? 操作系统概述和基本原理
定义、功能、特征、分类等
几大基本的操作系统的管理功能
处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理
作业管理操作系统操作系统概述第一章 操作系统概述操作系统的 定义操作系统的 发展操作系统的 功能操作系统的 特征操作系统的 分类第二篇 操作系统操作系统概述
1.1、什么是操作系统（ OS）
1.2,OS的目标和作用
1.3,OS的发展历史和已有类型
1.4,OS的分类
1.5,OS的特征
1.6,OS的功能操作系统概述
1.1 什么是操作系统操作系统概述
1.1.1计算机硬件系统的组成 显示器键盘
CPU（处理机）
内存计算机一般由：处理机（ CPU）、存储器、
通道及 I/O设备组成
（补充）计算机工作原理
1,CPU从内存中读取指令
2、指令一般由指令体和操作数组成
3、内存按照地址大小，线性存放数据、指令
4,CPU执行完一条指令后，不遇到 下，
自动执行 。
5,CPU寄存器不是内存，是 CPU的一部分。
CPU
内存
I/O设备
MOV 1234,[1234]
AX BX CX ……
指令体 操作数操作数ADD ax,1
下一地址单元中存放的指令跳转指令或结束指令特殊情况下一条指令
（补充）计算机工作原理
CPU，内存和 I/O设备都通过总线交换数据
CPU
存储器 I/O设备 I/O设备总线高速 低速基于总线的微机硬件体系
（补充）计算机工作原理
CPU不直接与设备交换数据。主存处于数据交换的中心位置 —— 共享主存非总线型结构
CPU
主存通道 通道 通道 通道
I/O
设备磁盘 磁带通信设备主存可同时进行控制操作系统的定义
1.1.2操作系统的定义操作系统 是计算机系统中直接控制和管理各种软硬件资源，
以方便用户充分而有效地利用这些资源的程序的集合 ① 实体
② 对象
③ 目标
④ 手段操作系统的定义 (课堂练习 )
操作系统的实体：
程序的集合
管理对象：
各种软硬件资源
管理目标：
方便用户使用 —— 充分而有效的使用
管理手段：
直接控制和管理操作系统是：紧靠硬件的第一层软件操作系统的地位
1.1.3操作系统的地位 1、裸机的使用是不方便的裸机操作系统
2、在裸机之上装配一些 基本的控制软件,让这些软件自动完成基本功能应用程序
3、在这些软件的基础之上进行扩充和完善，
提供给用户所要求的功能操作系统的目标、作用
1.2、操作系统的目标为什么要研究操作系统？
操作系统的目标
操作系统的目标
★ 方便性 ★ 有效性
★ 可扩充性 ★ 开放性操作系统的目标
1）方便性：
提供给用户易用统一的手段
2）有效性：
有效 地控制各种软硬件资源，使之得到充分利用
保持忙碌和有序占用
合理 组织系统工作流程，改善系统性能
提高系统效率
为用户方便的使用计算机提供 良好 的环境
提高用户使用效率操作系统的目标
3）可扩充性
模块化，易添加和修改
4）开放性
对应用程序最大可能的提供开放统一的环境，
应用程序能方便地移植和互操作。
例：网络时代的操作系统操作系统的作用
对操作系统的要求
★ 提供使用接口
★ 管理系统资源
★ 裸机能力的扩充操作系统的作用
操作系统是用户和计算机系统之间的接口
接口位置：
位于用户与计算机硬件系统之间
接口作用：
从用户角度：
用户可以通过各种接口，获得访问、使用系统资源的能力。
从系统角度：
系统在有序管理计算机硬件系统前提下，向用户提供调用接口操作系统的作用
操作系统是系统资源管理者
系统资源：
处理机（ CPU）、存储器,I/O设备及信息（软件 —— 程序和数据）
处理机管理,纪录处理机状态，按策略分配处理机
存储器管理,纪录存储器使用情况，按策略分配，保护信息不受破坏。
I/O管理,按要求和策略分配设备，优化设备调度，
提高设备使用效率
信息管理,以文件方式组织信息。方便的查询和保护。
操作系统的发展
1.3 操作系统的发展历史操作系统的发展
