第1章 操作系统概述

21世纪高职高专新概念教材

操作系统原理教程

连卫民徐保民等编著中国水利水电出版社第1章操作系统概述1.1计算机系统1.2操作系统的目标、作用和模型1.3操作系统的形成与发展1.4操作系统的特征与功能本章结束！1.1计算机系统1.1.1计算机硬件计算机硬件是指组成计算机系统的设备或机器，它是组成计算机系统的基础。计算机硬件一般包括中央处理器（CPU）、主存储器、外存储器、输入设备和输出设备，其中CPU与主存储器合称为主机，外存储器、输入设备和输出设备合称为外部设备。第1章操作系统概述1.1计算机系统1.1.1计算机硬件计算机硬件之间的关系如图1-1所示。第1章操作系统概述1.1计算机系统1.1.2计算机软件计算机软件是指组成计算机系统的程序、数据和文档。程序是指令的有序集合，是根据一定的算法，采用相应的数据结构，用某种计算机语言进行的描述；数据是信息在计算机中的表示，是计算机处理的对象；文档是各种说明文本，是软件操作的辅助性资源。计算机的所有工作都必须在软件的控制下才能进行，没有软件的计算机称为“裸机”，是任何工作都做不了的。根据软件的作用可以把软件分为系统软件和应用软件。系统软件是支持和管理计算机硬件的软件，是服务于硬件的，它创立的是一个平台；应用软件是完成用户某项要求的软件，是服务于特定用户的，它满足某一个应用领域。第1章操作系统概述1.1计算机系统1.1.2计算机软件软件的作用如图1-2所示。计算机用户通过应用软件让计算机为自己服务，而应用软件又是通过系统软件来管理和使用计算机硬件。系统软件包括操作系统、数据库管理系统、计算机编译语言和各种系统服务性程序。应用软件包括计算机源程序和应用软件包。所有这些软件，操作系统是基础，它是其他软件的平台。没有操作系统，其他软件就无法工作。第1章操作系统概述返回1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.1操作系统的作用

1.作用：操作系统是在计算机硬件上加载的第一层软件，是对计算机硬件功能的首次扩充。其他软件只有在操作系统的支持下，才能对计算机硬件工作。操作系统的作用如图1-4所示。第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.1操作系统的作用2.四种作用形式：用户通过编写的源程序，在数据库管理系统（DBMS）或编译系统的作用下，由操作系统控制和解释给硬件去执行；用户通过服务性程序（也称工具软件），经操作系统的作用，来完成对计算机的操作；用户通过可执行程序，经操作系统的作用来实现对硬件的操作；用户通过操作系统提供的命令来实现对硬件的操作。第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.2操作系统的目标1.方便性：操作系统最终是要为用户服务的。所以，设计操作系统时必须考虑用户能否方便地操作计算机。用户的操作包括直接使用命令完成各种操作，也包括通过设计程序让计算机完成各种操作。

2.有效性：操作系统的主要工作是要支持和管理计算机硬件的，如何有效地利用计算机的硬件资源，充分发挥它们的使用效率是操作系统解决的主要问题。3.可扩充性：操作系统是为应用服务的，随着应用环境的变化，操作系统自身的功能也必须不断增加和完善。在设计操作系统的体系结构时，要采用合理的结构使其能够不断地扩充和完善。4.开放性：操作系统的主要功能是管理计算机硬件，随着计算机硬件技术的发展，为了使这些硬件能够正确、有效地协同工作，就必须实现应用程序的可移植性和互操作性，因而要求计算机系统具有统一的开放环境。

第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.3操作系统的层次模型操作系统可以看成是一个层次结构，其最底层为操作系统的操作对象，中间层为管理操作对象的软件集合，最高层为提供给用户的系统接口，如图1-5所示。第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.3操作系统的层次模型

1.操作对象：主要是指操作系统所管理的各种软硬件资源，包括处理器、存储器、I/O设备、文件和作业。

2.管理软件：管理软件是操作系统的核心，它集中了操作系统的主要功能。这些功能包括处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理和作业管理。3.系统接口：系统接口是操作系统为方便用户的使用提供给用户的各种功能和服务，这些接口包括命令接口和程序接口。第1章操作系统概述返回1.3操作系统的形成与发展1.3.1推动操作系统发展的动力

