華電操作系統(tǒng)1-3課件

1、第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標和作用1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3 操作系統(tǒng)的基本特性1.4 操作系統(tǒng)的主要功能1.5 OS結構設計,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,分時系統(tǒng),分時系統(tǒng)（time-sharing system）是指，在一臺主機上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。工作方式:一臺主機連接了若干個終端每個終端有

2、一個用戶在使用交互式的向系統(tǒng)提出命令請求系統(tǒng)接受每個用戶的命令采用時間片輪轉方式處理服務請求并通過交互方式在終端上向用戶顯示結果用戶根據上步結果發(fā)出下道命令,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,分時OS的產生起因于用戶需求 人機交互 共享主機 方便用戶,分時OS實現中的關鍵問題,及時接收 利用多路卡，根據輸入速度等因素同時接收多個終端的數據并暫存在緩沖區(qū) 及時處理 處理：包括控制作業(yè)運行、修改作業(yè)等，保證各

3、用戶的作業(yè)都可以被及時響應,分時OS（Time Sharing System）,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一個分時操作系統(tǒng)CTSS(Compatable Time Sharing System)分時系統(tǒng)的思想——1959年在MIT提出,在20世紀50年代和60年代初期，計算機都是以批處理方式工作的。1959年1月，當時也在MIT工作的J.Mc Carthy認為批處理方式效率低下，資源利用率低，首次提出“timesharing”(分時)

4、的概念，以 解決批處理的弱點。每個用戶有一個聯(lián)機終端調試程序的用戶常常只發(fā)出簡短的命令 很少有長的費時命令計算機能夠為許多用戶提供交互式、快速服務 同時在CPU空閑時還能在后臺運行大作業(yè)第一個分時系統(tǒng)（CTSS）由MIT的Fernando Corbato（費爾南多·考巴脫）等1961年在一改裝的IBM 7090/94機上開發(fā)成功（有

5、32個交互式用戶）并進行了表演，成為計算機發(fā)展史上有里程碑性質的一個重大突破，開創(chuàng)了以交互 方式由多用戶同時共享計算機資源的新時代。分時系統(tǒng)的實 現也是計算機真正走向普及的開始。,分時OS（Time Sharing System）,第一章 操作系統(tǒng)引論,MULTICS的災難CTSS開發(fā)成功引起了美國國防部的高度重視。作為計算機的最大用戶的美國國防部立即作出反應，于1962年由ARPA （美國國防部高級研究計劃署）出資300萬美元啟動

6、著名的MAC項目，MAC的目標是完善CTSS，實現 第二代分時系統(tǒng)。1965年在ARPA的支持下MIT、貝爾實驗室和通用電氣公司決定開發(fā)一種“公用計算服務系統(tǒng)”，希望能夠同時支持整個波士頓所有的分時用戶。該系統(tǒng)稱作MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service)多路信息計算系統(tǒng)MULTICS設計目標是：–便利的終端使用——大量遠程終端通過電話線接入計算機主機–高可靠的

7、大型文件系統(tǒng)——大容量的用戶信息共享；存儲和構造層次化信息結構的能力,第一章 操作系統(tǒng)引論,MULTICS􀂋MULTICS研制難度超出所有人的預料（PL/1語言） 長期研制工作達不到預期目標，1969年4月貝爾實驗室退出，通用電氣公司也退出􀂋最終，MIT堅持下來，MULTICS成功運行，成為商業(yè)產品（通用汽車、福特、美國國家安全局等）􀂋運行MULTICS的計算機系統(tǒng)在

8、九十年代中陸續(xù)被關閉（加拿大國防部于2000年10月30日17:08）MULTICS的意義 引入了許多現代操作系統(tǒng)領域概念雛形，對隨后的操作系統(tǒng)特別是UNIX的成功有著巨大的影響,第一章 操作系統(tǒng)引論,小型計算機，電子游戲與UNIX的成功1969年，在貝爾退出MULTICS研制項目后，Ken Thompson和Dennis M. Ritchie 想申請經費買計算機從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請得不到批準項目無著落，他們在一

