第 1章 操作系统概论
学习目标和学习要点
1.1 操作系统的形成和发展
1.2 操作系统的功能和特性
1.3 操作系统的类型和主要产品
本章小结
第 1章：操作系统概论
本章学习目标
掌握,操作系统的定义，操作系统的特征
和主要功能。
理解,操作系统的形成和五大类型（批处
理操作系统、分时操作系统、实时操作
系统、网络操作系统和分布式操作系
统），以及分时概念。
了解,操作系统的发展历程，分时和实时
操作系统的特点，常用操作系统的用户
界面，主要操作系统产品系列。
第 1章：操作系统概论
本章学习要点
应深入理解, 掌握什么是操作系统,
它主要具有什么功能, 有哪些类型；
与其他软件相比, 操作系统有怎样的
特殊性, 有什么基本特征 。 同时可以
结合上机操作, 考虑操作系统的功能
是如何实现的等问题 。
第 1章：操作系统概论
返回到本章
1.1 操作系统的形成和发展
1.1.1 什么是操作系统
1.1.2 操作系统的发展历程
第 1章：操作系统概论
返回到本章
可以把操作系统定义为：
操作系统是计算机系统中的一个系统
软件，它是这样一些模块的集合 —— 它们
管理和控制计算机系统中的硬件及软件资
源，合理地组织计算机工作流程，以便有
效地利用这些资源为用户提供一个功能强
大、使用方便的工作环境，从而在计算机
与其用户之间起到接口的作用
第 1章：操作系统概论
计算机系统的层次关系如图 1-1所示。
第 1章：操作系统概论
图 1-1 计算机系统的层次关系
1．单块式结构
早期的操作系统多数都采用这种单块
式体系结构。这种体系结构其实是没有结
构的，各组成单位密切联系，好似, 铁板
一块,,故名单块式结构。这种结构方式
给操作系统设计带来的缺点很明显：系统
的结构关系不清晰，好像一张大蜘蛛网，
难于进行修改，会, 牵一发而动全身, ；
使系统的可靠性降低，模块间会出现循环
调用，有很大的危险性。
第 1章：操作系统概论
2．层次结构
层次结构操作系统的设计思想是：按照
操作系统各模块的功能和相互依存关系, 把
系统中的模块分为若干层, 其中任一层模块
（ 除底层模块外 ） 都建立在它下面一层的基
础上 。 因而, 任一层模块只能调用比它低的
层中的模块, 而不能调用高层的模块 。 著名
的 UNIX系统的核心层就采用层次结构 。
第 1章：操作系统概论
用户接口
（命令接口、程序接口、图形用户接口）
对对象操纵和管理的软件集合
（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件、
文件管理软件,…… ）
操作系统对象
（处理机、存储器、设备、文件,…… ）
3．微内核结构
微内核结构是新一代操作系统采用的
结构。其基本思想是把所有操作系统基本
上都具有的那些操作放在内核中，而操作
系统的其他功能由内核之外的服务器实现。
微内核是操作系统的小核心，它将各
种操作系统共同需要的核心功能提炼出来，
形成微内核的基本功能。
第 1章：操作系统概论
微内核结构是新一代操作系统的主要
特征之一，正在得到迅速的应用。微内核
结构主要具有以下 6种特点：
（ 1）精简核心的功能
（ 2）可移植性好
（ 3）可伸缩性好
（ 4）实时性好
（ 5）提供多线程机制
（ 6）系统安全性好
第 1章：操作系统概论
返回到本节
操作系统的发展和计算机的组成与体系结
构相关，经历了四个发展阶段。
? 1946年～ 50年代末：第一代，电子管时代，
无操作系统。
? 50年代末～ 60年代中期：第二代，晶体管时
代，批处理系统。
? 60年代中期～ 70年代中期：第三代，集成电
路时代，多道程序设计。
? 70年代中期至今：第四代，大规模和超大规模
集成电路时代，分时系统。现代计算机正向着
巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几
个方面发展。
第 1章：操作系统概论
1．手工操作
手工操作过程：先把程序纸带（或卡片）装
上计算机，然后启动输入机把程序和送入计算机，
接着通过控制台开关启动程序运行。计算完毕，
打印机输出计算结果，用户卸下并取走纸带（或
卡片）。第二个用户上机，重复同样的步骤。如
图 1-2所示。
第 1章：操作系统概论
纸带
卡片 计算机
用户
图 1-2 手工操作
2．单道批处理系统
计算机发展的早期，没有任何用于管理的软件，
所有的运行管理和具体操作都由用户自己承担，任
何操作出错都要重做作业,CPU的利用率甚低。解
决的方法有两个：首先配备专门的计算机操作员，
程序员不再直接操作机器，减少操作机器的错误。
另一个是进行批处理，操作员把用户提交的作业分
类，把一批中的作业编成一个作业执行序列。每一
批作业将有专门编制的监督程序自动依次处理。
第 1章：操作系统概论
早期的批处理分为联机批处理和脱机批
处理两种类型,
（ 1）联机批处理
在这种系统中，操作员有选择地把若干
作业合为一批，由监督程序先把它们输入
到磁带上，之后在监督程序的控制下，使
这批作业能一个接一个地连续执行。即：
第一个作业全部完成之后，监督程序又自
动调入该批的第二个作业，并重复此过程，
直至该批作业全部完成，再把下一批作业
输入到磁带上。在这样的系统中，作业处
理是成批进行的，并且在内存中总是只保
留一道作业（故名单道批处理）。同时作
业的输入、调入内存以及结果输出都在
CPU直接控制下进行。
第 1章：操作系统概论
（ 2）脱机批处理（缓冲技术的一种）
为克服早期联机批处理的主要缺点，人们
引进了早期的脱机批处理系统。这种方式的明
显特征是在主机之外另设一台小型卫星机，该
卫星机又称外围计算机，它不与主机直接连接，
