不是编译程序

总之，操作系统不直接解决最终具体应 用问题，也不负责编译源程序...
第一章 操作系统引论
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 结束中断 I/O 中断请求 启动 I/O I/O 完成 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 程序 B 程序 C 程序 D 调度 程序 (b ) 四 道 程 序 运 行 情 况 程序 A 程序B I/O 请求 程序 B 程序C I/O 请求 程序 C 程序 D 程序B I/O 完成 C I/O 完成 C 再被 调度 程序D I/O 请求 程序A I/O 完成 程序A 再被调度 A 完成
输入设备 外围机 磁盘
图 1 2 脱 机 示 意 图
I/O
主机
外围机
输出设备
第一章 操作系统引论

第一章 操作系统引论

第一章 操作系统引论

第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计操作系统的结构设计计算机系统由硬件和软件组成，操作系统（OS,Operating OS,Operating SystemSystem ）是配置在计算机硬件上的第一层系统软件；其它系统软件、应用软件都依赖于OS 。

1.1 操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标目前存在着多种类型的OS ，不同类型的OS ，其目标各有所侧重。

通常在计算机硬件上配置的OS ，其目标有以下几点：1.1.有效性(早期):提高系统资源利用率;提高系统吞吐量；2.2.方便性（近年来）：用户->OS->计算机硬件3.3.可扩充性：便于增加和修改功能和模块4.4.开放性：遵循世界标准规范；遵循OSI 标准注意：有效性和方便性是开发OS 时最重要的目标计算机系统上配置OS 的目标与计算机系统的规模(大中型机和小型机)和应用环境(查询系统，实时工业控制和武器控制)有关。

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OS作为一个系统软件，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。

如图1-1，用户通过以下三种方式使用计算机：图1-1 OS作为接口的示意图用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件(1) 命令方式：由OS提供了一组命令，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机。

(2) 系统调用方式：OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过相应的系统调用来操纵计算机。

第1章-操作系统引论

第1章-操作系统引论
第1章 操作系统引论
操作系统的目标和作用 操作系统的发展过程 操作系统的基本特征 操作系统的主要功能 操作系统的结构设计 **UNIX系统简介 本章作业
OS引论
1.1 操作系统的目标和作用
一、操作系统目的/目标 二、计算机系统组成 三、 操作系统的作用
返回目录
OS引论
二、计算机系统组成
待I/O的完成，特别因为I/O设备的低速性，从而使机器的利用率很低。
返回
OS--------Introduction
1.2.4 多道批处理系统
特征：（1）调度性
（2）无序性 （3）多道性
优点：（1）资源的利用率高 （2）系统吞吐量大
缺点：（1）平均周转周期长 （2）无交互能力
需解决问题
处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件及作业管理问题
多用户多任务：UNIX, Solaris x86, Linux。
返回
OS--------Introduction
六、多处理机操作系统
多处理机系统引入原因 增加系统的吞吐量 节省投资 提高系统的可靠性
多处理机系统的类型 紧密耦合MPS 松散耦合MPS
多处理机操作系统的类型 非对称多处理模式 对称多处理模式
精心设计的，能实现现代OS核心功能的小型内核，它 小而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内 存紧张而换出，它为构建通用OS提供了一个重要基础。
微内核的基本功能
进程管理 存储器管理 进程通信管理 I/O设备管理
特点
小而精练 系统的灵活性和可扩充性好 系统的可靠性高 适用于分布式系统
1.2.3 单道批处理系统 用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算
1、工作流程： 机系统所做的全部工作。

操作系统课件第1章 操作系统引论

操作系统课件第1章 操作系统引论
22
1.2 操作系统的发展过程
(4) 文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放
在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又
能保证数据的安全性。 (5) 作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序)， 系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些 作业用户的不同要求。
(6) 用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操
行。若对内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就可
以并发执行，这样便能极大地提高系统资源的利用率，增加 系统的吞吐量。
35
1.3 操作系统的基本特性
1.3.2 共享(Sharing)
一般情况下的共享与操作系统环境下的共享其含义并不
完全相同。 1. 互斥共享方式
系统中的某些资源，如打印机、磁带机等，虽然可以提
结为：① CPU和其它资源保持“忙碌”状态；② 仅当作业
完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。
20
1.2 操作系统的发展过程
(3) 平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，
因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。
(4) 无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至 作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试 程序极不方便。
2
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
3
1.1 操作系统的目标和作用
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
OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：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帮助下能够方便、快捷、可靠地操 纵计算机硬件和运行自己的程序。图1-1是OS作为接口的示

