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第一章操作系统概述 操作系统课程组 第2页 讨论问题 什么是操作系统 我们为什么要使用操作系统 第3页 一 什么是操作系统 其实现在并无精确定义不同的观点用户角度 操作系统是用户使用计算机的界面 提供用户与计算机硬件之间的接口 一般可以分为三种 命令方式 系统调用 图形界面 软件角度 操作系统是程序和数据结构的集合 它是直接和硬件相邻的第一层软件 是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的 第4页 一 什么是操作系统 系统观点 操作系统是对计算机资源管理 这些资源包括硬件和软件 操作系统向用户提供了高级而调用简单的服务 掩盖了绝大部分硬件设备复杂的特性和差异 使得用户可以免除大量的乏味的杂务 而把精力集中在自己所要处理的任务上 教材中的定义操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源 合理地组织和管理计算机的工作流程以方面用户使用的程序的集合 第5页 计算机系统的结构 二 为什么要使用操作系统 裸机 第6页 二 为什么要使用操作系统 OS的地位位于硬件 裸机 之上 所有其他软件之下 它是对硬件系统功能的首次扩充 引入操作系统的目标 特性 方便 提供一个用户与计算机硬件之间的接口 使计算机更易于操作 有效 以更有效的方式使用计算机软硬件资源 改善性能 合理的组织计算机系统的工作流程 以改善系统性能 提供扩展能力 支持可扩展的体系结构 可以方便的引进新的功能 支持可移植性和互操作性 第7页 三 现代操作系统的特征 并发 concurrence 并发性 指两个或者多个事件在同一时间间隔内发生 并行性 parallel 指两个或者多个事件在同一时刻发生 同时发生 共享 sharing 系统中有限的资源不在为某个用户独占 而是可供多个用户共享 共享的方式 1 互斥共享 一段时间内某一资源只允许一个用户使用 当使用完后 其他用户才能使用 例如 打印机 扫描仪等 2 非互斥共享 一个资源在一段时间内可以供多个用户 同时 使用 依旧是 宏观上的并行 微观上的串行 例如CPU 内存等 第8页 三 现代操作系统的特征 虚拟 virtual 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体 分时或分空间 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段 可提高资源利用率 第9页 三 现代操作系统的特征 不确定性 uncertainty 操作系统的不确定性也称为异步性 asynchronism 指在并发环境下程序的执行顺序 开始时间和执行时间是不确定性 不可准确预知 特点 在相同的环境下 无论程序执行的顺序如何 何时开始执行 也无论执行多少时间 只要输入相同 则结果总是相同的 第10页 四 操作系统的发展 操作系统的发展和计算机体系结构有着密切联系第一台机械计算机 差分机由英国数学家CharlesBabbage设计 第11页 四 操作系统的发展 第一代电子计算机 1946 1955 人工操作方式 结构 由数万个真空电子管 插件板 导线组成 体积巨大 运算极慢 且很不可靠 操作 程序员提前在墙上的机时表上预约一段时间 然后到机房将他的插板插到计算机里 在接下来的几小时里计算自己的题目 这个阶段基本上所有的题目都是数值计算问题 缺点 系统资源利用率极低 重量30t 功率150kW占地167m2 第12页 四 操作系统的发展 第二代计算机 1955 1965 脱机和批处理系统结构 使用晶体管 体积减小 可靠性提高 可以批量生产 仅有少数大公司 主要的政府部门和大学买得起 第13页 四 操作系统的发展 第三代计算机 1965 1980 多道程序设计结构 小规模集成电路芯片 性价比有较大提升 典型的有IBM360系列 它提出了软件兼容的概念 可在科学计算和商用计算领域通用 第14页 四 操作系统的发展 IBM360的操作系统OS 360以失败而告终 但是它提出了两项非常重要的技术 1 多道程序设计技术 极大的提高了CPU的利用率 2 Spooling SimultaneousPeripheralOperationOnLine 技术 多道程序设计技术的出现给系统的管理提出了挑战 例如 内存管理问题 处理机等资源共享问题 文件检索和存储问题等 为了解决这些问题 系统中必须设置一套管理软件以方便用户使用 于是便形成了操作系统 因此我们说 多道程序设计技术是操作系统形成的标志 