中南大学 第1讲 操作系统导论

第1部分（第1章）绪论1.1计算机系统结构1.2操作系统的目标、作用和模型1.3操作系统的五个基本功能1.4操作系统的发展与形成1.5操作系统的特征和服务1.6

UNIX操作系统的特征1.7WINDOWSNT简介1.8PROBLEMS-12024/1/22计算机操作系统1.1计算机系统结构2024/1/22计算机操作系统1.1计算机系统结构计算机系统的组成及组织方式计算机各组件的功能有限，需协作完成任务。工作控制方式：中断向量、中断驱动中断（Interrupt）与陷入（trap）CPU和I/O可并行工作：系统调用存储设备分层结构：速度、成本、易失性（图）2024/1/22计算机操作系统1.1计算机系统结构volatilecacheMainmemoryElectronicdisknonvolatileOpticaldiskMagnetictapesregistersmagneticdisk2024/1/22计算机操作系统1.1计算机系统结构硬件保护双模式：用户态、核心态I/O保护：特权指令、非特权指令CPU保护：定时器（Timer）、CPUInterval、I/OInterval内存保护：基址寄存器、限长寄存器、越界检测等2024/1/22计算机操作系统1.2操作系统的目标、作用及模型用户程序库管理程序编辑程序诊断程序

编译程序解释程序装配程序操作系统裸机应用程序例行服务语言处理操作系统系统软件虚拟机：裸机在每增加一层软件后，就成为一个功能更强的机器，通常将这个“新的功能更强的机器”称为“虚拟机”2024/1/22计算机操作系统1、操作系统设置目标(1)管理系统资源，达到系统资源的有效利用和共享。(2)合理组织计算机的工作流程，改善系统性能（响应时间、吞吐量）。(3)提供用户接口，简化用户使用操作。P1：方便性、有效性、可扩充性、开放性。响应时间：从提出要求到系统作出响应所需时间吞吐量：单位时间内处理作业的数量。2024/1/22计算机操作系统2、操作系统定义控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机的工作流程，以方便用户使用计算机的程序的集合。2024/1/22计算机操作系统操作系统3、操作系统层次模型应用程序语言处理程序外壳与接口处理机管理模块存储器管理模块I/O管理模块文件管理模块硬件资源处理机存储器设备软件资源文件2024/1/22计算机操作系统1.3操作系统的五个基本功能1、存储管理：内存分配、内存保护、

地址映射、内存扩充2、处理机管理：进程控制、进程同步、

进程通信、进程调度3、设备管理：缓冲管理、设备分配、设备处理、设备独立性和虚拟设备4、文件管理：外存管理、目录管理、文件操作5、用户接口：命令接口、程序接口、图形接口2024/1/22计算机操作系统1.4操作系统的形成1.4.1发展动力（1）不断提高资源利用率的需要；（2）方便用户；（3）器件的不断更新换代；电子管、......;8位、......（4）计算机体系结构的不断发展单处理机OS、多处理机OS、网络OS2024/1/22计算机操作系统1.4.2无操作系统时代一、人工操作方式(ManualOperating)1945年~50年代中期，使用纸带、卡片。用户独占系统资源人机串行，CPU等待人工操作特点（缺点）：主机2024/1/22计算机操作系统50年代早期的穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机穿孔卡片图2024/1/22计算机操作系统二、脱机输入输出方式（Off-LineI/O)50年代末主机外围机外围机优点：提高CPU利用率提高了输入输出速度2024/1/22计算机操作系统没有程序设计语言（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计算机运算速度：1000次/每秒,数万个真空管,占地100平方米2024/1/22计算机操作系统1.4.3批处理系统一、单道批处理系统(SimpleBatchSystem)

