第一章操作系统引论

电子与信息工程系周锦姝 计算机操作系统 教材计算机操作系统 第三版 汤小丹等西安电子科技大学出版社 参考教材操作系统陈向群杨芙清北京大学出版社现代操作系统陈向群等译机械工业出版社OperatingSystemsWilliamStallings电子工业出版社 课时安排授课 48学时上机实验 16学时 成绩评定出勤 作业 上机实习 30 期末考试 70 课前请做好预习保持课堂安静 头脑清醒 思维活跃认真 独立 按时完成并提交作业重视上机实践 有效利用宝贵的上机时间 课程要求 第一章操作系统引论 1 1操作系统的目标和作用1 2操作系统的发展过程1 3操作系统的基本特性1 4操作系统的主要功能1 5操作系统的结构设计 操作系统是计算机系统中的一个系统软件 是一些程序模块的集合 它们能以尽量有效 合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源 合理的组织计算机的工作流程 控制程序的执行 并向用户提供各种服务功能 使得用户能够灵活 方便 有效的使用计算机 使整个计算机系统能高效地运行 1 1操作系统的目标和作用 1 1 1操作系统的目标 有效 系统效率 资源利用率 如 CPU利用的充足与否 内存 外部设是否忙碌 合理 对不同的用户程序公平与否 如果不公平则会产生 死锁 或 饥饿 方便 用户界面和程序设计接口 图1 1OS作为接口的示意图 1 1 2操作系统的作用 1 OS是用户与计算机硬件系统之间的接口 2 OS是计算机系统资源的管理者 3 OS实现了对计算机资源的抽象 命令方式 这是指由OS提供了一组联机命令 语言 用户可通过键盘输入有关命令 来直接操纵计算机系统 系统调用方式 OS提供了一组系统调用 用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用 来操纵计算机 图形 窗口方式 用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序 操作系统发展是随着计算机硬件技术 应用软件的发展而发展的 随历史线索 介绍操作系统的发展历史电子管时代 1946年 1957年 晶体管时代 1958年 1964年 集成电路时代 1965年 1970年 大规模集成电路时代 1970年 至今 1 2操作系统的发展过程 第一台数字计算机 英国数学家CharlesBabbage 1792 1871 设计Babbage投入了毕生精力但却没能让它成功地运行起来因为当时的技术不可能达到需要的精度当然 这个分析机没有操作系统 电子管计算机 1946年 1957年 时期 二战对武器设计的需要美国 英国和德国等国家开始了电子数字计算机的研究工作哈佛大学的HowardAiken普林斯顿高等研究院的JohnNeumann 冯 诺依曼 宾夕法尼亚大学的J PresperEckert和WilliamMauchley德国电话公司的KonraadZuse以及其他一些人都使用真空管成功地建造了运算机器 没有程序设计语言 甚至没有汇编 更谈不上操作系统程序员提前预约一段时间 然后到机房将他的插件板插到计算机里期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算自己的题目 ENIAC计算机 美国宾夕法尼亚大学 运算速度 5000次 每秒 18000个真空管 占地182平方米 重量130吨 功耗140kW 50年代早期出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机但计算过程则依然如旧 晶体管计算机 1958年 1964年 时期 50年代晶体管发明计算机比较可靠 可成批地生产用户可指望计算机长时间运行 完成一些工作FORTRAN1954年提出 1956年设计完成ALGOL1958年引入COBOL1959年引入设计人员 生产人员 操作人员 程序人员和维护人员之间第一次有了明确的分工 要运行一个作业 先将程序写在纸上 用高级语言或汇编语言 然后穿孔成卡片 再将卡片盒交给操作员计算结果从打印机上输出操作员到打印机上撕下运算结果送到输出室程序员稍后可取到结果然后 操作员从输入室的卡片盒中读入另一个任务 为了缓和使用计算机时存在的人 机速度严重不匹配的矛盾 提高资源利用率 人们开始利用计算机系统中的软件来代替操作员的部分工作 从而产生了最早的OS 早期批处理系统 基本思想 设计一个常驻内存的程序 monitor 监督程序 操作员有选择地把若干作业合成一批 安装输入设备上 并启动监督程序 然后由监督程序自动控制这批作业运行 从而减少部分人工干预 有效地缩短了作业运行前的准备时间 相对地提高CPU的利用率 集成电路计算机 1965年 1970年 时期 为了提高资源利用率 人们开始使用输入输出缓冲 脱机输入输出 Spooling等技术 尤其是引入了 多道程序设计 使简单批处理系统发展为高级批处理系统 1 输入输出缓冲 由于CPU和外设按串行方式工作 使得其间速度矛盾不匹配 利用率低 为了改变这种串行工作方式 