CCH01_Introduction(操作系统).ppt

AppliedOperatingSystemConcepts,操作系统原理,OperatingSystemPrinciple,AppliedOperatingSystemConcepts,参考教材,1.AppliedOperatingSystemConceptAbrahanSilberschatz,etc2.计算机操作系统汤子瀛等西安电子科技大学出版社3.操作系统教程陆丽娜齐勇等西安交通大学大学出版社4.ModernOperatingSystemAndrewS.Tanenbaum5.现代操作系统陈向群等译机械工业出版社6.计算机操作系统教程张尧学史美林清华大学出版社,AppliedOperatingSystemConcepts,AppliedOperatingSystemConcepts(AOSC)介绍,作者：AbrrahamSilberschatzPeterGalvinGregGagne,2000年第一版,AppliedOperatingSystemConcepts,OneofthefollowingthreebookswouldbesufficienttopreparefortheOperatingSystemscomponentoftheexam.AppliedOperatingSystemConceptsA.Silberschatz,P.Galvin,andG.Gagne.JohnWileywhentheoperatingsystemfinishestheexecutionofonecommand,itseeksthenext“controlstatement”notfromacardreader,butratherfromtheuserskeyboard.提供用户和系统之间的在线通信；操作系统完成了一条命令的执行后，它不从卡片阅读机上而是从用户键盘上寻找下一条控制语句On-linesystemmustbeavailableforuserstoaccessdataandcode.在线系统必须使用户能够访问数据和代码,AppliedOperatingSystemConcepts,在分时系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、通用（桌面）系统、网络系统、个人系统等。,操作系统的发展过程,AppliedOperatingSystemConcepts,Real-TimeSystems实时系统,Oftenusedasacontroldeviceinadedicatedapplicationsuchascontrollingscientificexperiments,medicalimagingsystems,industrialcontrolsystems,andsomedisplaysystems.通常作为控制设备在诸如控制科学实验、医学影象系统、工业控制系统以及一些显示系统中应用Well-definedfixed-timeconstraints.严格确定的时间限制Hardreal-timesystem.硬实时系统Secondarystoragelimitedorabsent,datastoredinshort-termmemory,orread-onlymemory(ROM)有限的或没有次级存储器，数据存在短期存储器或只读存储器中Conflictswithtime-sharingsystems,notsupportedbygeneral-purposeoperatingsystems.同分时系统冲突，通用操作系统Softreal-timesystem软实时系统Limitedutilityinindustrialcontrolorrobotics在工业控制或机器人中有部分应用Usefulinapplications(multimedia,virtualreality)requiringadvancedoperating-systemfeatures.在需要高级操作系统功能的应用（多媒体、虚拟现实）中应用,AppliedOperatingSystemConcepts,Real-TimeSystems实时系统,实时系统的特征(1)实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能；(2)过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期；过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力；(3)高度可靠性和安全性容错能力（如故障自动复位）和冗余备份（双机，关键部件）。,AppliedOperatingSystemConcepts,Real-TimeSystems实时系统,实时系统与批处理系统和分时系统的区别1)专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统。2)实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。3)高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。4)事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式：接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。5)可与通用系统结合成通用实时系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。,AppliedOperatingSystemConcepts,ParallelSystems并行系统,MultiprocessorsystemswithmorethanoneCPUinclosecommunication.有紧密通信的、多于一个CPU的多处理器系统Tightlycoupledsystemprocessorssharememoryandaclock;communicationusuallytakesplacethroughthesharedmemory.紧偶合系统-处理器共享内存和时钟；一般通过共享内存进行通信Advantagesofparallelsystem:并行系统的优点Increasedthroughput增大吞吐量Economical经济Increasedreliability提高可靠性gracefuldegradation（有故障时）优雅的降低性能fail-softsystems（又称）软失效系统,AppliedOperatingSystemConcepts,ParallelSystems并行系统(Cont.),Symmetricmultiprocessing(SMP)对称多处理器Eachprocessorrunsanidenticalcopyoftheoperatingsystem.