1.3操作系统的发展历史
发展历史经历三个变化
从 人工操作 到 机器自动处理
人工操作缓慢
机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换
从 联机 I/O 到 脱机 I/O
CPU速度迅速提高而 I/O设备依然缓慢，
CPU化大量时间等待设备
输入输出在外围机控制下进行
从 单道程序处理 到 多道程序同时处理操作系统的发展
1）从 人工操作 到 机器自动处理
减少两个作业之间的人工干预，由系统自动调度作业逐个投入运行人工干预需要作业作业完成输出作业需要作业作业完成输出作业 需要作业人工操作缓慢 机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换成批处理操作系统的发展
2）从 联机 I/O到 脱机 I/O
CPU速度迅速提高而 I/O设备依然缓慢
CPU等待设备
脱机 I/O环境中，输入输出在外围机控制下进行外围机输入井低速高速操作系统的发展
3）从 单道程序处理 到 多道程序同时处理
123 369
操作系统的分类
1.4、操作系统的分类操作系统的分类
早期的计算机系统
1、人工将程序用打卡机打在卡片上
2、计算机逐条读取卡片上的指令操作系统的分类
1.4.1 单道批处理系统
作业成批进入系统后备队列
按照一定的策略调度一个作业在系统中运行
背景：
系统资源十分昂贵
输入速度与 CPU的速度不匹配
联机单道批处理没有解决 I/O与 CPU速度不匹配问题
脱机单道批处理可以使 CPU与 I/O并行工作，提高效率单道批处理其它作业成批进入输入井 输出井其它传统方式单道批处理系统低速高速
单道批处理系统特点：
内存中只保持一道作业运行
作业完成顺序与其进入内存的顺序直接相关单道批处理单道程序系统用户程序监督程序
I/O操作
I/O中断请求
I/O完成
t1 t2
中断处理
I/O启动多道批处理
1.4.2 多道批处理系统
作业 成批 进入系统后备队列
按照一定的策略调度 多个 作业在系统中运行
进一步提高系统吞吐量和利用率单道程序系统用户程序监督程序
I/O操作
I/O中断请求
I/O完成多道程序系统程序 A
程序 B
OS调度
I/O A
I/O B
t1
t1
t2
t2
程序 A和 B
都得到了推进,并发并行多道批处理其它作业成批进入输入井 输出井单道批处理系统高速其它作业成批进入输出井多道批处理系统多道并发执行输入井多道批处理
多道批处理对资源利用率的提高：
提高 CPU的利用率
提高内存利用率
提高 I/O设备的利用率
多道批处理系统的特点：
多道性
无序性
需要进行两级调度
高级调度,
低级调度,
作业进入内存的顺序与作业完成的顺序不直接相关。
选取多个作业进入内存在内存中的多个作业之间完成处理机使用权的切换批处理系统
小结：批处理系统的特点：
资源利用率高，吞吐量大
能根据作业对系统资源的需求和系统当前状态，
充分调度资源。
无交互能力
作业进入系统后，系统自动调度，管理员或用户不干预系统的调度情况不便不能分时系统
1.4.3 分时系统
分时系统的提出：
解决人机交互，进行及时响应,共享主机
分时系统实现：
按时间片轮转
时间片：作业使用 CPU的时间
时间片中断处理
t
作业 1 2 3 1 2 3
分时系统
将时间片划分很小，从一个较长时间看，每一个用户都似乎独享主机
例：电影胶片每秒播放 25帧图象。即每幅图象占用 0.04秒
若将帧速率提高一倍，就可以在屏幕的上下两方同时播放两部电影
时间片的选择：
太大：及时交互性效果不明显
太小：作业频繁切换，增加系统开销
几十到几百毫秒之间。
分时系统按时间片轮转分时系统每个用户都获得了满意的响应速度，
感觉系统是为其独享的分时系统用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的分时系统
分时系统的特点：
多路性
同时连接多台终端
独立性
