操作系統(tǒng)講義課件

1、操作系統(tǒng)課程的特點(diǎn)：涉及面廣:涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)的很多領(lǐng)域(計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)/硬件 軟件設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)語言 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 算法 網(wǎng)絡(luò))實(shí)踐性強(qiáng)（從實(shí)踐總結(jié)出原理）為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)? 設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)或者修改現(xiàn)有的系統(tǒng) 加深對(duì)使用的OS的理解，有利于深入編程 用戶為了開發(fā)應(yīng)用程序必須與操作系統(tǒng)打交道 編程時(shí)借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和算法 操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域 選擇購買操作系統(tǒng) 1: Introduction 引論What is an operating system? Simple Batch Systems 簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)Multiprogramming Batched S

2、ystems 多道程序批處理系統(tǒng)Time-Sharing Systems分時(shí)系統(tǒng)Personal-Computer Systems 個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Parallel Systems并行系統(tǒng)Real -Time Systems實(shí)時(shí)系統(tǒng)Distributed Systems分布式系統(tǒng)What is an Operating System?A program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware. 在計(jì)算機(jī)用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間起媒介作用的一種程序。Operating sys

3、tem goals: 操作系統(tǒng)目標(biāo)Make the computer system convenient to use. 使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更易使用。Use the computer hardware in an efficient manner. 以一種效率的方式使用硬件。 操作系統(tǒng)舉例MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000,Windows XPUNIX: BSD, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris, LinuxComputer System ComponentsHa

4、rdware 硬件 provides basic computing resources (CPU, memory, I/O devices).提供基本的運(yùn)算資源Operating system 操作系統(tǒng) controls and coordinates the use of the hardware among the various application programs for the various users. 在各種應(yīng)用程序和用戶之間控制與協(xié)調(diào)對(duì)硬件的使用Applications programs 應(yīng)用程序 define the ways in which the system

5、resources are used to solve the computing problems of the users (compilers, database systems, video games, business programs).定義解決用戶問題的資源使用方式（編譯器、數(shù)據(jù)庫、視頻游戲、事務(wù)程序等）Users (people, machines, other computers) 用戶（人、機(jī)、其他計(jì)算機(jī)）. Abstract View of System Components 系統(tǒng)部件的抽象視圖 Operating System Definitions 操作系統(tǒng)定義Re

6、source allocator 資源分配者 manages and allocates resources.管理和分配資源Control program 控制程序 controls the execution of user programs and operations of I/O devices .控制用戶程序的運(yùn)行和I/O設(shè)備的操作Kernel 內(nèi)核 the one program running at all times (all else being application programs). 常駐內(nèi)存運(yùn)行的一個(gè)程序（所有其它的是應(yīng)用程序） 定義：操作系統(tǒng)是一種管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資

7、源、控制系統(tǒng)工作流程，方便用戶使用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件A short historical review of operating systemOperating systems have developed over the past 40 years.Operating systems and computer architecture have had a great deal of influence on each other.操作系統(tǒng)的史前文明-手工操作工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員；編程語言：為機(jī)器語言；輸入輸出：穿孔紙帶或卡片；計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)用戶獨(dú)

8、占全機(jī)：不出現(xiàn)資源被其他用戶占用，資源利用率低；CPU等待用戶：計(jì)算前，手工裝入紙帶或卡片；計(jì)算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低；1946 50年代（電子管），集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴；運(yùn)算速度：5000次/每秒, 18000個(gè)真空管, 占地182平方米，重量130噸，功耗140kW程序員提前預(yù)約一段時(shí)間,然后到機(jī)房運(yùn)行程序，期盼著在接下來的時(shí)間中幾萬個(gè)真空管不會(huì)燒斷從而可以計(jì)算完自己的題目50年代早期出現(xiàn)了穿孔卡片程序?qū)懺诳ㄆ先缓笞x入計(jì)算機(jī)主要矛盾計(jì)算機(jī)處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費(fèi)）；用戶獨(dú)占全機(jī)的所有資源；提高效率的途徑專門的操作員，批處理 Simpl