只与外部设备打交道。其工作过程是：卫星机
把读卡机上的作业逐个地传送到输入磁带机上；
主机只负责把作业从磁带上调入内存并运行它，
作业完成后主机把计算结果和记账信息记录到
输出磁带上；卫星机负责把输出磁带上的信息
读出来，并交打印机打印。
第 1章：操作系统概论
第 1章：操作系统概论
卡片机
打印机
纸带机 卫星机 主机
日志
输入带
输出带
执行带
系统带
图 1-3 脱机批处理模型
3．多道程序系统
多道程序的运行特点：
（ 1）多道 —— 计算机内存中同时存放多
道相互独立的程序。
（ 2）宏观上并行运行 —— 同时进入系统
的几道程序都处于运行状态，但都未运行完。
（ 3）微观上串行运行 —— 各作业交替使
用 CPU，交替执行。
第 1章：操作系统概论
第 1章：操作系统概论
CPU
I / O 设备
程序 A
请求输入
程序 B
请求打印输出
程序 A
程序 B
输入
结束
请求
其他
I / O 操作
输出
结束
等待 CPU
程序 A
程序 B
运行处理 运行处理输入数据 其它 I / O 操作
运行处理 打印输出 运行处理
等待 CPU
图 1-5 多道程序工作示例
4．分时系统
针对批处理系统的上述问题，人们提出
了分时系统。它让用户通过终端设备联机地
使用计算机，这是比早期的手工操作方式更
高级的联机操作方式，如图 1-6所示。
第 1章：操作系统概论
图 1-6 分时系统
5．实时系统
在计算机的某些应用领域内，要求对
实时采样数据进行及时（立即）处理并做
出相应的反映，如果超出限定的时间就可
能丢失信息或影响到下一批信息的处理。
例如卫星发射过程中，必须对出现的各种
情况立即进行分析、处理，这种系统是专
用的，它对实时响应的要求是批处理系统
和分时系统无法满足的，于是人们引入了
实时系统。
第 1章：操作系统概论
6．通用系统
批处理系统、分时系统和实时系统是
操作系统的三种基本类型。目前的操作系
统，通常具有分时、实时和批处理这三种
中的两种以上的功能，又称作通用操作系
统。
例如,UNIX操作系统,SUN公司的
Solaris,IBM公司的 AIX。 Windows操作
系统,Microsoft公司的 Windows系列。
Linux操作系统,Redhat，红旗 Linux等
第 1章：操作系统概论
7．操作系统的进一步发展
20世纪 80年代，大规模集成电路
的发展，一方面个人计算机飞速发展，
一方面又向网络化、分布式、巨型计
算机、智能化方向发展。主要包括：
个人计算机操作系统、嵌入式操作系
统、网络操作系统、分布式操作系统、
智能化操作系统。
第 1章：操作系统概论
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1.2 操作系统的功能和特性
1.2.1 操作系统的功能
1.2.2 操作系统的特性
第 1章：操作系统概论
返回到本章
1.2.1 操作系统的功能
1,存储器管理功能
2,处理机管理功能
3,设备管理功能
4,文件管理功能
5,用户接口
第 1章：操作系统概论
1．存储器管理功能
（ 1）内存分配
内存分配的主要任务是为每道程序分配一定
的内存空间。为此，操作系统必须记录整个内存
的使用情况，处理用户提出的申请，按照某种策
略实施分配，接收系统或用户释放的内存空间。
（ 2）地址映射
（ 3）内存保护
（ 4）内存扩充
第 1章：操作系统概论
2．处理机管理功能
处理机管理的功能包括：作业和进程调度、进程控制和进程
通信。
（ 1）作业和进程调度
一个作业通常要经过两级调度才得以在 CPU上执行。首先是
作业调度，它把选中的一批作业放人内存，并分配其它必要资源，
为这些作业建立相应的进程。然后进程调度按一定的算法从就绪
进程中选出一个合适进程，使之在 CPU上运行。
（ 2）进程控制
进程是系统中活动的实体。进程控制包括创建进程、撤销进
程、封锁进程、唤醒进程等。
（ 3）进程通信
多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者相互制约
的关系。为保证系统中所有进程都能正常活动，就必须设置进程
同步机制，它分为同步方式和互斥方式。相互合作的进程之间往
往需要交换信息，为此系统要提供通信机制。
第 1章：操作系统概论
3．设备管理功能
设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱
动和设备无关性。
（ 1）缓冲区管理
缓冲区管理的目的是解决 CPU和外设速度不匹配的矛盾，从
而使它们能充分并行工作，提高各自的利用率。
（ 2）设备分配
根据用户的 I/O请求和相应的分配策略，为该用户分配外部
设备以及通道、控制器等。
（ 3）设备驱动
实现 CPU与通道和外设之间的通信。由 CPU向通道发出 I/O
指令，后者驱动相应设备进行 I/O操作。当 I/O任务完成后，通
道向 CPU发中断信号，由相应的中处理程序进行处理。
（ 4）设备无关性
又称设备独立性，即用户编写的程序与实际使用的物理设备
无关，由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到物理设备。
第 1章：操作系统概论
4．文件管理功能
文件功能应包括：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。
（ 1）文件存储空间的管理
系统文件和用户文件都要放在磁盘上。为此，需要由文件系
统对所有文件以及文件的存储空间进行统一管理：为新文件分配
必要的外存空间，回收释放的文件空间，提高外存的利用率。