这一时期著名的操作系统有 MIT CTSS 第一个分时系统 1963年 Bell实验室 UNIX 第15页 四 操作系统的发展 第四代计算机 1980 1990 个人计算机结构 大规模集成电路 体积很小 功能强大 这一时期操作系统技术日趋完善 典型的有 1 Microsoft MS DOS windows系列2 UNIX和Linux 第16页 五 操作系统的分类 微机操作系统单用户微机操作系统CP M 早期8位系统 75年 配置在Intel8080 8085机器上 MS DOS 81年 16位系统 配置在IBM PC机上 OS 2 87年 IBM推出 单用户 多任务 运行在80286 80386机器上 多用户微机操作系统MS Windows系列UNIX Linux 第17页 五 操作系统的分类 批处理系统单道批处理系统 早期的操作系统类型 作业排好队 一个一个运行 一次运行一个 如IBSYS IBM7409 多道批处理系统 内存中可以同时放入多个作业运行 作业的执行需要调度 有了进程的概念 如UNIX 远程批处理系统 依靠网络运行 可以远程处理作业 是分布式系统的基本条件 优点 系统吞吐量大 资源利用率高 缺点 无实时交互能力 作业周转时间长 作业必须一次运行完 第18页 五 操作系统的分类 分时系统 分时 的定义 指把计算机的系统资源 尤其是CPU时间 进行时间上的分割 每个时间段称为一个时间片 每个用户依次轮流使用时间片 典型的分时系统 早期 CTSS MULTICS现代 Windows UNIX Linux 第19页 五 操作系统的分类 实时操作系统概念 在限定的时间内对输入进行快速处理并作出响应的计算机处理系统 主要用于过程控制 事务处理等有实时要求的领域 其主要特征是实时性和可靠性 实时系统与分时系统的区别 第20页 五 操作系统的分类 网络操作系统分布式操作系统并行操作系统 第21页 五 操作系统的分类 嵌入式操作系统 EmbededOperatingSystem 定义IEEE AnEmbeddedsystemisthedevicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 嵌入式系统一般指非PC系统 有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材 它是以应用为中心 软硬件可裁减的 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等综合性严格要求的专用计算机系统 简单地说 嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体 类似于PC中BIOS的工作方式 其软件代码小 自动化程度高 响应速度快 特别适合于要求实时和多任务的体系 第22页 五 操作系统的分类 应用 几乎包括了生活中的所有电器设备 典型的如手机 PDA 汽车 微波炉 数码相机 电梯 工业自动化设备等 特点嵌入式系统通常是面向特定应用的 嵌入式CPU与通用型CPU的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中 具有低功耗 体积小 集成度高的特点 能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于嵌入式系统设计小型化 移动能力大大增强 跟网络的耦合也越来越紧密 嵌入式系统是将先进技术 计算机技术 半导体技术 电子技术 与各个行业的具体应用相结合后的产物 决定了它必然是一个技术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识集成系统 第23页 五 操作系统的分类 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计 量体裁衣 去除冗余 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 它的升级换代也是和具体产品同步进行 因此嵌入式系统产品一旦进入市场 具有较长的生命周期 为了提高执行速度和系统可靠性 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中 而不是存贮于磁盘等载体中 嵌入式系统本身不具备自举开发能力 即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改 必须有一套开发工具和环境支持 第24页 五 操作系统的分类 嵌入式系统一览表 第25页 五 