1-2操作系统历史与现状.ppt

1、第二讲 操作系统发展历史与现状 目的与要求: 了解操作系统基本技术及出台的背景。 重点与难点：各发展阶段的主要技术。 作业安排：1，4，5，7，8，10,1.2操作系统的发展历史:,单道批处理时代(50年代) 多道批处理,分时,实时系统时代(60年代初) 多方式系统时代(60-70年代) 分布式系统,多机系统时代(70年代中期后)*,史前年代特点:,计算机刚问世,除硬件和应用软件外,几乎没有中间层软件，没有操作系统 用户独占机器或由系统操作员控制机器*,1.2.1监督程序（ 50年代单道批处理时代）,基本思想:系统有一常驻内存的监督程序(第一代操作系统).操作员有选择的把若干作业合成一批,安装

2、在输入设备上,并启动监督程序,然后由监督程序依次顺序启动这批作业,以单道方式运行。,作业：用户的一次上机行为。 作业步：作业的执行步骤。 作业控制语言:用于说明作业如何执行的语言。 作业控制说明书:用作业控制语言编写的作业执行程序。*,典型的卡片作业举例,普通指令:用户程序监督程序都可包含的指令。 特权指令:只有监督程序才可包含的指令。 系统空间:监督程序所占内存(0-K)。 用户空间:供用户程序使用的内存(K+1-N) 方式/态:指处理机能执行什么类型指令、访问多大内存的状态。在特权方式下,除能执行普通指另外还能执行特权指令并访问更大的空间.在普通方式下只能执行普通指令。 系统调用（广义指令

3、）:由监督程序提供给用户调用的系统功能。,TRAP机制:硬件支持在特定状态下(如执行trap指令,定时器中断)进入监督程序的机制。用于实现系统调用或由监督程序处理作业死循环* 存储保护:硬件提供一个界地址寄存器,每次访问内存时,处理机依照目前处理机的态判断访问是否越界。 定时器中断:在规定时间间隔到时,系统暂停当前程序之运行,去进行时间相关的处理.如看作业是否已超过其运行期限。*,早期批处理系统中的监督程序工作流程:,1.判输入设备上是否有待输入作业,没有则停止 2.从设备上输入一道作业 3.控制作业运行,a.取作业说明书中一条语句,解析执行,如果是“作业终止”语句,这删除该作业,转1 b.如

4、果是一条执行性语句,则在主存中建立相应程序运行环境,传递好参数,转去执行该程序(变到用户态运行) c.在用户态程序运行过程中,如发生中断事件(如系统调用/定时器中断),立即转监督程序,待中断事件处理结束后,用户态程序继续执行. d.用户态程序结束后,转a取下一作业控制语句,监督程序功能:输入用户作业,解释执行作业控制说明书,提供系统调用。 监督程序与操作系统的区别:监督程序不具并发机制。监督程序只是省缺了作业步和作业原来由人工转接的开销*,1.2.2专用操作系统（ 60年代初多道批处理,分时,实时系统时代) 多道批处理 分时 实时系统,一、多道/高级批处理系统(源于中断,通道,磁盘的引入) 特

5、点:在单道批处理系统的基础上引入双缓存机制,脱机输入输出,SPOOLing技术,多道程序设计技术。*,1.脱机输入输出：利用卫星机将慢速介质转到快速介质,加速作业在输入输出时的速度. 2.输入输出缓冲：利用双缓冲技术,使针对一个缓冲区的数据处理和针对另一个缓冲区的I/O并行运行.,磁盘,缓冲区,CPU,3.SPOOLing技术 基础： I/O中断:由I/O部件操作完成后通知处理机去运行相应的处理程序. 通道:能够自主控制外设可与处理机并行工作的、交换数据的I/O装置(控制器). 磁盘:随机存取的存储设备* SPOOLing的基本思想:用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备,即主机从磁盘选取作业运

6、行,结果也存在磁盘中.相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输.利用通道和中断机制,作业的输入输出与作业在处理机上的运行可很好并行起来.*,磁盘,通道,主机,通道,通道,卡片机,打印机,SPOOLing系统图示,作业1,作业n,预输入程序,作业调度程序,缓输出程序,井管理 读程序 井管理 写程序,作业 的 执行,作业1结果,作业n结果,打印机,输入机,作业1信息,作业n信息,:,作业1结果,作业n结果,:,输入井,输出井,磁盘,:,SPOOLing系统结构,虚拟设备,4.多道程序设计基本思想 内存同时保持多道程序(作业),处理机(单处理机)以交替的方式同时处理多道程序.宏观上看,已有多道程序开始运

