计算生态导论 课件 第5章操作系统

基础知识操作系统操作系统的定义

操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的中介程序，是控制和分配资源的通用功能结合体。向上为计算机用户提供操控硬件的系统调用。向下为计算机硬件传递计算机用户的操作指令。Linux内核的功能CPU进程管理内存内存管理动态重定位虚拟内存数据文件系统IO设备设备管理

操作系统是最接近硬件的基础软件，是硬件和数据资源的管理器，面对多个应用程序对这些资源的请求，操作系统需要决定如何将它们分配给特定的程序和用户，以便其可以高效、公平地操作计算机系统。文件类型目录结构硬件驱动宏内核与微内核进程定义进程调度网络网络接口进程管理——进程定义程序与进程的关系程序进程进程A资源1资源2……进程B1进程B2程序A指令1指令2……..程序B指令1指令2……..资源1资源2……资源1……程序是一系列指令的有序集合，是一个静态实体。进程是操作系统资源调配的基本单位，进程管理是操作系统最基本的功能之一。当程序被编译为可执行文件运行时，处在执行状态的程序称为进程。进程管理的任务是为进程分配资源，选择使用CPU的进程并控制使用的时长。进程管理——进程调度三种基本状态就绪状态执行状态阻塞状态进程运行的五种状态两种常见状态创建状态终止状态在进程创建时，系统会为其分配一个进程控制块，记录进程所需的资源信息。当除CPU外所有资源需求得到满足，进程进入就绪状态，在就绪队列中进行等待。操作系统为就绪队列中的进程分配CPU资源，得到CPU资源后，进程变为执行状态。在操作系统分配的时间片用完后，进程会暂停并重新进入就绪队列，等待操作系统调度。若因I/O请求等事件之行受阻，则进入阻塞状态，待事件完成后重新进入就绪队列。若进程执行完成，进入终止状态，系统会将其删除并释放资源。内存管理功能：动态重定位程序装入内存时使用相对地址，系统会调取重定位寄存器中的起始地址，将其和程序的相对地址相加，得到真正访问的内存地址。问题：物理地址暴露访问不存在的地址，对系统程序所使用的内存进行读写；有可能在多进程时导致不同作业对相同的内存进行读写，导致程序崩溃。功能：虚拟内存先将当前需要访问的页放入物理内存，未使用部分存放在外存中；若需要的页存不在内存中，触发缺页中断，将相应的页调入内存。问题：内存不足一个程序需要将其整体装入内存才能运行，但是由于物理内存容量有限，因此会出现程序过大不能完全装入内存，导致运行失败。动态重定位解决解决Linux内存管理功能：1.动态重定位2.虚拟内存文件系统Linux系统的一大特点是“一切皆文件”——将系统中的数据和硬件抽象为文件进行管理。文件类型：普通文件:应用层面上的文件目录文件:文件夹符号链接:符号链接类似于快捷方式套接字:套接字一般用于网络通信块设备:硬盘和U盘等设备字符设备:如键盘和光驱等设备；管道文件:用于进程间的数据交换。Linux目录结构一般用户只能访问其home目录下的以其所拥有的文件，对于其他不属于该用户或者处于其父目录的文件，要求该用户属于超级用户并使用超级用户权限进行访问。设备管理驱动硬件是Linux内核最重要的功能之一。宏内核与微内核微内核一般只包含基础IPC、虚拟内存和调度等基本功能，宏内核将所有的驱动与服务打包在内核里。驱动程序相当于硬件的接口，实现了操作系统对硬件的管理，鼠标、键盘等硬件都需要依靠内核进行驱动。网络接口网络接口网络设备接口网络接口核心网络协议簇Socket层组成功能报文处理路由地址解析Thanks

发展史操作系统华南理工大学操作系统发展史计算机硬件的每一次革新都伴随着操作系统的发展。操作系统的发展大致可分为四个阶段第一代操作系统第一代计算机没有成型的操作系统数学家冯·诺依曼通过数学语言系统地阐述了存储程序型计算机模型，提出将程序编码为数据一同存放在存储器中。早期计算机功能十分简单，使用者（程序员）通过人工操作的方式直接与硬件打交道，程序作为控制器的一部分，编程需要硬件化操作。1945冯·诺伊曼模型提出1945前