操作系统的分类 第26页 五 操作系统的分类 嵌入式系统发展趋势需要强大的开发工具和操作系统的支持 联网成为必然趋势 支持小型电子设备实现小尺寸 微功耗和低成本 提供精巧的多媒体人机界面 第27页 六 操作系统的结构 层次结构观点将系统按照层次结构划分为若干 层 某一层次上代码只能调用低层次上的代码 使模块间的调用有序化 系统每加一层 就构成一个比原来功能更强的虚拟机 第一个按照这种思想构造的系统是THE系统 68年 Dijkstra等设计 简单的批处理系统 OSI模型 THE模型 优点 1 功能明确 调用关系清晰 高层对低层单向依赖 有利于保证设计和实现的正确性 2 低层和高层可分别实现 便于扩充 高层错误不会影响到低层 避免递归调用 不会死锁 缺点 降低了运行效率 各系统对具体划分多少层次有不同的看法 第28页 六 操作系统的结构 功能观点 模块接口法整个系统分成若干功能各异的模块 模块预先定义有接口 各模块之间只能通过这些接口进行通信 模块可以自由调用 典型的操作系统 UNIX 优点 灵活性强 运行效率高 开发过程快 缺点 1 功能划分和模块接口难以保证正确和合理 连接上有一定困难 2 模块之间的依赖关系复杂 降低了模块之间的相对独立性 可能会造成循环依赖 不利于修改 高耦合性 第29页 六 操作系统的结构 虚拟机将整个系统在逻辑上虚拟为若干个相同的机器 典型操作系统 IBM VM 370 1979年 其实是对硬件的精确复制 每台虚拟机和裸机完全相同 可以运行不同的操作系统 技术基础 1 分时系统2 多道程序设计技术 第30页 六 操作系统的结构 用户观点操作系统是用户和计算机之间的接口程序级接口 系统调用作业控制级接口 命令方式和图形界面 第31页 六 操作系统的结构 资源管理观点计算机系统中有五大资源 作业 处理机 存储器 外部设备 磁盘信息 文件 它们共同构成了操作系统本身和用户工作的物质基础和环境 实质上是将操作系统看成计算机系统的资源管理程序 包括五大部分 作业管理 处理机管理 进程管理 存储管理 设备管理 文件系统管理 第32页 操作系统 core 第33页 七 内核体系结构模型 微内核 microkernel 基本思想 将更多操作系统功能放在核心之外 作为独立的服务进程运行 内核保持尽量小 只实现操作系统的基本功能 称为微内核 其典型应用为客户机 服务器模式 第34页 七 内核体系结构模型 优点 良好的扩充性 只需添加支持新功能的服务进程即可可靠性好 模块相互隔离 调用关系明确 执行转移不易混乱便于网络服务 实现分布式处理 以同样的调用形式 在下层可通过核心中的网络传送到远方服务器上缺点 消息传递比直接调用效率要低一些 但可以通过提高硬件性能来补偿 第35页 七 内核体系结构模型 单内核基本思想 将核心分为若干个模块 模块间的通信通过调用其它模块中的函数实现 第36页 七 内核体系结构模型 优点 运行效率较高组织方式相对也比较简单缺点 内核移植比较困难混合结构事实上 现在的操作系统多采用单内核和微内核的混合结构 以便取长补短 例如 Linux的内核从总体上来说是一个单内核结构 但是设计时也引入了许多微内核的设计和实现方法 现在系统的可移植性是非常重要的 因此微内核模型将是未来的发展趋势之一 第37页 八 几种实际的操作系统 MS DOS DiskOperatingSystem 最早用于IBMPC CPUintel8088 8086单用户单任务16位操作系统历史1981年 PC DOS1 1 IBMPC 只支持软盘的个人操作系统 1983年 DOS2 0 PCXT 支持硬盘和目录的层次结构 并提供丰富的系统命令 1984年 DOS3 0 PCAT Intel80286CPU 它把286作为一个快速的8086使用 纯DOS的最高版本为DOS6 22 这以后的新版本DOS都是由Windows系统所提供的 并不单独存在 第38页 八 几种实际的操作系统 结构 层次设计法 输入输出系统 IBMIO com ROM BIOS 文件管理系统 IBMDOS com 命令处理程序 硬件 第39页 八 几种实际的操作系统 Windows85年 windows1 0 16位OS 基于DOS内核 是DOS中的一个高级应用 第40页 八 几种实际的操作系统 90年 Windows3 0 16位OS 模拟32位 借见Macintosh的用户界面 稳定性 友好性有了大的改进 引起了普遍关注 第41页 八 几种实际的操作系统 93年 WindowsNT系列推出 纯32位 支持企业级用户 不仅能提供计算服务平台 而且支持大量用户的并发应用 可以在恶劣的运行程序下仍保持特定的稳定性和效率 其典型