人们首先采用了缓冲 buffering 技术使两者在一定程度上并行操作 例如 在主存中建立两个长度相同的缓冲区 B0 B1 对于一批待输入的信息 首先将其中的一个记录从设备上续入B0 随后将下一个记录从设备上读入B1 与此同时CPU开始处理B0中的记录 待CPU处理工作与输入工作均结束后 则将下一记录读入B0 CPU同时处理B1中的记录 如此重复直到将此批信息全部输入 2 脱机输入输出 通过使输入输出与计算在不同的设备上并行操作 从而有效的提高了处理器的利用率 实现主机与卫星机的并行操作 3 Spolling技术 通道 专门控制I O的硬件装置 它基本上可独立地控制外设与CPU并行操作 也称I O处理机 价格便宜 速度慢 借助通道技术 实现了输入操作和处理器动作的自动并行处理 SimultaneousPeripheralOperationOn Line同时的外围设备联机操作 假脱机技术 缺陷 因为系统中作业之间仍以串行方式被处理 所以无法继续提高CPU 内存利用率 为从根本上解决这一问题 人们提到了多道程序设计技术 多道程序设计概念 是指把一个以上的作业存放在主存中 并且同时处于运行状态 使这些作业共享处理机时间和外部设备等其它资源 系统资源 对于一个单处理机系统来说 作业同时处于运行状态只是一宏观的概念其含义是指每个作业都已开始运行 但尚未完成 就微观而言 在任一特定时刻 在处理机上运行的作业只有一个 优点与问题 CPU利用率大大提高 用户无控制权 无交互性 延迟大 例 A B两个程序 A按顺序使用CPU10s 使用设备DEV15s 使用CPU5s 使用设备DEV210s 最后使用CPU10s B按顺序使用设备DEV110s 使用CPU10s 使用设备DEV25s 使用CPU5s 最后使用DEV210s 试问 1 在顺序环境下执行程序A和B 资源利用率是多少 2 在多道程序环境下 资源利用率是多少 1 在顺序环境下CPU利用率 40 80 50 DEV1利用率 15 80 18 75 DEV2利用率 25 80 31 25 CPU利用率 40 45 89 DEV1并发环境下利用率 15 45 33 DEV2并发环境下利用率 25 45 56 A B CPU DEV1 DEV2 CPU CPU 10 15 20 30 40 t s 25 DEV1 CPU 35 45 DEV2 CPU DEV2 2 在并发环境下 例 A B两个程序 A按顺序使用CPU10s 使用设备DEV15s 使用CPU5s 使用设备DEV210s 最后使用CPU10s B按顺序使用设备DEV110s 使用CPU10s 使用设备DEV25s 使用CPU5s 最后使用DEV210s 第三代计算机实质是批处理系统而从一作业提交到结果取回 往往长达数小时一个逗号的误用会导致编译失败而可能浪费程序员半天时间问题的解决导致分时系统的出现 CTSS CompatibleTimeSharingSystem 分时系统实际上是多道程序的一个变种 是交互式系统和多道程序设计的结合每一个用户通过一台终端与计算机相连 以交互式的命令使用系统 采用分享CPU的方法 使用户感到自己独占了整个计算机系统 分时操作系统 分时系统的特性 多路性 多个用户可以同时使用计算机 同时性 交互性 用户直接控制操作过程 终端 独占性 程序之间相互独立 多个用户同时使用 如像独占计算机系统 及时性 响应时间合理 优点 促进计算机普及 节省开支减少人员 充分利用系统资源 实时操作系统 Real timeSystem 对外部事件及时响应并处理 应用需要 工业控制 导弹 强调的是响应速度 专用特性实时系统用于控制实时过程 所以要求对外部事件的响应要十分及时 迅速 能迅速处理外部中断 较常用的中断处理程序及有关的系统数据基最好常驻主存储器中 分时系统的思想于1959年在MIT提出第一个分时系统由MIT的FernandoCorbato等1961年在一改装的IBM7090 94机上开发成功1965年在ARPA的支持下MIT 贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种 公用计算服务系统 希望能够同时支持整个波士顿所有的分时用户 该系统称作MULTICS MULTiplexedInformationandComputingService MULTICS研制难度超出了所有人预料长期研制工作达不到预期目标 1969年4月贝尔实验室退出 通用电气公司也退出了但最终 经过多年的努力 MULTICS成功地应用运行MULTICS的计算机系统在九十年代中陆续被关闭MULTICS引入了许多现代操作系统领域概念雏形 对随后操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响 小型计算机 电子游戏和UNIX的成功 1969年 在贝尔退出MULTICS研制项目后 KenThompson和DennisM Ritchie想申请经费买计算机从事操作系统研究 但多次申请得不到批准项目无着落 他们在一台无人用的PDP 7上 