终端间互不影响
及时性
在人们能接受的时间内响应
交互性
方便的人机对话关于交互性多道程序批处理系统程序 A
程序 B
OS调度
I/O A
I/O B
t1 t2
A输入数据 A给出响应不确定时间作业 1 2 3 1 2 3
1输入数据 1给出响应分时系统控制轮转周期在人机交互忍受范围内实时系统
1.4.4 实时系统
实时系统的提出：
分时系统的响应往往要等待一个循环周期。
实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应实时采集现场数据，
完成自动化控制例：导弹导航特点：
响应速度足够快可靠性高实时控制根据用户要求进行信息检索和处理例：远程订票系统特点：
强大的文件系统或数据库操作简便、安全、查询快速实时信息查询实时系统由 优先级控制响应顺序实时系统
实时系统特点：
多路性：
多路信息采集，多对象控制
独立性：
信息采集和对象控制是相互独立的
及时性：
有较严格的时间限制，相应时间短
交互性：
主要与管理员进行简单的交互
可靠性：
多级容错操作系统分类作业处理系统批处理系统分时系统单道批处理系统多道批处理系统简单分时系统具“前、后台”的分时系统多道分时系统实时系统实时控制实时信息查询操作系统分类微机系统多处理机系统网络系统分布式系统单用户、单任务多用户、多任务单用户、多任务网络通信，网络资源管理、网络服务，客户 /服务器模式的互操作操作系统的特征
1.5、操作系统的特征操作系统的特征
1.5 操作系统的特征
并发性、共享性、虚拟性和异步性
1.5.1程序执行的并发性
并行与并发
并行,在某一时刻同时发生
并发,在一段时间内同时发生
程序并发执行可以大大提高资源利用率
在一段时间内多个程序都同时推进完毕操作系统的特征
1.5.2资源的共享性
含义：系统中的资源可供多个并发执行的程序共同使用
互斥共享
某些资源只能互斥访问，如打印机。
系统在一段时间内让多个程序分别访问了互斥资源是为 共享
同时访问
某些资源允许多个程序同时访问，如屏幕。
系统并发调度多个程序共享资源操作系统的特征
共享性与并发性的关系 —— 互为条件
（共享） 对资源进行有效的管理，使得一个作业在访问 I/O设备而不使用 CPU时，其他作业可以使用 CPU—— 并发执行
（并发） 程序并发执行，系统资源在一段时间内为多个程序共同访问，资源得到了共享 —— 资源的共享操作系统的特征
1.5.3对象的虚拟性
虚拟：把一个物理实体通过一定的技术变成若干个逻辑上的对应物。
虚拟操作系统的特征
1.5.4、程序执行的异步性（不确定性）
程序之间是以异步的方式推进的。
异步、不确定
可能程序完成的顺序与程序进入内存（系统）
的顺序不同
不可预知：程序何时执行、何时暂停、推进进度、完成时间等操作系统的功能
1.6、操作系统的功能
1.6、操作系统功能
四大管理功能与用户接口功能，或五大管理功能
处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理功能
作业管理功能（用户接口）
操作系统的功能系统基本硬件组成系统软件组织操作系统的功能
1.6.1处理机管理功能
进程控制
进程同步
进程通信
进程调度
1.6.2存储器管理功能
内存分配
内存保护
地址映射
内存的虚拟扩充操作系统的功能
1.6.3设备管理功能
设备分配
设备处理
缓冲区管理
1.6.4文件管理功能
文件存储空间管理
文件目录管理
文件控制权管理操作系统的功能
1.6.5 作业管理
作业调度
接纳用户提交的作业（任务）
用户接口命令方式命令行接口图形化界面接口系统调用方式：在程序中使用系统资源时调用进程控制类,t_creat( ) t_close( )...
文件操纵类,f_open( ) f_close( ) f_read( ),..
内存使用类,malloc( ) free( )...
设备管理类,printf( ) scanf( )...