7、行且尚未结束,微观上看,某一时刻处理机只运行某道作业。,作业C I/O CPU I/O CPU I/O,作业B CPU I/O CPU I/O,作业A CPU I/O CPU I/O CPU,现场保护/恢复:指处理机从一个作业向另一个作业切换时进行的有关寄存器值的保护/恢复。* 操作系统的基本特征:并发与共享。 并发:在单处理机情况下指多道程序分时占用处理机运行。 共享:指并行运行程序对系统的硬软资源的访问。*,二、分时系统,终端设备:键盘与显示器 交互式系统:操作系统提供终端命令语言及解析器.用户通过终端命令指导作业运行 分时系统:交互式系统与多道程序设计结合的产物 分时系统特点:并行性；共

8、享性；交互性；独占性*,三、实时系统,实时系统:能满足要求快速响应作业运行的多道程序设计系统 实时系统主要性能指标和功能: 时钟分辨度:有更高的时钟中断频度,可更精确计时,更快进行调度。 多级中断机制。保证要求快速响应中断的及时处理。 支持实时作业调度,保证实时作业无条件剥夺非实时作业运行。*,1.2.3多方式系统时代(60-70年代) 多种方式操作系统：同时具有批处理,分时,实时功能的系统,1.2.4并行与分布式操作系统及发展 分布式操作系统：支持网络和分布处理的系统 多机操作系统：支持共享内存多处理机的系统 Windows操作系统：支持友好用户界面的系统*,操作系统的发展趋势： 嵌入式操作

9、系统：主要伴随着个人数字助理PAD,掌上电脑，电视机顶盒，智能家电等设备的发展，对操作系统在功能和所占空间大小权衡上提出了新的要求。 强实时操作系统：特别是针对通用操作系统的实时性研究，还在不断发展当中。,操作系统的发展趋势： 并行操作系统的研究：如建立在基于共享主存的多处理机系统(MP)及用上千个微处理器实现基于分布式存储的大规模并行处理机系统(MPP)的操作系统，系统突出特征是提供各类并行机制。例如并行文件系统，并行IO控制，多处理机分配和调度，处理机间的通讯和同步，用户任务的并行控制等。,操作系统的发展趋势： 网络操作系统和分布式操作系统的研究 就目前情形而言，网络系统的研究也还方兴未艾

10、，基于ClientServer模型的分布式系统也已不断走向应用，完全分布式的系统还未成型，仍将是研究的热点问题。,1.3 主要操作系统介绍 Windows系列:DOS,Windows 3.x, Window 95,Windows NT, Windows XP，Vista，Windows 7 UNIX大家庭：SVR4,BSD, Solaris, AIX, HP_UX 自由软件Linux和freeBSD等,Windows 1.0（1985）,Windows 2.0（1987）,Windows 3.0（1990）,Windows 95（1995）,Windows 3.x,WindowsMe（2000

11、）,Windows 98（1998）,WindowsXP（2001）,WindowsNT3.1(NT第1版)（1993）,WindowsNT3.51(NT第3版),Windows2000(NT5.0)（2000）,Windows CE（1998）,WindowsNT3.5(NT第2版),WindowsNT4.0(NT第4版)（1996）,微软公司Windows操作系统产品线,Vista 2005年7月22日,Windows 7 2009年10月,UNIX家谱 UNIX的历史开始于1969年ken Thompson，Dennis Ritchie（即著名的K&G，C语言的发明人）与一群人在一部PD

12、P-7上进行的一些工作，后来这个系统变成了UNIX。它主要的几个版本为： V1（1971）：第一版的UNIX，以PDP-11/20的汇编语言写成。包括文件系统，fork、roff、ed等软件。 V4（1973）：以C语言从头写过，这使得UNIX修改容易，可以在几个月内移植到新的硬件平台上。最初C语言是为UNIX设计的，所以C与UNIX间有紧密的关系。,UNIX家谱 V6（1975）：第一个在贝尔实验室外（尤其是大学中）广为流传的UNIX版本。这也是UNIX分支的起点与广受欢迎的开始。1.xBSD （PDP-II）就是由这个版本衍生出来的。 V7（1979）：在许多UNIX玩家的心目中，这是“最

13、后一个真正的UNIX，”这个版本包括一个完整的K&RC编译器，Bourne shell。V7移植到VAX机器后称为32V。 目前开发UNIX（System V）的公司是Unix System Laboratories (USL)。USL本为AT&T所有，1993年初被Novell收购。Novell于1993年末将UNIX这个注册商标转让给X/Open组织。,UNIX家谱 目前为止，UNIX有两大流派：那就是AT&T发布的UNIX操作系统System V与美国加州大学伯克利分校发布的UNIX版BSD（Berkeley Software Distribution）。SVR4是两大流派融合后的产物。

