【思维导图】第一章 操作系统引论-
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第1章_操作系统_引论
应管理策略（包括用户权限）。
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操作系统的作用(2) OS是用户使用系统硬件、软件的接口。 • 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）；
字符形式：较灵活但因繁琐而难记 命令的表示形式： 菜单形式: 字符方式提供友好界面
图形形式：因直观而易记但不灵活 • 系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。
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1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 需求推动发展 (1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算 (2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户（商业和办公、 家庭） (3) 器件的发展：CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存 (4) 计算机体系结构的不断发展
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多道批处理系统需要解决的问题 (1)处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。 (3) I/O设备管理问题。 (4) 文件管理问题。 (5) 作业管理问题。
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1.2.5 分时系统 (time-sharing system) 70年代中期至今 • “分时”的含义:指在一台主机上，连接了多个带显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共 享主机中的资源，每个用户都可以使用自己的终端和主机交互。
再比如，如果有甲、乙两道程序，如果一道程序独占CPU运行时每道程序要1小时，若此 时CPU利用率是30%。粗略的说，甲（或乙）执行时，所需CPU处理时间为：1小时 *30%=18分钟
假定甲、乙两道程序按多道程序设计方法同时运行，CPU利用率达50%，那么要提供36分 钟的CPU时间，大约需要72分钟就可以把甲、乙两道程序计算完毕。当然，操作系统本 身要花费处理器的时间，所以实际花费的时间要略长一些，例如要80分钟，而单道运行 时，要花费120分钟。因而，采用多道程序设计方法后，可以提高效率：
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操作系统的作用(2) OS是用户使用系统硬件、软件的接口。 • 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）；
字符形式：较灵活但因繁琐而难记 命令的表示形式： 菜单形式: 字符方式提供友好界面
图形形式：因直观而易记但不灵活 • 系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。
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1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 需求推动发展 (1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算 (2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户（商业和办公、 家庭） (3) 器件的发展：CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存 (4) 计算机体系结构的不断发展
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多道批处理系统需要解决的问题 (1)处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。 (3) I/O设备管理问题。 (4) 文件管理问题。 (5) 作业管理问题。
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1.2.5 分时系统 (time-sharing system) 70年代中期至今 • “分时”的含义:指在一台主机上，连接了多个带显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共 享主机中的资源，每个用户都可以使用自己的终端和主机交互。
再比如，如果有甲、乙两道程序，如果一道程序独占CPU运行时每道程序要1小时，若此 时CPU利用率是30%。粗略的说，甲（或乙）执行时，所需CPU处理时间为：1小时 *30%=18分钟
假定甲、乙两道程序按多道程序设计方法同时运行，CPU利用率达50%，那么要提供36分 钟的CPU时间，大约需要72分钟就可以把甲、乙两道程序计算完毕。当然，操作系统本 身要花费处理器的时间，所以实际花费的时间要略长一些，例如要80分钟，而单道运行 时，要花费120分钟。因而，采用多道程序设计方法后，可以提高效率：
新版第一章-操作系统引论课件.ppt
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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01章 计算机操作系统 操作系统引论
第一章 操作系统引论
1.3 操作系统的基本特性
OS特性一：并发性 并行与并发
并行性（Parallelism）是指两个或多个事件在 同一时刻发生。如T3时刻
并发性(Concurrence) 是指两个或多个事件在 同一时间间隔内发生。如T3—T4时刻 并发性是OS最重要的特征，OS所有的内容都围绕 它展开！！
第一章 操作系统引论
操作系统的进一步发展
操作系统发展的主要动力
器件快速更新换代。 计算体系结构不断发展。 提高计算机系统资源利用率的需要。 让用户使用计算机越来越方便的需要。 满足用户新要求，提供给用户新服务。
操作系统发展的方向
从大中型计算机来看，主要是分布式和网络化。 微机操作系统主要向多用户多功能、虚存、图形、 数据库等方向发展。 操作系统的智能化。
第一章 操作系统引论
分时系统实现中的关键问题 (1) 及时接收。多路卡、输入缓冲区 (2) 及时处理。交互作业应在内存、响应时间应短 采用时间片轮转 分时系统的特征 多路性（同时性） 独立性（独占性） 及时性 （1—3sec） 交互性： “会话”
第一章 操作系统引论
1.2.5 实时系统
第一章 操作系统引论
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
装配目标程序
图 1-4 单道批处理系统的处理流程
第一章 操作系统引论
1.2.3 多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）（第三代计算机）
导致人机矛盾、CPU和I/O设备速度不匹配
王道操作系统第一章操作系统概述思维导图脑图
与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
外中断（狭义的中断）
时钟中断
I/O中断请求