通信类调用,socket（） send（） recv（）
作业
什么是操作系统？
操作系统有哪些特征？
操作系统有哪些分类？
操作系统有哪些功能？
批处理系统是如何提高系统效率的？
分时系统是如何提高系统的交互性的？
定义、功能、特征、分类等
几大基本的操作系统的管理功能
处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理
作业管理操作系统操作系统概述第一章 操作系统概述操作系统的 定义操作系统的 发展操作系统的 功能操作系统的 特征操作系统的 分类第二篇 操作系统操作系统概述
1.1、什么是操作系统（ OS）
1.2,OS的目标和作用
1.3,OS的发展历史和已有类型
1.4,OS的分类
1.5,OS的特征
1.6,OS的功能操作系统概述
1.1 什么是操作系统操作系统概述
1.1.1计算机硬件系统的组成 显示器键盘
CPU（处理机）
内存计算机一般由：处理机（ CPU）、存储器、
通道及 I/O设备组成
（补充）计算机工作原理
1,CPU从内存中读取指令
2、指令一般由指令体和操作数组成
3、内存按照地址大小，线性存放数据、指令
4,CPU执行完一条指令后，不遇到 下，
自动执行 。
5,CPU寄存器不是内存，是 CPU的一部分。
CPU
内存
I/O设备
MOV 1234,[1234]
AX BX CX ……
指令体 操作数操作数ADD ax,1
下一地址单元中存放的指令跳转指令或结束指令特殊情况下一条指令
（补充）计算机工作原理
CPU，内存和 I/O设备都通过总线交换数据
CPU
存储器 I/O设备 I/O设备总线高速 低速基于总线的微机硬件体系
（补充）计算机工作原理
CPU不直接与设备交换数据。主存处于数据交换的中心位置 —— 共享主存非总线型结构
CPU
主存通道 通道 通道 通道
I/O
设备磁盘 磁带通信设备主存可同时进行控制操作系统的定义
1.1.2操作系统的定义操作系统 是计算机系统中直接控制和管理各种软硬件资源，
以方便用户充分而有效地利用这些资源的程序的集合 ① 实体
② 对象
③ 目标
④ 手段操作系统的定义 (课堂练习 )
操作系统的实体：
程序的集合
管理对象：
各种软硬件资源
管理目标：
方便用户使用 —— 充分而有效的使用
管理手段：
直接控制和管理操作系统是：紧靠硬件的第一层软件操作系统的地位
1.1.3操作系统的地位 1、裸机的使用是不方便的裸机操作系统
2、在裸机之上装配一些 基本的控制软件,让这些软件自动完成基本功能应用程序
3、在这些软件的基础之上进行扩充和完善，
提供给用户所要求的功能操作系统的目标、作用
1.2、操作系统的目标为什么要研究操作系统？
操作系统的目标
操作系统的目标
★ 方便性 ★ 有效性
★ 可扩充性 ★ 开放性操作系统的目标
1）方便性：
提供给用户易用统一的手段
2）有效性：
有效 地控制各种软硬件资源，使之得到充分利用
保持忙碌和有序占用
合理 组织系统工作流程，改善系统性能
提高系统效率
为用户方便的使用计算机提供 良好 的环境
提高用户使用效率操作系统的目标
3）可扩充性
模块化，易添加和修改
4）开放性
对应用程序最大可能的提供开放统一的环境，
应用程序能方便地移植和互操作。
例：网络时代的操作系统操作系统的作用
对操作系统的要求
★ 提供使用接口
★ 管理系统资源
★ 裸机能力的扩充操作系统的作用
操作系统是用户和计算机系统之间的接口
接口位置：
位于用户与计算机硬件系统之间
接口作用：
从用户角度：
用户可以通过各种接口，获得访问、使用系统资源的能力。
从系统角度：
系统在有序管理计算机硬件系统前提下，向用户提供调用接口操作系统的作用
操作系统是系统资源管理者
系统资源：
处理机（ CPU）、存储器,I/O设备及信息（软件 —— 程序和数据）
处理机管理,纪录处理机状态，按策略分配处理机
存储器管理,纪录存储器使用情况，按策略分配，保护信息不受破坏。
I/O管理,按要求和策略分配设备，优化设备调度，
提高设备使用效率
信息管理,以文件方式组织信息。方便的查询和保护。
操作系统的发展
