操作系统第一节

1、计算机操作系统课程安排每周5课时：讲课3课时 上机实习2课时总成绩：平时（作业+考勤+课堂表现）30% 考试70%第三周开始上机实习雷迅，前期课程和有关参考书n前期课程：计算机基础知识，数据结构n参考书目：操作系统实用教程，任爱华主编，清华大学出版社 第二版计算机操作系统，汤子瀛等，西安电子科技大学出版社现代操作系统，Andrew S.Tanenbaum，陈向群等译课程主要讲解内容n操作系统概述n中断及系统调用n内存管理n进程及线程n处理机调度n同步互斥n文件系统nI/O子系统第一讲 操作系统概述什么是操作系统为什么学习操作系统计算机的发展操作系统的发展操作系统的结构操作系统定义 操作系统是一

2、个控制程序 没有公认的精确定义一个系统软件控制程序执行过程，防止错误和计算机的不当使用执行用户程序，给用户程序提供各种服务方便用户使用计算机系统 操作系统是一个资源管理器应用程序与硬件之间的中间层管理各种计算机软硬件资源提供访问计算机软硬件资源的高效手段解决资源访问冲突，确保资源公平使用操作系统的地位操作系统的地位操作系统软件的分类操作系统软件的组成 Shell-命令行接口通过键盘操纵。方便用户进行命令输入 GUI-图形用户接口WIMP（视窗（Window）、图标（Icon）、选单（Menu）、指标（Pointer）直接操作和所见即所得 Kernel-操作系统的内部 执行各种资源管理等功能操作

3、系统软件的组成操作系统内核特征 并发 计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度 共享 虚拟 异步“同时”访问 互斥共享 利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同操作系统课是多门课程的综合 综合课程-结合许多不同的课程程序设计语言数据结构算法计算机体系结构操作系统很酷!掌握操作系统是一个挑战!我要参与系统软件开发操作系统很有用!我想了解操作系统到底是如何工作的？指导应用软件开发 更好得使用计算机学习操作系统的目的 已有操作系统很好，我将来的工作不会写操作系统

4、Windows,Linux. 已有操作系统是否解决了所有的事? 为什么我要学习它？操作系统软件的地位 操作系统：计算机科学研究的基石之一计算机系统的基本组成部分由硬件的发展和应用需求所驱动学术和工业的持续推进掌握操作系统具有挑战性（1）Windows Xp 有4500万行 操作系统很大操作系统必须比用户程序拥有更高的稳定性 操作系统是系统安全的基础并发导致有趣的编程挑战 操作系统管理并发时间依赖行为, 非法行为, 硬件故障 操作系统代码管理原始硬件 操作系统代码必须是高效的, 低耗CPU、内存、磁盘的 操作系统出错，就意味着机器出错掌握操作系统具有挑战性（2） 并发性和琐碎的调度算法、内核锁机

5、制时间与空间性能与可预测性 操作系统是关于：如何让中断、异常、上下文切换真正有效? TLB是如何工作的？这对页表又意味着什么？ 硬件 权衡公平与性能（哪种设计能工作？为什么？）如何学习操作系统？ “天才是1%的灵感加上99%的汗水 - Thomas Edison 不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之；学至于行之而止矣。-荀子儒效篇 如何学习操作系统？计算机的发展-机械计算机n机械计算机时代（1614-1946）：1614年提出的原始的自动计算装置标志着计算机时代的来临。n1840年英国人Charles Babbage设计了差分机和分析机，设计理论非常超前，提出了卡片输入程序和

6、数据计算机的发展-电子计算机n第一代电子计算机（1946-1958）：电子管制作开关逻辑部件。代表机有“科洛萨斯”（英国），ENIAC(美国），10Hzn 第二代电子计算机（1959-1964）：晶体管制作开关逻辑部件。程序设计开始使用高级语言。代表机IBM-7094，几十到几百万Hzn第三代电子计算机（1965-1970）：使用集成电路制作开关逻辑部件，IBM360，几百万到几千万Hzn第四代电子计算机（1971年至今）：使用大规模/超大规模集成电路制作开关逻辑部件，Pentium等计算机发展史中的大事n1848年英国数学家George Boole创立了二进制代数学n1937年Turing图