（ 2）文件操作的一般管理
包括文件的创建、删除、打开、关闭等。
（ 3）目录管理
目录管理包括目录文件的组织、实现用户对文件的, 按名存
取,,以及目录的快速查询和文件共享等。
（ 4）文件的读写管理和存取控制
根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存中。
为保证文件信息的安全性，防止未授权用户的存取或破坏，对各
文件（包括目录文件）进行存取控制。
第 1章：操作系统概论
5．用户接口
现代操作系统向用户提供三种类型的界面：
（ 1）图形界面 —— 用户利用鼠标、窗口、菜
单、图标等图形界面工具，可以直观、方便、有效
地使用系统服务和各种应用程序及实用工具；
（ 2）命令界面 —— 在提示符后用户从键盘输
入命令，系统提供相应服务；
（ 3）程序界面 —— 也称系统调用界面，用户
在自己的程序中使用系统调用，从而获取系统的服
务。
第 1章：操作系统概论
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1.2.2 操作系统的特性
1,并发性
2,共享性
3,虚拟性
4,不确定性
第 1章：操作系统概论
1．并发性
并发性，是指能同时处理存在的多个平行活动
的能力。如 I/O操作与计算重选运行，在内存中间
时存在几道用户程序等，都是并发的例子。
就整个系统来说，由于计算机和 I/O操作并行，
因此操作系统必须能控制、管理并调度这些并行的
动作。除此之外，操作系统还要协调主存各程序之
间的动作，以免互相发生干扰，造成严重后果，即
考虑同步问题。总之，操作系统要充分体现并发性。
第 1章：操作系统概论
2．共享性
共享是指多个任务共同使用系统资源。
共享可以说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
系统资源能有效地被共享，最大限度地提高
系统效率。由于共享的实质是并发共享，故
关键仍在于并发性。
第 1章：操作系统概论
3．虚拟性
在操作系统中，虚拟是指把一个物理上的实体
变为若干个逻辑上的对应物，前者是实际存在的，
后者是虚的，只是用户的一种感觉。例如，在操作
系统中引入多道程序设计技术后，虽然只有一个
CPU，每次只能执行一道程序，但通过分时使用，
在一段时间间隔内，宏观上这台处理机能同时运行
多道程序。它给用户的感觉是每道程序都有一个
CPU为它服务。亦即，多道程序设计技术可以把一
台物理上的 CPU虚拟为多台逻辑上的 CPU。
第 1章：操作系统概论
4．不确定性
在多道程序环境中，由于资源等因
素的限制，程序是以走走停停的方式运
行的。系统中的每个程序何时执行、多
个程序间的执行顺序以及完成每道程序
所需的时间都是不确定的，因而也是不
可预知的。
第 1章：操作系统概论
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1.3 操作系统的类型和主要产品
1.3.1 多道批处理系统
1.3.2 分时系统
1.3.3 实时系统
1.3.4 个人机系统
1.3.5 网络操作系统
1.3.6 分布式操作系统
第 1章：操作系统概论
返回到本章
1.3.1 多道批处理系统
所调, 批处理, 包括两个含义，其一是指系统内可
同时容纳多个作业，这些作业存放在大容量的外存中，
组成一个后备作业队列，系统按一定的调度原则每次从
后备作业队列中取一个或多个作业调入内存运行，运行
作业结束并退出运行及后备作业进入运行均由系统自动
实现，从而在系统中形成了一个自动转接的连续的作业
流。批处理的另一个含义是指系统向用户提供的是一种
脱机操作方式，即用户与自己作业之间没有交互作用。
作业一旦进入系统，用户就不能在计算机前直接干预其
作业的运行。
多道批处理系统追求的目标是高资源利用率、大吞
吐量和作业流程的自动化。
第 1章：操作系统概论
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1.3.2 分时系统
1．分时概念和分时系统的实现方法
所谓分时，就是对时间的共享。分时主要是指若干
并发程序对 CPU时间的共享。它是通过系统软件实现的。
共享的时间单位称为时间片。它往往是很短的，如几十
毫秒，因不同系统针对不同档次的机型而有所不同。
这种分时的实现，需要有中断机构和时钟系统的支
持，利用时钟系统把 CPU时间分成一个一个的时间片，
操作系统轮流地把每个时间片分给各个并发程序，每道
程序一次只能运行一个时间片。当时间片计数到时后，
产生一个时钟中断，控制转向操作系统。操作系统选择
另一道程序并分给它时间片，让其投入运行，如此循环
反复。
第 1章：操作系统概论
1.3.2 分时系统
2．分时系统的特征和优点
分时系统的基本特征可概括为四点：
? （ 1）并行性
? （ 2）交互性
? （ 3）独立性
? （ 4）及时性
分时系统的优点：
? （ 1）为用户提供了友好的接口；
? （ 2）促进了计算机普遍使用，为多个终端服务；
? （ 3）便于资源共享和交换信息。
第 1章：操作系统概论
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1.3.3 实时系统
实时系统有如下三个主要特点。
1．及时响应
由于实时系统接收的是来自现场的事件，对这种事
件的响应时间直接影响到现场过程的控制质量或服务的
质量。因此，较之分时系统，实时系统对响应时间有更
严格的要求，分时系统的响应时间是以通常人们能够接
受的等待时间来确定的（如 2 s），而实时系统对响应