属OS前身。实现：系统配置监督程序（Monitor）,用户将需处理的一批作业按脱机方式输入到磁带中，由主机的监督程序依此读入内存处理。作业=程序+数据+处理步骤HOST2024/1/22计算机操作系统卡片早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机2024/1/22计算机操作系统二、多道批处理系统(MultipleBatchSystem)60年代中，前提：中断技术、通道的出现。通道：专门用于负责输入输出的硬件装置(输入输出处理机，IOP)。思想：用户提交的作业先在外存排成一个队列（后备队列），由作业调度程序按照一定的算法从中选择若干作业调入内存，共享系统中的各种资源。（状态转换示意图）

单道/多道程序运行示意图1.4.3批处理系统2024/1/22计算机操作系统作业状态转换示意图后备状态提交状态CPUP1P2P3运行I/O作业调度进程调度完成状态外存盘交换区外存就绪外存阻塞中级调度按任一键2024/1/22计算机操作系统单道/多道程序运行示意图用户程序监督程序I/O操作作业A作业B调度磁带I/O磁盘I/O2024/1/22计算机操作系统多道程序设计技术的好处(1)提高CPU的利用率7%-----100%（理论上）(2)提高内存和I/O设备的利用率(3)增加系统的吞吐量多道批处理系统的特征：多道性、无序性、调度性（两级）。2024/1/22计算机操作系统多道批处理系统的优缺点优点：（1）资源利用率高；（2）系统吞吐量大。缺点：（1）平均周转时间长；周转时间：作业从进入系统到结束并退出系统所经历的时间。（2）无交互能力。2024/1/22计算机操作系统多道批处理系统需解决的问题(6)系统安全保护机制：设置管态/目态；特权指令/非特权指令(1)处理机分配、回收；(2)存储保护机制；(3)合理的I/O设备分配机制；(4)作业管理：根据具体情况，选择合理的作业调度算法；短作业优先、I/O型与CPU型搭配、......(5)完善的文件管理功能，提供有效、快速的信息检索、存储机制；2024/1/22计算机操作系统基本控制卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱2024/1/22计算机操作系统1.4.4分时系统(Time-SharingSystem)一、实现思想一台主机周围联接多个终端，多个用户通过不同的终端共享使用主机资源。CPU内存用户作业1用户作业2用户作业n用户1用户2用户n2024/1/22计算机操作系统1.4.4分时系统(Time-SharingSystem)二、实现方法1、简单分时系统单道，时间片（TimeSlice）2、具有前后台的分时系统内存分为“前台区”和“后台区”，前台存放分时作业；后台存放批处理作业。仅当前台无作业处理时，才运行后台作业。3、多道分时系统目前采用较多的分时系统。2024/1/22计算机操作系统1.4.4分时系统(Time-SharingSystem)1、多路性2、交互性3、独立性4、及时性四、分时系统中影响响应时间的因素1、时间片一定时：2、用户数一定时：3、系统开销：单道：对换；多道：进程调度/对换4、对换信息量三、分时系统的特征2024/1/22计算机操作系统1.4.5实时系统(Real-TimeSystem)

实时是指计算机对随机发生的外部事件作出及时的响应并对其进行处理。所谓外部事件指来自与计算机系统所连接的设备所提出的服务要求。一、实时系统分类1、实时过程控制2、实时信息处理2024/1/22计算机操作系统1.4.5实时系统(Real-TimeSystem)二、实时任务的类型1、按任务执行是否呈现周期性来划分（1）周期性实时任务（2）非周期性实时任务每一个任务都有一个截止时间（deadline）：

开始截止时间、完成截止时间2、根据对截止时间的要求来划分（1）硬实时任务（2）软实时任务2024/1/22计算机操作系统1.4.5实时系统(Real-TimeSystem)1、多路性2、交互性3、独立性4、及时性四、实时系统与批处理、分时系统的区别1、属“专用系统”，处理程序常驻主存；2、有较强的中断处理机构、分析机构；3、有较高的精度和可靠性5、可靠性三、实时系统的特征2024/1/22计算机操作系统1.4.6操作系统的进一步发展根据计算机体系结构的发展，形成了：微机操作系统、多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。一、微机操作系统按字长分：16、32、64位的微机操作系统；按用户、任务数分：单用户单任务OS：CP/M，MS-DOS；

