计算机操作系统PPT

1、第第1 1章章 操作系统引论操作系统引论1.0 引言引言 教材教材计算机操作系统计算机操作系统 汤子赢汤子赢&参考教材参考教材操作系统设计与实现操作系统设计与实现 王鹏等译王鹏等译 电子工业出版社电子工业出版社现代操作系统现代操作系统 陈向群等译陈向群等译 机械工业出版社机械工业出版社操作系统教程操作系统教程 王素华王素华 人民邮电出版社人民邮电出版社计算机操作系统教程计算机操作系统教程 张尧学张尧学, ,史美林史美林 清华大学出版社清华大学出版社操作系统教程操作系统教程 孟庆昌孟庆昌 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社涉及面广（并行程序，性能问题，结构问涉及面广（并行程序，

2、性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等）题，程序方法论，软件工程，等等）实践性强（从实践总结出原理）实践性强（从实践总结出原理）错综复杂：纵横交叉错综复杂：纵横交叉 操作系统课程的特点：操作系统课程的特点：教师只指出要点教师只指出要点 要通过自学、研读参考书掌握内容要通过自学、研读参考书掌握内容善于发现问题、提出问题善于发现问题、提出问题 要努力寻求问题的答案要努力寻求问题的答案注意学习方式的变化注意学习方式的变化 操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统检查字符串的位置是否正确 操作系统找到字符串被送往的设备操作系统找到字符串被送往的设备, 该设备是一个该设备是一个 伪终端伪终端,

3、由一个进程控制由一个进程控制 操作系统将字符串送给该进程操作系统将字符串送给该进程 该进程告诉窗口系统它要显示字符串该进程告诉窗口系统它要显示字符串 窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素串转换成像素 窗口系统将像素写入存储映像区窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）示器（重画屏幕）, 显示器发射电子束显示器发射电子束 用户在屏幕上看到用户在屏幕上看到 hello world专业专业微观层面微观层面 计算机领域计算机领域综合综合宏观层面宏观层面

4、技术、经济、政治、技术、经济、政治、二二. 为什么学习操作系统为什么学习操作系统? 设计操作系统设计操作系统 或者或者 修改现有的系统修改现有的系统 存在人们意识不到的大量存在人们意识不到的大量“操作系统操作系统” 嵌入式系统嵌入式系统(Embedded OS） 加深对使用的加深对使用的OS的理解，有利于深入编程的理解，有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中的许多概念和技巧可推广操作系统中的许多概念和技巧可推广 到其他领域到其他领域 选择购买操作系统选择购

5、买操作系统 我们并不总使用微软我们并不总使用微软Windows四、操作系统的性能指标四、操作系统的性能指标系统的系统的RSA可靠性可靠性(Reliability):用平均无故障时间用平均无故障时间(MTBF)度量度量可维修性可维修性(Serviceability):用平均故障修复时间度量用平均故障修复时间度量可用性可用性 (Availability):正常工作的概率正常工作的概率 系统吞吐量系统吞吐量: 单位时间完成的作业数单位时间完成的作业数系统响应时间系统响应时间: 从输入到回应所需时间从输入到回应所需时间资源利用率资源利用率:资源资源(CPU,内存内存,I/O设备设备)实际使用比例实际使

6、用比例可维护性可维护性: 改错、改变功能、扩充功能改错、改变功能、扩充功能可移植性可移植性: 将将OS移植到另以机型所需工作量移植到另以机型所需工作量1. 方便用户方便用户: 用户界面友好，使用灵活方用户界面友好，使用灵活方习题：习题：p25 1, 2课后思考题课后思考题1. 谈谈你对操作系统的初步认识谈谈你对操作系统的初步认识2. 你对学习操作系统课程有什么样的希望和你对学习操作系统课程有什么样的希望和要求？你打算这样来学习这门课？要求？你打算这样来学习这门课？ 操作系统是随着计算机硬件技术、操作系统是随着计算机硬件技术、软件技术的发展而发展的。软件技术的发展而发展的。目标：充分地利用资源目

7、标：充分地利用资源 更好的提供服务更好的提供服务1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程真空管计算机时代真空管计算机时代 硬件非常昂贵硬件非常昂贵, 人工操作人工操作, 没有操作系统没有操作系统1. 人工操作方式：人工操作方式： 控制台控制台 一个用户一个用户 一次完成一个功能一次完成一个功能 （计算，（计算，I/OI/O，用户操作三者串行），用户操作三者串行） 程序通过穿孔机或卡片装入程序通过穿孔机或卡片装入 用户在控制台前调试程序用户在控制台前调试程序1.2.1 无操作系统的操作方式无操作系统的操作方式50年代早期年代早期出现了穿孔卡片出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机程序写在