时间的要求则是以被控过程或信息处理过程能够接受的
延迟来确定的，可能是秒，也可能是毫秒级甚至微秒级。
第 1章：操作系统概论
1.3.3 实时系统
实时系统有如下三个主要特点。
2．高可靠性
可靠性对实时系统极为重要，由于实时系统
是在现场进行控制和处理，一旦发生错误或丢失
信息往往会造成重大损失甚至导致灾难性的后果。
因此，实时系统往往具有容错管理功能，例如，
过载保护、故障检测、系统重构。一些重要的实
时系统还常采用双机系统。
第 1章：操作系统概论
1.3.3 实时系统
实时系统有如下三个主要特点。
3．简单的交互作用
由于实时系统大多是专用系统，故比起分时
系统，其交互作用能力较差，它一般仅是针对待
定的实时任务提供一些简短的操作命令，并且仅
允许终端操作员访问有限数量的专用应用程序，
而不能编写新的程序输入系统或修改现有程序。
第 1章：操作系统概论
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1.3.4 个人机系统
1．单用户操作系统
主要有 MS-DOS,OS/2,Windows 95，
Windows 98,Windows NT等，其特征是：
（ 1）个人使用；
（ 2）界面友好；
（ 3）管理方便；
（ 4）适于普及。
2．多用户操作系统
最主要的是 UNIX系统以及各种类 UNIX系统。多用
户系统除了具有界面友好，管理方便和适于普及等特征
外，还具有多用户使用，可移植性良好，功能强大，通
信能力强等优点。
第 1章：操作系统概论
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1.3.5 网络操作系统
它具有以下特点：
（ 1）计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。
这些计算机系统在物理上是分散的，可在一个房间里、
在一个单位里、在一个城市或几个城市里、甚至在全国
或全球范围。
（ 2）这些计算机是自治的，每台计算机都有自己
的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协
同工作。
（ 3）系统互连要通过通信设施（硬件、软件）来
实现。
（ 4）系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、
互操作和协作处理，实现多种应用要求。
第 1章：操作系统概论
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1.3.6 分布式操作系统
分布式系统有效地解决了地域分布很广的若干计算
机系统间的资源共享 /并行工作、信息传输和数据保护
等问题。其特征如下：
（ 1）分布式处理，就是资源、功能、任务及控制等
都是分散在各个处理单元上的。实际上，用户并不知道
自己的程序是在哪台机器上运行，也不知道自己的文件
是存放在什么地方；
（ 2）模块化结构，是一组物理上分散的计算机站；
（ 3）利用信息通信，利用共享的通信系统来传递信
息；
（ 4）实施整体控制，整个分布式系统有一个高层操
作系统对各个分布的资源进行统一的整体控制。
第 1章：操作系统概论
1.3.6 分布式操作系统
分布式操作系统所涉及的问题远远多于以往的操作
系统，归纳起来具有以下特点：
（ 1）透明性，使用户觉得此系统就是老式的单 CPU
分时系统；
（ 2）灵活性，可根据用户需求，方便地对系统进行
修改或扩充；
（ 3）可靠性，若系统中某个机器不能工作，那么有
另外的机器代替它；
（ 4）高性能，执行速度快，响应及时，资源利用率
高；
（ 5）可扩充性，可根据使用环境的需要，方便地扩
充或缩减规模。
第 1章：操作系统概论
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本章小结
操作系统是由一系列程序模块组成的，它的基本功能是资源
管理和方便用户：它管理处理机、内存,I/O设备和文件，提供
用户接口。
操作系统发展以来，主要有两个目的：第一，为程序开发和
执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，
操作系统对各个计算机活动进行调度。
操作系统的形成和发展是与计算机硬件发展密切相关的。
最初的手工操作既费力又浪费机时，随着 CPU的速度越来
越快，它与机械设备在速度上越来越不匹配。由此推动了批处理
系统的产生。以后出现了通道和中断机构，又推动了多道程序系
统的产生。以后相继出现了多道批处理系统、分时系统、实时系
统、个人机系统、网络系统和分布式系统。反过来，操作系统的
发展对硬件也是提出了更高的要求。
第 1章：操作系统概论
本章小结
操作系统提供了五大功能，分别是：存储器管理、
处理机管理、文件管理、设备管理和用户接口。
操作系统发展过程经历了五个阶段。操作系统这类
系统软件有自己的基本特征，这就是：并发性、共享性、
虚拟性和不确定性。
操作系统提供大量的服务，在最低层是系统调用，
它允许正在运行的程序直接得到操作系统的服务；在较
高层，命令解释程序为用户提供请求服务的机制，而不
必编写程序。
操作系统分为不同档次，同档次也有不同产品，它
们各有特色。
第 1章：操作系统概论
课外作业
? 教材 P13
1,3,6
学习目标和学习要点
1.1 操作系统的形成和发展
1.2 操作系统的功能和特性
1.3 操作系统的类型和主要产品
本章小结
第 1章：操作系统概论
本章学习目标
掌握,操作系统的定义，操作系统的特征
和主要功能。