重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的 空间旅行 游戏为了使游戏能够在PDP 7上顺利运行 他们陆续开发了浮点运算软件包 显示驱动软件 设计了文件系统 实用程序 shell和汇编程序到了1970年 在一切完成后 给新系统起了个同MULTICS发音相近的名字UNIX随后 UNIX用C语言全部重写 自此 UNIX诞生了 UNIX UNIX是现代操作系统的代表 Unix运行时的安全性 可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖促使UNIX系统成功的因素 首先 由于UNIX是用C语言编写 因此它是可移植的 UNIX是世界上唯一能在笔记本计算机 PC机 工作站直至巨型机上运行的操作系统第二 系统源代码非常有效 系统容易适应特殊的需求最后 也是最重要的一点 它是一个良好的 通用的 多用户 多任务 分时操作系统 大规模集成电路计算机 1970年 至今 CP M操作系统随着大规模集成电路发展 个人计算机时代到来了各种类型的个人计算机和软件层出不穷1973年GaryKildall看到对个人计算机操作系统的需求 设计了CP M操作系统 ControlProgram MicroprocessororMicrocomputer CP M操作系统有较好的层次结构 它的BIOS把操作系统的其他模块与硬件配置分隔开 所以它的可移植性好 具有较好的可适应性和易学易用性到了1981年 CP M操作系统成为世界上流行最广的8位操作系统之一 微软MSDOS 个人计算机的成功 逼得IBM采取紧急战略行动 决定要在1980年尽快生产出微型计算机 以应付挑战但没有操作系统不行 要想快就是找现成系统配套 IBM公司洽谈CP M操作系统不顺利 机遇落到了微软公司在关键时刻 开发新操作系统时间和人手上已经不可能 微软找到西雅图计算机产品公司 达成由微软经销西雅图计算机产品公司的QDOS操作系统的协议当时西雅图公司并不知道QDOS将被转卖给IBM 否则历史将会怎样演变 谁也无法知晓 IBM在1981年推出个人计算机 宣布了DOS操作系统随着IBMPC和MSDOS普及 CP M逐渐走向下坡路MSDOS有优良的文件系统但受到Intelx86体系结构的限制缺乏以硬件为基础的存储保护机制它属于单用户单任务操作系统从1981的1 0版到1998年在Windows95 98之下的7 0版 MSDOS历经了16个年头迄今仍有MSDOS爱好者继续开发各种DOS软件产品 一波三折的微软Windows操作系统 1983年10月 PC机竞争厂家的图形界面相关产品上市面对市场压力 比尔 盖茨在1983年11月10日宣布推出Windows操作系统然而宣布容易 交货就不简单了 Windows交货期的灾难 成了当年计算机界的笑柄直到1985年11月20日 Windows1 0才正式上市 Windows的历史记录 Windows在当时微软历史上创了几个记录 延迟交货次数最多 投入开发人员最多 开发时间最长 更换主管人员最多不过几年之后 Windows终于创造了销售成绩最佳的历史记录1992年4月 推出Windows3 1 1993年5月 发表WindowsNTWindows95 WindowsCE Windows98 Windows2000 WindowsXP net个人计算机采用Windows占90 以上 微软公司成了垄断PC行业的同义词 Internet时代与Linux 1990年秋天 Linus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统课程 因为上机需要排队等待 Linus买了台PC机 开发了第一个程序 程序包括两个进程 向屏幕上写字母 然后用定时器来切换进程Linus需要终端仿真程序来存取Usenet新闻组的内容 于是他写了从调制解调器上接发信息的程序以及显示器 键盘和调制解调器的驱动程序然后写了磁盘驱动程序 文件系统 一旦有了进程切换 文件系统和设备驱动程序 当然就拥有了一个操作系统原型 或者至少是它的一个内核Linux就以这样极其古怪但也极其自然式问世 1 3操作系统的基本特征 并发性 在计算机系统中同时存在多个程序宏观上 这些程序是同时在执行的微观上 任何时刻只有一个程序在执行即微观上这些程序在CPU上轮流执行 共享性 操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源 共享有限的系统资源 操作系统要对系统资源进行合理分配和使用资源在一个时间段内交替被多个进程所用 互斥共享 如打印机 同时共享 如磁盘 虚拟性 操作系统中的所谓 虚拟 是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物 虚拟处理机技术虚拟设备技术虚拟磁盘技术虚拟存储器技术 异步性 多道程序允许多个进程并发执行 在单处理机环境下 由于系统中只有一个处理机 因而每次只允许一个进程执行 其余进程只能等待 由于资源等因素的限制 使进程的执行通常都不是 一气呵成 而是以 停停走