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1、 第一章第一章 操作系统的基本概念操作系统的基本概念 本章学习目标本章学习目标 计算机发展到今天，从个人计算机到巨型计算机系统，计算机发展到今天，从个人计算机到巨型计算机系统， 毫无例外都配置一种或多种操作系统。如果要让用户去使毫无例外都配置一种或多种操作系统。如果要让用户去使 用一台没有操作系统的计算机，那将是用一台没有操作系统的计算机，那将是难以想象难以想象的。那么的。那么 ，什么什么是操作系统，是操作系统，为何为何需要操作系统，操作系统在计算需要操作系统，操作系统在计算 机系统中具有什么机系统中具有什么地位地位，它应有什么样的，它应有什么样的功能功能，等等，我，等等，我 们将在本章学习。
2、们将在本章学习。 本章学习目标：本章学习目标： 1 1、了解操作系统的、了解操作系统的基本类型基本类型。 2 2、掌握操作系统的、掌握操作系统的功能功能。 3 3、理解操作系统的、理解操作系统的组成组成。 4 4、了解操作系统的、了解操作系统的接口接口。什么是操作系统什么是操作系统 计算机系统计算机系统= =硬件硬件+ +软件软件 裸机裸机= =未配置任何软件的计算机未配置任何软件的计算机 用户所用计算机系统用户所用计算机系统= =经过若干层软件改造的系统经过若干层软件改造的系统 操作系统（操作系统（OSOS：Operating Operating SystemSystem）： 位于各种软件的
3、位于各种软件的最最底层底层 它与硬件软件的它与硬件软件的关系关系：见：见图图: :应用软件层应用软件层系统软件层系统软件层硬件层硬件层图图 操作系统的地位操作系统的地位用户用户银行系统、航空订票系统、银行系统、航空订票系统、编译软件、编辑软件、命令解释程序编译软件、编辑软件、命令解释程序操作系统操作系统裸机裸机操作系统操作系统：是是与计算机硬件关系与计算机硬件关系最为密切最为密切的的系统软件系统软件，是硬件的是硬件的第一层第一层软件扩充，其它软件运行的软件扩充，其它软件运行的基础基础； 是是一些程序模块的一些程序模块的集合集合用于用于管理管理和和控制控制计算机系统中的硬件和软件计算机系统中的硬
4、件和软件资源资源，合理地合理地组织组织计算机计算机工作流程工作流程，有效地利用这些资源为用户提供一个功能强、使用有效地利用这些资源为用户提供一个功能强、使用 方便的工作环境，方便的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到从而在计算机与其用户之间起到接口接口的作用；的作用； 是是现代计算机系统中现代计算机系统中必不可少必不可少的的最重要最重要的的系统软件系统软件。为何需要操作系统为何需要操作系统 操作系统操作系统并不是与计算机硬件一起诞生并不是与计算机硬件一起诞生的，的，它是在人们它是在人们使用使用计算机的过程中，为了计算机的过程中，为了满足满足两大需求两大需求 ：提高资源利用率、增强计算机系统性
5、能，提高资源利用率、增强计算机系统性能，伴随着计算机伴随着计算机技术技术本身及其本身及其应用应用的日益发展，的日益发展，而而逐步地形成和完善逐步地形成和完善起来的。起来的。操作系统的发展史操作系统的发展史 l l手工操作手工操作l l批处理系统批处理系统l l多道程序系统多道程序系统l l分时系统分时系统l l实时系统实时系统l l通用操作系统通用操作系统 l l操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展1.1.手工操作（无操作系统）手工操作（无操作系统） 19461946年第一台计算机诞生年第一台计算机诞生-20-20世纪世纪5050年代中年代中期期: :未未出现操作系统，计算机工作采用出现操
6、作系统，计算机工作采用手工操作手工操作方式。方式。其过程见其过程见图图：结果结果纸带、卡片纸带、卡片程序、数据程序、数据 输入机输入机计算机计算机输出机输出机用户用户图图 手工操作计算机手工操作计算机用户（程序员）：用户（程序员）：将对应于程序和数据的已穿孔的将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）纸带（或卡片）装入装入输入机输入机启动启动输入机把程序和数据输入机把程序和数据输入输入计算机计算机内存内存通过通过控制台开关控制台开关启动启动程序针对数据程序针对数据运行运行计算完毕，计算完毕，打印机打印机输出输出计算结果计算结果用户用户取走取走结果并结果并卸下卸下纸带（或卡片）纸带（或卡片）让让
7、下一个用户上机。下一个用户上机。手工操作方式两大特点：手工操作方式两大特点：（1 1）用户独占全机）用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占。不会出现因资源已被其他用户占 用而等待的现象，但资源的利用率低。用而等待的现象，但资源的利用率低。（2 2）CPU CPU 等待手工操作等待手工操作。CPUCPU的利用不充分。的利用不充分。 2020世纪世纪5050年代后期，出现年代后期，出现人机矛盾人机矛盾：手工操作的手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操慢速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操 作方式已严重损害了系统资源的利用率（作方式已严重损害了系统资源的利用率（使资
8、源利用率使资源利用率 降为百分之几，甚至更低），不能容忍。降为百分之几，甚至更低），不能容忍。唯一唯一的解决办法：只有摆脱人的手工操作，实现作业的解决办法：只有摆脱人的手工操作，实现作业 的自动过渡。的自动过渡。成批处理成批处理 批处理系统批处理系统批处理系统批处理系统：加载在计算机上的一个：加载在计算机上的一个系统软件系统软件 ，在它的控制下，计算机能够，在它的控制下，计算机能够自动自动地、地、成批成批地处地处 理理一个一个或或多个用户多个用户的的作业作业。 作业作业= =程序程序+ +数据数据+ +命令。命令。联机批处理系统联机批处理系统是是首先出现首先出现的批处理系统，的批处理系统， 联