理解,操作系统的形成和五大类型（批处
理操作系统、分时操作系统、实时操作
系统、网络操作系统和分布式操作系
统），以及分时概念。
了解,操作系统的发展历程，分时和实时
操作系统的特点，常用操作系统的用户
界面，主要操作系统产品系列。
第 1章：操作系统概论
本章学习要点
应深入理解, 掌握什么是操作系统,
它主要具有什么功能, 有哪些类型；
与其他软件相比, 操作系统有怎样的
特殊性, 有什么基本特征 。 同时可以
结合上机操作, 考虑操作系统的功能
是如何实现的等问题 。
第 1章：操作系统概论
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1.1 操作系统的形成和发展
1.1.1 什么是操作系统
1.1.2 操作系统的发展历程
第 1章：操作系统概论
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可以把操作系统定义为：
操作系统是计算机系统中的一个系统
软件，它是这样一些模块的集合 —— 它们
管理和控制计算机系统中的硬件及软件资
源，合理地组织计算机工作流程，以便有
效地利用这些资源为用户提供一个功能强
大、使用方便的工作环境，从而在计算机
与其用户之间起到接口的作用
第 1章：操作系统概论
计算机系统的层次关系如图 1-1所示。
第 1章：操作系统概论
图 1-1 计算机系统的层次关系
1．单块式结构
早期的操作系统多数都采用这种单块
式体系结构。这种体系结构其实是没有结
构的，各组成单位密切联系，好似, 铁板
一块,,故名单块式结构。这种结构方式
给操作系统设计带来的缺点很明显：系统
的结构关系不清晰，好像一张大蜘蛛网，
难于进行修改，会, 牵一发而动全身, ；
使系统的可靠性降低，模块间会出现循环
调用，有很大的危险性。
第 1章：操作系统概论
2．层次结构
层次结构操作系统的设计思想是：按照
操作系统各模块的功能和相互依存关系, 把
系统中的模块分为若干层, 其中任一层模块
（ 除底层模块外 ） 都建立在它下面一层的基
础上 。 因而, 任一层模块只能调用比它低的
层中的模块, 而不能调用高层的模块 。 著名
的 UNIX系统的核心层就采用层次结构 。
第 1章：操作系统概论
用户接口
（命令接口、程序接口、图形用户接口）
对对象操纵和管理的软件集合
（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件、
文件管理软件,…… ）
操作系统对象
（处理机、存储器、设备、文件,…… ）
3．微内核结构
微内核结构是新一代操作系统采用的
结构。其基本思想是把所有操作系统基本
上都具有的那些操作放在内核中，而操作
系统的其他功能由内核之外的服务器实现。
微内核是操作系统的小核心，它将各
种操作系统共同需要的核心功能提炼出来，
形成微内核的基本功能。
第 1章：操作系统概论
微内核结构是新一代操作系统的主要
特征之一，正在得到迅速的应用。微内核
结构主要具有以下 6种特点：
（ 1）精简核心的功能
（ 2）可移植性好
（ 3）可伸缩性好
（ 4）实时性好
（ 5）提供多线程机制
（ 6）系统安全性好
第 1章：操作系统概论
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操作系统的发展和计算机的组成与体系结
构相关，经历了四个发展阶段。
? 1946年～ 50年代末：第一代，电子管时代，
无操作系统。
? 50年代末～ 60年代中期：第二代，晶体管时
代，批处理系统。
? 60年代中期～ 70年代中期：第三代，集成电
路时代，多道程序设计。
? 70年代中期至今：第四代，大规模和超大规模
集成电路时代，分时系统。现代计算机正向着
巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几
个方面发展。
第 1章：操作系统概论
1．手工操作
手工操作过程：先把程序纸带（或卡片）装
上计算机，然后启动输入机把程序和送入计算机，
接着通过控制台开关启动程序运行。计算完毕，
打印机输出计算结果，用户卸下并取走纸带（或
卡片）。第二个用户上机，重复同样的步骤。如
图 1-2所示。
第 1章：操作系统概论
纸带
卡片 计算机
用户
图 1-2 手工操作
2．单道批处理系统
计算机发展的早期，没有任何用于管理的软件，
所有的运行管理和具体操作都由用户自己承担，任
何操作出错都要重做作业,CPU的利用率甚低。解
决的方法有两个：首先配备专门的计算机操作员，
程序员不再直接操作机器，减少操作机器的错误。
另一个是进行批处理，操作员把用户提交的作业分
类，把一批中的作业编成一个作业执行序列。每一
批作业将有专门编制的监督程序自动依次处理。
第 1章：操作系统概论
早期的批处理分为联机批处理和脱机批
处理两种类型,
（ 1）联机批处理
在这种系统中，操作员有选择地把若干
作业合为一批，由监督程序先把它们输入
到磁带上，之后在监督程序的控制下，使
这批作业能一个接一个地连续执行。即：
第一个作业全部完成之后，监督程序又自
动调入该批的第二个作业，并重复此过程，
直至该批作业全部完成，再把下一批作业
输入到磁带上。在这样的系统中，作业处
理是成批进行的，并且在内存中总是只保
留一道作业（故名单道批处理）。同时作
业的输入、调入内存以及结果输出都在
CPU直接控制下进行。
第 1章：操作系统概论
（ 2）脱机批处理（缓冲技术的一种）
为克服早期联机批处理的主要缺点，人们
引进了早期的脱机批处理系统。这种方式的明
显特征是在主机之外另设一台小型卫星机，该