9、e Batch Systems 簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)50年代末 60年代中（晶體管）Hire an operator雇一個(gè)操作員（來操縱計(jì)算機(jī)）,User 操作員Input device: card reader卡片閱讀機(jī)、tape driversOutput device: line printer、card punches卡片打孔機(jī)、tape driversReduce setup time by batching similar jobs批量處理同類作業(yè)減少了設(shè)置時(shí)間Simple Batch operating Systems- First rudimentary operating syst

10、em.第一個(gè)原始的操作系統(tǒng)。 Automatic job sequencing 自動(dòng)作業(yè)調(diào)度 automatically transfers control from one job to another. 自動(dòng)把（計(jì)算機(jī)的）控制從一個(gè)作業(yè)轉(zhuǎn)到另一個(gè)作業(yè)。A Resident monitor常駐內(nèi)存管理程序initial control in monitor 管理程序進(jìn)行初始化control transfers to job 轉(zhuǎn)換控制到作業(yè)when job completes control transfers back to monitor作業(yè)完成后轉(zhuǎn)換控制回管理程序卡片脫機(jī)批處理系統(tǒng)IBM

11、1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機(jī)卡片閱讀機(jī)輸出磁帶打印機(jī)Memory Layout for a Simple Batch System 簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)的內(nèi)存布局Multiprogramming Batch Systems 多道程序批處理系統(tǒng)60年代中 70年代中（集成電路）-現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)出現(xiàn)磁盤技術(shù)的引進(jìn)，系統(tǒng)可以在磁盤上直接存取多個(gè)作業(yè),進(jìn)行作業(yè)調(diào)度。而在主存中可同時(shí)有若干個(gè)作業(yè)， CPU在其中進(jìn)行切換。優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高；作業(yè)吞吐量大：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的工作數(shù)量多；OS Features Needed for multiprogramming

12、 多道程序?qū)S特點(diǎn)的要求Memory management(存儲(chǔ)管理) the system must allocate the memory to several jobs.系統(tǒng)必須為若干作業(yè)分派空間CPU scheduling (CPU調(diào)度) the system must choose among several jobs ready to run. 系統(tǒng)必須在就緒作業(yè)中挑選Allocation of devices (設(shè)備分配) Time-Sharing Systems 分時(shí)系統(tǒng)70年代中期至今-操作系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用化階段，Unix是其中的代表Provide for user inter

13、action（提供用戶交互性:一問一答）Allow many users to share the computer simultaneously,each user is given the impression than the entire computer system is dedicated to her use. 允許多個(gè)用戶同時(shí)使用,（但由于計(jì)算機(jī)速度快,）每個(gè)用戶感覺獨(dú)享整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。Use CPU scheduling and multiprogramming 采用CPU調(diào)度和多道程序技術(shù)Use time slice 采用時(shí)間片（將cpu時(shí)間分成時(shí)間片，多個(gè)程序輪流使用）

14、More complex : memory management and protection;CPU-scheduling.主機(jī)終端Personal-Computer Systems 個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Personal Computers computer system dedicated to a single user. 個(gè)人計(jì)算機(jī) - 供個(gè)人使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O devices keyboards, mice, display screens, small printers. 使用的 I/O設(shè)備 - 鍵盤、鼠標(biāo)、顯示、小型打印機(jī)Designed for maximizing User c

15、onvenience and responsiveness. 盡可能提高用戶使用方便和響應(yīng)及時(shí)Can adopt technology developed for larger operating system. Often individuals have sole use of computer and do not need advanced CPU utilization or protection features. 可采用大型操作系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)，通常個(gè)人獨(dú)占計(jì)算機(jī),不需要很高的CPU利用率和保護(hù)技術(shù)常用的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)：MS DOS單用戶多任務(wù)：OS/2, MS W

16、indows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 Professional多用戶多任務(wù)：UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD)Migration of Operating-System Concepts and Features 操作系統(tǒng)概念和特性的變遷Parallel Systems 并行系統(tǒng)Multiprocessor systems with more than one CPU in close communication.有緊密通信的、多于一個(gè)CPU的多處理器系統(tǒng)Tightly couple

