操作系统zxj-1操作系统引论
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第1章 操作系统引论
• 具有独占属性的物理设备或一些数据结构都属于临
界资源 • 对临界资源必须互斥地使用
2.同时访问方式
• 具有共享属性的物理设备或可重入码可同时
访问
• 宏观上的同时访问，微观上仍是交替访问的
并发和共享互为存在条件，是 OS 最基本
的特征：资源共享以进程并发为前提；协
调好并发进程对共享资源的访问，才能保证
1.2.3 多道批处理系统
1.基本概念
多道 内存中同时存放多道相互独立的程序 多道程序设计 在内存中同时存放若干道已开始运行且尚 未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的 各种硬、软资源，从而使处理机得到充分利用 多道批处理系统 在批处理中采用多道程序设计技术
2.为何引入
提高CPU的利用率 提高内存和设备的利用率 增加系统吞吐量
1）虚拟磁盘技术：通过虚拟磁盘技术将一个 硬盘虚拟为多个硬盘； 2）虚拟存储器技术：利用虚拟存储器技术从 逻辑上扩充物理存储器的容量。
1.3.4 异步性
异步环境：指各并发进程执行起始时间的随机性
和执行速度的独立性
直接制约： 一组异步环境下的并发进程，各自的
执行结果互为对方的执行条件，从而限制各进程执行
I/O软件 物理接口 硬件
屏蔽设备的操作细节，
为用户提供了一组抽象
的I/O设备。
OS是对裸机的首次扩充，加了OS的机器成为虚拟机
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的利用率 2.方便用户
3.器件的不断更新换代
4.体系结构的不断发展
1.2 操作系统的发展过程
操作系统的四个发展阶段
脱机输入技术
为解决低速输入设备与CPU速度不匹配 的问题，可将用户程序和数据，在一台外围 计算机的控制下，预先从低速输入设备输入 到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时， 再直接从磁带机高速输入到内存，从而大 大加快了程序的输入过程，减少了CPU等待 输入的时间
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-操作系统引论
概念 多道：系统中同时驻留多个作业
多道程序设计优点 提高CPU利用率（图1-5） 提高内存和I/O设备利用率 增加了系统吞吐量
特征 多道性、宏观上并行、 微观上串行
多道批处理优点 资源利用率高、系统吞吐率大
缺点 平均周转时间长、无交互能力（怎么办？？）
第一章 操作系统引论
图1－5
第一章 操作系统引论
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
（第一代计算机）
1. 人工操作方式
如纸带输入机 特点：无任何软件、独占性、独占性、 串行性
缺点： (1) 用户独占全机 (2) CPU等待人工操作
第一章 操作系统引论
1.2.1 无操作系统的计算机系统
人工操作方式缺点：
机器 速度
作业在机器上 人工操 计算所需时间 作时间
1万次/秒 1小时 60万次/秒 1分钟
3分钟 3分钟
操作时间与机器 有效运行时间之比
1 ：20 3 ：1
导致人机矛盾、CPU和I/O设备速度不匹配
第一章 操作系统引论 2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式
引入I/O机的概念，解 决CPU和I/O设备
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 1.2 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
第一章 操作系统引论
教学目的： 掌握操作系统的定义及其基本特性、主
要功能 了解操作系统的发展历史和几种类型的
操作系统 教学难重点： 操作系统的定义 操作系统的基本特征 OS结构设计
操作 文件管理：文件存取、共享和保护
多道程序设计优点 提高CPU利用率（图1-5） 提高内存和I/O设备利用率 增加了系统吞吐量
特征 多道性、宏观上并行、 微观上串行
多道批处理优点 资源利用率高、系统吞吐率大
缺点 平均周转时间长、无交互能力（怎么办？？）
第一章 操作系统引论
图1－5
第一章 操作系统引论
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
（第一代计算机）
1. 人工操作方式
如纸带输入机 特点：无任何软件、独占性、独占性、 串行性