8、卡片上然后读入计算机缺点：缺点： (1) 上机用户独占计算机的全部资源上机用户独占计算机的全部资源, 资源利资源利用率低用率低, 工作效率非常低。工作效率非常低。 (2) CPU 等待人工操作。等待人工操作。 (3) 每个用户都要自行编写涉及到硬件的源每个用户都要自行编写涉及到硬件的源代码。工作量大代码。工作量大, 难度高难度高, 易出错。易出错。出现两个矛盾：出现两个矛盾： 人机矛盾人机矛盾人低速与机器高速人低速与机器高速 CPU与与I/O设备速度不匹配的矛盾。设备速度不匹配的矛盾。2. 脱机脱机I/O方式方式 习题习题 p25 4 为了解决这两个矛盾，为了解决这两个矛盾，50 年代末出现了

9、年代末出现了脱机脱机I/O方式方式, I/O设备由外围机控制。减少了设备由外围机控制。减少了CPU的空闲时间，提高了的空闲时间，提高了 I/O 速度速度外围机外围机外围机外围机主机主机输入设备输入设备输出设备输出设备磁盘磁盘 为了提高资源利用率和为了提高资源利用率和系统吞吐量系统吞吐量一一. 单道批处理系统单道批处理系统 用户把程序用户把程序(卡片卡片)交给系统管理员交给系统管理员,他把一批他把一批作业以脱机方式输入到磁带上作业以脱机方式输入到磁带上,常驻监督程序常驻监督程序(Moniter)对这批作业一个接一个连续处理。对这批作业一个接一个连续处理。 1. 单道批处理系统处理过程：单道批处理

10、系统处理过程： 重复进行重复进行 装入程序、运行、打印结果、撤出装入程序、运行、打印结果、撤出1.2.2 批处理批处理 有作业？有作业？ 有错吗？有错吗？把作业的源把作业的源程序转换为程序转换为目标程序目标程序装装 配配目标程序目标程序运运 行行目标程序目标程序 开始开始 终止终止 是是 是是 否否 否否单道批处理过程单道批处理过程2. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 自动性自动性:磁带上一批作业能自动逐个依次运行磁带上一批作业能自动逐个依次运行 顺序性顺序性:作业顺序进入内存作业顺序进入内存,执行与完成的顺序执行与完成的顺序 和调入的顺序完全相同。和调入的顺序完全相同。 单道性单道

11、性:内存中仅有一道程序内存中仅有一道程序,只有该程序完成只有该程序完成 或发生异常时或发生异常时,才调入后继程序进入内存运行。才调入后继程序进入内存运行。 一个用户独占全部资源一个用户独占全部资源CPU负责计算，也负责负责计算，也负责传输传输, CPU与外设速度不匹配与外设速度不匹配 CPU与与I/O串行资源利用率仍然很低。串行资源利用率仍然很低。3.单道批处理系统的典型代表单道批处理系统的典型代表FMS(FORTRAN Monitor System,FORTRAN监控系统监控系统)IBMSYS（IBM为为7094机配备的操作系统）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

12、简单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成的批处理构成卡片卡片早期批处理系统早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机Operating System基本控制卡片基本控制卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱是现代作业控制语言和命令解释器的先驱在在IBM 7094机上机上, 若当前作业因等待若当前作业因等待I/O而暂停，而暂停， CUPCUP只能踏步直至该只能踏步直至该I/O完成。完成。 对于对于CPUCPU操作密集的科学计算问题操作密集的科学计算问题, 浪费时间少。浪费时间少。

13、对于商业数据处理对于商业数据处理, I/O等待时间常占等待时间常占80-90。 解决办法解决办法 多道程序设计技术多道程序设计技术(multiprogramming) 将内存分几个部分将内存分几个部分, 每部分放不同的作业。每部分放不同的作业。 当一个作业等待当一个作业等待I/O时时,另一个作业可以使用另一个作业可以使用CPUCPU。 注意：注意：在主存中同时驻留多个作业需要进行保护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。以避免信息被窃取或攻击。 二二. 多道批处理系统多道批处理系统1.多道程序设计多道程序设计 在磁盘上多个作业等待运行排成在磁盘上多个作业等待运行排成“

14、后备队列后备队列”。多道程序多道程序 内存中同时有内存中同时有-选择选择(调度调度)若干作业装入内存若干作业装入内存(存储管理存储管理)。 -运行的作业遇到运行的作业遇到I/ O请求时请求时, 切换切换(调度调度)至内至内 存中的另一个作业并运行之。存中的另一个作业并运行之。 增加增加: 存储管理重定位保护存储管理重定位保护,并发程序设计技术。并发程序设计技术。 采用缓冲采用缓冲, DMA, 中断处理中断处理 多道程序共享资源多道程序共享资源,提高提高CPU、内存和、内存和I/O设备的设备的利用率。增加系统吞吐量。利用率。增加系统吞吐量。单道：单道：用户程序用户程序监督程序监督程序I/O操作操

15、作I/O请求请求启动启动I/OI/O完成完成I/O请求请求多道：多道：程序程序A程序程序B程序程序C调度程序调度程序A:I/O请求请求A:I/OB:I/O请求请求B:I/OC:I/OA:完成完成tt2.多道批处理系统的多道批处理系统的特征特征 多道性多道性: 内存同时驻留多道程序允许并发执内存同时驻留多道程序允许并发执行。行。 无序性无序性: 作业完成顺序与进入内存顺序五严作业完成顺序与进入内存顺序五严格对应关系。格对应关系。 调度性调度性: 作业从提交到完成经两步调度。作业从提交到完成经两步调度。 作业调度、进程调度。作业调度、进程调度。3.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点优点优

