1操作系统引论
操作系统引论
第一章操作系统引论●什么是操作系统?操作系统：是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。
1)OS是什么：是系统软件（一整套程序组成，如UNIX由上千个模块组成）2)管什么：控制和管理系统资源（记录和调度）●操作系统的主要功能?操作系统的功能：存储器管理、处理机管理、设备管理、文件管理、用户接口管理1.存储器管理：内存分配，地址映射，内存保护和内存扩充2.处理机管理：作业和进程调度，进程控制和进程通信3.设备管理：缓冲区管理，设备分配，设备驱动和设备无关性4.文件管理：文件存储空间的管理，文件操作的一般管理，目录管理，文件的读写管理和存取控制5.用户接口：命令界面，程序界面，图形界面●操作系统的地位操作系统是裸机之上的第一层软件，是建立其他所有软件的基础。
它是整个系统的控制管理中心，既管硬件，又管软件，它为其它软件提供运行环境。
●操作系统的发展历程1.最初是手工操作阶段，需要人工干预，有严重的缺点，此时尚未形成操作系统2.早期批处理分为联机和脱机两类，其主要区别在与I/O是否受主机控制3.多道批处理系统中允许多道程序并发执行，与单道批处理系统相比有质的飞跃●操作系统的基本特征？操作系统基本特征：并发，共享和异步性。
1. 并发：并发性是指两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。
2. 共享：共享是指计算机系统中的资源被多个任务所共用。
3. .异步性：每个程序什么时候执行，向前推进速度快慢，是由执行的现场所决定。
但同一程序在相同的初始数据下，无论何时运行都应获得同样的结果。
●操作系统的主要类型？多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络系统和分布式系统1.多道批处理系统1)批处理系统的特点：多道、成批2)批处理系统的优点：资源利用率高、系统吞吐量大3)批处理系统的缺点：等待时间长、没有交互能力2.分时系统1)分时：指若干并发程序对CPU时间的共享。
操作系统_第一章 操作系统引论
操作系统_第一章操作系统引论在我们日常使用的电脑和各种智能设备中，操作系统扮演着至关重要的角色。
它就像是一个幕后的大管家，默默地协调着硬件和软件的资源，为我们提供了一个稳定、高效、便捷的计算环境。
那么，操作系统到底是什么？它是如何工作的？又有哪些重要的功能和特点呢？让我们一起来揭开操作系统的神秘面纱。
首先，我们来谈谈操作系统的定义。
简单来说，操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
它负责控制和管理计算机的硬件设备，如处理器、内存、硬盘、输入输出设备等，同时为应用程序提供一个稳定、安全、高效的运行环境。
操作系统的主要功能可以概括为以下几个方面：进程管理是操作系统的核心功能之一。
在计算机中，多个程序可以同时运行，而操作系统需要合理地分配处理器资源，让每个程序都能得到适当的执行时间。
它通过进程调度算法，决定哪个进程先执行，哪个进程后执行，以及如何在多个进程之间切换，以确保系统的高效运行。
内存管理也至关重要。
计算机的内存是有限的，而操作系统需要合理地分配和管理内存空间，确保每个程序都能得到所需的内存，并且避免内存泄漏和内存冲突等问题。
它采用了虚拟内存技术，让程序看起来拥有比实际物理内存更大的内存空间。
文件管理是操作系统的另一个重要功能。
它负责管理计算机中的文件和目录，包括文件的创建、删除、读取、写入、存储等操作。
通过文件系统，我们可以方便地组织和管理数据，并且可以对文件进行权限设置，保护数据的安全性。
设备管理则负责管理计算机的各种输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。
操作系统需要为设备驱动程序提供接口，使得设备能够正常工作，并且能够处理设备的中断和错误情况。
除了以上这些功能，操作系统还提供了用户接口，让用户能够方便地与计算机进行交互。
比如，图形用户界面（GUI）让我们可以通过点击图标和菜单来操作计算机，而命令行界面则适合那些熟悉计算机命令的用户。
接下来，让我们了解一下操作系统的分类。
操作系统引论
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 1.2 OS作为接口的示意图
(1) 命令接口。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) 程序接口。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。
(1) 用户独占全机。 (2) CPU等待人工操作。
2.脱机输入/输出(Off-Line I/O)
这种脱机I/O方式的主要优点如下: 减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。
输 入设 备
图
外 围机
1.3 I/O
脱
机
主机
示 意 图
外 围机
磁盘 输 出设 备
1.2.2 单道批处理系统
1.单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程
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(1946年)到50年代中期的计算机，属 于第一代，这时还未出现OS。这时的计算机操作是由用户(即 程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程 序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸 带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算 机， 然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点:
3. OS
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。如果我们又在第一层软件上再覆 盖上一层文件管理软件, 则用户可利用该软件提供的文件存 取命令, 来进行文件的存取。此时, 用户所看到的是一台功能 更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面 向用户的窗口软件, 则用户便可在窗口环境下方便地使用计 算机, 形成一台功能更强的虚机器。
计算机操作系统题库及答案
第一章操作系统引论一．选择题1．操作系统是一种。
A．通用软件B．系统软件C．应用软件D．软件包答：B2．操作系统的管理部分负责对进程进行调度。
A．主存储器B．控制器C．运算器D．处理机答：D3．操作系统是对进行管理的软件。
A．软件B．硬件C．计算机资源D．应用程序答：C4．从用户的观点看，操作系统是。
