第1章 操作系统概述
（3） 设备驱动。 实现CPU与通道和外设之间的通信。 由CPU向通 道发出I／O指令， 后者驱动相应设备进行I／O操作。 当I／O任务完成后， 通道向CPU发中断信号， 应的中断处理程序进行处理。 （4） 设备无关性。 又称设备独立性， 即用户编写的程序与实际使用 的物理设备无关， 由操作系统把用户程序中使用的逻 辑设备映射到物理设备中。 由相
处于核心的最高层， 离用户层最近。 如图1-4所示。
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图形界面 用 命令界面
应
shell层
层
程序界面 (系统调用)
作
系 统
核
硬件
操
图1-4 操作系统的三种界面
心
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2） 命令界面
操作系统所提供的最重要的系统程序是命令解释
程序， 它是最初启动作业（进程）或用户刚进入分时 系统时就正在系统中运行的那个程序。 在批处理系统中， 利用控制卡片向操作系统提出 命令； 而在交互式系统中， 用户直接在终端上输入命 令， 这些命令就起与控制卡同样的作用。
① 监视各种资源并随时记录它们的状态；
② 实施某种策略以决定谁获得资源， 何时获得， 获得多少； ③ 分配资源供需求者使用； ④ 回收资源， 以便再分配。
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（3） 设置操作系统的另一个目的是扩充机器功能 以方便用户使用。 计算机系统的基本资源包括硬件 （如处理机、 内存、 各种设备等）、 软件（系统软件 和应用软件）和数据。
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输入设备
主
机
打印机
操作员 控制台
图1-5 第一代计算机的控制关系
第1章 操作系统概述
(2) 串行工作， 人的操作与计算机的运行以及计算
机各个部件之间都是按时间先后顺序工作的：
(3) 人工干预， 计算机是在人的直接联机干预下进 行工作的。 上述控制关系如图1-5所示。
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1.5.2 早期批处理阶段 1. 早期联机批处理 在这种系统中， 操作员有选择地把若干作业合为 一批， 监督程序先把这批作业从输入设备上逐个地传 送到磁带上， 当输入完成， 监督程序就开始执行这批 作业。
第1章 操作系统概述
2. 早期脱机批处理 早期脱机批处理的明显特征是， 在主机之外另设 一台小型卫星机， 该机只与外部设备打交道， 不与主 机直接连接， 从而使主机腾出较多的时间专门完成快 速的计算任务。 其结构模型如图1-6听示。
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3） 图形界面 系统调用和命令方式给用户提供的是一维空间界面， 是最基本的用户界面， 也称为第一代用户界面。 以微软Windows操作系统为代表给用户提供了图形 界面， 这是在二维空间中动态活动的窗口。 图形界面 为用户提供了方便、 直观、 灵活、 有动感的工作环境。 用户利用鼠标、 窗口、 菜单、 图标、 流动条等图形
1.1 计算机发展简史
计算机的发展历史大致可分为以下几个阶段： 第一代： 1946年～1959年， 以美国建造的ENIAC 为代表， 主要电子器件是电子管。 第二代： 1960年～1964年， 主要特征是以晶体管
为主要电子器件， 如IBM 7090系列。
第三代： 1965年～1973年， 以集成电路作为计算 机的主要器件， 如IBM 360机种。
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3. 设备管理功能
设备管理的主要功能包括： 缓冲区管理、 设备分配、
设备驱动和设备无关性。 （1) 缓冲区管理。 缓冲区管理的目的是解决CPU和外设速度不匹配的 矛盾， 从而使它们能充分并行工作， 提高各自的利用率。 （2） 设备分配。 根据用户的I/O请求和相应的分配策略， 为该用户分 配外部设备以及通道、 控制器等。
图1-3 计算机系统的层次关系
第1章 操作系统概述
1.3 操作系统的概念
为了深入理解操作系统的定义， 我们应注意以下 几点： （1） 操作系统是系统软件， 而且是裸机之上的第 一层软件。 （2） 操作系统的基本职能是控制和管理系统内的 各种资源， 有效地组织多道程序的运行。
第1章 操作系统概述
作为“管理者”， 操作系统主要负责如下事情：
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4. 文件管理功能 文件管理功能应包括： 文件存储空间的管理、 文 件操作的一般管理、 目录管理、 文件的读写管理和存 取控制。 (1) 文件存储空间的管理。 系统文件和用户文件都要放在磁盘上。
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（2） 文件操作的一般管理。 包括文件的创建、
删除、 打开、 关闭等。
CPU工 作 通道工作 时间
图1-7 多道程序执行过程示意
第1章 操作系统概述
由图1-7可见， 在单CPU的系统中， 这些程序在微 观上只能是交替地运行， 但在宏观上(在一段较长时间 内)它们可被视为是并行的， 因为在这段时间内各个可 执行的程序都向前推进了。 只有在多处理机系统中， 这些并发程序才可以真正并行地执行。
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4) 内存扩充 一个系统中内存容量是有限的， 不能随意扩充其 大小。 而且用户程序对内存的需求越来越大， 很难完 全满足用户的要求。