16、点: : 多道程序多道程序共享资源共享资源, , CPU、内存和、内存和I/O设备的利设备的利用率高。用率高。系统吞吐量大系统吞吐量大, ,资源保持忙资源保持忙, ,系统开销小。系统开销小。缺点缺点: : 作业平均周转时间长作业平均周转时间长, , 无交互能力。无交互能力。4.多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题处理机管理、内存管理、处理机管理、内存管理、I/O设备管理设备管理文件管理、作业管理文件管理、作业管理5. 据此定义：据此定义：操作系统是一组能够高效地控制和管理操作系统是一组能够高效地控制和管理计算机硬件和软件资源、公平合理地对各类作业进计算机硬件和软件资源、公平

17、合理地对各类作业进行调度、以及方便用户使用计算机的程序集合。行调度、以及方便用户使用计算机的程序集合。6. 采用采用 Spooling 技术技术 Simultaneous Peripheral Operation On Line (同时的外围设备联机操作同时的外围设备联机操作-假脱机技术假脱机技术) 利用磁盘作缓冲，将输入、计算、输出分别组织利用磁盘作缓冲，将输入、计算、输出分别组织成独立的任务流，使成独立的任务流，使I/O和计算真正并行。和计算真正并行。 1961年年, 英国曼彻斯特大学英国曼彻斯特大学, Atalas机上实现。机上实现。 作业作业(包括数据包括数据)从卡片读入到磁盘上的输入

18、井从卡片读入到磁盘上的输入井 按某种调度策略选择作业调入内存按某种调度策略选择作业调入内存, 运行时遇到输运行时遇到输入数据时从输入井读入。入数据时从输入井读入。 运行遇到输出时运行遇到输出时,先将结果输出到磁盘上的输出井。先将结果输出到磁盘上的输出井。 到作业结束时再从磁盘输出到输出设备上。到作业结束时再从磁盘输出到输出设备上。2.多道批处理系统的典型代表多道批处理系统的典型代表 1964 年年IBM 宣布推出宣布推出System/360计算机系统，是第计算机系统，是第一个采用小规模集成电路的主流机型。一个采用小规模集成电路的主流机型。IBM System/360的问题的问题 存储管理有基地

19、址寄存器寻址方式存储管理有基地址寄存器寻址方式, 程序可以访问和程序可以访问和修改基地址寄存器修改基地址寄存器, 但程序被钉死在调入内存时的物理但程序被钉死在调入内存时的物理地址上地址上, 不进行动态再分配。不进行动态再分配。CPU访问的是绝对地址。访问的是绝对地址。 数千程序员写的数百万行汇编代码数千程序员写的数百万行汇编代码, 系统占了大量存系统占了大量存储空间和一半的储空间和一半的CPU时间时间, 成为庞大的软件怪兽。成为庞大的软件怪兽。 数百万行汇编代码中有成千上万处错误。数百万行汇编代码中有成千上万处错误。 IBM不断发行新的版本试图更正这些错误不断发行新的版本试图更正这些错误, 新

20、版本在更新版本在更正老错误的同时又引入新错误。正老错误的同时又引入新错误。 随着时间的流逝随着时间的流逝, 错误的数量大致保持不变。错误的数量大致保持不变。 硬件速度更快，人力较以前昂贵硬件速度更快，人力较以前昂贵 分时系统的产生分时系统的产生用户需要用户需要1)1)交互交互: :所有用户看似独占全机所有用户看似独占全机, ,都能直接修改错都能直接修改错 误误, ,及时进行及时进行人人-机交互。机交互。2)2)共享共享: :多个用户用便宜终端多个用户用便宜终端, ,共享一台计算机。共享一台计算机。3)3)方便方便: :用户对自己的作业进行控制用户对自己的作业进行控制, ,调试方便。调试方便。

21、分时系统分时系统是是一台主机带多个终端一台主机带多个终端, ,同时允许同时允许多个用户用终端多个用户用终端, ,共享一台主机共享一台主机, ,每个用户都可每个用户都可以通过终端方便地以交互方式使用主机。以通过终端方便地以交互方式使用主机。1.2.3 分时系统分时系统分时系统的思想于分时系统的思想于1959年在麻省理工学院年在麻省理工学院(MIT)提出。提出。 每个用户有一个联机终端。每个用户有一个联机终端。 分时系统中分时系统中, 假设假设20个用户登录个用户登录, 其中其中17个在思考或谈个在思考或谈论或喝咖啡论或喝咖啡, 则则CPU可给那可给那3个需要的作业轮流服务。个需要的作业轮流服务。

22、 调试程序的用户常常只发出简短的命令调试程序的用户常常只发出简短的命令, 而很少有长而很少有长的费时命令。的费时命令。 所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务, 同同时在时在CPU空闲时还能在后台运行大作业。空闲时还能在后台运行大作业。1961年年, 第一个分时系统由第一个分时系统由 MIT的的Fernando Corbato 等在一改装的等在一改装的IBM 7090/94机上开发成功机上开发成功, 当时有当时有32个个交互式用户。交互式用户。 关键问题和实现方法关键问题和实现方法 及时接受及时接受: 系统配置多路卡系统配置多路卡, 与各终端连结与

