计算机操作系统教程(机类本科)第1章
计算机操作系统第一章
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涉及到计算机科学的很多领域 计算机体系结构/硬件 软件设计 程序设计语言 数据结构 算法 网络 学习核心技术并能在其他地方应用之
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操作系统的工作
（1）程序的执行 负责启动每个程序， 以及结束程序的工作 （2）完成与硬件有关的工作 （3）完成与应用无关的工作 易于使用，基本服务，统一性 （4）计算机系统的效率与安全问题
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(3)提供输入输出的便利，简化用户的输入
输出工作。
(4)规定用户的接口，以及发现并处理各种 错误的发生。
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本章主要目录
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10
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操作系统的目标、作用和模型 操作系统的形成和发展 操作系统的特征和服务 操作系统的功能 操作系统的进一步发展 操作系统的结构 设计 Unix和Linux 总结 作业 典型问题分析和实战练习
库系统、计算机网络等课打下基础。
操作系统有如下的特点：内容庞杂、涉及面广。
它在计算机系统中处于裸机于应用层之间，对下直
接与硬件接口相连，对上要提供简单、方便的用户 界面。操作系统的实践性强。操作系统的概念在实 际操作系统中体现。
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本课程学习的主要问题
操作系统是干什么的？ 操作系统是如何干的？ 不是教你如何使用windows,也不是学习完本课程 后就可以设计一个复杂操作系统了。 本学期主要学习前七章，重点2、3、4、5、6章。
《计算机操作系统》第1章 操作系统概述
《计算机操作系统》第1章操作系统概述在我们日常使用计算机的过程中，操作系统是那个默默工作却至关重要的幕后英雄。
它就像是一个大管家，有条不紊地管理着计算机的各种资源，让我们能够方便、高效地完成各种任务。
那么，究竟什么是操作系统呢？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。
它负责控制和协调计算机系统中各个部件的工作，为用户和应用程序提供一个方便、安全、高效的工作环境。
从最直观的角度来看，当我们打开计算机，首先映入眼帘的那个界面，比如 Windows 系统的桌面、Mac 系统的 Finder 等，就是操作系统为我们呈现的。
通过这个界面，我们可以启动各种应用程序，如浏览器、办公软件、游戏等。
而在这背后，操作系统在默默地做着大量的工作。
操作系统的主要功能可以概括为以下几个方面：首先是处理器管理。
计算机的中央处理器（CPU）是其核心部件，但在同一时间内，只能执行一个程序。
操作系统通过合理地分配 CPU 时间，让多个程序能够并发执行，从而提高计算机的利用率。
这就好像是一个调度员，安排不同的任务在合适的时间使用 CPU 资源。
其次是内存管理。
内存是计算机存储数据和程序的重要场所，操作系统要确保各个程序能够合理地使用内存空间，避免出现内存泄漏、内存不足等问题。
它就像是一个仓库管理员，精心安排着货物（数据和程序）在仓库（内存）中的存放位置。
然后是设备管理。
计算机系统中有各种各样的外部设备，如键盘、鼠标、打印机、显示器等。
操作系统要负责对这些设备进行有效的管理，包括设备的分配、驱动程序的加载等，让用户能够方便地使用这些设备。
文件管理也是操作系统的重要职责之一。
计算机中的文件众多，操作系统需要建立一套有效的文件系统，对文件进行存储、检索、更新、共享和保护。
这就像是一个图书管理员，管理着图书馆（计算机）中的大量书籍（文件）。
此外，操作系统还提供了用户接口，分为命令接口和图形接口。
命令接口允许用户通过输入命令来操作计算机，而图形接口则以直观的图形方式让用户与计算机进行交互。
计算机操作系统教程(张尧学 史美林 张高)(第三版)第一章
• 提高效率的途径 – 专门的操作员，批处理
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制 作 者 ： 郭 平 、 王 在 模 、 何 静 媛
重庆大学计算机学院 《操作系统》教程
单道批处理系统 (simple batch processing, ,uniprogramming)
50年代末 ~ 60年代中（晶体管）：利用磁带把若干个作业分类编成 作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动 依次处理。可使用汇编语言开发。