卫星机又称外围计算机，它不与主机直接连接，
只与外部设备打交道。其工作过程是：卫星机
把读卡机上的作业逐个地传送到输入磁带机上；
主机只负责把作业从磁带上调入内存并运行它，
作业完成后主机把计算结果和记账信息记录到
输出磁带上；卫星机负责把输出磁带上的信息
读出来，并交打印机打印。
第 1章：操作系统概论
第 1章：操作系统概论
卡片机
打印机
纸带机 卫星机 主机
日志
输入带
输出带
执行带
系统带
图 1-3 脱机批处理模型
3．多道程序系统
多道程序的运行特点：
（ 1）多道 —— 计算机内存中同时存放多
道相互独立的程序。
（ 2）宏观上并行运行 —— 同时进入系统
的几道程序都处于运行状态，但都未运行完。
（ 3）微观上串行运行 —— 各作业交替使
用 CPU，交替执行。
第 1章：操作系统概论
第 1章：操作系统概论
CPU
I / O 设备
程序 A
请求输入
程序 B
请求打印输出
程序 A
程序 B
输入
结束
请求
其他
I / O 操作
输出
结束
等待 CPU
程序 A
程序 B
运行处理 运行处理输入数据 其它 I / O 操作
运行处理 打印输出 运行处理
等待 CPU
图 1-5 多道程序工作示例
4．分时系统
针对批处理系统的上述问题，人们提出
了分时系统。它让用户通过终端设备联机地
使用计算机，这是比早期的手工操作方式更
高级的联机操作方式，如图 1-6所示。
第 1章：操作系统概论
图 1-6 分时系统
5．实时系统
在计算机的某些应用领域内，要求对
实时采样数据进行及时（立即）处理并做
出相应的反映，如果超出限定的时间就可
能丢失信息或影响到下一批信息的处理。
例如卫星发射过程中，必须对出现的各种
情况立即进行分析、处理，这种系统是专
用的，它对实时响应的要求是批处理系统
和分时系统无法满足的，于是人们引入了
实时系统。
第 1章：操作系统概论
6．通用系统
批处理系统、分时系统和实时系统是
操作系统的三种基本类型。目前的操作系
统，通常具有分时、实时和批处理这三种
中的两种以上的功能，又称作通用操作系
统。
例如,UNIX操作系统,SUN公司的
Solaris,IBM公司的 AIX。 Windows操作
系统,Microsoft公司的 Windows系列。
Linux操作系统,Redhat，红旗 Linux等
第 1章：操作系统概论
7．操作系统的进一步发展
20世纪 80年代，大规模集成电路
的发展，一方面个人计算机飞速发展，
一方面又向网络化、分布式、巨型计
算机、智能化方向发展。主要包括：
个人计算机操作系统、嵌入式操作系
统、网络操作系统、分布式操作系统、
智能化操作系统。
第 1章：操作系统概论
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1.2 操作系统的功能和特性
1.2.1 操作系统的功能
1.2.2 操作系统的特性
第 1章：操作系统概论
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1.2.1 操作系统的功能
1,存储器管理功能
2,处理机管理功能
3,设备管理功能
4,文件管理功能
5,用户接口
第 1章：操作系统概论
1．存储器管理功能
（ 1）内存分配
内存分配的主要任务是为每道程序分配一定
的内存空间。为此，操作系统必须记录整个内存
的使用情况，处理用户提出的申请，按照某种策
略实施分配，接收系统或用户释放的内存空间。
（ 2）地址映射
（ 3）内存保护
（ 4）内存扩充
第 1章：操作系统概论
2．处理机管理功能
处理机管理的功能包括：作业和进程调度、进程控制和进程
通信。
（ 1）作业和进程调度
一个作业通常要经过两级调度才得以在 CPU上执行。首先是
作业调度，它把选中的一批作业放人内存，并分配其它必要资源，
为这些作业建立相应的进程。然后进程调度按一定的算法从就绪
进程中选出一个合适进程，使之在 CPU上运行。
（ 2）进程控制
进程是系统中活动的实体。进程控制包括创建进程、撤销进
程、封锁进程、唤醒进程等。
（ 3）进程通信
多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者相互制约
的关系。为保证系统中所有进程都能正常活动，就必须设置进程
同步机制，它分为同步方式和互斥方式。相互合作的进程之间往
往需要交换信息，为此系统要提供通信机制。
第 1章：操作系统概论
3．设备管理功能
设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱
动和设备无关性。
（ 1）缓冲区管理
缓冲区管理的目的是解决 CPU和外设速度不匹配的矛盾，从
而使它们能充分并行工作，提高各自的利用率。
（ 2）设备分配
根据用户的 I/O请求和相应的分配策略，为该用户分配外部
设备以及通道、控制器等。
（ 3）设备驱动
实现 CPU与通道和外设之间的通信。由 CPU向通道发出 I/O
指令，后者驱动相应设备进行 I/O操作。当 I/O任务完成后，通
道向 CPU发中断信号，由相应的中处理程序进行处理。
（ 4）设备无关性
又称设备独立性，即用户编写的程序与实际使用的物理设备
无关，由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到物理设备。
第 1章：操作系统概论
4．文件管理功能
文件功能应包括：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。
（ 1）文件存储空间的管理
