操作系统原理ch绪论
操作系统的原理
操作系统的原理操作系统(Operating System)是一种最基本的系统软件，任何一种其它软件都必须在获得它的支持后才能进行操作。
那么，接下来店铺就来为大家解析一下关于操作系统各方面问题吧!操作系统的种类操作系统的种类很多，有简单的也有复杂的。
按照应用对象分，可分为桌面操作系统、服务器操作系统和嵌入式操作系统这三大类。
若再缩小范围来分的话，还可分为智能卡操作系统、传感器节点操作系统、个人计算机操作系统、实时操作系统、网络操作系统、多处理器操作系统、大型机操作系统等。
操作系统的原理操作系统主要利用驱动程序、内核、接口库、外围四部分的完美结合，来管理系统资源和控制应用程序，它是整个机体中不可缺少的重要系统软件，所有其他软件都必须以它为基础才能顺利运行。
操作系统的组成部分1.驱动程序：它是操作系统中最底端的一部分，主要用来控制和监视系统中各种硬件。
2.内核：内核一般在最高级处运行，它主要作用是提供基础性结构功能。
3.接口库：也是程序库，它非常靠近应用程序，它的主要作用就是把系统内的各种基本服务转变成编程接口，然后让应用程序能够使用。
4.外围：操作系统中，除了驱动程序、内核和接口库外，剩余部分都属于外围，外围主要功能是提供高级服务。
常见的操作系统至目前为止，我们常见的操作系统有四种：Android系统、iOS 系统、Windows系统、Linux系统。
1.Android系统，我们现在所使用的智能手机大部分都是采用这种系统，其实大家对Android应该都挺熟悉的，它的图标就是一只“绿色机器人”。
2.iOS系统就据局限于部分电子产品，它只应用于苹果系列产品，如：iPhone手机、ipod touch、iPad、apple TV。
3.Windows操作系统也称为“视窗”操作系统，我们最常在电脑设备上见到Windows窗口。
4.Linux操作系统支持免费使用和自由传播，像目前世界上最快速的超级电脑所采用的操作系统就是Linux。
操作系统原理概述
操作系统原理概述操作系统是计算机系统中非常关键的一个部分，它负责管理和协调计算机硬件和软件资源，使得计算机系统能够高效地运行。
本文将对操作系统的原理进行概述，介绍其主要的功能和特点。
一、引言操作系统是计算机系统的核心组成部分，它连接了硬件和软件，为用户提供了一个友好的界面，使得用户可以方便地使用计算机资源进行各种操作。
操作系统的设计和实现涉及到多个领域，包括进程管理、存储管理、文件系统等，下面将对这些方面进行逐一介绍。
二、进程管理进程是计算机中执行的一个程序的实例，它是计算机执行任务的基本单位。
操作系统负责对进程进行管理，包括创建、调度、同步、通信等。
进程管理的主要目标是实现对处理器和内存的合理利用，以及保护进程的隔离性和安全性。
在进程管理中，操作系统通过进程调度算法确定进程的执行顺序，以实现公平性和高效性。
进程的同步和通信机制则用于协调并发执行的进程，以避免竞争条件和死锁等问题。
三、存储管理存储管理是操作系统中非常重要的一个功能，它负责管理计算机的内存资源，实现内存的分配和回收。
操作系统通过虚拟内存机制，将物理内存抽象成逻辑地址空间，为每个进程提供独立的地址空间。
在存储管理中，操作系统还负责页面置换和页面调度。
页面置换算法用于决定哪些页面从内存中淘汰出去，哪些页面从磁盘中调入内存。
常见的页面置换算法包括FIFO、LRU等。
页面调度算法用于决定哪个进程的页面优先调入内存。
四、文件系统文件系统是操作系统中负责管理和操作磁盘文件的部分。
它提供了用户友好的文件操作接口，包括创建、删除、读取、写入等。
文件系统还负责将文件组织成目录结构，并支持对文件的读取和修改。
操作系统通过文件系统实现对文件的共享和保护。
文件共享使得多个进程可以同时访问同一个文件，实现了数据的共享和协作。
文件保护则通过访问权限控制，确保文件的安全性和隐私性。
五、其他功能除了进程管理、存储管理和文件系统，操作系统还有其他一些功能，如设备管理、网络管理等。
操作系统原理
操作系统原理1. 引言操作系统是计算机系统中的核心软件之一，它负责管理计算机硬件资源，并为用户和应用程序提供统一的接口和环境。
本文将深入讨论操作系统的原理和功能，从进程管理、内存管理、文件系统、输入输出控制等方面展开，以便读者全面了解操作系统的核心概念和机制。
2. 进程管理2.1 进程的概念进程是指计算机中正在运行的程序实例，它包含了程序的代码、数据和控制信息。
