什么是操作系統？操作系統的目標、作用和模型操作系統的發展過程操作系統的基本特征OS（OperatingSystems)的主要功能第一章操作系統引論第一章操作系統引論操作系統的概念（OperatingSystem）操作系統是一組軟件集合。它用來控制和管理計算機硬件和軟件資源合理組織計算機的工作流程向用戶提供各種服務，方便用戶使用計算機。1.1.1操作系統的作用(1)1.作為用戶與計算機硬件系統之間的接口圖1－1OS作為接口的從層狀示意圖計算機硬件操作系統核心系統調用，命令，圖標，窗口應用程序及實用程序系統設計者程序員用戶操作系統的作用(2)2.作為計算機系統資源的管理者管理對象包括：CPU、存儲器、I/O設備、文件（數據和軟件）；管理的內容：資源的當前狀態（數量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問操作，相應的管理策略（包括用戶權限）。目前分析操作系統的主要觀點就是資源管理的觀點操作系統的作用(3)3.OS實現了對計算機資源的抽象在裸機上添加：處理機管理（針對CPU）、存儲管理（針對內存和外存）、設備管理、文件管理；把覆蓋了軟件的機器稱為擴充機或虛擬機。合理組織工作流程：作業管理、進程管理圖1-2

I/O軟件隱藏了I/O操作實現的細節

操作系統的作用(3)方便性（用戶的觀點）：使計算機系統更容易使用。有效性（系統管理人員的觀點）：提高系統吞吐量。可擴充性（開放的觀點）：便于增加新的功能和模塊開放性：系統能支持世界標準規范。1.1.2操作系統的目標不斷提高計算機資源利用率批處理系統的出現方便用戶人機交互的分時系統的出現器件的不斷更新換代8位－16－32－64－...計算機體系結構的不斷發展：硬件的不斷更新單機OS－多機OS－網絡OS－…1.1.3操作系統發展的主要動力1.2操作系統的發展過程一、手工操作階段（無OS）二、批量處理系統（批處理系統）三、分時操作系統四、實時操作系統1.2操作系統的發展過程一、無操作系統時代1.手工操作1945年-50年代（電子管）手工操作計算機控制臺開關用機器語言編寫程序操作繁瑣、易出錯，效率低CPU等待人工操作、利用率低Bug及debug的來源1.2操作系統的發展過程手工操作的缺點易出錯、操作繁瑣、難于掌握。CPU的利用率和效率低。提高效率的途徑專門的操作員脫機輸入/輸出批量處理1.2操作系統的發展過程2脫機I/O方式利用外圍機解決人工操作的缺點。提高I/O速度且減少了CPU的空閑時間計算機外圍機磁性介質輸入設備外圍機輸出設備磁性介質磁性介質磁性介質1.2操作系統的發展過程二、批處理系統（50年代末-60年代中，晶體管）：1.單道批處理：利用磁帶把若干個作業分類編成作業執行序列，每批作業由一個專門的監督程序（Monitor）自動依次處理。可使用匯編語言開發。1.2操作系統的發展過程作業（job）：用戶在一次運算過程中要求計算機所做的全部工作的總和。批處理中的作業的組成：用戶程序數據作業說明書（作業控制語言）

任務（task）：計算機的基本工作單元，每個應用程序被稱作一個任務。實例區分概念程序，作業（任務），進程程序是一組靜態的指令集，不占用系統運行資源

進程是動態執行的程序，需要占用系統資源1.2.2單道批處理系統監督程序（monitor），它負責完成用戶程序的調入、啟動運行、輸出運行結果等工作。核心內容是給作業分配運行控制權（即CPU的使用權）。批處理是指系統對作業的處理都是成批進行的。若內存中始終只保持一道作業，稱為單道批處理系統（simplebatchsystem）。批處理系統的引入是為了提高系統資源的利用率和吞吐量在計算機系統中安裝一個監控程序Monitor,特點：自動性順序性單道性創建進程單道批處理的主要缺點CPU和I/O設備使用忙閑不均（取決于當前作業的特性）。對計算為主的作業，外設空閑；對I/O為主的作業，CPU空閑；1.2.3多道批處理系統引入：單道程序系統中CPU因等待I/O處理而空閑，基本概念多道批處理：系統內存中同時駐留多個作業的批處理系統。內存中同時存放多道程序，交替執行，共享軟硬件資源，提高ＣＰＵ的利用率，具有并行性和共享性特征多道性：宏觀上并行，微觀上串行