17、d system processors share memory and a clock; communication usually takes place through the shared memory. 緊耦合系統(tǒng) - 處理器共享內(nèi)存和時(shí)鐘；一般通過共享內(nèi)存進(jìn)行通信Advantages of parallel system: 并行系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)Increased throughput 增大吞吐量Economical 經(jīng)濟(jì)Increased reliability提高可靠性graceful degradation（有故障時(shí)）適度的降低性能Fault tolerant systems 容錯(cuò)系

18、統(tǒng)Parallel Systems 并行系統(tǒng)(Cont.)Symmetric multiprocessing (SMP)對(duì)稱多處理 器Each processor runs an identical copy of the operating system ; they are peers. 每個(gè)處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)的相同副本;彼此地位平等。Many processes can run simultaneously without a significant performance deterioration. 許多進(jìn)程可以并行運(yùn)行,不會(huì)有性能的明顯降低。Most modern operatin

19、g systems support SMP 大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持SMPAsymmetric multiprocessing 非對(duì)稱多處理器Each processor is assigned a specific task; master processor schedules and allocates work to slave processors.每個(gè)處理器賦予一個(gè)特定任務(wù)；主處理器為從處理器調(diào)度和分配作業(yè)Symmetric Multiprocessing Architecture 對(duì)稱多處理器體系結(jié)構(gòu)Real-Time Systems 實(shí)時(shí)系統(tǒng)Often used as a con

20、trol device in a dedicated application such as controlling scientific experiments, medical imaging systems, industrial control systems, and some display systems.通常作為控制設(shè)備在諸如控制科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)影象系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及一些顯示系統(tǒng)中應(yīng)用Well-defined fixed-time constraints.嚴(yán)格確定的時(shí)間限制Hard real-time system 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)Secondary storage limited

21、 or absent, data stored in short-term memory, or read-only memory (ROM)有限的或沒有二級(jí)存儲(chǔ)器(輔存)，數(shù)據(jù)存在短期存儲(chǔ)器或只讀存儲(chǔ)器中Conflicts with time-sharing systems, not supported by general-purpose operating systems.同分時(shí)系統(tǒng)沖突，不被通用操作系統(tǒng)不支持.Soft real-time system 軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)Limited utility in industrial control or robotics在工業(yè)控制或機(jī)器人領(lǐng)域中有

22、一定的應(yīng)用Useful in applications (multimedia, virtual reality) requiring advanced operating-system features.在需要高級(jí)操作系統(tǒng)功能的應(yīng)用（多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)）中有用.Distributed Systems 分布式系統(tǒng)Distribute the computation among several physical processors.計(jì)算分布在若干物理處理器上（與集中式系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)）Loosely coupled system each processor has its own local mem

23、ory; processors communicate with one another through various communications lines, such as high-speed buses or telephone lines. 松散偶合系統(tǒng) - 每個(gè)處理器有自身的本地存儲(chǔ)器；通過各種通信設(shè)施，如高速總線、電話線等進(jìn)行處理器之間的通信Advantages of distributed systems.分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)?Resources Sharing 資源共享Computation speed up load sharing 加快計(jì)算 分擔(dān)負(fù)荷Reliability

24、可靠Communications 方便通信Distributed Systems 分布式系統(tǒng)(Cont.)Network Operating System 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)provides file sharing 提供文件共享provides communication scheme 提供通信機(jī)制runs independently from other computers on the network 運(yùn)行獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)Distributed Operating System分布式操作系統(tǒng)less autonomy between computers計(jì)算機(jī)間較少自治性gives th

25、e impression there is a single operating system controlling the network.讓人感覺只有一個(gè)操作系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較耦合程度：分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)：分布式OS是在各機(jī)上統(tǒng)一建立的OS同質(zhì)，直接管理CPU、存儲(chǔ)器和外設(shè)；統(tǒng)一進(jìn)行全系統(tǒng)的管理；網(wǎng)絡(luò)通常容許異種OS互連，各機(jī)上各種服務(wù)程序需按不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)議同質(zhì)。并行性：分布式OS可以將一個(gè)進(jìn)程分散在各機(jī)上并行執(zhí)行進(jìn)程遷移；網(wǎng)絡(luò)則各機(jī)上的進(jìn)程獨(dú)立。透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個(gè)機(jī)器上（如CPU、內(nèi)存或外設(shè)）。分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度對(duì)用戶透明，用