单用户多任务OS：OS/2，WINDOWS；

多用户多任务OS：UNIX；2024/1/22计算机操作系统1.4.6操作系统的进一步发展一、多处理机操作系统提高计算机系统性能有2个途径：

(1)提高元器件的运行速度；

(2)改进计算机系统的体系结构；1、引入多处理机系统MPS（MultiprocessorSystem）主要有3个原因：（银河机）（1）增加系统的吞吐量；加速比SP=ET1/ETN（2）有相同处理能力情况下，节省投资；例（3）提高系统的可靠性；有系统重构能力2024/1/22计算机操作系统巨型计算机简介银河 1：向量机，1亿次/秒采用流水线技术（Pipe-Line）银河 2：向量机，10亿次/秒银河 3：多机系统，128个CPU，128亿次/秒（97年）“神威I”：3840亿次/秒，20世纪末深腾6800：4.183万亿次/秒，2003年曙光4000A：10万亿次/秒，2004年曙光5000：100万亿次/秒，基于我国自主知 识产权的龙芯3号芯片，20082024/1/22计算机操作系统MPS低成本比较制造一台大型或巨型计算机，价格十分昂贵，常在数百万至数千万美元之间。例如：70年代美国生产的著名巨型机ILLIAC-IV，耗资2800万美元；后来只用了350万美元便制造出有2000个微处理机的多微处理机系统，其性能是前者的8倍。2024/1/22计算机操作系统一、多处理机系统根据多个处理机之间耦合的紧密程度，MPS分2类：（1）紧密耦合（TightlyCoupled）MPS

连接：高速总线/交叉开关连接多个处理机；共享主存及I/O设备；只有一个操作系统；（2）松散耦合（LooselyCoupled）MPS

连接：通信线路连接多台计算机；每台计算机都有各自的主存、I/O设备及操作系统；2、多处理机系统的类型2024/1/22计算机操作系统一、多处理机系统（1）非对称多处理模式（AsymmetricMultiprocessingModel）主-从式(Master-SlaveMode)（2）对称多处理模式（SymmetricMultiprocessingModel）主要考虑负载平衡（LoadBalancing）3、多处理机操作系统的模式2024/1/22计算机操作系统二、网络操作系统

(NetworkOperatingSystem)

以前，是在原有OS之上附加具有实现网络访问的功能模块而生成网络OS，除五大管理功能外还应有两大功能：1、提供高效、可靠的网络通信服务；2、提供多种网络服务功能：远程作业录入、文件传输、电子邮件、远程打印。

WindowsNT：将网络功能设计在OS之中，作为操作系统I/O系统的一部分。2024/1/22计算机操作系统网络操作系统网络服务应用程序通信软件（协议支持）单机操作系统用户应用程序局域网操作系统的结构通信软件（协议支持）2024/1/22计算机操作系统内装网络OS的三个特点1、联网能力成为OS功能的一部分，支持文件复制、电子邮件、远程打印；2、支持多种网络协议，POSIX、TCP/IP等3、内装网络是开放式结构：I/O重定向程序、传输驱动程序等可被动态地装入和卸出。2024/1/22计算机操作系统1、网络操作系统的模式（1）客户/服务器C/S(Client/Server)模式80年代发展起来，具有分布处理、集中控制的特征。服务器：网络的控制中心，为客户提供多种服务。分为：文件服务器、数据库服务器、通信服务器。客户：处理本地数据、访问服务器的站点（2）对等模式(Peer-to-peer)

