chap1操作系统概论.ppt

1、操作系统（Operating System）,西安邮电学院计算机学院,主讲：王小银 Email:,引言,学习要求：按时上课，认真听讲阅读参考书思考，讨论，提问,成绩评定：平时成绩：30% （到课情况、书面作业、上机练习、实验报告） 期末考试 70%,课程形式: 讲课, 习题课, 作业, 上机, 教材计算机操作系统教程 徐甲同等 西电出版社,参考教材计算机操作系统 汤子赢 西安电子科技大学出版社 操作系统设计与实现 王鹏等译 电子工业出版社现代操作系统 陈向群等译 机械工业出版社操作系统教程 王素华 人民邮电出版社计算机操作系统教程 张尧学,史美林 清华大学出版社操作系统教程 孟庆昌 西安电子科

2、技大学出版社,涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等）,实践性强（从实践总结出原理）,错综复杂：纵横交叉,操作系统课程的特点：,教师只指出要点 要通过自学、研读参考书掌握内容,善于发现问题、提出问题 要努力寻求问题的答案,注意学习方式的变化,第一章 操作系统概论,什么是操作系统? 多道程序设计的概念 操作系统的功能和主要特征 操作系统的结构 操作系统的分类,1.1 什么是操作系统?,从以下三个方面理解操作系统的概念：系统软件、资源管理器、虚拟机,一、操作系统作为最基本的系统软件,一个计算机系统由两部分组成：系统硬件和系统软件。 系统硬件: 指构成计算机系统所必须配置

3、的全部设备。 系统软件： 是一个计算机系统必须配置的程序和数据的集合。,计算机系统的资源分为硬件资源和软件资源，操作系统的任务就是如何管理这些资源，使系统资源得到充分有效的利用，并且在相互竞争的作业或程序之间有序地控制系统资源的分配，从而实现对计算机系统工作流程的控制。 资源管理器的作用是： 1.跟踪资源状态。 2.分配资源。 3.回收资源。 4.保护资源。,二、操作系统作为资源管理器,为了让用户和程序员在使用计算机时不涉及硬件细节，使硬件细节和程序员隔离开来，需要建立一个简单的高度抽象。简称虚拟机。 用户通过操作系统来使用计算机，操作系统就构成了用户和计算机之间的接口。 操作系统为用户提供了

4、两级接口： 1.命令接口。 2.编程接口。,三、操作系统作为虚拟机,综合以上三个观点，可得到操作系统的定义 操作系统：控制和管理计算机系统的软件和硬件资源，合理地组织计算机工作流程及方便用户使用的程序和数据集合。,1.2 多道程序设计的概念,现代计算机系统一般都采用基于多道程序设计的技术。 多道程序设计是指在主存中同时存放多道用户作业，使它们都处于执行的开始点和结束点之间。,一.多道程序设计的硬件支持,多道程序设计技术得到了计算机硬件的两方面支持：中断系统和通道技术。,引入中断的目的 解决主机与外设的并行工作问题 中断系统定义 对异步或例外事件的一种响应 这一响应自动地保存CPU状态以便将来重

5、新启动 自动转入中断处理程序 中断类型 I/O中断 程序中断 硬件故障中断 外中断 访管中断,1. 中断系统,引入通道的目的 为了使CPU从I/O事务中解脱出来,同时为了提高CPU与设备、设备与设备之间的并行度，提高计算机系统效率 通道技术（I/O处理机） 定义：独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入/输出操作可和CPU并行操作 结构：主存、通道、控制器和设备之间采用四级连接，实现三级控制,2. 通道技术,CPU和通道的通信 CPU与通道之间的关系是主从关系。CPU是主设备，通道是从设备。采用通道方式实现数据

