第1章操作系统引论1.1复习笔记一、操作系统的目标和作用1.操作系统的目标在计算机系统上配置操作系统的主要目标是方便性、有效性、可扩充性和开放性。

（1）方便性配置操作系统（OS）后，系统可以使用编译命令将用户采用高级语言书写的程序翻译成机器代码，用户可以直接通过OS所提供的各种命令操纵计算机系统，使计算机变得易学易用。

（2）有效性① 提高系统资源利用率早期未配置OS的计算机系统，各种资源无法得到充分利用，配置OS后，能有效分配各种设备的工作状态，提高系统资源的利用率。

② 提高系统的吞吐量OS可以通过合理地组织计算机的工作流程，加速程序的运行，缩短程序的运行周期，从而提高系统的吞吐量。

（3）可扩充性OS必须具有很好的可扩充性，才能适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求。

（4）开放性开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。

开放性是衡量一个新推出系统或软件能否被广泛应用的至关重要的因素。

2.操作系统的作用操作系统（Operating System，OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。

其主要作用是管理好这些设备，提高它们的利用率和系统的吞吐量，并为用户和应用程序提供一个简单的接口，便于用户使用。

可以从以下几个方面讨论它的作用：（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。

图1-1是OS作为接口的示意图。

图1-1 OS作为接口的示意图从图中可以看出，用户可以通过命令方式、系统调用方式和图标—窗口方式来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。

（2）OS作为计算机系统资源的管理者① 管理处理器，用于分配和控制处理器；② 管理存储器，主要负责内存的分配与回收；③ 管理I/O设备，负责I/O设备的分配与操纵；④ 管理文件，负责文件的存取、共享和保护。

注意：当一台计算机系统同时供多个用户使用时，则用户对系统中共享资源的需求有可能发生冲突，因此，操作系统必须对使用资源的请求进行授权，已协调用户对共享资源的使用。

（3）OS实现了对计算机资源的抽象① 在裸机上覆盖上一层I／O设备管理软件，如图1-2所示，由它来实现对I／O设备操作的细节，并向上将I／O设备抽象为一组数据结构以及一组I／O操作命令。

图1-2 I／O软件隐藏了I／O操作实现的细节② 在第一层软件（I／O管理软件）上再覆盖一层用于文件管理的软件，由它来实现对文件操作的细节，并向上层提供一组实现对文件进行存取操作的数据结构及命令。

文件管理软件实现了对硬件资源操作的第二个层次的抽象。

③ 依此类推，如果在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，从而形成一台功能更强的虚机器。

OS是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合，它们不仅增强了系统的功能，还隐藏了对硬件操作的具体细节，实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象模型。

并且随着抽象层次的提高，抽象接口所提供的功能就越强，用户使用起来越方便。

3.推动操作系统发展的主要动力（1）不断提高计算机资源的利用率在计算机发展初期，计算机系统特别昂贵，因此，必须千方百计地提高计算机各种资源的利用率，这是OS最初发展的推动力。

（2）方便用户当资源利用率不高的问题得到基本解决后，用户在上机、调试程序时的不方便性又成为了继续推动OS发展的主要因素。

（3）器件的不断更新换代随着微机芯片的不断更新换代，使得计算机的性能快速提高，从而推动了OS功能和性能的迅速增强和提高。

（4）计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的发展，不断推动着OS的发展，也促进了新的OS 类型的产生。

（5）不断提出新的应用需求不断提出的新的应用需求是推动OS迅速发展的另一个重要原因。

二、操作系统的发展过程1.未配置操作系统的计算机系统从1945年诞生的第一台计算机，到50年代中期的计算机，都属于第一代计算机，这时还未出现OS，对计算机的全部操作都是采用以下两种方式进行的：（1）人工操作方式① 概述早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带（或卡片），装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将纸带（或卡片）上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。

② 缺点人工操作方式仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上级，它具有以下两方面的缺点：a.用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户所独占。

b.CPU等待人工操作。

当用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。

③ 人机矛盾人机矛盾指的是人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率。

（2）脱机输入/输出（Offline I／O）方式① 概述为了解决人机矛盾及CPU和I／O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机I／O技术。

在脱机I/O过程中，程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下，即脱离主机的情况下完成的，图1-3 为脱机I／O示意图。

图1-3 脱机I／O示意图② 优点a.减少了CPU的空闲时间由于脱机I/O方式中，程序和数据的输入输出过程都是在脱机情况下由外围机完成的，并不占用主机时间，从而有效地减少了CPU的空闲时间。

b.提高了I／O速度当CPU在运行中需要输入数据时，是直接从高速的磁带上将数据输入到内存的，极大地提高了I／O速度。

2.单道批处理系统（1）处理过程① 首先由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业；② 当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存；③ 计算机系统就这样自动地一个作业紧接一个作业地进行处理，直至磁带上的所有作业全部完成。

单道批处理系统的处理流程如图1-4所示。

这种单道批处理系统仍然不能很好地利用系统资源，故现已很少使用。

图1-4 单道批处理系统的处理流程（2）单道批处理系统的缺点单道批处理系统最主要的缺点是，系统中的资源得不到充分的利用。

这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I／O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I／O完成后才继续运行。

又因I ／O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。

图1-5显示了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t2～t3、t6～t7时间间隔内CPU空闲。

图1-5 单道程序的运行情况3.多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）（1）基本概念在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。

图1-6显示了多道程序的运行情况。

图1-6 多道程序的运行情况（2）多道批处理系统的优点① 资源利用率高引入多道批处理能使多道程序交替运行，以保持CPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提高内存的利用率；此外还可以提高的设备的利用率。

② 系统吞吐量大能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：a.CPU和其它资源保持“忙碌”状态；b.仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。

（3）多道批处理系统的缺点① 平均周转时间长由于作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。

② 无交互能力用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试程序极不方便。

（4）多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述一系列问题：① 处理机争用问题既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。

② 内存分配和保护问题系统应能为每道程序分配必要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出现异常情况而破坏其它程序。

③ I／O设备分配问题系统应采取适当的策略来分配系统中的I／O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的。

④ 文件的组织和管理问题系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。

⑤ 作业管理问题系统中存在着各种作业（应用程序），系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。

⑥ 用户与系统的接口问题为使用户能方便的使用操作系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。

为了妥善、有效地解决上述问题，计算系统中增加了一组能有效地组织和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业讲行调度，以及方便用户使用的程序的集合，即操作系统。

4.分时系统（Time Sharing System）（1）分时系统的引入分时系统是指，在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端并由此所组成的系统，该系统允许多个用户同时通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。

它能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。

推动分时系统形成和发展的主要动力，是为了满足用户对人机交互的需求，用户的需求具体表现在以下几个方面：① 人机交互每当程序员写好一个新程序时，都需要上机进行调试。

由于新编程序难免存在一些错误或不当之处，需要进行修改，因此用户希望能像早期使用计算机时一样，独占全机并对它进行直接控制，以便能方便地对程序中的错误进行修改。

亦即，用户希望能进行人机交互。