7、灵提出了一种抽象计算模型，用来精确定义可计算函数。图灵机由一个控制器、一条可无限伸延的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。这个在概念上如此简单的机器，理论上可以计算任何直观可计算的函数。 n1949年出现冯诺依曼计算机。它的结构和现代计算机结构一致，由运算器、控制器、存储器、I/O设备五个部分组成Von Neumann计算机n又叫“存储程序式计算机”n主要特点：集中顺序过程控制处理器（运算器，控制器）协处理器总线内存储器I/O设备硬盘等计算机未来的发展n未来的计算机将与各种新技术相结合：n与光电子学相结合的光子计算机n与生物科学相结合，用生物材料进行运算的生物计算机为什么引入操作系统？n从

8、计算机管理的角度来看为了更加充分、有效地使用计算机系统资源，合理地组织计算机的工作流程、有效地管理和分配计算机系统的硬件和软件资源。n从计算机使用的角度来看为了给用户操作计算机提供一个良好的界面，以便用户无须了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能方便地使用计算机。操作系统由哪些成分组成？n控制和管理计算机系统的硬件和软件资源的程序集合n合理地组织计算机的工作流程的程序集合n方便用户使用的程序集合操作系统为什么改变 原则：设计随着各种相关技术的改变而做出一定的改变 在过去二十年底层技术有极大的改变 ! 主要功能：硬件抽象和协调管理从1981到 2012计算机系统的对比操作系统的演变 单用户系统

9、批处理系统 多道程序系统 分时 个人计算机：每个用户一个系统 分布式计算：每个用户多个系统 多处理机操作系统多处理机操作系统 实时操作系统实时操作系统单用户系统（45-55) 操作系统=装载器+通用子程序库 问题：昂贵组件的低利用率操作系统的形成与发展-手工操作阶段操作员将纸带/卡片装入输入机启动输入机把程序和数据装入输入机通过控制台开关使程序运行程序运行结束将结果在打印机上输出卸下纸带/卡片，将结果取走手工操作：人机矛盾突出批处理（55-65) 顺序执行与批处理操作系统的形成与发展-批处理阶段缩短手工操作时间，减少人工干预，提高计算机使用效率。将用户提交的作业分批处理，使同一批作业执行过程中

10、一个用户作业结束另一个用户作业开始运行的这种转换工作由专门编制的监督程序来管理。联机批处理阶段和脱机批处理n联机批处理：输入过程、运算和输出过程全部都由联机批处理：输入过程、运算和输出过程全部都由CPU处理。输入输出设备速度远比处理。输入输出设备速度远比CPU低，在管理输低，在管理输入输出设备过程中大部分时间入输出设备过程中大部分时间CPU都处于等待状态。都处于等待状态。造成造成CPU资源的很大浪费资源的很大浪费n脱机批处理：除主机外另设一台外围机，外围机只与脱机批处理：除主机外另设一台外围机，外围机只与输入输出设备打交道，不与主机直接连接。输入输出设备打交道，不与主机直接连接。脱机批处理纸带

11、机卡片机打印机外围机输入带输出带主机执行管理带 保持多个工作在内存中并且在各工作间复用CPU多道程序（65-80)操作系统的形成与发展-多道程序系统n多道程序设计技术是指同时把多个作业放入内存并允多道程序设计技术是指同时把多个作业放入内存并允许它们交替执行，从而共享系统中的软硬件资源。许它们交替执行，从而共享系统中的软硬件资源。n当正运行的程序因某种原因而暂停执行时，当正运行的程序因某种原因而暂停执行时，CPU就立就立即转去执行另一道程序。即转去执行另一道程序。nCPU得到充分利用，提高了输入输出设备和内存的利得到充分利用，提高了输入输出设备和内存的利用率。用率。n允许多道程序运行的操作系统具

12、有宏观上并行、微观允许多道程序运行的操作系统具有宏观上并行、微观上串行的特点上串行的特点多道程序系统的几种形式n多道成批系统：多道多道成批系统：多道+批处理批处理n分时系统：提高系统响应能力，每个用户一个终端分时系统：提高系统响应能力，每个用户一个终端分时系统的特点：多路性，独占性，交互性，及时性 定时中断用于工作对CPU的复用分时（70-)多处理机操作系统n操作系统管理多个分布在各个系统或同一个系统中的操作系统管理多个分布在各个系统或同一个系统中的多个处理机多个处理机n是一个是一个“单系统单系统”，每个，每个CPU没有私有内存没有私有内存n关键特点是单一的运行队列：系统中处于就绪态的进关键特