每个处理器运行操作系统的相同副本Manyprocessescanrunatoncewithoutperformancedeterioration.许多进程可以立即运行不会降低性能MostmodernoperatingsystemssupportSMP多数现代操作系统支持SMPAsymmetricmultiprocessing非对称多处理器Eachprocessorisassignedaspecifictask;masterprocessorschedulesandallocatesworktoslaveprocessor每个处理器赋予一个特定任务；主处理器为从处理器调度和分配作业Morecommoninextremelylargesystems常用在非常大的系统中,AppliedOperatingSystemConcepts,SymmetricMultiprocessingArchitecture对称多处理器体系结构,AppliedOperatingSystemConcepts,DistributedSystems分布式系统,Distributethecomputationamongseveralphysicalprocessors.计算分布在若干物理处理器上Looselycoupledsystemeachprocessorhasitsownlocalmemory;processorscommunicatewithoneanotherthroughvariouscommunicationslines,suchashigh-speedbusesortelephonelines.（从处理器管理角度看）松散偶合系统-每个处理器有自身的本地存储器；通过各种通信设施，如高速总线、电话线等进行处理器之间的通信Advantagesofdistributedsystems.分布式系统的优点ResourcesSharing资源共享Computationspeeduploadsharing加快计算-共享装载Reliability可靠Communications通信,AppliedOperatingSystemConcepts,分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中式系统）分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。,DistributedSystems分布式系统(Cont.),AppliedOperatingSystemConcepts,DistributedSystems分布式系统(Cont.),DistributedOperatingSystem分布式操作系统lessautonomybetweencomputers在计算机之间少了自治性givestheimpressionthereisasingleoperatingsystemcontrollingthenetwork.给出一种印象，有一个操作系统控制网络NetworkOperatingSystem网络操作系统providesfilesharing提供文件共享providescommunicationscheme提供通信机制runsindependentlyfromothercomputersonthenetwork运行独立于网络上的其他计算机,AppliedOperatingSystemConcepts,网络操作系统(NOS,NetworkOperatingSystem),网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。网络操作系统的功能1)通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等；2)网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输；3)资源管理：协调各用户使用；4)网络服务：文件和设备共享，信息发布；5)网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等；6)互操作：直接控制对方比交换数据更为困难；,AppliedOperatingSystemConcepts,(1)耦合程度（从分布式任务管理和调度）：A.分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立的“OS同质”，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；B.网络通常容许异种OS互连，各机上各种服务程序需按不同网络协议“协议同质”。(2)并行性：A.分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行“进程迁移”；B.网络则各机上的进程独立。(3)透明性：用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如CPU、内存或外设）。A.分布式系统的网络资源调度对用户透明，用户不了解所占有资源的位置；B.网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定；(4)健壮性：分布式系统要求更强的容错能力（工作时系统重构）,分布式操作系统与网络操作系统的比较,AppliedOperatingSystemConcepts,EmbeddedSystem嵌入式系统,什么是嵌入式系统？在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统,AppliedOperatingSystemConcepts,AppliedOperatingSystemConcepts,嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。,在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统。,EmbeddedOperating-System嵌入式操作系统,AppliedOperatingSystemConcepts,典型嵌入式操作系统的特性,完成某一项或有限项功能；不是通用型的；在性能和实时性方面有严格的限制；能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素；占有资源少、易于连接；系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成以便满足最终产品的设计要求。