23、各终端连结,每个终端配置一个缓冲区每个终端配置一个缓冲区, 暂存接受各用户暂存接受各用户键入的命令和数据。键入的命令和数据。 及时处理及时处理(及时响应及时响应): 每个用户键入命令后每个用户键入命令后, 能控制自己作业的运行能控制自己作业的运行, 并及时得到处理。并及时得到处理。各作业都必须在内存各作业都必须在内存, 在响应周期内都能得在响应周期内都能得到执行。方法是到执行。方法是, 将响应周期分为很短的时将响应周期分为很短的时间片间片, 每个作业占一个时间片轮流执行。不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理机。允许某个作业长期占用处理机。 解决解决 需要抢占式调度以保持适

24、当的响应时间需要抢占式调度以保持适当的响应时间 避免抖动避免抖动( (程序在内存中过于频繁的对换程序在内存中过于频繁的对换) ) 需要提供适用的安全检测需要提供适用的安全检测 与多道批处理相结合与多道批处理相结合, 具有具有“前台前台”和和“后后台台” 3.带来的问题带来的问题 及时处理及时处理, , 响应时间响应时间( (周期周期) )问题问题 相互之间的影响相互之间的影响 终端上人操作运算量变化太大终端上人操作运算量变化太大, ,有时空闲。有时空闲。 具有具有“前台前台”和和“后台后台”的多道分时系的多道分时系统统 内存中同时存放多道作业内存中同时存放多道作业, 道数和位置都道数和位置都不

25、固定不固定, 某些道为某些道为“前台区前台区”存放按时间片调存放按时间片调度的前台作业流度的前台作业流, 其余道为其余道为“后台区后台区”存放批存放批处理作业流。处理作业流。 前台优先前台优先, 只有当前台调进调出或前台无只有当前台调进调出或前台无可运行的作业时才运行后台作业。可运行的作业时才运行后台作业。 既有分时系统既有分时系统多台终端共享主机交互性好多台终端共享主机交互性好, 又有多道批处理又有多道批处理系统资源利用率高系统资源利用率高的优点。的优点。4.分时系统的特点分时系统的特点 多路性多路性: 一台主机同时联接多个终端一台主机同时联接多个终端, ,系统按系统按分时的原则为每个用户服

26、务分时的原则为每个用户服务, 共享资源。共享资源。 独立性独立性: 用户各占一个终端用户各占一个终端, 感觉像独占主机感觉像独占主机 及时性及时性: 用户请求能在容许的响应周期内及时用户请求能在容许的响应周期内及时获得响应获得响应, 响应周期通常在响应周期通常在3秒以内。秒以内。1) 交互性交互性: 用户通过终端与系统进行广泛的人机用户通过终端与系统进行广泛的人机对话对话, 以请求系统提供多方面的服务。以请求系统提供多方面的服务。3.单道批处理系统的典型代表单道批处理系统的典型代表1) MULTICS的灾难的灾难 1965年在年在ARPA的支持下的支持下MIT、贝尔实验室和通用电、贝尔实验室和

27、通用电气公司决定开发一种气公司决定开发一种“公用计算服务系统公用计算服务系统”, 希望能同希望能同时支持整个波士顿所有的分时用户。系统称时支持整个波士顿所有的分时用户。系统称 MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service )。 MULTICS设计目标是：便利的远程终端使用，大量设计目标是：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。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；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。存储和构造层次化信息结构的能力。 MUL

28、TICS 研制难度超出了所有人预料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，长期研制工作达不到预期目标，1969年年4月贝尔月贝尔实验室退出，通用电气公司也退出了。实验室退出，通用电气公司也退出了。 但最终，经但最终，经过多年的努力，过多年的努力，MULTICS 成功地应用了。成功地应用了。 运行运行MULTICS的计算机系统在九十年代中陆续被关闭。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，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对随后操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响的成功有着巨大的影响 2) UNIX的成功的

29、成功 1969年贝尔退出了年贝尔退出了MULTICS项目项目, Ken Thompson 和和 Dennis Ritchie (肯肯.汤普森和丹尼斯汤普森和丹尼斯.里奇里奇)想申请经费买想申请经费买计算机做操作系统研究计算机做操作系统研究,未批准。未批准。 项目无着落，他们在一台无人用的项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7上上, 重新摆弄重新摆弄原先在原先在 MULTICS 项目上设计的项目上设计的“空间旅行空间旅行”游戏。游戏。 为了使游戏能够在为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行上顺利运行, 他们用汇编语言他们用汇编语言陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件陆续开发了浮点运算软件包、显