操作系统通过进程管理来协调和分配计算机资源，实现程序的运行和交互。
2.2 进程调度进程调度是操作系统根据一定的算法和策略，决定进程的执行顺序和时间片分配的过程。
常见的调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转等，不同的算法适用于不同的场景。
2.3 进程同步与通信进程同步是指操作系统为了保证临界资源的正确共享和访问而采取的一系列机制，如互斥、信号量、事件等。
进程通信则是实现不同进程之间数据交换和协作的方式，如管道、消息队列、共享内存等。
3. 内存管理3.1 内存分配与回收内存管理是操作系统负责分配和回收计算机内存资源的核心功能。
它通过内存管理单元（MMU）将虚拟地址映射到物理地址，实现进程的内存隔离和保护。
3.2 内存管理策略常见的内存管理策略包括固定分区、可变分区、页式存储和段式存储等。
每种策略都有其优缺点，需要根据具体应用场景和需求进行选择。
4. 文件系统4.1 文件的概念与特性文件是操作系统中用于存储和组织数据的基本单位，它具有命名、大小、类型等属性，并以文件系统的方式进行管理。
4.2 文件系统的组成文件系统由目录、文件和文件描述符等组成，目录用于组织文件的层次结构，文件描述符则提供了对文件的访问接口和操作能力。
4.3 文件系统的实现常见的文件系统实现方式包括FAT、NTFS、EXT4等，每种文件系统都有其特定的数据结构和算法，用于实现文件的存储和访问。
5. 输入输出控制5.1 输入输出设备输入输出设备是计算机与外部世界进行交互的接口，包括键盘、显示器、打印机、硬盘等。
计算机操作系统 课件全集
– 顺序性
• 内部顺序性：P1: a1,a2,a3; P2: b1,b2,b3 • 外部顺序性：a1,a2,a3,b1,b2,b3; b1,b2,b3,a1,a2,a3
– 并发性
• 内部并发性：P1: a1,a2,a3; P2: b1,b2,b3 • 外部并发性：a1,b1,b2,a2,a3,b3; b1,b2,a1,b3,a2,a3
操作系统原理 Operating System
第1章 操作系统绪论
• 操作系统的概念 • 操作系统的历史 • 操作系统的特性 • 操作系统的基本类型 • 操作系统的功能 • 计算机硬件简介 • 算法的描述 • 研究操作系统的观点
1.1 操作系统概念
• 操作系统的地位 • 引入操作系统的目的 • 操作系统定义
1.4.6 网络操作系统
建立在宿主操作系统之上，提供网络通讯、网 络资源共享、网络服务的软件包。
host1 NOS1
DOS3 host3
host2 NOS2
Printer
网络操作系统的目标
• 相互通讯
• 资源共享（信息，设备）
• 提供网络服务
– database server
– ftp server
• 2. 脱机输入输出方式
外围机进行联机输入输出处理，通过外 围机的后援存储来实现和主机的连接。速 度快。
• 3. 直接耦合方式
主机和外围机通过一个公共外存直接连 接。速度快，人工不用干预
2.2.3一般用户的输入输出方式
图2.3 直接耦合方式
2.2.3 一般用户的输入输出方式
• 4. SPOOLING系统
本书：
begin end
Repeat 操作 ……
操作系统原理
操作系统原理操作系统是计算机系统中最重要的软件之一，它作为计算机与用户之间的桥梁，承担着管理、调度和协调计算机资源的重要任务。
本文将介绍操作系统的原理及其相关概念，以帮助读者更好地理解操作系统的工作原理。
一、操作系统的定义和作用操作系统是一种控制和管理计算机硬件与软件资源的软件系统，它负责协助用户使用计算机，并管理计算机的各项资源。
操作系统的主要作用包括以下几个方面：1. 资源管理：操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括处理器、内存、磁盘、输入输出设备等，以及对这些资源的分配和调度。
2. 进程管理：操作系统通过进程管理，实现对各个程序的并发执行和协同工作，有效地利用计算机的处理能力。
3. 内存管理：操作系统负责管理计算机的内存资源，包括内存的分配、回收和保护，以提供给程序足够的内存空间。
4. 文件系统：操作系统通过文件系统对外提供了一个统一的文件访问接口，方便用户进行文件的管理和存取。