26、戶不了解所占有資源的位置；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的使用要由用戶明確指定；當(dāng)代操作系統(tǒng)的特征并發(fā)：指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。（與“并行”的區(qū)別） 異步性：指內(nèi)存中的多個(gè)進(jìn)程均按照各自獨(dú)立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。 虛擬：指物理上的一個(gè)實(shí)體變成邏輯上的多個(gè)對(duì)應(yīng)物。 共享：指系統(tǒng)中硬件和軟件資源可為多 個(gè)用戶同時(shí)使用（互斥共享、同時(shí)訪問）。研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)計(jì)算機(jī)資源管理者的觀點(diǎn) 可以從資源情況記錄、資源分配策略、資源分配和回收討論操作系統(tǒng)。用戶界面的觀點(diǎn)對(duì)于用戶來說，并不關(guān)心操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),而關(guān)心操作系統(tǒng)提供了哪些用戶界面。進(jìn)程管理的觀點(diǎn) 圍繞進(jìn)程運(yùn)行過程討論操作系統(tǒng)。

27、操作系統(tǒng)發(fā)展方向大型系統(tǒng)：分布式操作系統(tǒng)和集群操作系統(tǒng)微型系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng)？ 在各種設(shè)備、裝置或系統(tǒng)中，完成特定功能的軟硬件系統(tǒng)。它們是一個(gè)大設(shè)備、裝置或系統(tǒng)中的一部分，這個(gè)大設(shè)備、裝置或系統(tǒng)可以不是“計(jì)算機(jī)”。通常工作在對(duì)處理時(shí)間有較嚴(yán)格要求環(huán)境中。 由于它們被嵌入在各種設(shè)備、裝置或系統(tǒng)中，因此稱為嵌入式系統(tǒng) 在嵌入式系統(tǒng)中的OS，稱為嵌入式操作系統(tǒng)，是運(yùn)行在嵌入式智能芯片環(huán)境中，對(duì)整個(gè)智能芯片以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用智能卡移動(dòng)通信計(jì)算機(jī)外設(shè)機(jī)頂盒零售設(shè)備印刷機(jī)復(fù)印機(jī)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器電話交換設(shè)備嵌入

28、式操作系統(tǒng)的應(yīng)用美國加州伯克利大學(xué)研制：微型智能傳感器，安裝TinyOS 常用的操作系統(tǒng)MS DOSMS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000UNIX返回MS DOS1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持軟盤的個(gè)人操作系統(tǒng)；1983年：DOS 2.0：PC XT，支持硬盤和目錄的層次結(jié)構(gòu)，并提供豐富的系統(tǒng)命令；1984年：DOS 3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)，它把286作為一個(gè)快速的8086使用；1987年：DOS 3.3：提供對(duì)IBM PS/2的支持（如3.5軟驅(qū)），提供了更多的應(yīng)用；19

29、88年：DOS 4.0：支持大于32M的硬盤；1991年：DOS 5.0：改進(jìn)對(duì)擴(kuò)展內(nèi)存的支持；IBM PC, CPU 8088/8086單用戶單任務(wù)，簡(jiǎn)單分層結(jié)構(gòu)MS DOS的歷史MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 20001990年：Windows 3.0（成功版本），16位OS，借鑒Apple Macintosh給出友好的用戶界面；1993年：Windows NT 3.1, 32位OS，支持DOS和Windows應(yīng)用程序；1999年12月：Windows 2000(Professional, Server, Advanced S

30、erver)，32位OS；CPU 80386單用戶多任務(wù)Windows的歷史 Windows在當(dāng)時(shí)微軟歷史上創(chuàng)了幾個(gè)記錄： 投入開發(fā)人員最多 開發(fā)時(shí)間最長 更換主管人員最多 延遲交貨次數(shù)最多 不過幾年之后，Windows終于創(chuàng)造了銷售成績(jī)最佳的歷史記錄 個(gè)人計(jì)算機(jī)采用Windows占90以上，微軟公司成了壟斷PC行業(yè)的同義詞UNIX一群計(jì)算機(jī)迷 在貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出UNIX初衷：可以在一臺(tái)無人使用的DEC PDP-7 小型計(jì)算機(jī)上玩星際探險(xiǎn)游戲Ken Thompson，Dennis Ritchie1983年圖靈獎(jiǎng)獲得者1999年4月 美國國家技術(shù)金獎(jiǎng)1965年：MIT的Multics，由于規(guī)模和