6、传输的过程如下： 当运行的程序要求数据传输时，CPU向通道发I/O指令，命令通道工作； 通道接收到CPU的I/O指令后，从内存中取出相应的通道程序，通过执行通道程序完成I/O操作； 当I/O操作完成（或出错）时，通道以中断方式中断CPU正在执行的程序，请求CPU的处理。,CPU,A I/O,A,B I/O,A I/O,A,B,B I/O,t1 t3 t4 t5,t,CPU,A I/O,B I/O,A,B,A,B,t,t1 t2 t3 t4 t5,二.多道程序设计原理,单道：,多道：,多道程序设计的主要目的是充分利用系统的所有资源且尽可能地让他们并行操作。这种技术可把硬件的代价交叉地分布在大量并

7、行用户之间而使计算机系统的代价极小化。,优点: 多道程序共享资源,资源利用率高。 系统吞吐量大,资源保持忙,系统开销小。 缺点: 作业平均周转时间长,无交互能力。,三.多道程序设计的实现,为了实现多道程序设计，必须妥善解决以下三个问题： 1、存储保护和地址重定位 2、处理机管理和调度 3、资源的管理和分配 多道程序设计的特点如下： 1、多道:内存同时驻留多道程序允许并发执行。 2、宏观上并行 3、微观上串行,1.3 操作系统的功能和主要特征,一.功能： 处理机管理:多道程序环境下,处理机管理以进程为基本单位. 进程管理 进程调度 进程同步 进程通信 存储管理:为方便用户使用存储器,提高主存的利

8、用率. 地址重定位 存储分配 存储保护 存储扩充,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 文件管理(又称信息管理) 目录管理 文件读、写管理 文件存取控制 文件存储空间的管理 用户接口 命令接口 程序接口 图形接口,二.主要特征 并发性：两个或多个事件在同一时间间隔发生. 共享性：系统中多个资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，有互斥和同步两种共享方式。 虚拟性：将一个物体影射为若干个逻辑实体。 不确定性：又称异步性 程序执行结果不确定，程序执行结果不能再现。 多道程序设计环境下，程序按异步方式运行。,1.4 操作系统的结构,一、操作系统的内核 现代操作系统从内部结构

9、来分析，通常包括两部分： 内核 核外部分，它通常是一些实用程序。 强内核全部系统功能都包括在内核中 微内核最基本的系统功能在内核，其余部分在核外 微内核与强内核相比优点： 灵活性 开放性 可扩充性,二、传统的操作系统结构设计模式（针对单处理机）,1、 整体式结构设计模式 将系统所提供的特性、服务及系统所执行的任务统一成一体的一个概括性框架。 优点：每个过程对其它过程是可见的，系统的每个过程都有一个定义完好的接口。 缺点：扩充困难。,1）有序分层 硬件之上为A1层, 在A1层基础上添加A2层, 。每层只调用低层所提供的功能, 与高层软件无关。调试时从第Ai到高层逐层仔细调试保证功能正确, 这样当

10、发现Ai出错时, 该错误局限于Ai层。 2）层次设置 被调用的模块应放在低层 使用频率高的应放在低层 公用模块应放A1低层 用户接口应放在最高层,2、层次式结构设计模式,3）优点：把模块间的复杂依赖关系转化为单向依赖关系，即高层软件依赖低层软件，而低层不依赖高层。,3、以管理为工具的结构设计模式 把共享数据和对这些数据的操作构成一个不可分割的整体。,三、现代的操作系统结构设计模式（针对多处理机）,1、客户/服务器模式,基本思想：将操作系统分为两部分,大部分功能由相对独立的各服务器来实现,它们都运行在用户态; 当用户进程(客户进程)要求服务时, 向相应的服务器发出请求, 服务器完成请求后回送一个

11、应答; 另一部分是内核, 用来处理客户和服务器之间的通信, 即处理请求和应答。,客户 应用程序,内存 服务器,网络 服务器,进程 服务器,文件 服务器,显示 服务器,用户态,核心态,微内核,硬件,好处： 简化了基本操作系统 提高了可靠性 适合分布式环境,2 、面向对象技术 对象是指具有相同属性、服从相同规则的一类事物的抽象, 其中的具体事物称为对象的实例; 将数据结构和定义在其上的一组操作封装起来表示某个对象。这样数据结构中的数据对外都是隐蔽的, 必须通过封装其内的操作(函数)对它们访问。优点是： 可修改性和可扩充性 继承性 正确性和可靠性,3、对称多处理模式 支持多处理机操作系统的结构设计。