5. 设备管理：操作系统负责管理计算机的输入输出设备，包括设备的分配、调度和中断处理，以满足多个用户并发访问设备的需求。
二、操作系统的基本原理操作系统的工作原理可以分为以下几个基本原理：1. 并发：操作系统通过实现进程管理和线程管理，使得多个程序可以同时执行，提高了计算机系统的资源利用率和响应速度。
2. 共享：操作系统通过共享机制，实现了不同进程之间的资源共享，提高了计算机系统的效率和灵活性。
3. 虚拟：操作系统通过虚拟机制，为用户提供了一个与物理设备相似的、更方便、更安全的计算环境。
4. 异步：操作系统通过中断机制和事件驱动机制，实现了对不同程序的协调和响应，提高了计算机系统的灵活性和可靠性。
5. 持久性：操作系统通过文件系统和存储管理，实现了数据的持久存储和管理，保证了计算机系统的数据安全性和可靠性。
三、操作系统的分类根据不同的标准，操作系统可以分为以下几类：1. 批处理操作系统：批处理操作系统主要用于处理大规模的批量作业，通过一次性输入多个作业，按顺序执行，提高了计算机系统的资源利用率。
操作系统原理第一章绪论
系统 磁带
输出 磁带
IB M70 94
机打 印
IB M14 01
卫星机 输入磁带
主机 输出磁带 卫星机
1.2 操作系统的历史
（3）监督程序：管理作业的运行，完成作业的过渡。
监督程序
标准输入程序 编译程序 装配程序 标准输入和后处理程序
转
到 输入用户作业程序
调用一些子程序
下 一 编译后的用户作业程序
（2）计算机的工作特点
• 用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率 低；
• CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成 后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；
1.2 操作系统的历史
1、手工操作阶段 （无操作系统）
（3）案例：ENIAC计算机 运算速度：1000次/每秒, 数万个真空管, 占地100平方米
1.2 操作系统的历史
1、手工操作阶段 （无操作系统）
（4）后续发展 50年代早期，出现了穿孔卡片。程序写在卡片上然
后读入计算机，而不用插板，但计算过程则依然如旧。
1.2 操作系统的历史
1、手工操作阶段 （无操作系统）
存在问题： –计算机处理能力的提高与手工操作的低效率 （造成浪费） –用户独占全机的所有资源
操作系统原理 Operating System Principle
第一章
绪论
1.1 操作系统概念
1 、操作系统在计算机系统中的地位
高级语言级 汇编语言级 操作系统机器级 指令系统 微程序机器级 数字逻辑级
软件 硬件
1.1 操作系统概念 2 、计算机系统中的组成
计算机系统 (层次结构)
软件
应用软件 系统软件
《操作系统原理》课程教学大纲
附件1:《操作系统原理》课程教学大纲制定(修订)人: 李灿平、郭亚莎制定(修订)时间: 2006年 7 月所在单位: 信息工程学院一、课程基本信息三、教学内容及基本要求第一章绪论本章简要介绍操作系统的基本概念、功能、分类以及发展历史。
同时讨论研究操作系统的几种观点。
§1.1 操作系统的概念本节介绍操作系统的基本概念，什么是操作系统以及操作系统与硬件软件的关系。
本节重点：操作系统与硬件软件的关系。
本节要求学生理解什么是操作系统，掌握操作系统与硬件软件的关系。
§1.2 操作系统的历史本节按器件工艺介绍操作系统的发展历史。
本节重点：多道程序系统的概念。
本节要求学生了解操作系统的发展历史，理解多道程序系统概念。
§1.3 操作系统的基本类型本节介绍常见的操作系统的类型、特点及适用的对象。
本节重点：批处理操作系统、分时系统、实时系统。
本节要求学生掌握上述三大操作系统的特点及适用对象。
§1.4 操作系统功能本节简单介绍操作系统的五个功能。
处理机管理，存储管理，设备管理，信息管理（文件系统管理）和用户接口。
本节要求学生了解上述功能。
§1.5 计算机硬件简介本节简单介绍计算机硬件系统。
本节要求学生自修。
§1.6 算法的描述本节介绍操作系统管理计算机系统的有关过程所用的描述算法。
本节要求学生掌握本书所采用的描述算法。
§1.7 研究操作系统的几种观点本节介绍研究操作系统的几种观点。
系统管理的观点，用户界面观点和进程管理观点。
本节要求学生了解上述三种观点。