30、示驱动软件, 设计了文设计了文件系统、实用程序、件系统、实用程序、shell 和汇编程序。和汇编程序。 1970年年K. Thompson将将BCPL语言简化为语言简化为B语言语言,并用它并用它改写系统改写系统, 起了同起了同 MULTICS发音相近的名字发音相近的名字UNIX。 1971年用年用B语言将语言将UNIX正式移植到正式移植到PDP-11上。上。 1972年年D. M. Ritchie将将B语言改进为语言改进为C语言语言,他们合作用他们合作用C语言改写语言改写90%的的UNIX代码代码, 73年完成年完成UNIX v5正式版正式版 UNIX是现代操作系统的代表。它的安全性、可靠是现

31、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。性以及强大的功能赢得广大用户的信赖。促使促使UNIX系统成功的因素：系统成功的因素： 1) 由于由于UNIX是用是用C语言编写语言编写, 因此它是可移植的因此它是可移植的, 是世界上唯一能在笔记本计算机、是世界上唯一能在笔记本计算机、PC机、工作站机、工作站直至巨型机上运行的操作系统。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源代码短小精炼非常有效, 系统容易适应各系统容易适应各种特殊的需求。种特殊的需求。3) 也是最重要的一点也是最重要的一点, 它是一个良好的、通用的、它是一个良好的、通用的、多用户、

32、多任务、分时操作系统。多用户、多任务、分时操作系统。Ken Thompson 和和 Dennis Ritchie1983年获图灵奖年获图灵奖 1999年年4月获美国国家技术金奖月获美国国家技术金奖1. 需要实时处理需要实时处理(及时及时)实时控制：实时控制：生产过程控制生产过程控制, 武器控制武器控制, 宇航自动宇航自动控制。控制。实时信息处理：实时信息处理：飞机订票系统飞机订票系统, 情报检索系统情报检索系统, 期货、股票交易系统。期货、股票交易系统。2.实时任务实时任务 周期性和非周期性实时任务周期性和非周期性实时任务(开始、完成截至时间开始、完成截至时间) 硬实时任务、软实时任务硬实时任

33、务、软实时任务(按截至时间划分按截至时间划分)3.实时系统的特征实时系统的特征 多路性、独立性、多路性、独立性、及时性及时性、交互性、交互性、可靠性可靠性 实时系统除了与分时系统相似的特征外对系实时系统除了与分时系统相似的特征外对系统的统的及时性和可靠性及时性和可靠性要求更高。要求更高。1.2.4 实时系统实时系统 个人计算机操作系统个人计算机操作系统 网络操作系统网络操作系统 分布式操作系统分布式操作系统 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.2.5 其它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计算机在某一时间内为单用户服务, ,其追求目标是其追求目标是界面友好界面友好，使用方便使用方便

34、，丰富的应用软件丰富的应用软件1. 个人计算机操作系统个人计算机操作系统 (单用户多任务单用户多任务)个人计算机操作系统的典型代表个人计算机操作系统的典型代表1）微软）微软MS DOS和和IBM PC DOS 个人计算机的成功个人计算机的成功, 逼得逼得 IBM 采取紧急战略行动采取紧急战略行动, 决决定要在定要在1980年尽快生产出微型计算机年尽快生产出微型计算机, 以应付挑战。以应付挑战。 但没有操作系统不行但没有操作系统不行, 要想快要想快, 机遇落到了微软公司。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在关键时刻，开发新操作系统时间和人手上已经不可能能, 微软

35、找到西雅图计算机产品公司微软找到西雅图计算机产品公司, 达成由微软经销达成由微软经销西雅图计算机产品公司的西雅图计算机产品公司的 QDOS 操作系统的协议。操作系统的协议。 当时西雅图公司并不知道当时西雅图公司并不知道QDOS 将被转卖给将被转卖给 IBM , 否则历史将会怎样演变否则历史将会怎样演变, 谁也无法知晓。谁也无法知晓。 IBM在在1981年推出个人计算机年推出个人计算机 IBM PC, 宣布了个人计宣布了个人计算机操作系统算机操作系统 PC DOS ( MS DOS )。 随着随着 IBM PC 和和 MS DOS 普及普及, CP/M逐渐走向下坡路逐渐走向下坡路 MS DOS有

36、优良的文件系统有优良的文件系统, 但受到但受到 Intel x86 体系结构体系结构的限制的限制; 缺乏以硬件为基础的存储保护机制。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。它属于单用户单任务操作系统。 从从1981的的 1.0版到版到1998年在年在Windows 95/98之下的之下的7.0版，版，MS DOS历经了历经了16个年头。个年头。 迄今仍有迄今仍有MS DOS爱好者继续开发各种爱好者继续开发各种DOS软件产品。软件产品。2）拯救苹果公司的）拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS) 在推出在推出IBM PC机后机后, 市场卷起一股龙卷风。市场卷起一股龙

37、卷风。 IBM自己也没有料到产品会有如此巨大的成功。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，销售数量落到了兰色巨人的后面。司也遇到了问题，销售数量落到了兰色巨人的后面。 苹果公司的苹果公司的Lisa机遭到失败机遭到失败, Apple III型也遭到失败型也遭到失败 分析家们认为，在微机市场上的战斗似乎兰色巨人分析家们认为，在微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了。要嬴了。 IBM曾夸下海口曾夸下海口10年内将使兼容机厂家不年内将使兼容机厂家不超过超过10家。家。施乐施乐 Palo Alto 研究中