A．用户与计算机之间的接口B．控制和管理计算机资源的软件C．合理地组织计算机工作流程的软件D．由若干层次的程序按一定的结构组成答：A5．操作系统的功能是进行处理机管理、管理、设备管理及信息管理。
A．进程 B. 存储器C．硬件 D. 软件答：B6．操作系统中采用多道程序设计技术提高CPU和外部设备的。
A．利用率B．可靠性C．稳定性D．兼容性答：A7．操作系统是现代计算机系统不可缺少的组成部分，是为了提高计算机的和方便用户使用计算机而配备的一种系统软件。
A．速度B．利用率C. 灵活性D．兼容性答：B8．操作系统的基本类型主要有。
A．批处理系统、分时系统及多任务系统B．实时操作系统、批处理操作系统及分时操作系统C．单用户系统、多用户系统及批处理系统D．实时系统、分时系统和多用户系统答：B9．所谓是指将一个以上的作业放入主存，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理机的时间和外围设备等其他资源。
A. 多重处理B．多道程序设计C. 实时处理D. 共行执行答：B10. 下面关于操作系统的叙述中正确的是。
A．批处理作业必须具有作业控制信息。
B．分时系统不一定都具有人机交互功能。
C．从响应时间的角度看，实时系统与分时系统差不多。
D．由于采用了分时技术，用户可以独占计算机的资源．答：A11. 如果分时操作系统的时间片一定，那么，则响应时间越长。
A．用户数少B．用户数越多C．内存越少D．内存越多答：B12．实时操作系统必须在内完成来自外部的事件。
A. 响应时间B．周转时间C．规定时间D．调度时间答：C13．分时系统中为了使多个用户能够同时与系统交互，最关键的问题是。
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第一章 操作系统引论
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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第一章 操作系统引论
(1) 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令接口， 以允许用户通过键盘输入有关命令来取得操作系统的服务， 并控制用户程序的运行。
(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，来实现与操作系统 的通信，并取得它的服务。
• 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
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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。 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是OS作为接口的示意图。由 图可看出，用户可通过以下三种方式使用计算机。
1．人工操作方式
从第一台计算机诞生(1945年)到20世纪50年代中期的计算
机，属于第一代计算机。此时的计算机是利用成千上万个真
空管做成的，它的运行速度仅为每秒数千次，但体积却十分
庞大，且功耗也非常高。这时还未出现OS。计算机操作是由
用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，
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第一章 操作系统引论
3．可扩充性
随着VLSI技术和计算机技术的迅速发展，计算机硬件 和体系结构也随之得到迅速发展，相应地，它们也对OS提 出了更高的功能和性能要求。此外，多处理机系统、计算机 网络，特别是Internet的发展，又对OS提出了一系列更新的 要求。因此，OS必须具有很好的可扩充性，方能适应计算 机硬件、体系结构以及应用发展的要求。这就是说，现代 OS应采用新的OS结构，如微内核结构和客户服务器模式， 以便于方便地增加新的功能和模块，并能修改老的功能和模 块。关于新的OS结构将在本章最后一节中介绍。
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
行，而无需人工干预。
(2) 顺序性。磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各 道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同。 (3) 单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每 次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或
发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。
操作系统原理——操作系统引论
操作系统原理——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
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图1-4 单道批处理系统的处理流程
操作系统原理——操作系统引论
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2．单道批处理系统的特征 (1) 自动性。磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运
位。从而推动了OS的功能和性能也迅速增强和提高。
操作系统原理——操作系统引论
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4．计算机体系结构的不断发展
计算机体系结构的发展，也不断推动着OS的发展并产 生新的操作系统类型。 (1) 由单处理机系统发展为多处理机系统时，OS就由 单处理机OS发展为多处理机OS。
(2) 计算机网络出现后，网络OS应运而生，它不仅能
操作系统原理——操作系统引论
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第1章 操作系统引论
•课堂教学 •课后复习 •习题作业 •学习参考
操作系统原理——操作系统引论
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课堂教学
1.1 操作系统的目标和作用
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 操作系统的结构设计