第一章 操作系统引论

第一章 操作系统引论

6 多道程序设计系统与多重处理系统
多重处理系统是指配置了多个物理CPU，能真正同时执行多道程序的 系统。要有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计 技术；反过 来，多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持。
18
1.2.3 多道批处理操作系统
7 实现多道程序设计必须解决三个问题
• 存储保护与程序浮动 存储保护：在多道程序设计环境中，主存为多道程序所共享，因此， 硬件必须提供相应的设施，使得主存在各道程序只能访问自己的区 域，以避免相互干扰。当某道程序发生错误时，不致影响其他程序， 更不会影响系统。程序浮动：由于各道程序不是独占全机，程序员 在编制程序时无法知道程序在主存中的确切地址，甚至在运行过程 中，程序也可能随时改变位置，因此要求程序能够根据需要从一个 主存区域移动到另一个区，而不影响其正确执行。 • 处理器的管理和调度 多道程序轮流占有一个或多个物理处理器，因此，涉及CPU的调度 和分配，同时，合理搭配具有不同特性的多道程序同时运行，也需 要CPU调度。 • 系统资源（存储器、设备、文件）的管理和调度 解决多道程序共享资源时的竞争与协作、共享与安全等，又要解决 发挥各种资源的利用率
单道运行的时间关系图
I/O
计算 0 A 30
A
B A 70 80 B C
B
B
C
C 170 190
16
100 120 130 140
多道运行的时间关系图
1.2.3 多道批处理操作系统
4. 多道程序设计的优点
(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 1-4(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。 (2) 可提高内存和I/O设备利用率。为了能运行较大的作业，通常内存 都具有较大容量，但由于80%以上的作业都属于中小型，因此在单道程序 环境下，也必定造成内存的浪费。类似地，对于系统中所配置的多种类型 的I/O设备， 在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入 多道程序， 并允许它们并发执行，则无疑会大大提高内存和I/O设备的利 用率。 (3) 增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙碌的同时，也必然 会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的费用。

第1章 操作系统引论

第1章 操作系统引论

单道批处理系统
“批处理”的两个含义 一、指系统内可同时容纳多个作业，这些作业存放在大 容量的外存中，组成一个后备作业队列，系统按一定 的调度原则每次从后备作业队列中取一个或多个作业 调入内存运行，运行作业结束并退出运行及后备作业 进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成了一 个自动转接的连续的作业流。 二、是指系统向用户提供的是一种脱机操作方式，即用 户与自己作业之间没有交互作用。作业一旦进入系统， 用户就不能在计算机前直接干预其作业的运行。
OS的定义:是控制和管理计算机硬件和软件资源,合理的组织工作流 程,以及方便用户使用的程序集合.
二、操作系统的作用
(2种基本观点)
1.2
操作系统的发展过程
四个发展阶段
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，单道 批处理系统。 • 60年代中期～70年代中期：第三代，集成电路时代， 多道批处理系统。 • 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。
2019/2/2
目录
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 操作系统的目标和作用 操作系统的发展过程 操作系统的基本特性 操作系统的主要功能 操作系统的结构设计
计算机系统的组成结构及OS在系统中的地位:
软件与硬件的关系: 硬件是软件的运行基础,软件对硬件功能进行扩充. 虚拟机的概念: 裸机经软件扩充后的功能更强的计算机称为虚拟机. (因不直接对应一台物理机)
出版社
第1章 引论
先导问题： =〉整体了解OS

第一章 操作系统引论

第一章 操作系统引论

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1、计算机硬件上配置的OS的目标有：1）、方便性2）、有效性3）、可扩充性4）、开放性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OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：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。

应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。

图1-1 OS作为接口的示意图(1) 命令方式。

这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。

(2) 系统调用方式。

OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。

(3) 图形、窗口方式。

用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。

2. OS作为计算机系统资源的管理者在一个计算机系统中，可将各种的硬件和软件资源分为四类：处理器、存储器、I/O 设备以及信息(数据和程序)。

OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理。

3.*OS用作扩充机器对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。

如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。

此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。

通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。

1.1.3推动操作系统发展的主要动力1.不断提高计算机资源利用率2. 方便用户3. 器件的不断更新换代4. 计算机体系结构的不断发展5.不断提出新的应用需求1.2操作系统的发展过程1.2.1 无操作系统的计算机系统1. 人工操作方式从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。