,AppliedOperatingSystemConcepts,嵌入式操作系统开发环境,通常配有源码级可配置的系统模块设计丰富的同步原语可选择的调度算法可选择内存分配策略定时器与计数器多方式中断处理支持多种异常处理选择多种通信方式支持标准语言库数学运算库和开放式应用程序接口,AppliedOperatingSystemConcepts,嵌入式操作系统的应用,嵌入计算的各种应用特点掌上电脑：运算速度：100KIPS在大小上优化、支持手写、低能耗工业设备：运算速度：1MIPS安全优先，控制流程为主军事装备运算速度：1GFLOPS可靠性最重要,AppliedOperatingSystemConcepts,嵌入式操作系统的应用,AppliedOperatingSystemConcepts,Personal-ComputerSystems个人计算机系统,Personalcomputerscomputersystemdedicatedtoasingleuser.个人计算机-供个人使用的计算机系统I/Odeviceskeyboards,mice,displayscreens,smallprinters.I/O设备-键盘、鼠标、显示、小型打印机Userconvenienceandresponsiveness.便利用户和响应CanadopttechnologydevelopedforlargeroperatingsystemoftenindividualshavesoleuseofcomputeranddonotneedadvancedCPUutilizationofprotectionfeatures.可采用大型操作系统研发的技术，个人独占计算机不需要高级CPU使用的保护技术,AppliedOperatingSystemConcepts,MigrationofOperating-SystemConceptsandFeatures操作系统概念和特性的变迁,AppliedOperatingSystemConcepts,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。,AppliedOperatingSystemConcepts,UNIX操作系统,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。,AppliedOperatingSystemConcepts,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。,CP/M操作系统,AppliedOperatingSystemConcepts,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。,AppliedOperatingSystemConcepts,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。,微软MSDOS,AppliedOperatingSystemConcepts,拯救苹果公司的Macintosh(MACOS),在推出IBMPC机后，市场卷起一股龙卷风；IBM自己也没有料到产品会有如此巨大的成功；IBM的成功说明必有其他公司失败。甚至连苹果公司也遇到了问题，销售数量落到了兰色巨人的后面；苹果公司推出Lisa机遭到失败，AppleIII型也遭到失败；分析家们认为，在微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了。,AppliedOperatingSystemConcepts,施乐PaloAlto研究中心-70年代的计算机研究思想库,世界上第一台个人计算机Alto，1972年在这里出现。图形界面，手持鼠标，面向对象程序设计微机网络，桌面出版和激光打印等等具有先进概念和技术的原型都首次出现在这里。,AppliedOperatingSystemConcepts,MACOS、鼠标的新型个人计算机,1984年，人们看到一则广告：“Whatwasthat?”和对Macintosh的介绍,这是配有图形界面操作系统MACOS和鼠标的新型个人计算机。MAC机一上市立即在市场上获得极大的成功。当年比尔.盖茨都说，这是一台他的妈妈也能使用的计算机。Macintosh把苹果公司从连续的失败中拯救出来，苹果公司又开始向前发展。正是Mac先进图形界面操作系统技术，超前PC机若干年，造就了一批苹果的忠实追随者。,AppliedOperatingSystemConcepts,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。,AppliedOperatingSystemConcepts,Linux是类Unix的操作系统；Linux是由开放源代码团体进行开发和测试；有极高的运行可靠性和安全性；在服务器市场有很高的市场占有率。,Internet时代与Linux,AppliedOperatingSystemConcepts,MSDOSIBMPC,CPU8088/8086,BIOS单用户单任务，简单分层结构，16位MSWindows3.x,Windows95/98,WinNT/2000/XPCPU80386单用户多任务（分时系统），16位/16和32位混合/32位UNIX/Linux多用户多任务，16/32/64位BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）,Personal-ComputerSystems个人计算机系统,AppliedOperatingSystemConcepts,Internet环境下的操作系统发展,开放性,多变性,动态性,无统一控制的“真”分布性节点的高度自治性和不可预测性节点链接的开放性和灵活性网络连接方式的多样性使用方式的个性化和多样性人、设备和软件的多重异构性,AppliedOperatingSystemConcepts,个人计算：计算机很便宜，将来它会更便宜人人都会拥有一台计算机，甚至多台,分布式，机群系统：通信网络和Internet允许不同的机器，方便地共享资源,注重移动计算、注重嵌入式计算AnywhereAnytimeAnyperson,注重高可靠，高安全,Internet环境下的操作系统发展,AppliedOperatingSystemConcepts,现代操作系统的特征,并发(concurrency)多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,AppliedOperatingSystemConcepts,共享(sharing)多个进程共享有限的计算机系统资源。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（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。同时访问（如可重入代码，磁盘文件）资源分配难以达到最优化,现代操作系统的特征,AppliedOperatingSystemConcepts,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。CPU每个用户