1.3 操作系统的发展历史操作系统的发展
1.3操作系统的发展历史
发展历史经历三个变化
从 人工操作 到 机器自动处理
人工操作缓慢
机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换
从 联机 I/O 到 脱机 I/O
CPU速度迅速提高而 I/O设备依然缓慢，
CPU化大量时间等待设备
输入输出在外围机控制下进行
从 单道程序处理 到 多道程序同时处理操作系统的发展
1）从 人工操作 到 机器自动处理
减少两个作业之间的人工干预，由系统自动调度作业逐个投入运行人工干预需要作业作业完成输出作业需要作业作业完成输出作业 需要作业人工操作缓慢 机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换成批处理操作系统的发展
2）从 联机 I/O到 脱机 I/O
CPU速度迅速提高而 I/O设备依然缓慢
CPU等待设备
脱机 I/O环境中，输入输出在外围机控制下进行外围机输入井低速高速操作系统的发展
3）从 单道程序处理 到 多道程序同时处理
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操作系统的分类
1.4、操作系统的分类操作系统的分类
早期的计算机系统
1、人工将程序用打卡机打在卡片上
2、计算机逐条读取卡片上的指令操作系统的分类
1.4.1 单道批处理系统
作业成批进入系统后备队列
按照一定的策略调度一个作业在系统中运行
背景：
系统资源十分昂贵
输入速度与 CPU的速度不匹配
联机单道批处理没有解决 I/O与 CPU速度不匹配问题
脱机单道批处理可以使 CPU与 I/O并行工作，提高效率单道批处理其它作业成批进入输入井 输出井其它传统方式单道批处理系统低速高速
单道批处理系统特点：
内存中只保持一道作业运行
作业完成顺序与其进入内存的顺序直接相关单道批处理单道程序系统用户程序监督程序
I/O操作
I/O中断请求
I/O完成
t1 t2
中断处理
I/O启动多道批处理
1.4.2 多道批处理系统
作业 成批 进入系统后备队列
按照一定的策略调度 多个 作业在系统中运行
进一步提高系统吞吐量和利用率单道程序系统用户程序监督程序
I/O操作
I/O中断请求
I/O完成多道程序系统程序 A
程序 B
OS调度
I/O A
I/O B
t1
t1
t2
t2
程序 A和 B
都得到了推进,并发并行多道批处理其它作业成批进入输入井 输出井单道批处理系统高速其它作业成批进入输出井多道批处理系统多道并发执行输入井多道批处理
多道批处理对资源利用率的提高：
提高 CPU的利用率
提高内存利用率
提高 I/O设备的利用率
多道批处理系统的特点：
多道性
无序性
需要进行两级调度
高级调度,
低级调度,
作业进入内存的顺序与作业完成的顺序不直接相关。
选取多个作业进入内存在内存中的多个作业之间完成处理机使用权的切换批处理系统
小结：批处理系统的特点：
资源利用率高，吞吐量大
能根据作业对系统资源的需求和系统当前状态，
充分调度资源。
无交互能力
作业进入系统后，系统自动调度，管理员或用户不干预系统的调度情况不便不能分时系统
1.4.3 分时系统
分时系统的提出：
解决人机交互，进行及时响应,共享主机
分时系统实现：
按时间片轮转
时间片：作业使用 CPU的时间
时间片中断处理
t
作业 1 2 3 1 2 3
分时系统
将时间片划分很小，从一个较长时间看，每一个用户都似乎独享主机
例：电影胶片每秒播放 25帧图象。即每幅图象占用 0.04秒
若将帧速率提高一倍，就可以在屏幕的上下两方同时播放两部电影
时间片的选择：
太大：及时交互性效果不明显
太小：作业频繁切换，增加系统开销
几十到几百毫秒之间。
分时系统按时间片轮转分时系统每个用户都获得了满意的响应速度，
感觉系统是为其独享的分时系统用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的分时系统
分时系统的特点：
多路性
同时连接多台终端
独立性
终端间互不影响
及时性
在人们能接受的时间内响应