9、机联机：作业的：作业的输入输入/ /输出输出由由CPUCPU来处理。见来处理。见图图1.31.3。监督程序监督程序作业作业用户用户结果结果纸带、卡片纸带、卡片作业作业 输入机输入机磁磁 带带主主 机机图图1.3 1.3 联机批处理系统联机批处理系统输出机输出机主机与输入机之间增加一个存储设备：主机与输入机之间增加一个存储设备：磁带磁带，在运行于主机上的在运行于主机上的监督程序监督程序的的自动自动控制下，计算机可控制下，计算机可自动自动完成：完成：成批成批地把输入机上的用户作业地把输入机上的用户作业读入读入磁带，磁带，依次依次把磁带上的用户作业把磁带上的用户作业读入读入主机内存并主机内存并执行执
10、行并把计算结果向输出机并把计算结果向输出机输出输出。完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一批作业，完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一批作业， 保存在磁带上，并按上述步骤保存在磁带上，并按上述步骤重复重复处理。处理。优：优：监督程序不停地处理各个作业，从而监督程序不停地处理各个作业，从而实现了作业到作业的自动转接，实现了作业到作业的自动转接，减少了作业建立时间和手工操作时间，减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克服了人机矛盾，有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。提高了计算机的利用率。 缺：缺：在作业输入和结果输出时，主机的高速在作业输入和结果输出时，主机的高速CP
11、UCPU仍处仍处于空闲状态，等待慢速的输入于空闲状态，等待慢速的输入/ /输出设备完成工作：输出设备完成工作： 主机处于主机处于“忙等忙等”状态。状态。改进改进脱机批处理系统脱机批处理系统 为克服与缓解：高速主机与慢速外设的矛盾，为克服与缓解：高速主机与慢速外设的矛盾， 提高提高CPUCPU的利用率，又引入了脱机批处理系统，的利用率，又引入了脱机批处理系统， 脱机脱机：输入：输入/ /输出输出脱离脱离主机控制。如主机控制。如图图所示。所示。增加一台增加一台卫星机卫星机：不与主机直接相连而不与主机直接相连而专门专门用于与输入用于与输入/ /输出设备打交道输出设备打交道。 其功能是：其功能是：（1
12、 1）从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。）从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。（2 2）从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。）从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。这样，这样，主机主机：不直接与慢速的输入不直接与慢速的输入/ /输出设备打交道，而与速度相对较快输出设备打交道，而与速度相对较快 的磁带机发生关系，的磁带机发生关系， 有效缓解了主机与设备的矛盾有效缓解了主机与设备的矛盾。主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计充分发挥主机的高速计 算能力算能力。监督监督 程序程序输入机输入机卫星机卫星机输出机输出机高高 速
13、速 磁磁 带带高高 速速 磁磁 带带主机主机图图 脱机批处理系统脱机批处理系统脱机批处理脱机批处理系统系统:20:20世纪世纪6060年代应用十分广泛，年代应用十分广泛，优优：极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。：极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。IBM-7090/7094IBM-7090/7094：配备的监督程序就是脱机批处理系统，是现配备的监督程序就是脱机批处理系统，是现代操作系统的代操作系统的原型原型。缺缺：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入输入/ /输出（输出（I/OI/O）请求后，高速的请求后，高速的CPUCP
14、U便处于等待低速的便处于等待低速的I/OI/O完完成状态，致使成状态，致使CPUCPU空闲空闲。为改善为改善CPUCPU的利用率，又引入了的利用率，又引入了多道程序系统多道程序系统。多道程序系统多道程序系统 1 1）多道程序设计技术）多道程序设计技术 所谓多道程序设计技术，就是：所谓多道程序设计技术，就是：允许多个程序同时进入内存并运行允许多个程序同时进入内存并运行。即：。即：同时同时把多个程序放入内存，并允许它们把多个程序放入内存，并允许它们交替交替在在CPUCPU中运行中运行 ，它们，它们共享共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/OI/O 请求
15、而暂停运行时，请求而暂停运行时，CPUCPU便立即转去运行另一道程序。便立即转去运行另一道程序。单单道程序与道程序与多多道程序的运行过程如道程序的运行过程如图图所示。所示。 在在A A程序计算时，程序计算时，I/OI/O空闲，空闲， A A程序程序I/OI/O操作时，操作时，CPUCPU空闲（空闲（B B程序也是同样）；程序也是同样）；必须必须A A工作完成后，工作完成后，B B才能进入内存中开始工作，才能进入内存中开始工作，两者是串行的，全部完成共需时间两者是串行的，全部完成共需时间=T1+T2=T1+T2。 改进改进A A程序计算程序计算 A I/OA I/O请求请求 A A计算计算 B B程序计算程序计算 B I/OB I/O请求请求 B B计算计算 T1 T2T1 T2A I/OA I/O操作操作