各工作站对等，既可作为用户来访问其它站点，又可作为服务器向其他站点提供服务。2024/1/22计算机操作系统2、网络操作系统的功能互操作能力是指网络中的客户机不仅能与服务器通信，且能以透明的方式访问服务器上的文件系统(C/SModel)或其它网络中的文件服务器(互连网络环境)网络管理互操作能力网络服务资源管理网络通信2024/1/22计算机操作系统透明性(Transparency)某一实际存在的事物具有看来好象不存在的属性。例如：在具有自动调度的、小容量高速缓冲存储器和大容量低速主存的存储系统中，用户认为处理机中只有一个快速大容量存储器，这时高速缓冲对用户来说是透明的。2024/1/22计算机操作系统三、分布式操作系统

(DistributedOperatingSystem)1、分布式系统（1）分布：控制分布、任务分布、资源分布、功能分布。（2）分类：分布式计算机系统（如：网络）分布式（处理）系统2、分布式操作系统特征透明性:资源共享，分布。用户并不知道，对用户来讲是透明的自治性:处于分布式系统的多个主机处于平等地位，无主从关系处理能力增强、速度更快、可靠性增强2024/1/22计算机操作系统3、分布式OS与网络OS的比较分布式系统上配置的操作系统，称为分布式操作系统，它与网络OS既相似，又各有特点，主要在以下五个方面：(1)分布性：分布式OS：处理、控制分布；网络OS：集中式控制。(2)并行性：分布式OS：可将任务分布、并行执行；网络OS：无任务分配功能。(3)透明性：分布式OS：物理位置具有透明性；网络OS：操作具有透明性。(4)共享性：分布式OS：系统中所有软、硬件资源所有用户都可共享；网络OS：只能共享服务器中的资源。(5)健壮性：分布式OS：由于处理、控制分布，以及系统的可重构性，使其具有健壮性；网络OS：集中式控制，有潜在的不可靠性。2024/1/22计算机操作系统嵌入式系统定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件资源可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式操作系统：运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协商、调度、指挥和控制的系统软件。四、嵌入式操作系统2024/1/22计算机操作系统嵌入式操作系统的应用智能卡移动通信计算机外设机顶盒零售设备印刷机复印机互联网服务器电话交换设备2024/1/22计算机操作系统五、操作系统领域中新的操作系统有线电视机顶盒领域，PowerTV移动通信领域，EPOC掌上计算机领域，PalmOS数字影像领域，Digita2024/1/22计算机操作系统研究中的新的操作系统哈佛大学的VINO，使应用得以重用内核构件犹他州大学的OSKit，提供构造操作系统所需的基础构件，也提供高层次构件。OSKit可用来构造新的OSMITExokernel,该系统只有一个极小的核。系统抽象通过LibraryOperatingSystem完成加州大学伯克利分校NOW集群操作系统，100台UltraSPARC-I处理机集群，排名于世界最快的200台超级计算机之内NASA空间飞行中心(GSFC)研制Beowulf项目开始于1994年，用商业化的微型计算机，Linux和以太网等构造集群。已有世界各地的约六十个大学和研究机构在使用2024/1/22计算机操作系统国内操作系统的研制状况60年代末至70年代中后期.杨芙清院士主持我国第一台百万次集成电路计算机（150）操作系统,支持多道程序运行，在石油勘探领域成功应用我国第一个全部用高级语言书写的DJS240机操作系统DJS200/XT2——层次管程结构模型，PCM设计方法，活跃管程结构模式GX73多机实时操作系统（1978年）国防科技大学，1980年装在“远望”-I号航天测量船上，完成了向太平洋发射运载火箭、潜水艇水下发射的测控任务；完成了我国第一颗同步地球卫星的测控、定轨、控制任务“银河”-III巨型计算机

COSIXv1.X/2.0国产类UNIX操作系统微内核结构，安全级别超过B1，中文界面嵌入式操作系统Hopen（女娲计划）Linux类操作系统

2024/1/22计算机操作系统国内操作系统的研制状况龙芯研究2007年12月27日，高性能计算机(HPC)“KD-