38、心研究中心-70年代的计算机研究思想库年代的计算机研究思想库 世界上第一台个人计算机世界上第一台个人计算机 Alto，1972年在这年在这里出现。里出现。 图形界面图形界面, 手持鼠标手持鼠标, 面向对象程序设计面向对象程序设计 微机网络，桌面出版和激光打印等等。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。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年苹果公司允许施乐公司购买一百万股的苹果公司股票。苹果公司股票。 作为回报，施乐公司允许苹果公司的少数人作为回报，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

39、察施乐公司员，包括乔布斯，在有限的时间内考察施乐公司Palo Alto研究中心内部，并同该思想库的研究人研究中心内部，并同该思想库的研究人员交谈。员交谈。 苹果公司对苹果公司对Palo Alto研究中心内的技术大感研究中心内的技术大感吃惊吃惊, 他们更吃惊的是他们更吃惊的是, 施乐公司在拥有这些宝贵施乐公司在拥有这些宝贵技术的同时竟然什么也没有做！技术的同时竟然什么也没有做！ 对对Palo Alto研究中心这些科学家们而言，苹果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公司的人是他们第一次遇到真正理解他们技术的人。的人。 这些科学家们后来有的去了苹果公司，微软公这些

40、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。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。新技术的个人计算机。 苹果公司已看到苹果公司已看到 IBM PC机的技术有多么糟糕，机的技术有多么糟糕，但他们卖得又是特别的好。但他们卖得又是特别的好。MAC OS、鼠标的新型个人计算机、鼠标的新型个人计算机 1984年，人们看到一则广告：年，人们看到一则广告：“What was that?”和和对对Macintosh的介绍的介绍, 这是配有图形界面操作系统这是配有图形界面操作系统 MAC OS和鼠

41、标的新型个人计算机。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。机一上市立即在市场上获得极大的成功。 当年比尔当年比尔.盖茨都说，这是一台他的妈妈也能使用的盖茨都说，这是一台他的妈妈也能使用的计算机。计算机。 Macintosh 把苹果公司从连续的失败中拯救出来苹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。果公司又开始向前发展。正是正是Mac先进图形界面操作系统技术先进图形界面操作系统技术, 超前超前PC机若干机若干年，造就了一批苹果的忠实追随者。年，造就了一批苹果的忠实追随者。3）一波三折的）一波三折的微软微软Windows操作系统操作系统 1983年年1

42、0月月, PC机竞争厂家的图形界面相关产品上市。机竞争厂家的图形界面相关产品上市。 面对市场压力，比尔面对市场压力，比尔.盖茨在盖茨在1983年年11月月10日宣布推出日宣布推出Windows操作系统。操作系统。 然而宣布容易，交货就不简单了然而宣布容易，交货就不简单了, Windows交货期的灾交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄。难，成了当年计算机界的笑柄。 直到直到1985年年11月月20日日, Windows 1.0才正式上市。才正式上市。Windows的历史记录的历史记录 Windows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货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

43、最多，开发时间最长，更换次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多。主管人员最多。 不过几年之后，不过几年之后，Windows终于创造了销售成绩最佳的终于创造了销售成绩最佳的历史记录。历史记录。 1992年年4月推出月推出Windows 3.1, 1993年年5月月Windows NT Windows 95,Windows CE,Windows 98,Windows 2000 个人计算机采用个人计算机采用 Windows 占占 90以上以上, 微软公司成微软公司成了垄断了垄断 PC 软件行业的同义词。软件行业的同义词。它是基于计算机网络的它是基于计算机网络的, ,是在各种计算机

44、操作系统上是在各种计算机操作系统上, ,按网络体系结构协议标准开发的软件按网络体系结构协议标准开发的软件, ,包括网络管理包括网络管理, ,通信通信, ,安全安全, ,资源共享资源共享和各种网络应用。和各种网络应用。目标：是相互目标：是相互通信通信及资源及资源共享共享2. 网络操作系统网络操作系统网络操作系统网络操作系统网络服务网络服务应用程序应用程序 通信软件通信软件（协议支持）（协议支持）单机单机操作系统操作系统用户应用程序用户应用程序局域网操作系统的结构局域网操作系统的结构 通信软件通信软件（协议支持）（协议支持） 它基于两种环境它基于两种环境: 多处理器多处理器(CPU)系统或多计算机

45、系统系统或多计算机系统(网络网络), 是网络操是网络操作系统更高级的形式作系统更高级的形式, 保持了网络操作系统的全部功能保持了网络操作系统的全部功能 分布式系统分布式系统特征特征: :1). 分布性分布性: 功能分布和功能分布和任务分布任务分布2). 自治性自治性: 分布式系统的多个主机处于平等地位分布式系统的多个主机处于平等地位,无无主从关系主从关系3). 模块性模块性: 由若干个结构相同功能相同的单元组成由若干个结构相同功能相同的单元组成4). 并行性并行性: 一个作业的诸任务分配到多个处理单元一个作业的诸任务分配到多个处理单元进行并行处理。进行并行处理。3. 分布式操作系统分布式操作系