• 缺点： – 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不 利于调试和修改； – 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；
课程的目的与要求
• 课程目的 – 对操作系统的基本概念和基本结构有清楚的认识 – 从资源管理的角度领会操作系统的原理、功能和技术 – 提高运用理论知识解决实际问题的能力。
• 课程要求 – 掌握现代操作系统的基本概念、基本原理和基本方法 – 能设计并使用程序设计语言编制和调试操作系统的关键算法和组成 模块 – 了解和熟悉操作系统在计算机系统中的作用和地位，与硬件和其它 软件的关系 – 了解操作系统控制计算机系统工作的全过程
• 计算机的工作特点 – 用户独占全机：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；
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计算机操作系统 第三版 第1章1.4
述目标：
① 防止未经核准的用户存取文件； ② 防止冒名顶替存取文件； ③ 防止以不正确的方式使用文件。
第一章 操作系统引论 1.便用户使用操作系统，OS又向用户提供了“用户 与操作系统的接口”。该接口通常可分为两大类： (1) 用户接口。它是提供给用户使用的接口，用户可通
第一章 操作系统引论
4．内存扩充
存储器管理中的内存扩充任务并非是去扩大物理内存的 容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量， 使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让 更多的用户程序并发运行。这样，既满足了用户的需要，又 改善了系统的性能。为此，只需增加少量的硬件。为了能在 逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现下 述各功能： (1) 请求调入功能。允许在装入一部分用户程序和数据的 情况下，便能启动该程序运行。在程序运行过程中，若发现 要继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存，可向OS发出 请求，由OS从磁盘中将所需部分调入内存，以便继续运行。
第一章 操作系统引论 2．设备分配 设备分配的基本任务是根据用户进程的I/O请求、系统 的现有资源情况以及按照某种设备的分配策略，为之分配其 所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间还存在着设备控制器 和I/O通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和 通道。
为了实现设备分配，系统中应设置设备控制表、控制器 控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态。 根据这些表格可以了解指定设备当前是否可用，是否忙碌， 以供进行设备分配时参考。在进行设备分配时，应针对不同 的设备类型而采用不同的设备分配方式。对于独占设备(临界 资源)的分配，还应考虑到该设备被分配出去后系统是否安全。 在设备使用完后，应立即由系统回收。
第一章 操作系统引论 (2) 置换功能。若发现在内存中已无足够的空间来装入需 要调入的程序和数据时，系统应能将内存中的一部分暂时不 用的程序和数据调至盘上，以腾出内存空间，然后再将所需 调入的部分装入内存。
《计算机操作系统教程》很详细
第1章 计算机操作系统概述
1.1 存储程序式计算机模型 1.2 操作系统的发展历史 1.3 操作系统的基本概念 1.4 操作系统的逻辑模型 1.5 微机操作系统
开始
第1章 计算机操作系统概述
本章学习目标
➢操作系统的作用 ➢操作系统的发展 ➢操作系统的特征与功能 ➢多道程序设计的概念 ➢操作系统的模型
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第1章 计算机操作系统概述
1.2 操作系统的发展历史
1.2.1 无操作系统的计算机 1.2.2 单道批处理系统与多道批处 理系统及执行系统 1.2.3 分时系统 1.2.4 实时系统 1.2.5 微机操作系统、网络操作系 统与分布式操作系统
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第1章 计算机操作系统概述
1.2.1 无操作系统的计算机
第1章 计算机操作系统概述
图1.1 存储程序计算机的组成
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第1章 计算机操作系统概述
1.1.1 作为扩展机器的操作系统