人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。

操作系统实用教程第1章-操作系统引论

操作系统实用教程第1章-操作系统引论

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
－windows2003
问题与讨论：
1、你如何理解分时系统与实时系统的区别？
2、如果将操作系统分类为传统与现代两类，你将 如何划分？说说想法。
第1章 操作系统引论 1.3 操作系统的功能与性能
操作系统实用教程
－windows2003
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
－windows2003
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。
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
－windows2003
实时系统
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
－windows2003
问题1：单道批处理系统与多道批处理系统的系统 吞吐量、资源利用率，谁高？为什么？
问题2：单道批处理系统与多道批处理系统的作业 周转时间，谁长？为什么？
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？
1.4 操作系统的特征与内部结构
操作系统的内部结构 模块化结构：由功能模块构成OS，模块间接口调
用。
层次化结构：模块间按照某种关系排成若干层， 层间模块只单向依赖。
虚拟机结构：在裸机上扩展了一层软件，向上提 供了若干台虚拟机。
C/S结构：客户/服务器结构。 对象结构：操作系统管理的信息和资源均为对象
实时系统：能及时响应随机发生的外部事件，并 在规定的时间内完成对该事件处理的系统。

第一章操作系统引论

第一章操作系统引论

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： 计算机体系结构的不断发展： 不断提出新的应用需求：
1.2操作系统的发展过程
在20世纪50年代中期，出现了第一个简单的批处理 OS；60年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推 出分时系统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS 也相继问世。20世纪70到90年代，是VLSI和计算机体系 结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机 网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机 OS、多处理机OS和网络OS，并得到极为迅猛的发展。
多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统， 为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述 一系列问题：
(1) 处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要， 又要能提高处理机的利用率。
(2) 内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必 要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出 现异常情况而破坏其它程序。
(5) 作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序)， 系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些 作业用户的不同要求。
(6) 用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作 系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。
4、分时系统(Time Sharing System)
分时系统的引入：
前面所介绍的多道批处理系统、分时系统和实 时系统这三种基本操作系统都具有各自不同的特征， 如批处理系统有着高的资源利用率和系统吞吐量； 分时系统能获得及时响应；实时系统具有实时特征。 除此之外，它们还共同具有并发、共享、虚拟和异 步四个基本特征。
并发
并行与并发：
并行性：多个事件在同一时刻发生 并发性：多个事件在同一时间间隔内发生。