12、采用两种模式： 对称多处理：一个操作系统在系统中的所有处理机上运行，并共享同一内存。 非对称多处理（主从模式）：一台处理机执行操作系统代码，其它处理机只执行作业。,1.5 操作系统的分类,无操作系统的操作方式 批处理系统 分时系统 实时系统 网络操作系统 分布式操作系统,真空管计算机时代 硬件非常昂贵, 人工操作, 没有操作系统 1. 人工操作方式： 控制台 一个用户 一次完成一个功能 （计算，I/O，用户操作三者串行） 程序通过穿孔机或卡片装入 用户在控制台前调试程序,一、 无操作系统的操作方式,50年代早期 出现了穿孔卡片 程序写在卡片上然后读入计算机,缺点： (1) 上机用户独占计算机的

13、全部资源, 资源利用率低, 工作效率非常低。 (2) CPU 等待人工操作。 (3) 每个用户都要自行编写涉及到硬件的源代码。工作量大, 难度高, 易出错。 出现两个矛盾： 人机矛盾人低速与机器高速 CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾。,为了提高资源利用率和系统吞吐量 一. 单道批处理系统 用户把程序(卡片)交给系统管理员,他把一批作业以脱机方式输入到磁带上,常驻监督程序(Moniter)对这批作业一个接一个连续处理。 1. 批处理系统处理过程： 重复进行 装入程序、运行、打印结果、撤出,二、 批处理系统,有作业？,有错吗？,把作业的源程序转换为目标程序,装 配 目标程序,运 行 目标程序,开

14、始,终止,是,是,否,否,单道批处理过程,2. 单道批处理系统的特征 自动性:磁带上一批作业能自动逐个依次运行 顺序性:作业顺序进入内存,执行与完成的顺序 和调入的顺序完全相同。 单道性:内存中仅有一道程序,只有该程序完成 或发生异常时,才调入后继程序进入内存运行。 一个用户独占全部资源CPU负责计算，也负责传输, CPU与外设速度不匹配 CPU与I/O串行资源利用率仍然很低。,3.单道批处理系统的典型代表 FMS(FORTRAN Monitor System,FORTRAN监控系统) IBMSYS（IBM为7094机配备的操作系统） 这些操作系统由监控程序，特权指令，存储保护和简单的批处理构

15、成,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,基本控制卡片 是现代作业控制语言和命令解释器的先驱,在IBM 7094机上, 若当前作业因等待I/O而暂停， CPU只能踏步直至该I/O完成。 对于CPU操作密集的科学计算问题, 浪费时间少。 对于商业数据处理, I/O等待时间常占80-90。 解决办法 多道程序设计技术(multiprogramming) 将内存分几个部分, 每部分放不同的作业。 当一个作业等待I/O时,另一个作业可以使用CPU。 注意：在主存中同时驻留多个作业需要进行保护, 以避免信息被窃取或攻击。,硬

16、件速度更快，人力较以前昂贵 分时系统的产生用户需要 1)交互:所有用户看似独占全机,都能直接修改错 误,及时进行人-机交互。 2)共享:多个用户用便宜终端,共享一台计算机。 3)方便:用户对自己的作业进行控制,调试方便。 分时系统是一台主机带多个终端,同时允许多个用户用终端,共享一台主机,每个用户都可以通过终端方便地以交互方式使用主机。,三、分时系统,分时系统的思想于1959年在麻省理工学院(MIT)提出。 每个用户有一个联机终端。 分时系统中, 假设20个用户登录, 其中17个在思考或谈论或喝咖啡, 则CPU可给那3个需要的作业轮流服务。 调试程序的用户常常只发出简短的命令, 而很少有长的费