一台完全无软件的计算机系统称为裸机，即便其性能再 强，相对于用户来讲，如果要面对计算机的指令集、存 储组织、I/O总线结构的编程则是十分困难的。对于一般 程序员也并不想涉足硬件编程的种种具体细节，而希望 针对数据结构抽象地使用硬件。如果我们在裸机上覆盖 一层I/O设备管理软件，用户便可以利用这层I/O设备管理 软件提供给用户的接口来进行数据的输入和输出，那么 用户此时看到的计算机是一台功能强大、使用方便的计 算机，但实际上，计算机的硬件丝毫没有变化，这样的 计算机称为软件扩充的机器，或称软件虚拟机。
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第1章 计算机操作系统概述
1.1 存储程序式计算机模型
1.1.1 作为扩展机器的操作系统 1.1.2 作为资源管理的操作系统
计算机操作系统教程第一章
结构复杂、难于理解
→ 系统较规模庞大，往往数千人年 → 结构太复杂，无法整体调试 → 行为难以预测，常通过猜测进行微调 → 经常是不可靠的
课程基本目的
1．介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行 环境
2．介绍操作系统原理、设计方法和实现技术
3．介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、 新技术以及新思想
参考网站
• 操作系统原理教案：/ • 清华开放学习资料库：/study/study.htm • 中大操作系统CAI: /os/ • 浙江师范大学课件： /kofbobo/czxt/ • 湖南农大操作系统 CAI:/elong/main.asp • 操作系统 CAI: http://202.194.116.12/lessons/computer/os/cai.htm • 东华大学操作系统 CAI: http://219.228.69.94/os/oscai/instruction.asp • 操作系统疑难问题讨论：/archive/8/1355094.htm • 北大操作系统课件： /Soft_Show.asp?SoftID=288 • 北大操作系统实验室的课件 • 广东工业大学等相关院校的操作系统精品课程的网站 • 各种操作系统的网址：/technology/os.htm
课外作业＋上交作业
实验要求
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学习内容
➢主要内容：1，2，3，4，5， 8，9章
➢自学或选讲内容：6，7，10， 11章
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一个程序执行的例子：操作系 统做什么？
#include <stdio.h> int main(int argc, char *argv[])
{ printf("hello world!"); return 0;
计算机操作系统第1章课件.ppt
程序D I/O 请求 程序D
(b) 四道程序运行情况
图 1-4 单道和多道程序运行情况
第一章 操作系统引论
2. 多道批处理系统的特征 (1) 多道性。 (2)宏观上并行 (3) 微观上串行。
第一章 操作系统引论
3. 多道批处理系统的优缺点 (1) 资源利用率高。 (2) 系统吞吐量大。 (3) 平均周转时间长。 (4) 无交互能力。
第一章 操作系统引论
2) (1) 硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任 务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。 (2) 软实时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个 截止时间， 但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不会太大。
第一章 操作系统引论
3. 进程通信
在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在系统 中建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些 进程(线程)相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程(线 程)之间，又往往需要交换信息。例如，有三个相互合作的进 程， 它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责 将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行 计算， 并把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把 计算结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现在相互合作 的进程之间的信息交换。
第一章 操作系统引论
1. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程
开始
还有 下 一个 作业？