無序性：調度性：作業調度（后備隊列）、進程調度單道批處理系統有沒有兩種調度？多道程序設計技術的引入程序BCPU-設備間并行設備間并行多道程序設計技術定義:多道程序設計技術是在計算機內存中同時存放幾道相互獨立的程序，它們在管理程序的控制下相互穿插地運行。1.2操作系統的發展過程2.多道批處理60年代中-70年代中（集成電路），內存中同時存放多道程序，交替執行，共享軟硬件資源，提高ＣＰＵ的利用率。多道批處理系統的特征單道批處理系統有沒有兩種調度？多道批處理系統的特征：用戶脫機使用計算機，成批處理，多道程序處理。多道性：內存存放多個作業、宏觀上并行，微觀上串行；共享資源

調度性：作業調度（后備隊列）、進程調度無序性：作業先進入內存未必先執行結束圖1－4用戶程序監督程序I/O操作I/O中斷請求啟動I/OI/O完成結束中斷I/O中斷請求啟動I/OI/O完成結束中斷t1t2t3t4t5t6t7t8(a)單道程序運行情況圖1－4程序A監督程序I/O請求(b)四道程序運行情況程序B程序C程序DI/O請求I/O請求I/O請求I/O完成I/O完成I/O完成A完成表示獲得CPUC再運行問題！？處理機管理內存管理I/O管理文件管理作業管理多道批處理系統(2)多道程序系統的出現標志著在操作系統漸趨成熟的階段，是現代操作系統的基礎。多道批處理系統的優缺點優點：資源利用率高：CPU和內存及io利用率較高；系統吞吐量大：單位時間內完成的工作總量大；缺點：平均周轉時間長：作業的周轉時間顯著增長；用戶交互性差：整個作業完成后時，才與用戶交互，不利于調試和修改；小節習題1.2操作系統的發展過程-分時操作系統時間片，各個程序在CPU上執行的輪換時間1.2操作系統的發展過程三、分時系統（70年代中期至今）：分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機。多個程序分時共享硬件和軟件資源。分時系統的實現方法交互式作業直接進入內存以分配時間片方式實現分時系統需要有后備隊列嗎？分時系統需要作業調度嗎？分時系統需要進程調度嗎？分時操作系統的優點分時操作系統是當今計算機操作系統中最普遍的一類操作系統。人機交互性好：共享主機：用戶獨立性：分時系統(2)分時系統在實現中的關鍵問題及時接收：及時處理：“分時”的含義：分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機。多個程序分時共享硬件和軟件資源。多終端卡、輸入緩沖區交互作業的響應時間應短分時系統（3）分時系統的特征多路性：多用戶宏觀上同時使用，微觀上輪轉獨立性：用戶感覺到自己獨占計算機及時性：快速處理交互性：用戶與計算機之間可進行“會話”現在的許多操作系統都具有分時處理的功能，在分時系統的基礎上，操作系統的發展開始分化，如實時系統、通用系統、個人系統等。1.2操作系統的發展過程四、實時操作系統引入：對可靠性，安全性要求比較嚴格的場合。要求：響應時間短，在一定范圍之內；系統可靠性高。類型實時控制：工業過程控制、軍事實時控制實時信息處理：如金融領域實時系統(2)實時任務類型按任務執行是否呈現周期性來劃分周期性的和非周期性的根據對截止時間的要求來劃分硬實時任務和軟實時任務實時、分時的比較多路性：獨立性：及時性：交互性：可靠性：相同相同實時系統要求更高分時系統交互性更強實時系統要求更高小節習題其他類型的操作系統通用操作系統。它可以同時兼有多道批處理、分時、實時處理的功能，或其中兩種以上的功能。個人計算機操作系統是一聯機的交互式的單用戶操作系統，它提供的聯機交互功能與通用分時系統所提供的很相似。網絡操作系統是向網絡計算機提供服務的特殊的操作系統。它在計算機操作系統下工作，使計算機操作系統增加了網絡操作所需要的能力。分布式操作系統是由若干獨立的計算機構成，整個系統給用戶的印象是一臺計算機。多機合作，具有健壯性。