17、时命令。 所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务, 同时在CPU空闲时还能在后台运行大作业。 1961年, 第一个分时系统由 MIT的Fernando Corbato 等在一改装的IBM 7090/94机上开发成功, 当时有32个交互式用户。,关键问题和实现方法 及时接受: 系统配置多路卡, 与各终端连结,每个终端配置一个缓冲区, 暂存接受各用户键入的命令和数据。 及时处理(及时响应): 每个用户键入命令后, 能控制自己作业的运行, 并及时得到处理。各作业都必须在内存, 在响应周期内都能得到执行。方法是, 将响应周期分为很短的时间片, 每个作业占一个时间片轮流执行。不允许某个作业长期占用处

18、理机。,3.分时系统的特点 多路性: 一台主机同时联接多个终端,系统按分时的原则为每个用户服务, 共享资源。 独立性: 用户各占一个终端, 感觉像独占主机 及时性: 用户请求能在容许的响应周期内及时获得响应, 响应周期通常在3秒以内。 交互性: 用户通过终端与系统进行广泛的人机对话, 以请求系统提供多方面的服务。,3.分时系统的典型代表 1) MULTICS的灾难,1965年在ARPA的支持下MIT、贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种“公用计算服务系统”, 希望能同时支持整个波士顿所有的分时用户。系统称 MULTICS (MULTiplexed Information and Computi

19、ng Service )。 MULTICS设计目标是：便利的远程终端使用，大量终端通过电话线接入计算机主机。 高可靠的大型文件系统；大容量的用户信息共享；存储和构造层次化信息结构的能力。,MULTICS 研制难度超出了所有人预料 长期研制工作达不到预期目标，1969年4月贝尔实验室退出，通用电气公司也退出了。 但最终，经过多年的努力，MULTICS 成功地应用了。 运行MULTICS的计算机系统在九十年代中陆续被关闭。 MULTICS引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对随后操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响,2) UNIX的成功,1969年贝尔退出了MULTICS项目, Ken Th

20、ompson 和 Dennis Ritchie (肯.汤普森和丹尼斯.里奇)想申请经费买计算机做操作系统研究,未批准。 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, 他们用汇编语言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。 1970年K. Thompson将BCPL语言简化为B语言,并用它改写系统, 起了同 MULTICS发音相近的名字UNIX。 1971年用B语言将UNIX正式移植到PDP-11上。 1972年D. M. Ritchie将B

21、语言改进为C语言,他们合作用C语言改写90%的UNIX代码, 73年完成UNIX v5正式版,UNIX是现代操作系统的代表。它的安全性、可靠性以及强大的功能赢得广大用户的信赖。 促使UNIX系统成功的因素： 1) 由于UNIX是用C语言编写, 因此它是可移植的, 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。 2) 系统源代码短小精炼非常有效, 系统容易适应各种特殊的需求。 3) 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。,Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 1983年获图灵奖 1999年4月获美国国家技术金奖,

22、1. 需要实时处理(及时) 实时控制：生产过程控制, 武器控制, 宇航自动控制。 实时信息处理：飞机订票系统, 情报检索系统, 期货、股票交易系统。 2.实时任务 周期性和非周期性实时任务(开始、完成截至时间) 硬实时任务、软实时任务(按截至时间划分) 3.实时系统的特征 多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性 实时系统除了与分时系统相似的特征外对系 统的及时性和可靠性要求更高。,四、实时系统,个人计算机操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统,其它操作系统,计算机在某一时间内为单用户服务, 其追求目标是界面友好，使用方便， 丰富的应用软件,1. 个人计算机操作系统 (单用户多任

23、务),个人计算机操作系统的典型代表 1）微软MS DOS和IBM PC DOS,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, 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。,IBM在1981年推出个人计算机 IBM PC, 宣布了个人计算机操作系统 PC DOS ( MS DOS )

24、。 随着 IBM PC 和 MS DOS 普及, CP/M逐渐走向下坡路 MS DOS有优良的文件系统, 但受到 Intel x86 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Windows 95/98之下的7.0版，MS DOS历经了16个年头。 迄今仍有MS DOS爱好者继续开发各种DOS软件产品。,2）拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS),在推出IBM PC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