插拔电缆进行编程1949冯·诺伊曼计算机交付1953冯·诺伊曼计算机运作第二代操作系统——单道批处理系统第二代计算机逐渐从使用真空管转为使用晶体管，出现早期操作系统——单道批处理系统磁带机与单道批处理系统代表作品：IBM704的GM-NAAI/O系统开发者：通用汽车公司通用汽车公司（GeneralMotors,GM）、北美航空公司（NorthAmericanAviation,NAA）第二代操作系统——单道批处理系统01040302作业装载作业运行控制权返还程序编译1.作业装载监督程序将磁带上的作业装入内存控制权返还3.作业运行计算机控制权交给作业2.程序编译单道批处理系统的循环运作流程编译并检查源程序作业执行完成后将控制权交还给监督程序，监督程序再读取下一个作业第三代操作系统——多道批处理系统第三代计算机开始使用小规模集成电路，操作系统得到改进——多道批处理系统多道批处理系统分时系统相同点多作业共享一台计算机调度程序根据调度算法将作业送到内存处理器根据需要从一个作业切换到另一个作业切换依据非抢占式，作业主动暂停运行抢占式，按时间片分配目标系统有效性（吞吐量、资源利用率）人机交互实时性多道程序系统程序调度示意图第四代操作系统UNIXOSX/macOS类UNIXLinuxFreeBSDMS-DOSWindows第四代计算机开始使用大规模集成电路，现代操作系统成型20世纪70年代，随着大规模集成电路的发展，微处理器性能日益强大，计算机逐渐从大型机发展为微型机，操作系统的发展也进入了个人电脑和工作站时代。

考虑到人机交互的必要性，现代操作系统大部分基于分时系统。第四代操作系统——UNIX与MS-DOSUNIX操作系统是操作系统的一大里程碑。1969年，当时在新泽西州AT&T贝尔实验室工作的肯希望为他的PDP7电脑编写一个操作系统，以方便电脑使用；为向MULTICS致敬，系统起初命名为UNICS，后来拼写改为UNIX。1980年，西雅图计算机公司的一名程序员蒂姆·帕特森花费4个月编写出MS-DOS的前身86-DOS，而后微软将其收购。1981年，微软发布著名的MS-DOS操作系统，在Windows95之前，DOS是IBMPC和兼容计算机中最基本的配备，而MS-DOS是个人计算机中最常用的DOS操作系统。第四代操作系统——Windows与MacOS1985年，Windows正式问世。Windows3.0是微软第一个在家用和办公室市场上取得立足点的版本；后来微软又推出了WindowsXP等经典产品，最终以超过90%的市场份额占领了全球个人计算机市场。1984年，苹果公司发布了麦金塔电脑和MacOS，MacOS被认为是第一款商用图形用户界面（GUI）的操作系统。如今，许多图形界面最基本的设计要素和操作规则如下拉菜单、桌面图标、双击和拖拽等都源于苹果电脑。第四代操作系统——LinuxLinux系统架构图1994年，Linux1.0版正式发布，共有超过17万行代码；内核发布按照完全自由免费的协议，后转为使用GPL协议。Linux从本质上来说是一个符合POSIX标准的内核，它提供了一套接口使用户程序能与内核及硬件打交道。仅Linux内核还不能称为操作系统，Linux操作系统包含大量其他组成完整操作系统的组件。第四代操作系统——Linux发行版截至2020年，被LWN.net收录的Linux发行版有258个。Linux发行版内核桌面环境文件管理器GNU工具和库组成类型商业发行版社区发行版第四代操作系统——Linux发行版分支Linux发行版具有复杂的分支，其中以Debian系和RedHat系使用最为广泛。Linux分支第四代操作系统——Debian系列和Redhat系列发行版分支系列分支系统特点DebianDebian最早的发行版本之一目前是最大的社区发行版通过Aptitude（apt）包管理系统进行管理稳定的发布大约每两年一次Ubuntu最著名的基于Debian的发行版带有GNOME桌面RedhatRedhatLinux世界上最著名的Linux发行版之一最新版本是2003年4月发布的RHL9FedoraRedHatLinux的社区发行版红帽公司放弃更新RedhatLinux后由开源社区接手建设的系统RHEL的测试平台，一般会使用最新的内核和软件支持多种平台架构CentOS从RHEL派生的企业级Linux社区发行版适合有专门维护团队的企业，用于替代商业版的RHEL使用Thanks