補充PC機操作系統的發展概念：多任務是指用戶可以在同一時間內運行多個應用程序,每個應用程序被稱作一個任務。DOS是一個典型的字符界面的單用戶單任務操作系統，16位。Windows是一個圖形界面的多任務操作系統（單用戶），32位。WindowsNT及Windows2003都屬于多用戶多任務操作系統1969年，Kenthompson用匯編語言寫了一個簡化的MULTICS系統，簡稱UNICS，即UNIX。1973年，Thompson和Retchie一起用C語言重寫UNIX，之后免費擴散，80年代出現商業版本。UNIX從一開始就是一個多用戶多任務操作系統已經應用于從嵌入式處理器到工作站、桌面系統，乃至服務于大群用戶的高性能多處理機系統。主要有SystemV和BSD兩種版本。補充UNIX系列的發展Linux是UNIX的變種，是一個源代碼開放的，多用戶多任務操作系統。Linux支持幾乎所有的硬件平臺，并廣泛支持各種周邊設備，是自由軟件。linux的起源和發展確實令人驚奇。它是一個芬蘭人LinusTorvalds（二十三歲計算機系學生）的業余發明。但如今已經成長為一個羽翼豐滿的32位計算機的操作系統，其性能可與商業的x86UNIX操作系統相媲美。補充Linux系列的發展小節習題1.3操作系統的基本特征

1.并發：宏觀上并行，微觀上串行并行：并發：兩或多個事件在同一時刻發生。兩或多個事件在同一時間間隔內發生進程：系統中能獨立運行并作為資源分配的基本單位。（引入線程后，獨立運行的單位變為線程）。進程的并發：宏觀上多個任務同時運行；微觀上多個任務在單個處理機上交替運行；操作系統的基本特征(2)2.共享：系統中資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用互斥共享：一段時間只允許一個進程訪問該資源同時訪問：微觀上仍是互斥的資源共享性：宏觀上，指多個任務可以同時使用資源；微觀上，指多個任務可以交替互斥地使用系統中的某個資源。操作系統的基本特征(4)3.虛擬:多道程序設計使每個用戶感覺是獨占計算機通過某種技術把一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物(分時或分空間)。若n是某一物理設備所對應的虛擬的邏輯設備數，則虛擬設備的速度必然是物理設備速度的1/n。虛擬是操作系統管理系統資源的重要手段，可提高資源利用率。處理機虛擬－－每個用戶（進程）的"虛處理機"設備虛擬－－一臺物理設備可以虛擬為多臺邏輯設備時分復用技術---以時間為代價操作系統的基本特征(5)存儲器虛擬－－小內存運行大進程。空分復用技術---以空間為代價操作系統的基本特征(6)4.異步：也稱不確定性，指各進程之間存在直接或間接地聯系，其執行順序和執行時間的不確定；多道程序系統中，多個進程并發執行，“時走時停”，不可預知每個進程的運行推進速度和花費時間正常系統的判段依據：無論進程快慢，同樣運行環境應該結果相同－－通過進程互斥和同步手段來保證1.4OS的主要功能一、從資源管理的角度看，操作系統的功能是協調、管理計算機的軟硬件資源，提高其利用率。（系統資源分為四大類：CPU、內存、外部設備及信息文件）。二、從用戶角度看，操作系統的功能是提供使用計算機的環境和服務，方便用戶使用。通常的接口有兩種方式：操作命令——人機對話；系統功能調用——在程序中調用1.4OS的主要功能1.4.1處理機管理功能處理機管理要解決處理機分配調度策略、分配實施和資源回收等問題。多道環境下，處理機的分配及回收都是以進程為單位，因此處理機管理可歸結為進程管理。一、進程控制創建/撤消進程遷移進程狀態一般由進程控制原語完成OS的主要功能(2)二、進程同步:協調系統中并發執行的進程控制它們以互斥方式訪問共享資源或協調合作完成同一作業三、進程通信相互合作的進程彼此間交換訊信息類型：直接通信、間接通信四、調度（作業與進程）：按某種調度策略實現對CPU的分配OS的主要功能(3)四、調度作業調度：從后備隊列挑選合適的作業，為其分配必要資源，調入內存建立進程，并進入就緒隊列。進程調度：從就緒隊列中選出進程，分配CPU，使之運行。調度算法：FCFS、優先權等OS的主要功能-存儲管理1.4.2存儲管理：多道程序共享內存一、內存分配靜態分配或動態分配需要內存分配數據結構及內存分配回收算法二、內存保護保證程序在自己的存儲器空間運行，互不干涉一般是硬件實現OS的主要功能-存儲管理三、地址映射將邏輯地址轉換為物理地址程序中，邏輯空間-》邏輯地址（相對地址）內存中，物理空間-》物理地址（絕對地址）四、內存擴充：虛擬內存將內、外存結合起來管理。利用虛擬存儲技術，從邏輯上擴充內存容量系統應有：請求調入/置換功能以支持虛存技術OS的主要功能-設備管理1.4.3設備管理:提高I/O利用率和速度，方便用戶。設備品種多樣，性能差別很大設備管理是操作系統中最繁雜的部分一、設備無關性：program與設備無關，增加可移植性二、設備分配策略：獨占分配，共享分配，虛擬分配-spooling技術三、設備處的傳輸控制：中斷處理，緩沖技術等OS的主要功能-文件管理1.4.4文件管理：文件是若干數據的集合，有的操作系統將程序、數據以及各種外部設備統統稱為文件。文件是程序與數據在磁盤、磁帶上的最小管理單元。文件有唯一的文件名，文件就是命名了的字節流。對文件的操作包括文件的建立、修改、刪除、重命名、設置訪問權限等OS的主要功能-文件管理1.4.4文件管理：方便用戶，提供安全性一、文件存貯空間的管理解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能。二、目錄管理使用戶按名存取，提高速度。三、文件的讀、寫管理和存取控制（保護）OS的主要功能－用戶接口1.4.5用戶與操作系統的接口一、命令接口：作業一級的接口，提供一組控制操作命令（作業控制語言）供用戶去組織和控制自己作業的運行。