交互性
方便的人机对话关于交互性多道程序批处理系统程序 A
程序 B
OS调度
I/O A
I/O B
t1 t2
A输入数据 A给出响应不确定时间作业 1 2 3 1 2 3
1输入数据 1给出响应分时系统控制轮转周期在人机交互忍受范围内实时系统
1.4.4 实时系统
实时系统的提出：
分时系统的响应往往要等待一个循环周期。
实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应实时采集现场数据，
完成自动化控制例：导弹导航特点：
响应速度足够快可靠性高实时控制根据用户要求进行信息检索和处理例：远程订票系统特点：
强大的文件系统或数据库操作简便、安全、查询快速实时信息查询实时系统由 优先级控制响应顺序实时系统
实时系统特点：
多路性：
多路信息采集，多对象控制
独立性：
信息采集和对象控制是相互独立的
及时性：
有较严格的时间限制，相应时间短
交互性：
主要与管理员进行简单的交互
可靠性：
多级容错操作系统分类作业处理系统批处理系统分时系统单道批处理系统多道批处理系统简单分时系统具“前、后台”的分时系统多道分时系统实时系统实时控制实时信息查询操作系统分类微机系统多处理机系统网络系统分布式系统单用户、单任务多用户、多任务单用户、多任务网络通信，网络资源管理、网络服务，客户 /服务器模式的互操作操作系统的特征
1.5、操作系统的特征操作系统的特征
1.5 操作系统的特征
并发性、共享性、虚拟性和异步性
1.5.1程序执行的并发性
并行与并发
并行,在某一时刻同时发生
并发,在一段时间内同时发生
程序并发执行可以大大提高资源利用率
在一段时间内多个程序都同时推进完毕操作系统的特征
1.5.2资源的共享性
含义：系统中的资源可供多个并发执行的程序共同使用
互斥共享
某些资源只能互斥访问，如打印机。
系统在一段时间内让多个程序分别访问了互斥资源是为 共享
同时访问
某些资源允许多个程序同时访问，如屏幕。
系统并发调度多个程序共享资源操作系统的特征
共享性与并发性的关系 —— 互为条件
（共享） 对资源进行有效的管理，使得一个作业在访问 I/O设备而不使用 CPU时，其他作业可以使用 CPU—— 并发执行
（并发） 程序并发执行，系统资源在一段时间内为多个程序共同访问，资源得到了共享 —— 资源的共享操作系统的特征
1.5.3对象的虚拟性
虚拟：把一个物理实体通过一定的技术变成若干个逻辑上的对应物。
虚拟操作系统的特征
1.5.4、程序执行的异步性（不确定性）
程序之间是以异步的方式推进的。
异步、不确定
可能程序完成的顺序与程序进入内存（系统）
的顺序不同
不可预知：程序何时执行、何时暂停、推进进度、完成时间等操作系统的功能
1.6、操作系统的功能
1.6、操作系统功能
四大管理功能与用户接口功能，或五大管理功能
处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理功能
作业管理功能（用户接口）
操作系统的功能系统基本硬件组成系统软件组织操作系统的功能
1.6.1处理机管理功能
进程控制
进程同步
进程通信
进程调度
1.6.2存储器管理功能
内存分配
内存保护
地址映射
内存的虚拟扩充操作系统的功能
1.6.3设备管理功能
设备分配
设备处理
缓冲区管理
1.6.4文件管理功能
文件存储空间管理
文件目录管理
文件控制权管理操作系统的功能
1.6.5 作业管理
作业调度
接纳用户提交的作业（任务）
用户接口命令方式命令行接口图形化界面接口系统调用方式：在程序中使用系统资源时调用进程控制类,t_creat( ) t_close( )...
文件操纵类,f_open( ) f_close( ) f_read( ),..
内存使用类,malloc( ) free( )...
设备管理类,printf( ) scanf( )...
通信类调用,socket（） send（） recv（）
作业
什么是操作系统？
操作系统有哪些特征？
操作系统有哪些分类？
操作系统有哪些功能？
批处理系统是如何提高系统效率的？
分时系统是如何提高系统的交互性的？