国产操作系统操作系统华南理工大学操作系统国产化路径操作系统国产化2种主流路径主导级自主可控解释级自主可控基于Linux内核LinuxGPLv2许可兼容Linux生态从零开始编码完全自主版权产业生态不好国产操作系统麒麟软件中标麒麟桌面系统麒麟系列银河麒麟桌面系统中科方德方德桌面操作系统方德系列方德服务器系统华为公司鸿蒙系统华为系列欧拉系统深度科技Deepin操作系统深度系列UOS系统产品产品产品产品公司公司公司公司1234国产操作系统较为出名的4个系列麒麟系列操作系统中标软件普华Linux桌面天津麒麟国防科大银河麒麟系统中标麒麟系统麒麟软件麒麟操作系统包括“中标麒麟”和“银河麒麟”两大品牌，分别由中标软件有限公司和天津麒麟信息技术有限公司进行开发。中标麒麟深耕通用操作系统领域，注重操作系统的安全可信；银河麒麟设计面向国防领域，以打造高安全、高可信的专用操作系统为目标。2020年3月，天津麒麟与中标软件两家公司强强合并，成立麒麟软件有限公司。麒麟系列操作系统——中标麒麟桌面系统中标麒麟桌面操作系统软件V7.0同源开发，跨平台支持桌面环境采用同源开发、跨平台编译构造的方式支持ARM、MIPS、Alpha和Power多种指令集架构支持龙芯、兆芯、飞腾、鲲鹏、海光等自主平台对不同的国产平台提供统一的应用接口与开发接口桌面桌面设计与Windows7类似统一的设计使操作系统更加清晰、高效和易用交互逻辑充分考虑Windows用户的操作习惯良好的生态及支持普华Office、WPS等软件，满足办公需求系统内置全新的应用商店系统硬件兼容性良好，支持主流国产整机和外设系统提供良好的软件兼容性，支持办公应用、安全软件、数据库及中间件、即时通讯等各类应用软件。麒麟系列操作系统——中标麒麟服务器系统中标麒麟服务器操作系统综合管理平台统一的集群管理：通过综合管理平台进行统一的集群管理，提供系统集群信息、高可用集群信息、系统主机信息与高可用主机信息等信息实时监控，并可以对物理服务器集群的运行状态进行预警、配置及管控虚拟化集群、对高可用集群调配资源及制定策略。良好的兼容性：系统具有良好的软硬件兼容性，用户可以通过下载不同版本的镜像以在不同底层架构的计算平台上部署此操作系统，获得连贯一致的体验；目前系统支持x86、ARM、龙芯、Power和申威等国内外主流硬件平台。安全性：系统还提供全方位的支持和保障，通过麒麟系统内置的产品升级中心，用户可连接到麒麟服务器获取更新，以保证操作系统的安全性与稳定性。系统支持多种国内外主流的标准与技术，包括可信计算标准规范（TCM/TPCM和TPM2.0）、国密增强算法、IPtables、SELinux、多因子认证和数据加密存储等，满足信息基础设施在安全方面的要求。与国内主流漏扫厂商建立漏洞扫描及修复的持续合作机制，为客户提供精确的漏扫报告，打造安全创新的基础软件平台环境。麒麟系列操作系统——银河麒麟桌面操作系统兼容性多平台兼容：天津麒麟对飞腾、龙芯、申威、海光等六大国产计算平台进行适配，为不同平台用户提供一致的使用体验。国产平台优化：针对国产CPU平台的特点，在功耗管理、内核锁、内核页拷贝、网络、VFS、NVME等方面开展优化桌面环境银河麒麟桌面操作系统V10提供类似于Windows7的操作界面，上手简单，学习成本低通过使用组件的方式实现系统的桌面、任务栏与开始菜单部分，组件特性使其可以并行加载以提高加载速度生态及支持麒麟软件与技德科技共同推出了Kydroid3.0，以窗口的形式不加修改地运行移动应用借助强大的安卓生态，银河麒麟桌面操作系统V10可以运行超过2000款安卓APP银河麒麟操作系统方德系列操作系统——桌面操作系统方德操作系统研发模式方德桌面操作系统以核高基桌面操作系统为基础进行开发，使用核高基安全加固内核，安全可靠兼容飞腾、龙芯、鲲鹏、兆芯、海光和申威等6大国产平台，性能优异创新性地采用“基础版+发行版”的开发模式，上海中心基于课题研究和技术成果研发完成基础版产品，方德根据行业的需求定制发行版，整机厂商会对发行版进行选型。方德系列操作系统——服务器操作系统安全性服务器操作系统提供全方位的安全保障，支持国密算法和TCM可信计算规范，提供包括B/S架构监控告警支持在内的多种安全机制，提供企业级的稳定、高效和可靠的软件运行支持环境，满足企业对服务器操作系统的性能、安全性和可靠性的需求。扩展性与兼容性系统具有良好的扩展性与兼容性，可以对国产高可用集群和虚拟集群进行管理，支持虚拟集群的快速迁移。它适用于部署和构建各种部门级和企业级应用程序服务，可以较好地兼容国产的主流服务器整机、中间件和数据库等。方德高可信服务器操作系统华为系列操作系统——生态“三板斧”以HMSCore为核心的生态结构EMUI：2012年华为发布了初代EMUI智能手机操作系统，基于安卓2.3Jellybean；2015年EMUI5.0的发布是华为里程碑式的一步，集中所有的技术力量解决安卓的卡顿顽疾；2018年P30系列手机与EMUI9.0发布，华为同时推出全新的方舟编译器。HMSCore：2020年7月初，华为发布了HMSCore5.0，开放能力覆盖应用服务、人工智能、安全和系统等7大领域的服务。据数据显示，HMS已有超过7亿的全球月活用户，超过160万注册开发者，还有超过8万款应用继承了华为HMSCore。鸿蒙OS：2019年8月华为开发者大会上，全世界第一个基于微内核的全场景分布式OS——鸿蒙OS横空出世。鸿蒙OS内核由Linux内核、鸿蒙微内核与LiteOS