分為聯機用戶接口和脫機用戶接口。二、圖形接口：命令接口的圖形化如windows的copy文件，采用“拖”來完成，生動，不需記憶三、程序接口：程序一級接口，OS提供一組系統調用供用戶程序和其它系統程序調用，完成數據傳輸，文件操作，資源分配等操作。表現為為低級匯編指令和高級語言的庫函數基本概念---操作系統定義1.科普的觀點操作系統是計算機系統的管理和控制中心，它依照設計者制定的各種調度策略組織和管理計算機系統資源，使之能高效地運行。2.功能的觀點操作系統是一個計算機資源管理系統，它負責計算機系統的全部資源的分配、控制、調度和回收。3.用戶的觀點操作系統是計算機與用戶間的接口，用戶通過這種接口使用計算機。

基本概念---操作系統定義綜合來說，操作系統是計算機系統中的一個系統軟件，它是這樣一些程序模塊的集合——它們管理和控制計算機系統中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個功能強大、使用方便和可擴展的工作環境，從而在計算機與其用戶之間起到接口的作用。基本概念：多道程序設計多道程序設計：系統中允許多道程序同時準備運行。當正在運行的那道程序因為某種原因（如等待輸入或輸出數據）暫時不能繼續運行時，系統將自動地啟動另一道程序運行；一旦原因消除，暫時停止運行的那道程序在將來某個時候還可以被系統重新啟動繼續運行。多重處理(multiprocessing)系統配置多個CPU，能真正同時執行多道程序。要有效使用多重處理，必須采用多道程序設計技術，而多道程序設計原則上不一定要求多重處理系統的支持。多道程序設計帶來的問題:協調因爭奪處理機或者輸入輸出設備而產生的沖突，解決同步、互斥和死鎖問題。防止各道程序之間的交叉和沖突、防止作業被有意無意地破壞。必須建立高效、可靠和方便的文件系統，有效地管理和存取系統中的軟件資源和輔存空間。基本概念進程是指，程序的一次執行，包括可執行的程序、程序所需的數據和相關狀態信息。進程是資源分配的最小實體，在傳統的OS中，進程同時也是系統調度的最小單位。線程是指，程序的一次相對獨立的運行過程；在現代OS中，線程是系統調度的最小單位。基本概念：進程與線程基本概念：作業作業是指，計算機用戶在一次上機過程中要求計算機系統為其所做工作的集合；作業中的每項相對獨立的工作稱為作業步。通常，人們用一組命令來描述作業；其中，每個命令定義一個作業步。作業的基本類型：脫機作業和聯機作業作業的概念僅存于早期的批處理系統和現在的大型機巨型機。基本概念：接口英文Interface在操作系統中具有接口和界面兩種含義。接口多用于描述系統硬件之間的連接關系（如總線接口，打印機接口等）以及軟件和程序模塊間的調用關系。界面多用于描述用戶與系統之間的操作環境以及人機之間的交互方式和過程，如字符界面、圖形用戶界面等。基本概念：系統調用系