第1章 操作系统概念及其发展概述

操作系统OperatingSystem第1章操作系统概念及其发展概述Chapter1:Introduction什么是操作系统?所处的“位置”决定着承担的“任务”大多数受过高等教育的人都知道…第一步:去电子商场购买、组装一台机器硬件操作系统应用软件CPU、内存、磁盘、显示器、键盘…Windows，Linux…第二步:找光盘，给这台机器装上操作系统第三步:在操作系统上安装应用软件，开始使用Word，Matlab…使计算机更好用!这是操作系统的根本要义!!为什么操作系统放在那里?如果那里没有操作系统操作系统可以：屏蔽细节、统一管理硬件、防止违法操作…硬件应用软件硬件操作系统应用软件用户需要直接操作硬件。需要知道显存位置、知道扫描码…应用软件需要知道很多硬件信息。需要知道被的应用已经占有哪些内存…使计算机的使用更加方便、简单、高效…使计算机更好用—屏蔽复杂性Windows使得PC机进入了许多家庭…计算机是一个很复杂的系统:由许多设备组成:CPU、内存、硬盘、显示器、键盘、鼠标、8259、8042…每种设备有很多参数、类型:1M内存、256M内存、64G内存、PentiumCPU、ARMCPU…让用户(应用程序开发者)掌握上述内容是不可能的!