第二章操作系统用户界面本章主要讨论操作系统的两个用户接口，并以UNIX系统为例，简单介绍用户接口的使用操作方法。
§2.1 作业的基本概念本节介绍作业的基本概念，什么是作业及作业组织（结构）。
本节重点：作业的基本概念。
本节要求学生掌握作业的基本概念，了解作业的组织。
§2.2 作业的建立本节介绍作业的几种输入方式和作业的建立过程。
操作系统原理
操作系统原理计算机操作系统是计算机系统中最为重要的组成部分之一。
它扮演着管理和控制计算机系统所有资源的角色，以及为用户提供良好的用户界面和应用程序运行环境。
本文将主要从操作系统的基本概念、操作系统的组成、操作系统的功能、操作系统的分类以及操作系统的发展历程这几个方面来讲述操作系统原理。
一、操作系统的基本概念操作系统是一种可以管理计算机系统，并且管理资源、控制进程、提供用户界面、支持文件和I/O等基本功能的系统软件。
简单来说，它像是计算机系统的中间件，使得计算机系统里的各个硬件和软件间可以互相协调工作。
操作系统有两个核心功能，一是为计算机上的应用程序提供了一个资源管理器，可以管理和控制计算机上的时间片、内存、硬盘、输入设备、输出设备等资源；二是为用户提供了一个友好的用户界面，可以通过与操作系统进行交互来让应用程序工作。
二、操作系统的组成1. 内核（Kernel）操作系统内核是操作系统最为重要的组成部分。
内核也被成为操作系统的“核心”，主要负责管理和控制计算机系统所有资源，例如硬件设备、文件、进程和内存等。
内核还有两个重要的部分：系统调用（System call）和驱动程序（Driver）。
系统调用是操作系统提供给用户程序访问操作系统内核的接口，使得上层程序可以像下层程序一样来请求系统内核的服务。
驱动程序是操作系统管理硬件设备的一个重要组成部分，驱动程序可以直接与硬件设备进行通信，提供硬件操作的接口，并且将底层硬件操作的命令翻译成操作系统能够理解的命令进行执行。
2. 进程管理进程（Process）是指正在运行的一个程序。
进程管理主要负责进程的管理和控制，包括进程的创建、调度、撤销和状态转换等。
单任务操作系统只允许一个进程运行，而多任务操作系统可以运行多个进程。
每个进程有独立的系统资源分配和完全的运行环境。
3. 内存管理内存管理主要负责计算机的内存资源的调配和回收，并且还可以提供虚拟内存系统来扩展计算机的内存。
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available for execution
Job Control Language (JCL)
Special type of programming language Provides instruction to the monitor
第一章 绪论
计算机系统的层次结构 操作系统的演化 操作系统的功能和特点 操作系统的类型 操作系统的服务接口 操作系统的硬件基础 操作系统应解决的问题 操作系统举例
重点
计算机系统的层次结构 操作系统在计算机系统中
的作用和功能 各类操作系统的特点
一．计算机系统的层次结构
机器语言与机器指令
机器指令
面向目标机器，最终可执行 机器指令格式： <OPCODE> {<OPERAND>}
编制机器指令程序：机器指令的序列 机器指令程序装入内存 指定起始指令，运行程序 处理器自动执行程序
计算机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ手工操作方式
开关表示，按钮控制，亮灯显示
开关置内存地址，按’装入地址’按钮
[LABEL]<OPCODE> {<OPERAND>,…}
汇编语言源程序：汇编语句的序列 汇编程序 面向目标机器，经汇编后方可执行
引入汇编语言后的计算机控制
汇编过程和程序执行
汇编程序
汇编语言程序
计算机
目标代码
目标代码
数据
计算机
运行结果
二、操作系统的演化
Serial Processing Simple Batch Systems Multi-programmed Batch Systems Time-Sharing Systems
430 450
Multi-programming …
JOB1
JOB2
Type of job
Heavy compute Heavy I/O
Duration
5 min.
15 min.
Memory required 50K
100 K
Need disk?