9、臺無人用的PDP-7上，重新擺弄原先在MULTICS項目上設計的“空間旅行”游戲為了使游戲能夠在PDP-7上順利運行，他們陸續(xù)開發(fā)了浮點運算軟件包、顯示驅動軟件，設計了文件系統(tǒng)、實用程序、shell 和匯編程序到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)起了個同MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX隨后，UNIX用C語言全部重寫，自此，UNIX誕生了,第一章 操作系統(tǒng)引論,Internet時代與Linux1990年秋天，Linus在芬蘭

10、首都赫爾辛基大學學習操作系統(tǒng)課程，因為上機需要排隊等待，Linus買了臺PC機，開發(fā)了第一個程序，程序包括兩個進程，向屏幕上寫字母，然后用定時器來切換進程Linus需要終端仿真程序來存取Usenet新聞組的內容，于是他編寫了從調制解調器上接發(fā)信息的程序以及顯示器、鍵盤和調制解調器的驅動程序然后編寫了磁盤驅動程序、文件系統(tǒng)，一旦有了進程切換、文件系統(tǒng)和設備驅動程序，當然就擁有了一個操作系統(tǒng)原型，或者至少是它的一個內核Linux就以這

11、樣極其古怪但也極其自然的方式問世,第一章 操作系統(tǒng)引論,分時系統(tǒng),分時系統(tǒng)的特點：多路性：多用戶同時操作、使用計算機獨立性：各終端用戶感覺到自己獨占了計算機；及時性：用戶的請求能在較短時間內響應；交互性：用戶能與計算機進行人——機對話。,第一章 操作系統(tǒng)引論,實時系統(tǒng),實時操作系統(tǒng)（Real Time System）是指系統(tǒng)能及時（或即時）響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行。往

12、往應用在：實時控制：生產過程控制，火炮的自動控制系統(tǒng)、飛機的自動駕駛系統(tǒng)以及導彈的制導系統(tǒng)等。實時信息處理系統(tǒng)：如飛機訂票系統(tǒng), 期貨、股票交易系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)等。,第一章 操作系統(tǒng)引論,實時OS與分時OS的異同,第一章 操作系統(tǒng)引論,,,,,,操作系統(tǒng)的發(fā)展過程,手工操 作階段,PC機OS,,,網絡OS,分布式OS,多處理OS,嵌入式OS,第一章 操作系統(tǒng)引論,網絡操作系統(tǒng)（NOS, Network Operating Sy

13、stem）,網絡操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎上提供網絡通信和網絡服務功能的操作系統(tǒng)。,第一章 操作系統(tǒng)引論,網絡操作系統(tǒng)通常操作系統(tǒng)的功能：處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理等網絡通信功能：通過網絡協(xié)議進行高效、可靠的數據傳輸網絡資源管理：協(xié)調各用戶使用網絡服務：文件和設備共享，信息發(fā)布網絡管理：安全管理、故障管理、性能管理等互操作：直接控制對方，比交換數據更為困難,第一章 操作系統(tǒng)引論,分布式OS,所謂分布式

14、計算機系統(tǒng)，是只由多臺分散的計算機，經互連網絡的聯(lián)接而形成的系統(tǒng)，系統(tǒng)的處理和控制功能分布在各個計算機上。分布式計算機系統(tǒng)又簡稱為分布式系統(tǒng)。 從硬件上講，它與計算機局域網沒有任何區(qū)別，關鍵是軟件。,第一章 操作系統(tǒng)引論,分布式操作系統(tǒng)是指配置在分布式系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)。它能直接對分布式系統(tǒng)中的各種資源進行動態(tài)分配，并能有效地控制和協(xié)調分布式系統(tǒng)中各任務的并行執(zhí)行，同時還向用戶提供了一個方便的、透明的使用整個分布式系統(tǒng)的界面。分布式操作