25、落到了兰色巨人的后面。 苹果公司的Lisa机遭到失败, Apple III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。 IBM曾夸下海口10年内将使兼容机厂家不超过10家。,施乐 Palo Alto 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。 有先进概念和技术的原型都首次出现在这里。,1979年苹果公司允许施乐公司购买一百万股的苹果公司股票。 作为回报，施乐公司允许苹果公司的少数人员，包括乔布斯，在有限的时间内考察施乐公司Palo Alto研究

26、中心内部，并同该思想库的研究人员交谈。 苹果公司对Palo Alto研究中心内的技术大感吃惊, 他们更吃惊的是, 施乐公司在拥有这些宝贵技术的同时竟然什么也没有做！,对Palo Alto研究中心这些科学家们而言，苹果公司的人是他们第一次遇到真正理解他们技术的人。 这些科学家们后来有的去了苹果公司，微软公司，有的最终创办了自己的公司。 在访问的基础上，苹果决定立即开发采用这些新技术的个人计算机。 苹果公司已看到 IBM PC机的技术有多么糟糕，但他们卖得又是特别的好。,MAC OS、鼠标的新型个人计算机,1984年，人们看到一则广告：“What was that?”和对Macintosh的介绍,

27、 这是配有图形界面操作系统 MAC OS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。,3）一波三折的微软Windows操作系统,1983年10月, PC机竞争厂家的图形界面相关产品上市。 面对市场压力，比尔.盖茨在1983年11月10日宣布推出Windows操作系统。 然而宣布容易，交货就不简单了, Windows交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄。

28、直到1985年11月20日, Windows 1.0才正式上市。,Windows的历史记录,Windows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多。 不过几年之后，Windows终于创造了销售成绩最佳的历史记录。 1992年4月推出Windows 3.1, 1993年5月Windows NT Windows 95,Windows CE,Windows 98,Windows 2000 个人计算机采用 Windows 占 90以上, 微软公司成了垄断 PC 软件行业的同义词。,它是基于计算机网络的, 是在各种计算机操作系统上, 按网络体系结构

29、协议标准开发的软件, 包括网络管理,通信,安全,资源共享和各种网络应用。 目标：是相互通信及多计算机的资源共享,2. 网络操作系统,它基于两种环境: 多处理器(CPU)系统或多计算机系统(网络), 是网络操 作系统更高级的形式, 保持了网络操作系统的全部功能 分布式系统特征: 1). 分布性: 功能分布和任务分布 2). 自治性: 分布式系统的多个主机处于平等地位,无主从关系 3). 模块性: 由若干个结构相同功能相同的单元组成 4). 并行性: 一个作业的诸任务分配到多个处理单元进行并行处理。,3. 分布式操作系统,分布式操作系统与网络操作系统的比较： 1、分布性：分布式的处理和控制功能是均

30、匀的；而网络操作系统的控制方式是集中的。 2、并行性：前者的任务分配到多个处理单元上，使这些任务并行执行；后者的每个用户的一个或多个任务通常都在自己的计算机上处理。 3、透明性：前者能很好的隐藏系统内部的实现细节，具有物理位置的透明性；后者虽也具有一定的透明性，但主要指OS实现上的透明性。 4、共享性：分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享。 5、可靠性：分布式系统具有较好可靠性，而后者具有潜在的不可靠。,IEEE(国际电子电器工程师协会)的定义：“在设备、机器或车间中，控制、监视或辅助操作的装置”。 普遍认同的定义: 以应用为中心、以计算机技术为基础, 软硬件可剪裁以适应应用系统对

31、功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 它们被嵌入在各种设备、装置或系统中, 这些设备装置或系统往往不是“计算机” 。 通常工作在应答式或对处理时间有较严格要求的环境中。,4. 嵌入式操作系统,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。,5. Internet时代与Linux,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