操作系统负责管理这些硬件设备:将设备变成一些直观的概念展现给用户，或者根本不让用户知道

使计算机更好用—使硬件高效工作打开一个文件，当1G内存的Pentium比一个16M内存的586还要慢时…可能吗?打开一个2G大小的文件!一个要从磁盘读入1G数据，另一个要读入16M数据!可以让1G内存也只读入16M文件(部分文件)吗?应该可以，其他内存空间呢(1G-16M)?可以放别的东西用户需要时刻注意，千万别有错误的jmp和mov，否则会导致:前面的工作白费、误导的结果…你也许宁愿选择前面的情况…什么是操作系统?操作系统是管理硬件的软件…“目录”管理的是什么硬件?操作系统是解释执行用户命令的控制软件…操作系统是，还是…硬盘某个扇区校验出错要不要管?这么多是还能成为一个合适定义吗?描述操作系统做什么比是什么更有意义操作系统就是操作系统，操作系统没必要定义操作系统要做什么?管理所有硬件资源伟大的冯诺依曼认为，计算机由五大部件组成:输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器硬件操作系统应用软件OS需要管理CPU(运算器、控制器)OS需要管理memory(内存)OS需要管理disk(外存)OS需要管理IO(输入/输出设备)进程管理内存管理文件系统I/O系统课程核心内容操作系统要做什么?管理OS中出现的软件资源硬件速度不匹配现象常见缓存区硬件操作系统应用软件缓存管理，如磁盘缓存等!课程内容按照硬件管理组织，软件资源的管理渗透在各个章节中GDT、函数表等OS用树管理大量信息典型的如目录管理OS要抽象要完成逻辑到物理的映射OS中会出现许多数据结构链表、队列、散链表等操作系统要做什么?向用户和应用软件提供使用接口用户输入ls时，OS需要将当前目录下的文件列出硬件操作系统应用软件可以看出，都是一些细节，它们会让计算机更好用。这些内容也渗透到各章节中监控用户对计算机的使用应用程序调用malloc()时，OS需要分配内存用户按下ctrl+c时，该用户的当前任务将被kill用户写一个文件时，OS需检查是否有权限等等……等等……“操作系统做什么”是动态变化的操作系统的任务会随环境而变化如实时操作系统—任务响应需满足一定的时限要求需要多读、多看，开阔眼界:SOSP,OSDI某些场合要求很严格的时限，如导弹控制某些场合要求不能太久，如键盘响应硬实时软实时某些场合没有时限要求，如屏保不需要考虑实时三种场合下OS所做的工作会有很大差别…操作系统的任务会随时间而变化Moore定律表明:设备体积迅速变小、能力迅速增强出现了嵌入式设备和嵌入式操作系统能源管理模块对EOS很重要本课程集中学习构成OS的基本模块进程管理、内存管理、文件系统、IO系统、系统服务五大块UNIX的整体式OS结构函数库系统调用接口文件系统进程管理存储管理字符设备块设备设备驱动硬件抽象用户系统服务“微内核”式操作系统结构压缩内核:将文件系统、设备驱动等部分从操作系统中移出…怎么调用这些功能?将文件读写变成服务(C/S)，内核提供通信内核Win32程序Win32服务器POSIX程序POSIX服务器微内核UNIX模拟器DOS模拟器…用户空间程序程序程序Mach不是微内核也可以借鉴该思想(WindowsNT)“虚拟机”式操作系统结构使用硬件最复杂的地方就是多个任务(程序)共同使用，从而互相影响如果让一个程序独占整个机器，复杂度大幅降低一台虚拟机器VM/370采用虚拟机结构会话监控(CMS)即VM1+OS内核VM/370即虚拟机实现—完成虚到实的映射370裸机会话监控(CMS)即VM2+OS内核会话监控(CMS)即VM3+OS内核程序程序程序系统调用I/O指令该思想在OS中非常常见另外，各部分的设计和实现也多种多样硬件在发展、应用在扩展，实现技术也得跟上早期的计算机非常昂贵…(1948-1970)计算机使用原则:尽量让计算机满载此时操作系统的典型特征:批处理(Batchsystem)JOB1JOB2JOB3操作系统用户空间输出结果loadexecute各部分设计都以执行作业的数量的最大化为目标：如内存管理应尽量简单CPU尽量忙才能尽可能多的完成作业但操作I/O设备时CPU会等待很长时间(如读作业)处理办法:等待I/O设备时CPU去执行别的作业前提是内存中有多个作业:多道程序(Multiprogamming)Multics:1963年开始开发，1969使用操作系统JOB1JOB2JOB3输出结果调度执行多个程序“同时执行”需要进程调度、内存管理、磁盘存储等多个部分的配合(操作系统大幅改变)批处理操作系统使用在现在的大型机上硬件不断发展，越来越便宜1970-1985，$1000能买一个便宜的终端用户可以坐在终端设备前思考问题了此时计算机能响应用户，典型特征:交互(Interactive)怎么才能做到及时响应?分时操作系统也常使用在现在的带有多个终端的大型机上(如银行)分时系统将时间分成时间片。分时影响了进程调度和时钟处理操作系统JOB1JOB2JOB3响应用户调度执行时间硬件非常便宜、而人力昂贵1981-，$1K:1个计算机，$100K/year:1人计算机只要能使人力的效率提高1%就值得!个人计算(personalcomputing)方便用户(人机交互接口)成为了关键GUI(图形用户接口)mice，windowsMicrosoftWindows:Win1.0(1985)Win3.1(1990)Win95(1995)WinNT(1993)Win2000(2000)WinXP(2001)人机交互成了OS一个重要内容网络已逐渐成为生活基础设施1990-，出现了LAN，WAN，Internet…支持网络成为了OS的一个重要功能分布式计算(distributedcomputing)分布式文件共享:FTP,fileserverWeb信息服务:HTTP,webserver,IE…电子邮件服务:POP,mailserver,Outlook…还有因为网络病毒造成的防火墙，OS安全模块…这些内容使OS的文件系统，设备驱动，进程管理进一步发展出现了能力很强、支持网络的手持设备1995-，出现了手持设备Laptops，PDA等…这种设备的显著特点:移动性移动计算(mobilecomputing)需要支持无线通信:蓝牙、红外、无线电…Web信息服务:HTTP,webserver,IE…用户在任何位置的服务获取:Ubiquitous(普适)…手持、移动、个人:上下文感知计算…使OS的通信支持，设备驱动，安全保护(如私密性)进一步发展…正在实现的宏伟蓝图…ClustersMassiveClusterGigabitEthernetASocietalScaleInformationSystemPeer-to-peernetwork“计算机”的各部分分布在全球SensornetworkUbiquitous

serviceGridsystem“操作系统”的各部分分布在全球OS和网络没有界限操作系统的特点有许多概念、并不断涌现新的概念伴随着概念的涌现，各种技术曾出不穷以抽象为目的，结果却是实实在在的东西批处理、分时、实时、GUI、普适、P2P、Grid…进程管理,内存管理,文件系统,设备管理总是基础Xwindow是一个应用程序，Windows中的GUI工作在内核态(所以速度很快)CPU

进程；磁盘

文件；显示器

窗口…完成这些抽象的OS是一个实际存在的软件，你的不当操作会导致它崩溃…怎么学习操作系统?掌握适当的概念是必要的本课程采用的教材AbrahamSilberschatz,Galvin,Gagne等著,郑扣根译，操作系统概念(OperatingSystemConcepts)，高等教育出版社数量适当，抓住最重要的，并梳理清楚什么都想知道，反而会导致没有任何意义操作系统是使计算机好用，如果塞了一堆概念在里面，计算机还能好用吗