组成，未来华为计划摆脱Linux内核及LiteOS

内核，仅使用鸿蒙内核。华为系列操作系统——鸿蒙系统1.分布式架构：鸿蒙的设计通过一个系统实现模块化解耦，对应不同的设备可以弹性部署。面对内存规模GB级的电脑、手机，MB级的智能手表、车机专有设备和KB级的智能门锁、智能电灯等不同场景下的智能设备，鸿蒙OS可根据硬件能力进行加载，使用同一系统进行部署，实现万物互联。2.运行流程：鸿蒙OS创新性地提出确定时延引擎以提升用户交互的流畅性，通过实时预测并分析负载数据以匹配应用特征实现资源精准调度，给用户带来流畅的体验。通过对优先级高的任务优先进行资源调度的方式，降低应用响应时延达25.7%。鸿蒙OS使用的微内核架构由于其小巧轻便的特点，在进程间通信方面具有巨大优势，进程通信效率相比现有的系统提升了5倍。安卓鸿蒙华为系列操作系统——鸿蒙系统3.内核安全鸿蒙OS的微内核架构已投入使用，微内核技术用于可信执行环境（TEE），首次采取形式化方法提升TEE内核安全，通过使用数学方法，从源头保证系统正确。与由2000多万行代码构成的Linux宏内核不同，鸿蒙使