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2. 处理机管理功能 （1） 作业和进程调度。 一个作业通常要经过两级调度才得以在CPU上执行。 （2） 进程控制。 进程是系统中活动的实体。 （3） 进程通信。 多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者 相互制约的关系。
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1.2.2 计算机软件分类
按照所起的作用和需要的运行环境， 软件通常可
分为三大类， 即应用软件、 支撑软件和系统软件。 计算机系统中硬件和软件以及各类软件之间是按 层次结构组织的， 如图1-3所示。
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用户
用户
…
用户
用户
应 用 软 件
管 理 信 息 系 统 、 飞 机 订 票 系 试 工 具 、 编 辑 工 具 、支 目 测 项 统 、 银 行 系 统 、 地 理 信 息 系 统 、 具 、 DFD编 辑 器 、 语 言 转 管理工 撑 CAD系 统 、 数 学 计 算 软 件 换 工 具 、 界 面 测 试 工 具 等 软 包等 语言编译程序、连接装配程序、 数据库管理系统、网络软件等 系 统 软 件 操作系统 计算机硬件 件
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1.5.4 多道程序系统阶段
多道程序设计的基本思想是在内存里同时存放若
干道程序， 它们可以并行地运行， 也可以交替地运行。 这样处理机得到了比较充分的利用。 图1-7表示了一个具有两道程序的系统中CPU和通 道的利用情况。
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作业 CPU工 作 A 通道工作
B
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1.6 操作系统的类型
1.6.1 多道成批系统 早期的计算机系统大多是批处理系统。 在这种系 统中， 把用户的计算任务按“作业(Job)”进行管理。 所谓作业， 是用户定义的、 由计算机完成的工作单位。 它通常包括一组计算机程序、 文件和对操作系统的控 制语句。
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序状态字（PSW）。
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2. 存储器 在现代计算机中， 可以存放信息的部件很多， 但 它们在存取速度、 容量和成本等方面有很大差别。 一 个存储器系统往往由各种部件构成一个层次结构， 图 1-2示出了三级存储器的结构。 图中， 左部文字说明 存储器的性能、 成本依箭头所示方向相对变化。
工具和部件与系统会话， 使人机交互水平上升了一个
台阶。 所以， 图形界面也称为第二代用户界面。
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1.5 操作系统的发展历程
1.5.1 手工操作阶段 初级人机交互方式。 这种使用方法具有以下特点： (1) 资源独占， 即计算机的全部硬件资源(如CPU、 内存、 设备等)都由一个程序独自占用；
（3） 目录管理。 包括目录文件的组织、 实现用 户对文件的“按名存取”， 以及目录的快速查询和文 件共享等。 （4） 文件的读写管理和存取控制。
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5. 用户接口 现代操作系统通常向用户提供三种类型的界面： 程序界面（系统调用）、 命令界面和图形界面。 1） 系统调用 系统调用是操作系统提供给编程人员的接口， 因 而也称为程序员界面。 从操作系统内部实现的层次结构上看， 系统调用
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第 四 代 ： 从 1974 年 至 今 ， 大 规 模 集 成 电 路 （LSI）、 超大规模集成电路（VLSI）用于计算机， 从巨型机到微型机、 个人计算机， 其类型层出不穷。 与之相应， 计算机科学和技术也得到了迅速发展。
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1.2 计算机系统组成
1.2.1 计算机系统结构 现代通用计算机系统由CPU、 内存和多种I/O设备 组成， 通过系统总线连接在一起， 实现彼此通信。 图 1-1示出多数微型机采用的系统结构。
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存储器存取 时间减小 存储器存取 速度增加
高速缓存器 程序和数据 可 以 被 CPU 直接存取 内 存
每位存储器 成本增加 存储器容量 减 小 程 必 内 被 序和数据 须先移到 存，才能 CPU存 取
外
存
图1-2 三级存储器结构
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3. I/O设备 I/O设备是人机交互的工具， 通常由控制器和设备 本身组成。 4. 总线 总线部件的功能是负责CPU、 存储器和设备控制 器彼此间的信息或数据的传送的， 是计算机内部的 “公交车”。
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控制器—设备 接 口
磁盘驱动器
打印机
CPU
内
存
磁 盘 控制器
打印机 控制器
…
其 它 控制器 系统总线
图1-1 利用总线连接CPU、 内存、 控制器和I/O设备
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