中断机制的基本原理
检查中断信号
内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生 外中断：每个指令周期末尾CPU都会查是否有外中断信号需要处理
找到相应的中断处理程序
通过“中断向量表”实现
操作系统内核
时钟管理
实时计时功能
中断处理
负责实现中断机制
是—种特殊的程序
层次结构
原语
处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分 这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短、调用频繁
进程管理
对系统资源进行管理的功能
存储器管理
设备管理
内核是操作系统最基本，最核心的部分
实现操作系统内核功能的那些部分就是内核程序
操作系统内核需要运行在内核态
两种指令
特权指令
只允许“管理者”，即操作系统内核来使用的指令 Eg：内存清零指令
非特权指令
Eg：加法指令，减法指令
内核态/核心态/管态
处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
用户态/目态
处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
两种处理器状态
CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有一个二进制位，1表 示“内核态”，0表示“用户态”
实现操作系统所写的程序
两种程序
内核程序
很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核” 内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分 操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”
应用程序
第一章操作系统引论
第一章操作系统引论在我们日常使用电脑、手机等电子设备时，操作系统是那个默默在背后工作，却对我们的体验起着至关重要作用的“幕后英雄”。
那么，操作系统到底是什么？它又是如何影响我们的生活和工作的呢？让我们一起来揭开操作系统的神秘面纱。
操作系统，简单来说，就是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石。
它负责协调和控制计算机系统中各种硬件和软件组件的运行，为用户和应用程序提供一个方便、高效、稳定和安全的工作环境。
想象一下，如果我们的电脑没有操作系统，那会是怎样一番混乱的景象？每次我们想要运行一个程序，都需要自己去了解硬件的各种细节，手动配置各种参数，这简直是不可想象的。
而有了操作系统，这一切都变得简单起来。
它就像是一个尽职尽责的管家，把计算机系统中的各种资源管理得井井有条。
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，从而提高了 CPU 的利用率和系统的效率。
这就好比在一个繁忙的餐厅里，服务员合理地安排客人的座位，让更多的人能够享受到服务。
其次是内存管理。
内存是计算机用于存储正在运行的程序和数据的地方。
操作系统需要确保不同的程序能够安全、有效地共享内存资源，避免出现内存泄漏和冲突等问题。
它就像一个精明的仓库管理员，合理地安排货物的存放位置，确保仓库的空间得到充分利用，同时货物也能被快速找到和取出。
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、显示器、打印机等。
操作系统要负责管理这些设备的驱动程序，协调它们与 CPU 的工作，使得用户能够方便地使用这些设备。
这就像是一个交通警察，指挥着不同的车辆有序地行驶，确保道路的畅通。
再就是文件管理。
我们在计算机中存储了大量的文件和数据，操作系统需要提供一个有效的文件系统，方便我们对文件进行创建、删除、读取、写入和搜索等操作。
第一章 操作系统引论
四、异步性(Asynchronism) 或不确定性 1.程序执行的速度不确定。 2.程序执行的结果不确定。 1.4 操作系统的类型 1.4.1 操作系统的基本类型 一、批处理操作系统 采用批量化处理作业运行技术的操作系统就称为批处 理操作系统。批处理操作系统确保作业不断地流入系 统，经过处理后又撤离系统，使整批作业能够自动、 顺利地进行，节省了人工操作时间，从而加大了系统 对作业的吞吐量(也就是计算机一天能够处理作业的数 量)，提高了系统的运行效率。
第一章 操作系统引论
1.1 什么是操作系统 1.1.1 操作系统（Operating System）是硬件的延伸 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。或者说，用户在OS的帮助下能够方便、快捷、安全、 可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应当注意， OS是一个系统软件，这种接口是软件接口用户可以通过 以下两种方式来使用计算机。 (1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语 言)，用户可通过键盘键入有关的命令，来直接操纵计 算机系统。
三、虚拟(Virtual) 在操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技 术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。物理 实体(前者)是实的，即实际存在的，而后者是虚的，是 用户感觉上的东西。例如，在多道分时系统中，虽然 只有一个CPU，但每个终端用户却都认为是有一个 CPU在专门为他服务，亦即，利用多道程序技术可以 把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称 为虚处理机。类似地，也可以把一台物理I／O设备虚 拟为多台逻辑上的I／0设备。此外，也可以把一条物 理信道虚拟为多条逻辑信道(虚信道)。在操作系统中虚 拟的实现，主要是通过分时使用的方法。显然，如果n 是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟 设备的速度必然是物理设备速度的1／n。
操作系统思维导图版
1.7. 处理机调度.........................................................................................................13 1.7.1. 调度算法 .....................................................................................................13 1.7.2. 调度时机 .....................................................................................................17 1.7.3. 调度过程 .....................................................................................................18 1.7.4. 调度级别 .....................................................................................................18 1.7.5. 实时调度 .....................................................................................................20