15、系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務可在系統(tǒng)中任何處理機上運行，自動實現全系統(tǒng)范圍內的任務分配并自動調度各處理機的工作負載,第一章 操作系統(tǒng)引論,在分布式系統(tǒng)中，各計算機共享一個公共的分布式操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)由內核以及提供各種系統(tǒng)功能的模塊和進程所組成。系統(tǒng)中的每一臺計算機都必須保存分布式操作系統(tǒng)的內核，以實現對計算機系統(tǒng)的基本控制。分布式操作系統(tǒng)的特征:1. 是一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)若干個計算機可相互協(xié)作共同完成一項任務2. 資源進一步共享

16、3. 透明性資源共享，分布對用戶來講是不知道的4. 自治性處于分布式系統(tǒng)的多個主機處于平等地位，無主從關系5. 處理能力增強、速度更快、可靠性增強,第一章 操作系統(tǒng)引論,多處理系統(tǒng),多處理機系統(tǒng)是由多臺處理器組成的計算機系統(tǒng)。多處理操作系統(tǒng)的出現是為了提高計算機的系統(tǒng)性能和可靠性。提高性能有兩條途徑：提高各個組成部分的速度、增大處理的并行程度。1975年前后，出現多處理機系統(tǒng)(multi-processor)。,第一章 操作系統(tǒng)

17、引論,嵌入式OS,嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System）是運行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對整個嵌入式系統(tǒng)以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進行統(tǒng)一協(xié)調、調度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。,第一章 操作系統(tǒng)引論,微機操作系統(tǒng)的發(fā)展,1.單用戶單任務操作系統(tǒng)只允許一個用戶上機，且只允許用戶程序作為一個任務運行。如DOS。2.單用戶多任務操作系統(tǒng)只允許一個用戶上機，但允許用戶把程序分為若干個任務，使它們并發(fā)執(zhí)行

18、，從而有效地改善系統(tǒng)的性能。如Windows XP等。3.多用戶多任務操作系統(tǒng)允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺機器，共享主機系統(tǒng)中的各種資源，而每個用戶程序又可進一步分為幾個任務，使它們能并發(fā)執(zhí)行，從而提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。如Unix等。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標和作用1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3 操作系統(tǒng)的基本特性1.4 操作系統(tǒng)的主要功能1.5 OS結構設計,第一章 操作系統(tǒng)引論,第

19、一章 操作系統(tǒng)引論,共享,并發(fā),異步,虛擬,操作系統(tǒng)的主要特性,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要特性,1）并發(fā)性(concurrence)兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生。與并行(parallel)不同，并行是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內宏觀上有多個程序在同時運行并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下） 。如果系統(tǒng)中有多個處理機，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個處理機上，實現

20、并行執(zhí)行，即利用每個處理機來處理一個可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多個程序便可同時執(zhí)行。程序的靜態(tài)實體是可執(zhí)行文件，而動態(tài)實體是進程（或稱作任務），并發(fā)指的是進程的并發(fā)。,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要特性,進程：在系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機器指令、數據和堆棧等組成的，是一個能獨立運行的活動實體。線程：通常一個進程可以包含若干線程，它們利用進程所擁有的資源。在引入線程的OS中，通常都

21、是把進程作為分配資源的基本單位，而線程作為獨立運行和獨立調度的基本單位。,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要特性,2）共享性(sharing) 多個進程共享有限的計算機系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進行合理分配和使用。資源在一個時間段內交替被多個進程所用?；コ夤蚕矸绞剑ㄈ绱蛴C），資源分配后到釋放前，不能被其他進程所用。同時訪問方式，（如可重入代碼，磁盤文件）。,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要特性,3）虛擬性(vi

22、rtual) 一個物理實體映射為若干個對應的邏輯實體（分時或分空間）。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。 時分復用技術虛擬處理機技術——每個用戶（進程）都認為有一臺“虛處理機”為其服務。虛擬設備技術——將一臺物理I/O設備虛擬為多臺邏輯上的I/O設備。如虛擬為多臺邏輯上的打印機。 空分復用技術虛擬磁盤技術——一臺硬盤虛擬成多個卷。虛擬存儲器技術——請求調入或置換功能，可以使得一個100M