否
停止
是 把下一个作业的源 程序 转换为 目标程 序
是
源程 序
有错 吗？
否
运行 目标 程序
计算机操作系统第一章
计算机操作系统第一章在我们日常使用计算机的过程中，可能很少有人会去深入思考计算机操作系统究竟在背后扮演了怎样的角色。
但实际上，它就像是计算机的“大管家”，默默地管理和协调着计算机的各种资源，让我们能够高效、便捷地使用计算机完成各种任务。
计算机操作系统，简单来说，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、软件资源，为用户提供一个方便、高效、安全的操作环境。
操作系统的发展历程可谓是一部波澜壮阔的科技进步史。
从早期的批处理系统，到后来的分时操作系统，再到如今的实时操作系统和网络操作系统，每一次的变革都带来了巨大的影响。
早期的批处理系统，主要是为了提高计算机的资源利用率。
在那个时候，计算机资源非常宝贵，人们通过将一批作业事先准备好，然后一次性提交给计算机进行处理，从而减少了人工干预和等待时间。
但这种方式的交互性很差，用户无法及时获得反馈。
随着技术的发展，分时操作系统应运而生。
它允许多个用户同时使用计算机，每个用户都感觉自己在独占计算机。
这极大地提高了计算机的交互性和使用效率，用户可以随时向计算机发送指令，并迅速得到响应。
而实时操作系统则主要应用于对时间要求非常严格的领域，比如航空航天、工业控制等。
在这些领域中，系统必须在规定的时间内完成任务，否则可能会导致严重的后果。
网络操作系统则是随着计算机网络的发展而出现的。
它不仅要管理本地计算机的资源，还要协调网络中其他计算机的资源，实现资源共享和通信。
操作系统的主要功能可以概括为以下几个方面。
首先是处理机管理。
计算机的中央处理器（CPU）是其核心部件之一，操作系统需要合理地分配和调度 CPU 资源，以确保各个任务能够得到及时的处理。
它通过进程和线程的概念来实现这一功能，将一个任务分解为多个进程或线程，然后根据一定的算法进行调度。
其次是存储管理。
计算机的内存是有限的，操作系统需要合理地分配内存空间，确保各个程序都能够正常运行。
计算机操作系统教程(机类本科)第1章
第一章操作系统概论第二章用户与操作系统的接口第三章进程管理第四章存储管理第五章文件系统第六章输入/输出系统第七章Linux 操作系统简介第八章操作系统环境下的编程及应用目录第一章操作系统概论1.1 什么是操作系统1.2 多道程序设计的概念1.3 操作系统的功能和主要特征1.4 操作系统的结构1.5 操作系统的分类1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统作为最基本的系统软件1. 计算机系统资源 一个计算机系统由两部分构成：系统硬件和系统软件。
系统硬件是指构成计算机系统所必须配置的全部设备。
现代计算机系统一般都包含一个或多个处理器、内存、磁盘、光盘、打印机、时钟、鼠标、键盘、显示器、网络接口以及其它输入输出设备。
计算机系统硬件构成了计算机本身和用户作业赖以活动的物质基础。
通常，我们把计算机系统中所配置的硬件称为硬件资源。
只有系统硬件而无系统软件的计算机称为裸机。
用户直接使用裸机不仅不方便，而且将严重降低系统效率。
系统软件是一个计算机系统必须配置的程序和数据的集合。
它们是专门为计算机系统所配置的，例如操作系统、各种语言处理程序(汇编程序、编译程序等)、编辑程序、连接装配程序、系统实用程序以及系统维护程序等，这些都可算是系统软件，但是最为重要、最为基本的系统软件便是我们所要讲的操作系统了。
操作系统本身是计算机系统软件中的重要组成部分，而其物质基础是系统硬件。
系统硬件和系统软件统称为计算机系统资源。
2. 计算机系统的层次结构用户1用户2用户n硬件应用程序语言处理程序操作系统…图1.1 计算机系统的层次结构1.1.2 操作系统作为资源管理器(1)跟踪资源状态。
(2) 分配资源。
(3) 回收资源。
(4) 保护资源。
1.1.3 操作系统作为虚拟机在一个计算机系统的四个层次组成中，最低层是硬件。
对多数计算机而言，在机器语言一级的体系结构(包括指令系统、存储组织、I/O和总线结构)上编程是相当困难的，尤其是输入输出操作。
教学课件：《计算机操作系统教程》左万利
1.1.1 操作系统地位
• 硬件抽象层（HAL）之上 • 所有其它软件层之下
应用软件层 其它系统软件层
OS 硬件（HAL）
运行视图
• 系统库(lib)可调用操作系统，执行硬件指令 • 应用程序可以调用lib和操作系统，执行硬件指令
库调用 系统调用 机器指令
应用程序 系统库 操作系统 硬 件(HAL)
1.4.4 通用操作系统(multi-purpose OS)
• 同时具有：分时、实时、批处理功能。
• 目标：
– 提高处理能力;
– 扩展应用领域。
• 常见模式:
Foreground/Background System
– 分时(前台)+批处理(后台)（eg. DPS/8上的GCOS8）
– 实时(前台)+批处理(后台)
多道批处理系统工作原理
SPOOLing 输出
1.4.1 多道批处理系统(cont.)