系统文件和用户文件都要放在磁盘上。为此，需要由文件系
统对所有文件以及文件的存储空间进行统一管理：为新文件分配
必要的外存空间，回收释放的文件空间，提高外存的利用率。
（ 2）文件操作的一般管理
包括文件的创建、删除、打开、关闭等。
（ 3）目录管理
目录管理包括目录文件的组织、实现用户对文件的, 按名存
取,,以及目录的快速查询和文件共享等。
（ 4）文件的读写管理和存取控制
根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存中。
为保证文件信息的安全性，防止未授权用户的存取或破坏，对各
文件（包括目录文件）进行存取控制。
第 1章：操作系统概论
5．用户接口
现代操作系统向用户提供三种类型的界面：
（ 1）图形界面 —— 用户利用鼠标、窗口、菜
单、图标等图形界面工具，可以直观、方便、有效
地使用系统服务和各种应用程序及实用工具；
（ 2）命令界面 —— 在提示符后用户从键盘输
入命令，系统提供相应服务；
（ 3）程序界面 —— 也称系统调用界面，用户
在自己的程序中使用系统调用，从而获取系统的服
务。
第 1章：操作系统概论
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1.2.2 操作系统的特性
1,并发性
2,共享性
3,虚拟性
4,不确定性
第 1章：操作系统概论
1．并发性
并发性，是指能同时处理存在的多个平行活动
的能力。如 I/O操作与计算重选运行，在内存中间
时存在几道用户程序等，都是并发的例子。
就整个系统来说，由于计算机和 I/O操作并行，
因此操作系统必须能控制、管理并调度这些并行的
动作。除此之外，操作系统还要协调主存各程序之
间的动作，以免互相发生干扰，造成严重后果，即
考虑同步问题。总之，操作系统要充分体现并发性。
第 1章：操作系统概论
2．共享性
共享是指多个任务共同使用系统资源。
共享可以说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
系统资源能有效地被共享，最大限度地提高
系统效率。由于共享的实质是并发共享，故
关键仍在于并发性。
第 1章：操作系统概论
3．虚拟性
在操作系统中，虚拟是指把一个物理上的实体
变为若干个逻辑上的对应物，前者是实际存在的，
后者是虚的，只是用户的一种感觉。例如，在操作
系统中引入多道程序设计技术后，虽然只有一个
CPU，每次只能执行一道程序，但通过分时使用，
在一段时间间隔内，宏观上这台处理机能同时运行
多道程序。它给用户的感觉是每道程序都有一个
CPU为它服务。亦即，多道程序设计技术可以把一
台物理上的 CPU虚拟为多台逻辑上的 CPU。
第 1章：操作系统概论
4．不确定性
在多道程序环境中，由于资源等因
素的限制，程序是以走走停停的方式运
行的。系统中的每个程序何时执行、多
个程序间的执行顺序以及完成每道程序
所需的时间都是不确定的，因而也是不
可预知的。
第 1章：操作系统概论
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1.3 操作系统的类型和主要产品
1.3.1 多道批处理系统
1.3.2 分时系统
1.3.3 实时系统
1.3.4 个人机系统
1.3.5 网络操作系统
1.3.6 分布式操作系统
第 1章：操作系统概论
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1.3.1 多道批处理系统
所调, 批处理, 包括两个含义，其一是指系统内可
同时容纳多个作业，这些作业存放在大容量的外存中，
组成一个后备作业队列，系统按一定的调度原则每次从
后备作业队列中取一个或多个作业调入内存运行，运行
作业结束并退出运行及后备作业进入运行均由系统自动
实现，从而在系统中形成了一个自动转接的连续的作业
流。批处理的另一个含义是指系统向用户提供的是一种
脱机操作方式，即用户与自己作业之间没有交互作用。
作业一旦进入系统，用户就不能在计算机前直接干预其
作业的运行。
多道批处理系统追求的目标是高资源利用率、大吞
吐量和作业流程的自动化。
第 1章：操作系统概论
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1.3.2 分时系统
1．分时概念和分时系统的实现方法
所谓分时，就是对时间的共享。分时主要是指若干
并发程序对 CPU时间的共享。它是通过系统软件实现的。
共享的时间单位称为时间片。它往往是很短的，如几十
毫秒，因不同系统针对不同档次的机型而有所不同。
这种分时的实现，需要有中断机构和时钟系统的支
持，利用时钟系统把 CPU时间分成一个一个的时间片，
操作系统轮流地把每个时间片分给各个并发程序，每道
程序一次只能运行一个时间片。当时间片计数到时后，
产生一个时钟中断，控制转向操作系统。操作系统选择
另一道程序并分给它时间片，让其投入运行，如此循环
反复。
第 1章：操作系统概论
1.3.2 分时系统
2．分时系统的特征和优点
分时系统的基本特征可概括为四点：
? （ 1）并行性
? （ 2）交互性
? （ 3）独立性
? （ 4）及时性
分时系统的优点：
? （ 1）为用户提供了友好的接口；
? （ 2）促进了计算机普遍使用，为多个终端服务；
? （ 3）便于资源共享和交换信息。
第 1章：操作系统概论
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1.3.3 实时系统
实时系统有如下三个主要特点。
1．及时响应
由于实时系统接收的是来自现场的事件，对这种事