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(3) 图形、窗口方式。允许用户通过屏幕上的窗口和
图标来实现与OS的通信，并取得它的服务。
操作系统原理——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。
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合肥工业大学操作系统课程组 2014
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The Operating System Zoo
UNIX family
WINDOWS family
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UNIX family
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WINDOWS family
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1.5.3 微内核操作系统结构
微内核技术 指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，比 一般的OS更小更精炼，运行在核心态且开机后常驻内存， 不会因为内存紧张而被换出内存 微内核 并非一个完整的OS，只是为 构建通用OS提供重要基础。 具备最基本的功能: 进程管理、存储器管理、进 程通信管理、I/O设备管理
在多道程序环境下，指在一段时间内，宏观上有多个 程序在同时运行 但在单处理机系统中，每一时刻仅能有一道程序运行。 微观上这些程序只能是分时的交替执行。
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共享(Sharing)
共享 指多个计算任务（或多道程序）对系统资源共同使用。 资源共享方式 互斥共享方式：如打印机 同时访问方式：如磁盘、内存
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1.2 OS的发展过程
合肥工业大学操作系统课程组 2014
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1.2.1 无操作系统时代
1940年代，现代计算机系统，冯· 诺依曼 结构计算机出现。 还未形成软件概念。
IBM701
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1.2.1 无操作系统时代
计算机专注于同一时间服务one user/programmer. 由程序员人工的装载程序, 使用console切换. 使用console 进 行Debugging. 优点: Interactive (user gets immediate response) 缺点:
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虚拟(Virtual)
虚拟 指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。 物理实体是实际存在的，“虚拟”物是用户感觉的东西。 实例 操作系统中利用了多种虚拟技术，分别实现虚拟处理机、虚 拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。
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计算机操作系统
Operating Systems
田卫东
March, 2014
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参考文献
计算机操作系统 汤子瀛等 西安电子科技大学出版社 现代操作系统 陈向群等译 机械工业出版社 Windows操作系统原理 机械工业出版社 操作系统教程 王素华 人民邮电出版社 计算机操作系统教程 张尧学 史美林 清华大学出版社 Modern Operating System Andrew S.Tanenbaum 计算机科学与技术专业软件系列课程实践教材 合肥工业 大学出版社
1.2.3 分时操作系统
分时系统的关键问题
及时接收与及时处理
分时处理技术
分时操作系统的特点
多路性：众多联机用户可以同时使用同一台计算机；
独立性：各终端用户感觉到自己独占了计算机； 及时性：用户的请求能在很短时间内得到响应； 交互性：用户与计算机之间可进行“会话” 。
实时系统诞生背景 60年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防 空系统、信息处理等，在这些应用中不但要解决计算间题， 还要求在规定的时间内完成计算，即实时处理。在实时处理 中的一个核心的问题就是响应时间问题。
实时操作系统 实时操作系统是又一种类型的操作系统，对外部的请求，实 时操作系统能够在规定的时间内处理完毕。
System Calls Shell
fork(), read(), write(), etc
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1.5.3 微内核操作系统结构
微内核操作系统 20世纪90年代发展起来。能有效地支持多处理机运行， 非常适用于分布式系统环境。当前能支持多处理机运行 的OS，几乎都采用该结构。
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第1章 操作系统引论
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什么是操作系统？
操作系统的定义 操作系统是一组管理和控制计算机软件和硬件资源，合 理组织计算机系统工作流程，以及方便用户使用的软件 集合。 操作系统定义的核心 管理和控制计算机软件和营建资源； 合理组织计算机系统工作流程； 方便用户使用；
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异步性(Asynchronism)
异步性
在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但只有 进程在获得所需的资源后方能执行。
由于资源等因素的限制，使得进程的执行通常都不是 “一气呵成”的，而是“停停走走”。
进程是以人们不可预知的速度向前推进，即进程“异 步性”。
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1.2.2 批处理操作系统(Batching OS)
(1) 单道批处理系统 用户/程序员提交一套描述需要完成任务的卡片.