• 输入井作用
– 缓冲(速度匹配作用) – 实现作业调度(job scheduling)
• 输出井作用
– 缓冲(速度匹配作用)
Buffering: 处理数据到达与离开
速度不一致
1.4.1 多道批处理系统(Cont.)
1.2.3 操作系统的发展
1. 计算机体系结构由集中向分散的发展，出现了计算机网络，由 此产生网络操作系统和分布式操作系统；
2. 随着家用和商用微型计算机的普及，出现了单用户多任务的操 作系统；
3. 大型计算任务要求计算机系统具有极强的计算和处理能力，产 生了支持多处理器的并行操作系统；
4. 随着各种处理器芯片和存储介质在控制领域的广泛应用，出现 了微内核(micro kernel)操作系统体系结构，产生了嵌入式和 智能卡操作系统；
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用户程序
中断机构（硬件） 判别中断类型 保护旧PSW 取出新PSW
中断处理程序
取出中断码 分析中断原因
按不同原因 分别处理
取出旧PSW重新装 入，返回断点
旧PSW …
图 1.2 中断的处理过程
新PSW …
2. 通道技术
控制器
设备 A 设备 B
设备 C
操作系统本身是计算机系统软件中的重要组成部分， 而 其物质基础是系统硬件。系统硬件和系统软件统称为计算机 系统资源。
2. 计算机系统的层次结构
用户1序 语言处理程序
操作系统 硬件
图 1.1 计算机系统的层次结构
1.1.2 操作系统作为资源管理器
(1) 跟踪资源状态。 (2) 分配资源。 (3) 回收资源。 (4) 保护资源。
(2) 通道接收到CPU的I/O指令后，从内存中取出相应 的通道程序，通过执行通道程序完成I/O操作；
(3) 当I/O操作完成(或出错)时，通道以中断方式中断 CPU正在执行的程序，请求CPU的处理。
.
1.2.2 多道程序设计原理
①
作业程序A
③ I/O请求 ② 读/写数据 ⑦
主存缓冲区 ④
数据 通 道
主存
通道
控制器
设备 D
通道
控制器
设备 E
设备 F
控制器
设备 G
设备 H
图 1.3 单通路I/O系统
3. CPU和通道的通信
CPU与通道之间的关系是主从关系。CPU是主设备， 通道是从设备。采用通道方式实现数据传输的过程如下：
(1) 当运行的程序要求数据传输时，CPU向通道发I/O指 令，命令通道工作；
只有系统硬件而无系统软件的计算机称为裸机。用户直 接使用裸机不仅不方便，而且将严重降低系统效率。系统软 件是一个计算机系统必须配置的程序和数据的集合。它们是 专门为计算机系统所配置的，例如操作系统、各种语言处理 程序(汇编程序、编译程序等)、编辑程序、连接装配程序、 系统实用程序以及系统维护程序等，这些都可算是系统软 件，但是最为重要、最为基本的系统软件便是我们所要讲的 操作系统了。
(2) 宏观上并行。从宏观上看，它们在同时执行。
(3) 微观上串行。从微观上看，它们在交替、穿插地执 行，因为在任一时刻，在一台处理机上只能执行一道程序的 一条指令。
1.3 操作系统的功能和主要特征
1.3.1 操作系统的功能
1. 处理机管理 (1) 进程控制。 (2) 进程调度。 (3) 进程同步。 (4) 进程通信。
1.2 多道程序设计的概念
1.2.1 多道程序设计的硬件支持
1. 中断系统 什么是中断?从系统操作的观点来看，中断的定义如下： 中断指的是：① 对异步或例外事件的一种响应； ② 这 一响应自动地保存CPU状态以便将来重新启动；③ 自动转 入中断处理程序。