46、统 网络和分布式的区别网络和分布式的区别1) 分布式系统的各个计算机之间处于平等地分布式系统的各个计算机之间处于平等地 位位无主从关系无主从关系；网络有一些主从关系；网络有一些主从关系2) 分布式系统资源为所有用户共享；分布式系统资源为所有用户共享； 而网络有限制地共享而网络有限制地共享3) 分布式系统中一项任务可分给若干处理单分布式系统中一项任务可分给若干处理单元元相互协作共同完成；相互协作共同完成； 而网络往往是各司其责而网络往往是各司其责 分布式分布式OS的功能：的功能：1) 进程迁移进程迁移 2) 分布式同步分布式同步3) 任务分配任务分配 4) 资源管理资源管理 什么是嵌入式系统？什

47、么是嵌入式系统？ 在各种设备、装置或系统中在各种设备、装置或系统中, 完成专用的特定功完成专用的特定功能的软硬件系统能的软硬件系统; 它们是某大设备它们是某大设备, 装置或系统中的装置或系统中的一部分一部分, 这个设备装置或系统可以不是这个设备装置或系统可以不是“计算机计算机”。 通常工作在应答式或对处理时间有较严格要求通常工作在应答式或对处理时间有较严格要求的环境中。的环境中。 由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中, 因因此称之为嵌入式系统。此称之为嵌入式系统。4. 嵌入式操作系统嵌入式操作系统典型的嵌入式系统典型的嵌入式系统 在各种设备、装置或系统中

48、在各种设备、装置或系统中, 完成专用的特定功完成专用的特定功能的软硬件系统能的软硬件系统; 它们是某大设备它们是某大设备, 装置或系统中的装置或系统中的一部分一部分, 这个设备装置或系统可以不是这个设备装置或系统可以不是“计算机计算机”。 通常工作在应答式或对处理时间有较严格要求通常工作在应答式或对处理时间有较严格要求的环境中。的环境中。 由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中, 因因此称之为嵌入式系统。此称之为嵌入式系统。典型的嵌入式系统典型的嵌入式系统软件软件FPGA/ASIC存储器存储器传感器传感器A/D转换转换D/A转换转换执行机构执行机构人机接口

49、人机接口诊断端口诊断端口附加系统附加系统电源冷却电源冷却CPU机电备份与安全机电备份与安全外部环境外部环境 嵌入式操作系统是运行在嵌入式智能芯片嵌入式操作系统是运行在嵌入式智能芯片环境中的系统软件，它对整个智能芯片以及所环境中的系统软件，它对整个智能芯片以及所控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制；使它们按预先设计的步骤有度、指挥和控制；使它们按预先设计的步骤有条不紊的工作。条不紊的工作。嵌入式系统中的嵌入式系统中的OSOS，称为嵌入式操作系统，称为嵌入式操作系统专用门阵列专用门阵列模拟模拟I/O处理器核处理器核存储器存储器典型嵌入式操作

50、系统的特性典型嵌入式操作系统的特性 专用性：完成专用的有限功能专用性：完成专用的有限功能; ;不是通用型的不是通用型的 在性能和实时性方面有严格的限制在性能和实时性方面有严格的限制 能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素因素 占有资源少、易于连接占有资源少、易于连接 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成 以便满足最终产品的设计要求以便满足最终产品的设计要求嵌入式操作系统开发环境嵌入式操作系统开发环境 通常配有源码级可配置的系统模块设计通常配有源码级可配置的系统模块设计 丰富的同步原语丰富的同步原语 可选择的调度算

51、法可选择的调度算法 可选择内存分配策略可选择内存分配策略 定时器与计数器定时器与计数器 多方式中断处理支持多方式中断处理支持 多种异常处理选择多种异常处理选择 多种通信方式支持多种通信方式支持 标准语言库标准语言库 数学运算库和开放式应用程序接口数学运算库和开放式应用程序接口嵌入计算的各种应用特点：嵌入计算的各种应用特点：掌上电脑：掌上电脑：运算速度：运算速度：100 KIPS100 KIPS 在大小上优化、支持手写、低能耗在大小上优化、支持手写、低能耗工业设备：工业设备：运算速度：运算速度：1 MIPS1 MIPS安全优先，控制流程为主安全优先，控制流程为主军事装备：军事装备：运算速度运算速

52、度 ：1 GFLOPS 1 GFLOPS 可靠性最重要可靠性最重要嵌入式操作系统的代表嵌入式操作系统的代表: VxWorks VxWorks支持各种工业标准，包括支持各种工业标准，包括POSIX, ANSI C和和TCP/IP网络协议。网络协议。 VxWorks运行系统的核心是一高效率的微内核。运行系统的核心是一高效率的微内核。 微内核支持各种实时功能，包括快速多任务处理，微内核支持各种实时功能，包括快速多任务处理，中断支持，抢占式和轮转式调度。中断支持，抢占式和轮转式调度。 微内核设计减轻了系统负载并可快速响应外部事件。微内核设计减轻了系统负载并可快速响应外部事件。 从只需几千字节存储器的深