23、B的應用程序運行在20MB的內存空間。,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要特性,設N是某物理設備所對應的虛擬的邏輯設備數，則：采用時分復用時，每臺虛擬設備的平均速度必然等于或低于物理設備速度的1/N。采用空分復用時，每臺虛擬設備平均占用的空間必然也等于或低于物理設備所擁有空間的1/N。,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要特性,4）異步性(asynchronism) 異步性也稱不確定性，指進程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定

24、性。多道程序設計環(huán)境下，程序按異步方式運行。多個進程并發(fā)執(zhí)行，“時走時?！保豢深A知每個進程的運行推進快慢，引發(fā)執(zhí)行順序與時間的不確定。如果沒有很好的同步機制，可能會導致程序執(zhí)行結果不確定，不可再現。相同輸入與環(huán)境下多次運行結果不同。（當前操作系統(tǒng)中，都配置有很好的同步機制，保證程序多次運行的結果相同）,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標和作用1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3 操作系統(tǒng)的基本特性

25、1.4 操作系統(tǒng)的主要功能1.5 OS結構設計,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要功能,1）處理機管理——Ch2,Ch3 2）存儲器管理——Ch4 3）設備管理——Ch5 4）文件管理——Ch6 5）用戶接口——Ch7,第一章 操作系統(tǒng)引論,處理機管理,可歸結為進程管理；在引入了線程的OS中，也包括對線程的管理。包括以下方面： 進程控制。創(chuàng)建進程，撤銷進程，控制進程的運行狀態(tài)轉換。進程同

26、步。設置進程同步信息，以協(xié)調系統(tǒng)中各進程的運行。進程通信。負責進程間的信息交換。調度。 作業(yè)調度：從后備隊列中選擇若干作業(yè)，分配所需資源。調入內存后，建立進程并將其插入就緒隊列。 進程調度：從進程的就緒隊列中，按一定的算法選出一個進程，把處理機分配給它，并為其設置運行現場，使進程投入執(zhí)行。若是多線程OS，則是從就緒線程隊列中選出一線程，并將處理機分配給它。,第一章 操作系統(tǒng)引論,存儲器管理,為多道程序的運行提供良

27、好的環(huán)境，并提高利用率，包括以下方面：內存分配。為每道程序分配內存空間，并在作業(yè)結束后收回其所占用內存。進一步可分為靜態(tài)分配和動態(tài)分配。內存保護。保證每道程序之間不能互相侵犯，尤其是不能侵犯操作系統(tǒng)。地址映射。實現邏輯地址到物理地址的轉換。內存擴充。通過建立虛擬存儲系統(tǒng)來實現內存邏輯上的擴充。常用請求調入功能和置換功能來實現。,第一章 操作系統(tǒng)引論,設備管理,設備管理的主要任務是：完成用戶進程提出的I/O請求；為用戶分配其所需的

28、I/O設備；提高CPU與I/O設備利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設備。功能主要包括：緩沖管理：設立I/O緩沖區(qū)，并對緩沖區(qū)進行有效管理。設備分配：按一定策略和設備使用情況，分配并回收設備。設備處理：即設備驅動程序，實現CPU和設備控制器之間的通訊等。,第一章 操作系統(tǒng)引論,文件管理,對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理，解決文件資源的存儲、共享、保密和保護。包括以下方面：文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和

29、讀寫性能。目錄管理：為每一文件建立目錄項，并對目錄實施有效的組織與管理。文件的讀寫管理和保護：解決信息安全問題。系統(tǒng)設口令“哪個用戶”、用戶分類“哪個用戶組”、文件權限“針對用戶或用戶組的讀寫權”。,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)與用戶之間的接口,用戶接口：提供用戶使用的接口。聯(lián)機用戶接口：為聯(lián)機用戶提供，是一組鍵盤操作命令。脫機用戶接口：為批處理作業(yè)用戶提供。有一組作業(yè)控制語言組成，委托系統(tǒng)代替用戶對作業(yè)進行控制和干預。圖形

30、用戶接口：圖形化的操作界面。程序接口：提供給程序員在編程時使用的接口。,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的主要功能,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標和作用1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3 操作系統(tǒng)的基本特性1.4 操作系統(tǒng)的主要功能1.5 OS結構設計,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,操作系統(tǒng)的結構設計,操作系統(tǒng)是一個大型的系統(tǒng)軟件，其結構經歷了四代變革。早期的無結構OS（第一代）、模塊化結構的OS