在计算机系统中， 一般将中断分为如下几种类型：
(1) I/O中断。 这是外部设备完成了预定I/O操作或在 I/O操作中出错所引起的中断。
(2) 程序中断。 这是由程序中的错误引起的中断。 (3) 硬件故障中断， 或称机器检验中断。 (4) 外中断。 外中断来自外部信号， 这些信号可能来 自其它机器。 外中断还包括时钟中断， 以及来自键盘的 中断。
通道 1 通道 2 调度程序 程序 A 程序 B 程序 C
图 1.6 多道程序设计环境下各程序的 执行和状态的转换
综上所述，可归纳多道程序设计的特点如下：
(1) 多道，即主存中有两道或两道以上的程序，它们都处 于执行的开始点和结束点之间，也就是说，它们在任一时刻 必处于就绪、 运行、 阻塞三种状态之一。
1.1.3 操作系统作为虚拟机
在一个计算机系统的四个层次组成中， 最低层是硬件。 对多数计算机而言，在机器语言一级的体系结构(包括指令系 统、存储组织、I/O和总线结构)上编程是相当困难的，尤其 是输入输出操作。
为了让用户和程序员在使用计算机时不涉及硬件细节， 使硬件细节和程序员隔离开来，需要建立一种简单的高度抽 象。这种抽象就是为用户提供一台等价的扩展计算机，这样 的计算机称为虚拟计算机，简称虚拟机。
2. 存储管理 (1) 地址重定位。 (2) 存储分配。 (3) 存储保护。 (4) 存储扩充。
3. 设备管理 (1) 缓冲管理。 (2) 设备分配。 (3) 设备处理。 (4) 设备独立性和虚拟设备。
4. 文件管理
(1) 目录管理。 (2) 文件读、 写管理。 (3) 文件存取控制。 (4) 文件存储空间的管理。
5. 用户接口 (1) 命令接口。 (2) 程序接口。 (3) 图形接口。
1.3.2 操作系统的主要特征
1. 并发性 2. 共享性 3. 虚拟性 4. 不确定性
1.4 操作系统的结构
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统作为最基本的系统软件
1. 计算机系统资源
一个计算机系统由两部分构成：系统硬件和系统软件。 系统硬件是指构成计算机系统所必须配置的全部设备。现代 计算机系统一般都包含一个或多个处理器、内存、磁盘、光 盘、 打印机、时钟、鼠标、键盘、显示器、网络接口以及其 它输入输出设备。计算机系统硬件构成了计算机本身和用户 作业赖以活动的物质基础。通常，我们把计算机系统中所配 置的硬件称为硬件资源。
目录
第一章 操作系统概论 第二章 用户与操作系统的接口 第三章 进程管理 第四章 存储管理 第五章 文件系统 第六章 输入/输出系统 第七章 Linux操作系统简介 第八章 操作系统环境下的编程及应用
第一章 操作系统概论
1.1 什么是操作系统 1.2 多道程序设计的概念 1.3 操作系统的功能和主要特征 1.4 操作系统的结构 1.5 操作系统的分类
作业程序B ⑥
⑤ I/O结束中断
图
1
4多 道 程 磁带 序 运 行 概 念 图
主存
通道 作业程序 A 作业程序 B
通道开始动作 I/O 结束中断
时间
t
t0
t1
t2
图 1.5 多道程序执行过程的时间图
1.2.3 多道程序设计的实现
为实现多道程序设计， 必须妥善解决以下三个问题 (1) 存储保护和地址重定位。 (2) 处理机管理和调度。 (3) 资源的管理和分配。