31、進(jìn)展而沒有達(dá)到目標(biāo)；1969年：AT&T，PDP-11上的16位操作系統(tǒng)；1974年：UNIX系統(tǒng)正式發(fā)表(第五版)，在大學(xué)得到使用和好評(píng)；1980年：University of California at Berkeley為VAX11發(fā)表BSD4.0；以后，UNIX就以AT&T和Berkeley為主分別開發(fā)，有多種變種；1989年：UI (UNIX International)發(fā)表UNIX system V Res4.0；使BSD和System V在用戶界面上統(tǒng)一；1991年芬蘭大學(xué)生Linus Benedict Torralds開發(fā)了第一個(gè)Linux版本多用戶多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)UNIX的歷

32、史UNIX革命UNIX是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表。Unix運(yùn)行時(shí)的安全性、可靠性以及強(qiáng)大的計(jì)算能力贏得廣大用戶的信賴促使UNIX系統(tǒng)成功的因素： 首先，由于UNIX是用C語言編寫，因此它是可移植的，UNIX 是世界上唯一能在筆記本計(jì)算機(jī)、PC機(jī)、工作站直至巨型機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)第二，系統(tǒng)源代碼非常有效，系統(tǒng)容易適應(yīng)特殊的需求最后，也是最重要的一點(diǎn)，它是一個(gè)良好的、通用的、多用戶、多任務(wù)、分時(shí)操作系統(tǒng)Linux什么是Linux？Linux是運(yùn)行于多種平臺(tái)（PC、工作站等）之上、源代碼公開、免費(fèi)、遵循 GPL精神、遵守POSIX標(biāo)準(zhǔn)的、與UNIX兼容的操作系統(tǒng)。Linux是微機(jī)版的UNIX。具有現(xiàn)代操作

33、系統(tǒng)的所有特征：l 真正的搶先式多任務(wù)處理，支持多用戶l 虛擬內(nèi)存l 支持對(duì)稱多處理機(jī)l 網(wǎng)絡(luò)功能l 圖形用戶界面和桌面環(huán)境l 速度和穩(wěn)定性GPL（General public License）軟件-公共許可軟件。此類軟件的開發(fā)不是為了經(jīng)濟(jì)目的，而是不斷開發(fā)并傳播新的軟件，并讓每個(gè)人都能獲得、擁有。該類軟件遵循一定的規(guī)則：1.傳播者不能限制購買軟件的用戶自由權(quán)。即如果用戶買了一套GPL軟件，就可以免費(fèi)復(fù)制和傳播或自己出售。2. 傳播者必須清楚告訴用戶該軟件屬于GPL軟件。3. 傳播者必須免費(fèi)提供軟件的完整源代碼。這樣為用戶提供了修改的條件 。 允許個(gè)人或組織為盈利而傳播，獲得利潤。但不允許剝奪

34、購買者的傳播能力。POSIX標(biāo)準(zhǔn)UNIX發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多變種（BSD,System V 等）。為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)了POSIX系列標(biāo)準(zhǔn)，它定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)接口和工具。從理論上說，POSIX標(biāo)準(zhǔn)代碼很容易移植到任何遵守POSIX的操作系統(tǒng)中。今天，幾乎所有的正式操作系統(tǒng)都以支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。 Linux內(nèi)核發(fā)展史1991年9月,芬蘭赫爾辛基大學(xué)的大學(xué)生Linus Benedict Torvalds為改進(jìn)MINIX操作系統(tǒng)開發(fā)了Linux 0.01版(內(nèi)核)。該版本不能運(yùn)行，只是一些源程序。1991年底， Linus Torvalds 首次在internet上發(fā)布基于Intel 386體系結(jié)構(gòu)的Linux 源代碼，這時(shí)越來越多的人開始在這個(gè)系統(tǒng)上工作。 Linux逐漸成為一個(gè)基本穩(wěn)定可靠,功能比較完善的操作系統(tǒng)。一些軟件公司，如Red Hat，InfoMagic也不失時(shí)機(jī)的推出自己的以