1.3. 线程.....................................................................................................................10 1.3.1. 引入 .............................................................................................................10 1.3.2. 概念 .............................................................................................................10 1.3.3. 实现 .............................................................................................................11
1.3. 线程.....................................................................................................................10 1.3.1. 引入 .............................................................................................................10 1.3.2. 概念 .............................................................................................................10 1.3.3. 实现 .............................................................................................................11
第1章 操作系统引论
2.进程同步 1）进程同步的任务 主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。 2）进程同步协调方式： ①进程互斥方式 ②进程同步方式
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操作系统的主要功能 3.进程通信 主要是指进程之间的信息交换。 4.调度 1）作业调度 作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法， 选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源。 2）进程调度 进程调度的任务，是从就绪队列中选出一新进程，把处 理机分配给它，并为它设置运行现场使进程投入执行。
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操作系统的主要功能 二、存储器管理功能 1.内存分配 1）内存分配的主要任务 为每道程序分配内存空间；提高存储器的利用率；允许正 在运行的程序申请附加的内存空间。 2）内存分配方式 ①静态分配方式 ②动态分配方式
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操作系统的主要功能 3）内存分配机制中的结构和功能 ①内存分配数据结构 ②内存分配功能 ③内存回收功能 2.内存保护 1）内存保护的主要任务 确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互 不干扰。 2）内存保护机制 一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器， 分别用于存放正在执行程序的上界和下界。
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操作系统的目标和作用 一、 操作系统的目标 1.方便性 配置OS后可使计算机系统更容易使用。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。 2.有效性 配置了OS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，且由于可使内存和外存中存放的数据有序而 节省了存储空间。此外，OS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及提高系统的吞吐 量。
1.多道程序设计的基本概念
1）概念：让多个作业（算题）同时进入一个计算机系统 的主存储器并行执行，这种程序设计方法称为多道程序设计。 2）多道程序设计技术可带来以下好处: (1)提高CPU的利用率。 (2)可提高内存和I/O设备利用率。 (3)增加系统吞吐量。
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操作系统的主要功能 3.进程通信 主要是指进程之间的信息交换。 4.调度 1）作业调度 作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法， 选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源。 2）进程调度 进程调度的任务，是从就绪队列中选出一新进程，把处 理机分配给它，并为它设置运行现场使进程投入执行。
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操作系统的主要功能 二、存储器管理功能 1.内存分配 1）内存分配的主要任务 为每道程序分配内存空间；提高存储器的利用率；允许正 在运行的程序申请附加的内存空间。 2）内存分配方式 ①静态分配方式 ②动态分配方式
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操作系统的主要功能 3）内存分配机制中的结构和功能 ①内存分配数据结构 ②内存分配功能 ③内存回收功能 2.内存保护 1）内存保护的主要任务 确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互 不干扰。 2）内存保护机制 一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器， 分别用于存放正在执行程序的上界和下界。
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操作系统的目标和作用 一、 操作系统的目标 1.方便性 配置OS后可使计算机系统更容易使用。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。 2.有效性 配置了OS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，且由于可使内存和外存中存放的数据有序而 节省了存储空间。此外，OS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及提高系统的吞吐 量。
1.多道程序设计的基本概念
1）概念：让多个作业（算题）同时进入一个计算机系统 的主存储器并行执行，这种程序设计方法称为多道程序设计。 2）多道程序设计技术可带来以下好处: (1)提高CPU的利用率。 (2)可提高内存和I/O设备利用率。 (3)增加系统吞吐量。