件的响应时间直接影响到现场过程的控制质量或服务的
质量。因此，较之分时系统，实时系统对响应时间有更
严格的要求，分时系统的响应时间是以通常人们能够接
受的等待时间来确定的（如 2 s），而实时系统对响应
时间的要求则是以被控过程或信息处理过程能够接受的
延迟来确定的，可能是秒，也可能是毫秒级甚至微秒级。
第 1章：操作系统概论
1.3.3 实时系统
实时系统有如下三个主要特点。
2．高可靠性
可靠性对实时系统极为重要，由于实时系统
是在现场进行控制和处理，一旦发生错误或丢失
信息往往会造成重大损失甚至导致灾难性的后果。
因此，实时系统往往具有容错管理功能，例如，
过载保护、故障检测、系统重构。一些重要的实
时系统还常采用双机系统。
第 1章：操作系统概论
1.3.3 实时系统
实时系统有如下三个主要特点。
3．简单的交互作用
由于实时系统大多是专用系统，故比起分时
系统，其交互作用能力较差，它一般仅是针对待
定的实时任务提供一些简短的操作命令，并且仅
允许终端操作员访问有限数量的专用应用程序，
而不能编写新的程序输入系统或修改现有程序。
第 1章：操作系统概论
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1.3.4 个人机系统
1．单用户操作系统
主要有 MS-DOS,OS/2,Windows 95，
Windows 98,Windows NT等，其特征是：
（ 1）个人使用；
（ 2）界面友好；
（ 3）管理方便；
（ 4）适于普及。
2．多用户操作系统
最主要的是 UNIX系统以及各种类 UNIX系统。多用
户系统除了具有界面友好，管理方便和适于普及等特征
外，还具有多用户使用，可移植性良好，功能强大，通
信能力强等优点。
第 1章：操作系统概论
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1.3.5 网络操作系统
它具有以下特点：
（ 1）计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。
这些计算机系统在物理上是分散的，可在一个房间里、
在一个单位里、在一个城市或几个城市里、甚至在全国
或全球范围。
（ 2）这些计算机是自治的，每台计算机都有自己
的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协
同工作。
（ 3）系统互连要通过通信设施（硬件、软件）来
实现。
（ 4）系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、
互操作和协作处理，实现多种应用要求。
第 1章：操作系统概论
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1.3.6 分布式操作系统
分布式系统有效地解决了地域分布很广的若干计算
机系统间的资源共享 /并行工作、信息传输和数据保护
等问题。其特征如下：
（ 1）分布式处理，就是资源、功能、任务及控制等
都是分散在各个处理单元上的。实际上，用户并不知道
自己的程序是在哪台机器上运行，也不知道自己的文件
是存放在什么地方；
（ 2）模块化结构，是一组物理上分散的计算机站；
（ 3）利用信息通信，利用共享的通信系统来传递信
息；
（ 4）实施整体控制，整个分布式系统有一个高层操
作系统对各个分布的资源进行统一的整体控制。
第 1章：操作系统概论
1.3.6 分布式操作系统
分布式操作系统所涉及的问题远远多于以往的操作
系统，归纳起来具有以下特点：
（ 1）透明性，使用户觉得此系统就是老式的单 CPU
分时系统；
（ 2）灵活性，可根据用户需求，方便地对系统进行
修改或扩充；
（ 3）可靠性，若系统中某个机器不能工作，那么有
另外的机器代替它；
（ 4）高性能，执行速度快，响应及时，资源利用率
高；
（ 5）可扩充性，可根据使用环境的需要，方便地扩
充或缩减规模。
第 1章：操作系统概论
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本章小结
操作系统是由一系列程序模块组成的，它的基本功能是资源
管理和方便用户：它管理处理机、内存,I/O设备和文件，提供
用户接口。
操作系统发展以来，主要有两个目的：第一，为程序开发和
执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，
操作系统对各个计算机活动进行调度。
操作系统的形成和发展是与计算机硬件发展密切相关的。
最初的手工操作既费力又浪费机时，随着 CPU的速度越来
越快，它与机械设备在速度上越来越不匹配。由此推动了批处理
系统的产生。以后出现了通道和中断机构，又推动了多道程序系
统的产生。以后相继出现了多道批处理系统、分时系统、实时系
统、个人机系统、网络系统和分布式系统。反过来，操作系统的
发展对硬件也是提出了更高的要求。
第 1章：操作系统概论
本章小结
操作系统提供了五大功能，分别是：存储器管理、
处理机管理、文件管理、设备管理和用户接口。
操作系统发展过程经历了五个阶段。操作系统这类
系统软件有自己的基本特征，这就是：并发性、共享性、
虚拟性和不确定性。
操作系统提供大量的服务，在最低层是系统调用，
它允许正在运行的程序直接得到操作系统的服务；在较
高层，命令解释程序为用户提供请求服务的机制，而不
必编写程序。
操作系统分为不同档次，同档次也有不同产品，它
们各有特色。
第 1章：操作系统概论
课外作业
? 教材 P13
1,3,6