缺点： (1) 用户独占全机 (2) CPU等待人工操作
第一章 操作系统引论
1.2.1 无操作系统的计算机系统
人工操作方式缺点：
机器 速度
作业在机器上 人工操 计算所需时间 作时间
1万次/秒 1小时 60万次/秒 1分钟
3分钟 3分钟
操作时间与机器 有效运行时间之比
1 ：20 3 ：1
导致人机矛盾、CPU和I/O设备速度不匹配
第一章 操作系统引论 2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式
引入I/O机的概念，解 决CPU和I/O设备
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 1.2 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
第一章 操作系统引论
教学目的： 掌握操作系统的定义及其基本特性、主
要功能 了解操作系统的发展历史和几种类型的
操作系统 教学难重点： 操作系统的定义 操作系统的基本特征 OS结构设计
操作 文件管理：文件存取、共享和保护
计算机操作系统第一章+操作系统引论
设备驱动程序与操作系统的关系
设备驱动程序是操作系统的重要组成部分，它负责与硬件交互，实现设备的控制和管理 功能。同时，设备驱动程序也依赖于操作系统的内核提供的接口和功能。
03 操作系统的结构 与组成
操作系统的结构
层次结构
操作系统可以按照功能和抽象程度的不同，自底向上分为多个层 次。
微内核结构
将操作系统的核心功能模块化，每个模块都是一个独立的进程，通 过消息传递进行通信。
操作系统可靠性保障措施
容错技术
容错技术用于提高操作系统的可靠性，通 过在系统中引入冗余资源来保证系统在出
现故障时仍能正常运行。
入侵检测与防御技术
入侵检测与防御技术用于实时监测和防御 针对操作系统的攻击，保护系统的安全性
。
备份与恢复技术
备份与恢复技术用于在系统出现故障或数 据丢失时恢复系统和数据，保证系统的可 用性。
05 操作系统的性能 评价与优化
操作系统的性能评价
01
响应时间
用户从发出请求到接收到响应所 经过的时间，是评价操作系统性 能的重要指标之一。
吞吐量
02
03
资源利用率
单位时间内系统处理的作业数或 事件数，反映了系统的处理能力 。
系统中各种资源的使用情况，包 括CPU、内存、磁盘等，反映了 系统的资源利用效率。
操作系统负责创建、调度和终止进程，以 及处理进程之间的并发和同步问题。
内存管理
文件系统
操作系统负责管理计算机的内存空间，包 括内存的分配、回收、保护等。
பைடு நூலகம்
操作系统提供文件存储和访问的功能，包 括文件的创建、删除、修改、查找等。
操作系统的服务
系统调用
操作系统提供了一组系统调用接口，供 应用程序使用，以请求操作系统提供服
设备驱动程序是操作系统的重要组成部分，它负责与硬件交互，实现设备的控制和管理 功能。同时，设备驱动程序也依赖于操作系统的内核提供的接口和功能。
03 操作系统的结构 与组成
操作系统的结构
层次结构
操作系统可以按照功能和抽象程度的不同，自底向上分为多个层 次。
微内核结构
将操作系统的核心功能模块化，每个模块都是一个独立的进程，通 过消息传递进行通信。
操作系统可靠性保障措施
容错技术
容错技术用于提高操作系统的可靠性，通 过在系统中引入冗余资源来保证系统在出
现故障时仍能正常运行。
入侵检测与防御技术
入侵检测与防御技术用于实时监测和防御 针对操作系统的攻击，保护系统的安全性
。
备份与恢复技术
备份与恢复技术用于在系统出现故障或数 据丢失时恢复系统和数据，保证系统的可 用性。
05 操作系统的性能 评价与优化
操作系统的性能评价
01
响应时间
用户从发出请求到接收到响应所 经过的时间，是评价操作系统性 能的重要指标之一。
吞吐量
02
03
资源利用率
单位时间内系统处理的作业数或 事件数，反映了系统的处理能力 。
系统中各种资源的使用情况，包 括CPU、内存、磁盘等，反映了 系统的资源利用效率。
操作系统负责创建、调度和终止进程，以 及处理进程之间的并发和同步问题。
内存管理
文件系统
操作系统负责管理计算机的内存空间，包 括内存的分配、回收、保护等。
பைடு நூலகம்
操作系统提供文件存储和访问的功能，包 括文件的创建、删除、修改、查找等。
操作系统的服务
系统调用
操作系统提供了一组系统调用接口，供 应用程序使用，以请求操作系统提供服
第一章 操作系统引论
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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