由不同用户提交的多个任务由常驻的监控程序排队. 可使用磁带完成批量输入和spooling输出.
优点: Computer system is kept busier. 缺点: 没有交互; 长周转时间. 在进行任务I/O时CPU 仍然 idle. 特点：
(2) 多道程序设计技术 同时在内存中驻留多道程序，从而提高系统的整体资源利用率。
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1.2.2 批处理操作系统
(3) 多道批处理系统
用户/程序员提交一套描述需要完成任务的卡片.
由不同用户提交的多个任务同时常驻主存运行。
可使用磁带完成批量输入和spooling输出. 优点:
分时系统 一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使 用和控制计算机，一台计算机连接多个终端的计算机系统称为 分时系统。 分时技术 把处理机的响应时间分成大小相等（或不相等）的时间片，所 有终端用户依次轮流获得一个时间片，可以运行程序，当时间 合肥工业大学操作系统课程组 2014 15 片用完，则暂停运行，等待下一次运行。
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1.5 操作系统结构 1.5.1 模块化操作系统结构
操操操操
模块
操操操操 操操操操操 操操操操
子模块
操操操操 操操操操 操操操操 操操操操 操操操操 操操操操
模块化操作系统结构
优缺点： 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性 增加了OS的可适应性 加速了OS的开发过程 结构划分和接口设计困难
因为人工操作慢，昂贵的机器在大多数时间内处于空闲 状态. Programming 和debugging 都很枯燥. 程序必须包含操纵外设的代码-- error prone, 设备相关性.
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1.2.2 批处理操作系统
什么是批处理系统 是指加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计 算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。 特点 系统吞吐量大; 资源利用率高; 平均周转时间长; 无交互能力;
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1.4 操作系统的主要功能
从资源管理和用户接口的角度看操作系统的功能 处理机管理功能 存储器管理功能 设备管理功能 文件管理功能 用户接口功能 命令接口， 图形接口，程序接口 进程控制 内存分配 文件存储空间的管理 进程同步 内存保护 目录管理 进程通信 地址映射 文件的读写管理和操作 内存扩充 调度 缓冲管理，设备分配，设备处理 合肥工业大学操作系统课程组 2014
合肥工业大学操作系统课程组 2014
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1.5.2 分层式操作系统结构
Application Programs
Games
Simulators
User Packages
OS层次划分,要考虑 以下因素： 程序嵌套 运行频率 公用模块 用户接口
Kernel Hardware
vi, w, who, ls sh, ksh, bash, cat, sed, lex, yacc, etc.
自动性、顺序性、单道性
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单道批处理系统
早期批处理系统
卡 片 阅 读 机
卡片 磁带机 打 印 机
IBM 1401
IBM 7094
IBM 1401
输入磁带
输出磁带
Operating System
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1.2.2 批处理操作系统
Applications
Library Calls
System Libraries
OS Kernel
Kernel Calls Machine Instructions
Hardware
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本章习题
P25(修订版教材):
1、2、5、9、16
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1.2.4 实时操作系统(real-time OS)
实时操作系统特点 实时性：指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做 出反映。要求毫秒、微秒级 高可靠性和安全性：效率则放在第二位； 系统整体性强 不要求很强的“会话”能力。 代表性系统 WinCE, 嵌入式Linux, ucOSII, VxWorks