13、点是单一的运行队列：系统中处于就绪态的进程组成的队列程组成的队列n多处理机的文件系统和单处理机系统几乎没有区别多处理机的文件系统和单处理机系统几乎没有区别个人电脑操作系统单用户利用率已不再是关注点 个人电脑系统重点是用户界面和多媒体功能很多老的服务和功能不存在最初: 操作系统作为一个简单的服务提供者 (简单库)现在：支持协调和沟通的多应用系统 演变越来越多的安全问题 (如，电子商务、医疗记录) 网络支持成为一个重要的功能分布式操作系统跨多系统的数据共享和协调n 通常支持分布式服务松、紧耦合系统 可能使用多个处理器 高可用性与可靠性的要求分布式操作系统n分布式系统由若干台独立的计算机构成，整个系

14、统给分布式系统由若干台独立的计算机构成，整个系统给用户的印象是一台计算机用户的印象是一台计算机n多机合作和健壮性：多机合作是自动的任务分配和协多机合作和健壮性：多机合作是自动的任务分配和协调，健壮性是局部故障时自动重构新系统调，健壮性是局部故障时自动重构新系统n目前研究的热点目前研究的热点分布式操作系统操作系统演变中的计算机系统iOS/Android,AIX/HP-UX主机型计算(Mainframe computing)Windows/Linux/BSD,个人机计算(Personal computing)网络计算(Internet computing)Future OS普适计算(Pervasi

15、ve computing)，移动计算，云计算，大数据处理，许多联网设备为许多人提供个性化的服务操作系统的发展历史nPC机操作系统的发展机操作系统的发展nUNIX的发展的发展个人电脑操作系统的发展nDOS操作系统，1981年问世，1.0版-7.0版n以字符为基础的用户接口，单用户单任务nMS-DOS(Microsoft), PC-DOS(IBM), DR DOS(Novell)n适用于16位机，最大的优势是支持众多的通用软件nWindows操作系统，1985年问世，Windows1.0版-Windows2000n以图形为基础的用户接口，多窗口多任务nWindows *, Windows NT(N

16、ew Technology), Windows XP(Explore)n兼容16位软件，32位操作系统nOS/2操作系统，1987年由IBM公司推出n32位多任务操作系统n因缺乏应用软件的支持而失败UNIX操作系统的发展n1969年，年，Ken Thompson在一台废弃的在一台废弃的PDP-7小小型计算机上用汇编语言重写一个简化的型计算机上用汇编语言重写一个简化的MULTICS操作操作系统，称为系统，称为UNICS，即为，即为UNIXn1973年，年，Thompson和和Ritchie一起用一起用C重写了重写了UNIXn1973年到年到20世纪世纪70年代末，年代末，UNIX免费扩散免费扩散

17、n70年代中期到年代中期到80年代中期，商用版本出现年代中期，商用版本出现n80年代中期，年代中期，UNIX已被广泛应用于各种型号的小型已被广泛应用于各种型号的小型机和工作站上机和工作站上Minixn1986年年 Mini UNIX，由，由Andrew S. Tenebaum编编写写nUNIX系统的子集，系统的子集，X86n最多支持个用户，没有图形用户界面最多支持个用户，没有图形用户界面Linuxn1991年年Linus Torvalds开发，以开发，以MINIX为基础。是为基础。是一个功能可与一个功能可与UNIX和和Windows相媲美的操作系统相媲美的操作系统n特点：特点：n免费软件免费软

18、件nLinux操作系统与主流的操作系统与主流的UNIX系统兼容系统兼容n支持几乎所有的硬件平台：支持几乎所有的硬件平台：Intel系列，系列，Alpha系列，系列，MIPS系列，并广泛支持各种周边设备系列，并广泛支持各种周边设备自由软件的保证：GPLnGeneral Public LicensenRichard Mathew Stallman (史托曼史托曼) 在在 1984 年年发起的发起的 GNU 计划计划n自由不是免费自由不是免费n自由是自由复制、修改、发布等。进入公有领域并不自由是自由复制、修改、发布等。进入公有领域并不能保证软件能始终被人自由使用、修改和发布能保证软件能始终被人自由使用、修改和发布n根据根据GPL的规定，当将软件分送或者销售出去时，你的规定，当将软件分送或者销售出去时，你能做与不能做的事，你的接受者也都与你一样能做与不能做的事，你的接受者也都与你一样n发布自由软件时也必须同时带有发布自由软件时也必须同时带有GPL条款，使其继续条款，使其继续成为自由软件。成为自由软件。UNIX BSDUNIX家族LinuxLinux家族Windows家族简单结构 MS-DOS 在最小的空间，设计用于提供大部分功能 (19811994)没有拆分为模块虽然 MS-DOS 在接口和功能水平没有很好地分离，主要用汇编编写分层结构 将操作系统分为多层 (leve