No
No
Need terminal No
Yes
Need printer? No
计算机操作特征
成批控制程序的执行与输入输出 作业控制卡与作业控制语言 操作员与程序员的分离 资源管理程序和磁带文件系统的引入
联机批处理系统
Monitors
Software that controls the running programs
Batch jobs together Program branches back to monitor when
多道程序设计
2、共享性（sharing）
共享：多个任务共同使用系统资源。
共享是现代计算机系统的一个最大特点，操作系统的 一个主要目标就是要使各种系统能有效地被共享、最 大限度的提高系统效率，由于共享的实质是并发共享。 故关键仍是在于并发性
3、不确定性（nondeterminacy）
操作系统面对的是不确定的事件，而这些事件发生的 时间和次序是不可预测的。
No operating system Machines run from a console with
display lights and toggle switches, input device, and printer Schedule: one by one Setup: included loading the compiler, source program, saving compiled program, and loading and linking
计算机操作系统
东华大学计算机科学与技术学院 主讲：李继云
教学要求
通过本课程的学习,使学生掌握操作系统 的基本概念、原理、技术和方法; 能用程 序设计语言编写和调试运行操作系统的 主要算法和功能模块;深入了解操作系统 在计算机系统中的地位及作用, 以及它与 硬件和其它软件之间的关系;进而了解操 作系统控制整个计算机系统执行的全过 程,具有操作系统的整体概念。
开关置机器指令，按’装入数据’按钮
开关置程序始址，按’运行’按钮
装入程序的引进
装入程序(Loader)
自动化执行程序装入，必要时进行地址转换 通常存放在ROM中
机器 语言 程序
装入 程序
内存 储器
汇编语言
汇编语言：机器语言的符号化 汇编语句形式：符号化的字符串 汇编语句格式：
what compiler to use what data to use
Hardware Features
Memory protection
do not allow the memory area containing the monitor to be altered
Timer
Simple Batch Systems
第二代计算机的出现，手工操作的效率 问题日益突出
脱机批处理系统
第一代计算机(卫星机)从纸带或卡片机成 批输入作业到磁带
第二代计算机从磁带成批的执行作业，并 把输出结果保存到磁带
第一代计算机(卫星机)成批的输出作业结 果到打印机
Simple Batch Systems…
多道程序设计是指让多个程序同时进入 计算机的主存储器进行计算
多道程序设计的特点
CPU与外部设备充分并行 外部设备之间充分并行 发挥CPU的使用效率 提高单位时间的算题量
Multi-programming …
处理器的管理和调度 主存储器的管理和调度 其他资源的管理和调度
interrupts
二、操作系统的演化
Serial Processing Simple Batch Systems Multi-programmed Batch Systems Time-Sharing Systems
操作系统出现前的问题
计算机硬件性能的不断提高导致CPU速 度与I/O速度不匹配的矛盾日益突出
操作系统的形成
磁盘的出现为操作系统形成奠定了基础 操作系统给资源管理和操作自动化带来了
革命性的变化：
实现了计算机操作过程的自动化 资源管理水平有了很大提高 提供虚存管理功能 支持分时操作 文件管理功能有改进，数据库系统出现 多道程序设计趋于完善
No
JOB3 Heavy I/O 10 min. 80 K Yes No Yes
Effects of Multiprogramming
Uniprogramming
Processor use
22%
Memory use
30%
Disk use
33%
Printer use
33%
Elapsed time
30 min.
When one job needs to wait for I/O, the processor can switch to the other job
Multi-programming
Multi-programming
单道算题工作
时间
78 130150
228 280 300
输入机
处理器
磁带机
378 430 450
处理器利用率：52/(78+52+20)≈35%
Multi-programming …
两道程序同时工作
时 间 20 62 78 130 150170 228 280 300320 378 输入机 处理器 磁带机 磁带机 打印机
处理器利用率： (52+42)/(78+52+20)≈63%
prevents a job from monopolizing the system
Privileged instructions
Certain instructions are designated privileged and can be executed only by the monitor
参考书目（一）
1、 Operating Systems Internals and Design Principles,William Stalling (Third edition)1998 PrenticeHall International , Inc.
2、 Operating System Concepts ,Abraham Silberschatz Bell Labs , Peter Baer Galvin Cor. Tech. Inc. (Fifth edition) 1997 , John Wiley&Sons, Inc.
操作系统出现前的问题…
通过程序来控制内存中多道程序的执行在理 论上是可行的
调度程序：必须引入调度功能 程序切换和中断：占有CPU运行的程序可以被打
断，且在以后适当时候能够被恢复运行 资源分配与保护
效率是导致管理程序不能全自动控制计算机 系统运行的根本原因
磁盘的出现：操作系统出现的基础
只有让多道程序同时进入内存争抢CPU 运行才能够使得CPU和外围设备充分并 行，从而提高计算机系统的使用效率
Uni-programming
Processor must wait for I/O instruction to complete before preceding
Multi-programming
多道程序设计
由于多道程序的引入，给操作系统带来了许多复杂问 题。