第1章_操作系统引论

第1章_操作系统引论

最关键的问题是如何使用户能与自己的作业 进行交互。 （1） 及时接收
（2） 及时处理
3、分时系统的特征
(1) 多路性。
(3) 及时性。
(2) 独立性。 (4) 交互性。
20
1.2.5 实时系统
实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时) 响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理， 并控制所有实时任务协调一致地运行。
第一章 操作系统引论
❖ 什么是操作系统？ 一种特殊的软件，特殊子程序，是软硬资源的控 制中心, 它以尽量合理有效的方法组织多个进程共享使用 计算机的各种资源,并提供使用接口。（接口的 概念）
❖ 操作系统实现了： 资源管理：多进程同时运行，而且效率更高 人机接口：方便使用，方便编程，编程变得简 单
第一章 操作系统引论
这门课
❖ 考察目标：
1.掌握操作系统的基本概念、基本原理和基本 功能，理解操作系统的整体运行过程。
2.掌握操作系统进程、内存、文件和I/O管理的 策略、算法、机制以及相互关系。
（3.能够运用所学的操作系统原理、方法与技 术分析问题和解决问题，并能利用C语言描述 相关算法。）
❖ 这门课特点：概念比较多、术语比较多、算法 比较多、自学比较难
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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*
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。
用户
应用程序
系统调用 命令 图标、窗口 操作系统
计算机硬件
图 1-1 OS作为接口的示意图
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1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口*
(1) 命令方式：OS提供了一组联机命令(语言)， 用 户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。
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• 互斥共享方式
对临界资源的访问；
临界资源：把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临 界资源或独占资源。 打印机等硬件；栈、变量、表格等软件 互斥访问：当一个进程A要访问某资源时，必须先提出请求。如
果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程 A使用。此后
若再有其它进程也要访问该资源时 ( 只要 A未用完 ) ，则必须等待 。仅当A进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源 进行访问。
4.文件管理（软件） 联机用户接口 5.用户接口 命令接口 程序接口 图形接口 脱机用户接口
第一章 操作系统引论
操作系统的功能
（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 （2）OS作为计算机系统资源的管理者 （3）OS实现了对计算机资源的抽象（用作扩充 机器）
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第一章 操作系统引论
（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
第一章 操作系统引论
操作系统
主讲：刘亚辉
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第一章 操作系统引论
参考书：
1、《计算机操作系统》 汤小丹，西安电子科技大学出版社
2、《操作系统概念》[美]Silberschatz等编著 ，郑扣根 译，高
等教育出版社。
3、《计算机操作系统》 郁红英，清华大学出版社
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第一章 操作系统引论
上机时间
• 11周，星期五6-9节 • 12周，星期五6-9节
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第一章 操作系统引论
1.1操作系统的基本概念
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1.1.1冯.诺依曼模型
冯.诺依曼提出“存储程序”原理
计算机采用二进制码（0，1）存储与处理 在内存中存储程序与数据
计算机由（运算器、控制器、存储器、输入和输 出）五大基本部件组成
程序 数据
结果 数据
输入设备
控 制 命 令 信 号
内存储器
（1）方便性 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。如果我们在计算机硬件上配置 了OS，用户便可通过OS所提供的各种命令来使用计算机系统。
（2）有效性
• 资源忙，而得到有效的利用
•
数据有序而节省存储空间
• 合理地组织计算机工作流程
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第一章 操作系统引论
外围机
输出设备
图 脱机I/O示意图
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（2）单道批处理系统 过程：一批作业以脱机方式输入到磁 带上，在监督程序的控制下连续处理。
特征： （1）自动性
（2）顺序性 （3）单道性 无人工干预 按进入内存的先后执行 内存中只保持一道作业。 30
虽然系统对作业的处理都是成批地进行的，但是在内存 中始终只保持一道作业，故称此系统为单道批处理系统
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第一章 操作系统引论 （3）多用户多任务操作系统 多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各 自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而 每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行， 从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。在大、中和小 型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在32位微 机上也有不少是配置的多用户多任务操作系统，其中最有代
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第一章 操作系统引论
• 同时访问方式
允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们
进行访问.
操作系统两个最基本的特征：并发和共享
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第一章 操作系统引论
（3）虚拟性
通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上 的对应物。
ห้องสมุดไป่ตู้
如：虚拟处理器、虚拟内存等
（4） 异步性 进程以不可预知的速度向前推进。
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1.1.5 操作系统的目标和功能 1、OS的目标
第一章 操作系统引论
联机命令举例： • UNIX: login; logout； • DOS: copy; format; 命令解释程序：操作系统的最高层，如： MS-DOS: UNIX: Shell.