31、（第二代）和分層式結構的OS（第三代），都成為傳統(tǒng)結構的OS，而把微內核結構的OS稱為現代結構的OS。,,,模塊化的OS,分層式OS,,無結構OS,,現代結構OS,第一章 操作系統(tǒng)引論,無結構的OS,缺乏首尾一致的設計思想該類OS龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結構程序錯誤很多，給調試帶來很大麻煩程序難以閱讀和理解，維護困難,第一章 操作系統(tǒng)引論,模塊化OS,基于“分解”和“模塊化”原則控制大型軟件的復雜度 OS將被劃分為多個功能模塊

32、，每個模塊具有某方面的管理功能，各模塊細分為若干個具有一定功能的子模塊… 各模塊間通過預定義好的接口通信,第一章 操作系統(tǒng)引論,模塊化的OS,操作系統(tǒng),進程管理,存儲器管理,文件管理,進程控制,進程調度,內存分配,內存保護,磁盤管理,目錄管理,,,,,,,…,模塊,子模塊,,,第一章 操作系統(tǒng)引論,模塊化OS的優(yōu)缺點,優(yōu)點 提高OS設計的正確性、可理解性、可維護性 增強OS的可適應性 加速OS開發(fā)過程 缺點 設計OS時的錯誤

33、可能會導致模塊匹配的困難 功能觀點劃分的模塊無法區(qū)分共享資源和獨占資源，模塊間的復雜依賴關系也無法完全描述與實現,第一章 操作系統(tǒng)引論,分層結構的OS,從資源管理觀點出發(fā)，劃分層次。在某一層次上的代碼只能調用低層次上的代碼，使模塊間的調用變得有序。系統(tǒng)每加一層，就構成一個比原來功能更強的虛擬機。提高了系統(tǒng)的維護性和可靠性。 【優(yōu)點】：易保證系統(tǒng)的正確性。易擴充和易維護性。 【缺點】：降低了運行效率,第一章 操作系統(tǒng)引論,分層原

34、則,被調用功能在低層：如文件系統(tǒng)管理->設備管理->設備驅動程序活躍功能在低層：提高運行效率資源管理的公用模塊放在最低層：如緩沖區(qū)隊列、堆棧操作存儲器管理放在次低層：便于利用虛擬存儲功能最低層的硬件抽象層：與機器特點緊密相關的軟件放在最低層。資源分配策略放在最外層，便于修改或適應不同環(huán)境,各系統(tǒng)對具體劃分多少層次有不同的看法。,第一章 操作系統(tǒng)引論,常見操作系統(tǒng)層次結構,第一章 操作系統(tǒng)引論,第4代OS,客戶/服務

35、器模式面向對象的程序設計技術微內核OS,第一章 操作系統(tǒng)引論,C/S模式,用戶態(tài)：用來提供各種服務的服務器（進程）所在的層次 內核態(tài)：處理用戶和服務器間的通信，實現與硬件緊密相關的和較基本功能的進程所在的層次 內核接收用戶請求，啟動相應服務器，接著接收服務器的應答，回送給發(fā)送請求的用戶,第一章 操作系統(tǒng)引論,微內核OS,微內核（Micro Kernel）操作系統(tǒng)結構，是20世紀80年代后期發(fā)展起來的。Mach OS，Window

36、s 2000/XP操作系統(tǒng)，都采用了微內核結構。微內核操作系統(tǒng)一般有：足夠小的內核；基于客戶/服務器模式；應用“機制與策略分離”原理采用面向對象技術,第一章 操作系統(tǒng)引論,該種模式中，將OS分為兩部分，一部分是內核，另一部分是提供各種服務的一組服務器。其運行模式如下圖所示：,客戶應用程序,內存服務器,網絡服務器,進程服務器,文件服務器,顯示服務器,,內核,硬件,,,,,,用戶態(tài),核心態(tài),,,發(fā)送,接收,第一章 操作系