操作系统引论
第一章 操作系统引论 (1) 提高系统资源利用率。在未配置 OS 的计算机系统中， 诸如 CPU 、 I/O 设备等各种资源，都会因它们经常处于空闲状 态而得不到充分利用；内存及外存中所存放的数据太少或者 无序而浪费了大量的存储空间。配置了 OS 之后，可使 CPU 和 I/O设备由于能保持忙碌状态而得到有效的利用，且可使内存 和外存中存放的数据因有序而节省了存储空间。
图1-1 OS作为接口的示意图
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。 (3) 图形、窗口方式。这是当前使用最为方便、最为广泛
的管理，即：
处理机管理，用于分配和控制处理机； 存储器管理，主要负责内存的分配与回收； I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵； 文件管理，负责文件的存取、共享和保护。 可见，OS的确是计算机系统资源的管理者。事实上，当 今世界上广为流行的一个关于OS作用的观点，正是把OS作为 计算机系统的资源管理者。
的接口，它允许用户通过屏幕上的窗口和图标来实现与操作
系统的通信，并取得它的服务。
第一章 操作系统引论 2．OS作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软
件资源。归纳起来可将资源分为四类：
处理器 存储器 I/O设备 信息(数据和程序)。
第一章 操作系统引论 2．OS作为计算机系统资源的管理者 相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效
第一章 操作系统引论 (2) 提高系统的吞吐量。 计算机的吞吐量： 计算机系统的吞吐量是指流入，处理和流出系统的信息 的速率。 信息能够多快地输入内存 CPU能够多快地取指令 数据能够多快地从内存取出或存入 所得结果能够多快地从内存送给一台外围设备 这些步骤中的每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量 主要取决于主存的存取周期。 操作系统还可以通过合理地组织计算机的工作流程，而 进一步改善资源的利用率，加速程序的运行，缩短程序的运 行周期，从而提高系统的吞吐量。
1操作系统 - 操作系统引论
操作系统定义：是一组控制和管理计算机硬件和软
件资源，合理地组织计算工作流程，以及方便用户 使用的程序集合。
17
1.2操作系统的发展过程
1.2.4 分时系统（分享处理器时间） 分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器 和键盘的终端，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。 分时系统的产生 • 人机交互：随时修改程序 • 共享主机：共享而透明 • 便于用户上机：远程的传输 分时系统实现中的关键问题 • 及时接收和及时处理：直接进入内存，时间片 分时系统的特征 • 多路性、独立性、及时性和交互性。
3
1.1操作系统的目标和作用
1.1.2操作系统的作用
1、作为用户与计算机硬件系统之间的接口 2、作为计算机系统资源的管理者 3、实现对计算机资源的抽象
4
1.1操作系统的目标和作用
1.1.2操作系统的作用 1、作为用户与计算机硬件系统之间的接口 • 命令方式 用 户 • 系统调用方式 • 图形、窗口方式 应用程序 系统调用 命令 图标、窗口 操作系统 计算机硬件
(b ) 四 道 程 序 运 行 情 况
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1.2操作系统的发展过程
1.2.3多道批处理系统
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
操作系统的形成:
为解决上述问题，在多道程序系统中增设一组软件 以有效加以解决，同时增设方便用户使用计算机的 软件，这样便形成了操作系统。
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1.5操作系统的结构设计
1.5.1传统的操作系统结构 2、模块化结构OS • OS是采用“模块化程序设计”技术，按其功能划分 为若干个独立的模块，管理相应的功能，同时规定好 各模块之间的接口，以实现其交互，对较大模块又可 按子功能进一步细分下去。 • 优点 – 提高了OS设计的正确性，可理解性和可维护性 – 加速了OS的开发过程 • 缺点： – 模块及接口划分较困难