1．不断提高资源利用率的需要

：人们必须千方百计地提高计算机系统中各种资源的利用率。2．方便用户操作：人们想方设法改善用户的上机和调试程序的环境。

3．硬件的不断更新换代：计算机硬件的更新换代，使得计算机的性能不断提高，从而推动了操作系统的性能和功能也不断发展。

4．计算机体系结构的发展：计算机体系结构的发展也不断地推动着操作系统的发展，并且产生了新的操作系统。当计算机由单处理器系统发展为多处理器系统时，操作系统也从单处理器操作系统发展为多处理器操作系统。当计算机网络出现后，也就产生了网络操作系统。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

1．无操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。

第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

2．批处理系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

3．分时操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。

第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

4．实时操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。

第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

5．微机操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

6．多处理器操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

7．网络操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展

8．分布式操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.3操作系统的发展趋势

1.大型系统：大型系统的典型代表是分布式操作系统和机群操作系统。机群操作系统是分布式系统的一种，一个机群通常由一群处理器密集构成。它可以用低成本的微机和以太网设备构造出性能相当于超级计算机性能的计算机机群。

2.微型系统：微型系统的典型代表是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作的各种部件装置等资源进行统一调度和控制的系统软件。第1章操作系统概述返回1.4操作系统的特征与功能1.4.1操作系统的特征1．并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，即宏观上有多道程序同时执行，而微观上，在单处理器系统中每一个时刻仅能执行一道程序。并发的目的是改善系统的利用率和提高系统的吞吐量。2．共享性：是指系统中的资源可以供多个并发执行的进程使用。3．虚拟性：是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑实体。即物理上虽然只有一个实体，但是，用户使用时感觉有多个实体可以供使用。4．异步性：是指在多道程序环境下，允许多个进程并发执行。由于资源的限制，进程的执行不是“一气呵成”的，是“走走停停”的。但是，只要环境相同，一个作业经过多次运行，都会得到相同的结果。第1章操作系统概述1.4操作系统的特征与功能1.4.2操作系统的功能从资源管理角度而言，操作系统的功能主要：

1．处理器管理：主要任务是对处理器进行分配，并且对其运行进行有效地控制和管理。处理器管理的主要功能：（1）进程控制：为作业创建进程，撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。（2）进程同步：是对多个进程的运行进行协调。（3）进程通信：是为了实现相互合作进程之间的通信。（4）进程调度：是从进程就绪队列中，按照一定的算法选择一个进程，把处理器分配给它，并且为它设置运行现场，使进程投入运行。

第1章操作系统概述1.4操作系统的特征与功能1.4.2操作系统的功能从资源管理角度而言，操作系统的功能主要：2．存储器管理：主要任务是对为多道程序的运行提供良好的主存环境，方便用户使用主存储器，提高主存储器的利用率，并且能从逻辑上扩充主存储器。存储器管理的主要功能有：（1）主存分配：是为每道程序分配主存空间，提高主存空间的利用率。（2）主存保护：是确保每道用户程序都在自己的主存空间中运行，互不干扰。（3）地址映射：是将程序的逻辑地址转换为主存的物理地址（4）主存扩充：是让小主存运行大程序。

第1章操作系统概述1.4操作系统的特征与功能1.4.2操作系统的功能从资源管理角度而言，操作系统的功能主要：3．设备管理：主要任务是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备，提高CPU与I/O设备的利用率，提高I/O设备的运行速度，方便用户使用I/O设备。设备管理的主要功能有：（1）缓冲管理：是管理好各种类型的缓冲区，提高系统的效率。（2）设备分配：是根据用户的I/O请求，为之分配所需要的设备。（3）设备处理：是实现CPU和设备控制器之间的通信。（4）设备独立性：是指应用程序独立于物理设备，以使用户编制的程序与实际使用的物理设备无关，从而提高分配的效率。（5）虚拟设备：是指把每次允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程使用的设备，从而提高设备的利用率。第1章操作系统概述1.4操作系统的特征与功能1.4.2操作系统的功能从资源管理角度而言，操作系统的功能主要：4．文件管理：主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并且保证文件的安全性。文件管理的主要