14、1991年底，与System V针锋相对的开放软件基金会(Open Software Foundation)推出了OSF/1。,UNIX发展简图,现在几种主要的UNIX版本： AIX：IBM的UNIX，是根据SVR2（最近已经出到SVR3.2）以及一部分BSD延伸而来，加上各种硬件的支持。具备特有的系统管理（SMIT）。 386BSD：Jolitz从Net/2 software移植过来的。支持Posix，32位。 FreeBSD：1.x从386BSD 0.1而来，FreeBSD 2.x版是用4.4BSD lite改写。 HP-UX（HP）：旧系统是从S III（SVRx）发展面来，现在是由SV

15、R2（4.2BSD）发展而来，目前是10.x版。 Linux(x86)：遵从POSIX，SYSV及BSD的扩展，这一点从上页表中即可看出。,现在几种主要的UNIX版本： OSF/1（DEC）：DEC对OSF/1的移植。 SCO UNIX（x86）：SVR3.2，目前影响较大的PC UNIX。 SunOS（680 x0，Sparc，i386）：根据4.3BSD，包含许多来自System V的东西。Sun的主要成果在于：NFS，OpenLook GUI标准，后来演变为Solaris 。这也是目前最著名的UNIX版本之一。 Ultrix(DEC)：根据4.2BSD再加上许多4.3BSD的东西。 Xe

16、nix(x86)：Intel硬件平台上的UNIX，以SVR2为基础，由微软推出。在中国使用较广泛。,Linux和FreeBSD Linux由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生Linus Torvalds，在从1990年底到1991年的几个月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网使用而陆续编写的。在2001年初Linux World大会前夕推出了Linux2.4内核 ，现在推出了Linux2.6。 FreeBSD是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校开发的支持POSIX标准的免费操作系统，它基于4.4BSD 。,Linux历史简介 历史背景： 操作系统始于二十世纪50年代，当时的操作系统能运行批处理程序

17、。批处理程序不需要用户的交互，它从文件或者穿孔卡片读取数据，然后输出到另外一个文件或者打印机。 二十世纪六十年代初，交互式操作系统开始流行。它不仅仅可以交互，还能使多个用户从不同的终端同时操作主机。这样的操作系统被称作分时操作系统，它的出现对批处理操作系统是个极大的挑战。许多人尝试开发分时操作系统， 其中包括一些大学的研究项目和商业项目。当时有一个项目叫做multics,它的技术在当时很创新。例如，它具有有一个分级的文件系统，这是现代操作系统必需的部分。multics项目的开发并不顺利。它花费了远超过预计的时间来完成，却没有在操作系统市场上占到多少份额。而参加该项目的一个开发团体-贝尔实验室退

18、出了这个项目。他们在退出后开发了他们自己的一个操作系统-unix. unix最初免费发布并因此在大学里受到欢迎。后来，unix实现了tcp/ip协议栈，成为了早期工作站的操作系统的一个流行选择。 1990年，unix在服务器市场尤其是大学校园成为主流操作系统，许多校园都有unix主机，当然还包括一些研究它的计算机系的学生。这些学生都渴望能在自己的电脑上运行unix。不幸的是，从那时候开始，unix开始变得商业化，它的价格也变得非常昂贵。而唯一低廉的选择就是minix,这是一个功能有限的类似unix的操作系统，作者andrew tanebaum开发它的目的是用于教学。而其他的操作系统如386bs

19、d,netbsd的前身，freebsd以及openbsd不够成熟，对硬件性能的要求远远超过了家庭电脑。 1991年10月，linus torvalds在赫尔辛基大学接触unix,他希望能在自己的电脑上运行一个类似的操作系统。可是unix的商业版本非常昂贵，于是他从minix开始入手，计划开发一个比minix性能更好的操作系统。很快他就开始了自己的开发工作。他第一次发行的版本很快吸引了一些黑客。尽管最初的linux并没有多少用处，但由于一些黑客的加入使它很快就具有了许多吸引人的特性，甚至一些对操作系统开发不感兴趣的人也开始关注它。 linux本身只是操作系统的内核。内核是使其他程序能够运行的基础。它实现了多任务和硬件管理，用户或者系统管理员交互运行的所有程序实际上都运行在内核之上。其中有些程序是必需的，比如说，命令行解释器(shell),它用于用户交互和编写shell脚本（.bat文件）。 linus没有自己去开发这些应用程序，而是使用已有的自由软件。这减少了搭建开发环境而所需花费的工作量。实际上，他经常改写内核，使得那些程序能更容易在linux上运行。许多重要的软件，包括c编译器，都来自于自由软件基金gnu项目。gnu项目开始于1984年，目的是为了开发一个完全类似于unix的免费操作系统。为了表扬