53、嵌式产品设计到复杂高从只需几千字节存储器的深嵌式产品设计到复杂高端实时系统设计，开发人员有八十多个选件并可构成端实时系统设计，开发人员有八十多个选件并可构成上百个不同的配置。上百个不同的配置。 90年代末期，电子商务发展刺激对计算能力的要求，年代末期，电子商务发展刺激对计算能力的要求，导致大型机市场的再度升温。导致大型机市场的再度升温。 三十年的改进三十年的改进, IBM S/390已成为有高可靠性、可扩展已成为有高可靠性、可扩展性、及安全可用性的现代大型计算机系统。性、及安全可用性的现代大型计算机系统。 支持支持 UNIX 95标准标准, UNIX 应用程序可在应用程序可在 IBM OS/3

54、90上运行。上运行。 同时还可继续运行同时还可继续运行S/390应用程序，包括应用程序，包括S/370上开发上开发的应用程序。的应用程序。 包括包括TCP/IP的多种通信协议，具有高网络安全性。的多种通信协议，具有高网络安全性。 采用面向对象程序设计、并行处理、分布式处理以及采用面向对象程序设计、并行处理、分布式处理以及客户机客户机/服务器技术，具有较强的互操作性、可移植性服务器技术，具有较强的互操作性、可移植性与可扩展性。与可扩展性。5.大型计算机操作系统的代表大型计算机操作系统的代表: IBM OS/390 由于历史渊源，由于历史渊源，OS/390有不同的系统运行方式有不同的系统运行方式:

55、 S/370本机模式本机模式, 支持原先在支持原先在S/370运行的程序。运行的程序。 ESA/390模式模式, 支持支持10个个240M处理器内存和处理器内存和256个通道个通道 ESA/390 LPAR模式模式, 系统可分成最多十个部分系统可分成最多十个部分, 每个每个部分有自己的部分有自己的CPU, 存储器和通道存储器和通道, 且分别运行不同的且分别运行不同的操作系统操作系统, 如如S/370, ESA/370 和和ESA/390等。等。 在在PC机时代，人们曾经估计大型计算机会衰亡。机时代，人们曾经估计大型计算机会衰亡。 IBM S/390是大型计算机复活的一个典型是大型计算机复活的一

56、个典型 那么那么, 在在21世纪的世纪的Internet和后和后PC的时代的时代, 大型机还大型机还会有什么演化，只有让时间来说明。会有什么演化，只有让时间来说明。 1990年秋天，年秋天，Linus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操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，作系统课程，因为上机需要排队等待，Linus买了台买了台PC机，开发了第一个程序，程序包括两个进程，向屏机，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。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需要终端仿真程序来存取Usenet新闻组的内容，新闻组的

57、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。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。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。就以这样极其古怪但也极其自然式问世。6. Internet时代与时代与Linux1.3 现代操作系统的基本特性现代操作系统的基本特性

58、1. 并发并发(concurrence) 计算机内存中同时存在多个程序计算机内存中同时存在多个程序, 宏观上宏观上这些程序是同时在执行的这些程序是同时在执行的, 但在微观上任何时但在微观上任何时刻只有一个程序在执行。即微观上这些程序在刻只有一个程序在执行。即微观上这些程序在CPU上轮流执行。上轮流执行。 注意它和并行的区别注意它和并行的区别, 并行是多个程序在并行是多个程序在不同的硬件上同时执行不同的硬件上同时执行, 即在微观上这些程序即在微观上这些程序也是真正的同时执行。也是真正的同时执行。2. 共享共享(sharing) 操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统操作系统与多个用户的程序共

59、同使用计算机系统中的资源中的资源(硬件和软件硬件和软件)。两种资源共享方式。两种资源共享方式:互斥共享方式和同时访问方式互斥共享方式和同时访问方式3. 虚拟虚拟(Virtual) 把一个物理时体把一个物理时体“虚拟虚拟”为多个逻辑体，如：为多个逻辑体，如： 虚拟处理机、虚拟内存、虚拟设备和虚拟信道。虚拟处理机、虚拟内存、虚拟设备和虚拟信道。4. 异步性异步性(asynchronism)(不确定性不确定性) 多个进程并发执行时多个进程并发执行时, 各进程都是以走走停停的方各进程都是以走走停停的方式运行式运行, 运行顺序无法预测运行顺序无法预测, 即进程以异步方式运行。即进程以异步方式运行。 因此

60、因此, 操作系统必须随时对以不可预测的不确定的操作系统必须随时对以不可预测的不确定的次序随机发生的事件进行响应。次序随机发生的事件进行响应。1.4 现代操作系统的功能现代操作系统的功能 1. 处理机管理处理机管理进程控制、进程同步、进程通信、进程调度进程控制、进程同步、进程通信、进程调度 2. 内存管理内存管理内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充 3. 设备管理设备管理设备分配设备分配,缓冲管理缓冲管理,设备驱动设备驱动, 虚拟设备虚拟设备 4. 文件管理文件管理文件存储空间管理、目录管理、读写管理、文件保护文件存储空间管理、目录管理、读写管理、文件保护 5.