第一章 操作系统引论
(2) 脱机用户接口 • • • • 适用：批处理系统。又称批处理用户接口 组成：JCL+作业说明书+命令解释程序 JCL：作业控制语言 过程： 用户把对作业的控制用JCL写在作 业说明书上，命令解释程序按照作业说明书 解释并执行。
第一章 操作系统引论
（5） 实时系统
实时：及时响应外部事件请求
应用需求： （1）实时控制： 工业生产、武器控制、飞机的自动驾驶
（2）实时信息处理： 火车订票系统
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第一章 操作系统引论
（6） 微机操作系统的发展
随着VLSI（超大规模集成电路）和计算机体系结构的发展， 先后形成了微机操作系统、网络操作系统等。 （1）单用户单任务操作系统
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• 多道批处理优缺点
优点：
• 资源利用率高 • 系统吞吐量大 吞吐量：单位时间内完成的总工作量 原因 （1）资源忙
（2）完成或运行不下去时才切换
缺点： • 平均周转时间长 作业周转时间：从作业进入系统开始到完成并退出系统 所经历的时间。通常几小时，甚至几天。 • 无交互能力 修改和调试极不方便。
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第一章 操作系统引论
1.2 操作系统的发展与分类
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第一章 操作系统引论
1.2.1操作系统的形成
（1）未配置操作系统的计算机系统
（2） 单道批处理系统 （3） 多道批处理系统 （4） 分时系统 （5）实时系统 （6）微机操作系统的发展
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第一章 操作系统引论
（1）未配置操作系统的计算机系统 人工操作方式
第一章 操作系统引论
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 是 把下一个作业的 源程序转换为目 标程序
图
单道批处理系统的处理流程
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（3） 多道批处理系统
多道：内存中同时存放多个相互独立的程序 ，多道技术是共享的基础。 • 多道批处理特征
单用户单任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，
且只允许用户作为一个任务运行。这是最简单的微机操作系 统，主要配置在8位和16位微机上。最有代表性的单用户单任 务微机操作系统是CP/M和MS-DOS。
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第一章 操作系统引论
（2）单用户多任务操作系统
单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个 用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使 它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。目 前在 32 位微机上配置的操作系统基本上都是单用户 多任务操作系统，其中最有代表性的是由微软公司 推出的Windows。
输出设备
控 制 命 令 信 号
地址指令数据
中央处理器
运算器
控制器
图1 计算机的硬件组成
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第一章 操作系统引论
1.1.2计算机系统的层次关系
文化、思想
引入操作系 统的目的？
应
件 统 系 软
操 硬件
作
用 头颅
硬件与软件的关系
人的头颅与思想的关系 6
第一章 操作系统引论
1.1.3 操作系统的概念
操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件
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第一章 操作系统引论
（4） 分时系统 • 定义：一台主机上连接了多个终端，同时允许多个
用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共
享主机中的资源。 产生动力： （1）人—机交互。（边运行边调试）
（2）共享主机。（设备昂贵） （3）便于用户上机（在终端上输入、控制）
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分时系统特征 • 多路性 允许在一台主机上同时联接多台联机终端， 系统按分时原则为每个用户服务。宏观上，是多个 用户同时工作，共享系统资源；而微观上，则是每 个用户作业轮流运行一个时间片。 • 独立性 每个用户感觉独占主机。 • 及时性 较短时间响应（2-3秒） • 交互性 用户可以请求系统提供多方面的服务，如文 件编辑、数据处理和资源共享等。 时间片：每个作业只运行一个很短的时间（例如0.1 秒），通常把这段时间成为~。 38
第一章 操作系统引论
程序接口
• 目的：为用户程序访问系统资源而设置。 • 组成：一组系统调用 • 系统调用：一个系统调用是一个能完成特
定功能的子程序。
第一章 操作系统引论
系统调用过程
用户程序 系统调 用命令 系统功能 调用
返回
第一章 操作系统引论
（2）OS作为计算机系统资源的管理者
• 处理机管理 • 存储器管理 • 设备管理 • 文件管理
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第一章 操作系统引论
（3）OS实现了对计算机资源的抽象
裸机： 无任何软件的计算机系统
扩充机器：
覆盖了软件的机器又称虚拟机
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第一章 操作系统引论
用户 用户 机器指令 物理接口 硬件
I/O操 作 命 令 (Read， Write)
I/O软 件 物理接口 硬件 虚机器
图 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节
资源、合理地对各类作业进行调度、以及方便用户
使用的程序集合。
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第一章 操作系统引论
1.1.4、操作系统的基本特征
（1）并发性（最重要特征） （2）共享性 （3）虚拟性 （4）异步性
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（1）并发性
• 并行性：指两个或多个事件在同一时刻发生；
• 并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
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（2） 共享性
程序 程 序B B 程序 程 序C C 程序D 程序D 调度程序
调度程序
(b) 四 道 程 序 运 行 情 况
图 单道和多道程序运行情况
第一章 操作系统引论 (2) 可提高内存和I/O设备利用率。为了能运行较大的作 业，通常内存都具有较大容量，但由于80%以上的作业都属于 中小型，因此在单道程序环境下，也必定造成内存的浪费。 类似地，对于系统中所配置的多种类型的I/O设备，在单道程 序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序， 并允许它们并发执行，则无疑会大大提高内存和I/O设备的利 用率。 (3) 增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙碌的 同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业 加工所需的费用。