操作系统讲义课件

1、操作系统课程的特点：涉及面广:涉及到计算机科学的很多领域(计算机体系结构/硬件 软件设计 程序设计语言 数据结构 算法 网络)实践性强（从实践总结出原理）为什么学习操作系统? 设计操作系统或者修改现有的系统 加深对使用的OS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 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域 选择购买操作系统 1: Introduction 引论What is an operating system? Simple Batch Systems 简单批处理系统Multiprogramming Batched S

2、ystems 多道程序批处理系统Time-Sharing Systems分时系统Personal-Computer Systems 个人计算机系统Parallel Systems并行系统Real -Time Systems实时系统Distributed Systems分布式系统What is an Operating System?A program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware. 在计算机用户和计算机硬件之间起媒介作用的一种程序。Operating sys

3、tem goals: 操作系统目标Make the computer system convenient to use. 使计算机系统更易使用。Use the computer hardware in an efficient manner. 以一种效率的方式使用硬件。 操作系统举例MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000,Windows XPUNIX: BSD, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris, LinuxComputer System ComponentsHa

4、rdware 硬件 provides basic computing resources (CPU, memory, I/O devices).提供基本的运算资源Operating system 操作系统 controls and coordinates the use of the hardware among the various application programs for the various users. 在各种应用程序和用户之间控制与协调对硬件的使用Applications programs 应用程序 define the ways in which the system

5、resources are used to solve the computing problems of the users (compilers, database systems, video games, business programs).定义解决用户问题的资源使用方式（编译器、数据库、视频游戏、事务程序等）Users (people, machines, other computers) 用户（人、机、其他计算机）. Abstract View of System Components 系统部件的抽象视图 Operating System Definitions 操作系统定义Re

6、source allocator 资源分配者 manages and allocates resources.管理和分配资源Control program 控制程序 controls the execution of user programs and operations of I/O devices .控制用户程序的运行和I/O设备的操作Kernel 内核 the one program running at all times (all else being application programs). 常驻内存运行的一个程序（所有其它的是应用程序） 定义：操作系统是一种管理计算机系统资

7、源、控制系统工作流程，方便用户使用计算机的系统软件A short historical review of operating systemOperating systems have developed over the past 40 years.Operating systems and computer architecture have had a great deal of influence on each other.操作系统的史前文明-手工操作工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：穿孔纸带或卡片；计算机的工作特点用户独

8、占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；1946 50年代（电子管），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；运算速度：5000次/每秒, 18000个真空管, 占地182平方米，重量130吨，功耗140kW程序员提前预约一段时间,然后到机房运行程序，期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算完自己的题目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主要矛盾计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；用户独占全机的所有资源；提高效率的途径专门的操作员，批处理 Simpl

9、e Batch Systems 简单批处理系统50年代末 60年代中（晶体管）Hire an operator雇一个操作员（来操纵计算机）,User 操作员Input device: card reader卡片阅读机、tape driversOutput device: line printer、card punches卡片打孔机、tape driversReduce setup time by batching similar jobs批量处理同类作业减少了设置时间Simple Batch operating Systems- First rudimentary operating syst

10、em.第一个原始的操作系统。 Automatic job sequencing 自动作业调度 automatically transfers control from one job to another. 自动把（计算机的）控制从一个作业转到另一个作业。A Resident monitor常驻内存管理程序initial control in monitor 管理程序进行初始化control transfers to job 转换控制到作业when job completes control transfers back to monitor作业完成后转换控制回管理程序卡片脱机批处理系统IBM

11、1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机Memory Layout for a Simple Batch System 简单批处理系统的内存布局Multiprogramming Batch Systems 多道程序批处理系统60年代中 70年代中（集成电路）-现代意义上的操作系统出现磁盘技术的引进，系统可以在磁盘上直接存取多个作业,进行作业调度。而在主存中可同时有若干个作业， CPU在其中进行切换。优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作数量多；OS Features Needed for multiprogramming

12、 多道程序对OS特点的要求Memory management(存储管理) the system must allocate the memory to several jobs.系统必须为若干作业分派空间CPU scheduling (CPU调度) the system must choose among several jobs ready to run. 系统必须在就绪作业中挑选Allocation of devices (设备分配) Time-Sharing Systems 分时系统70年代中期至今-操作系统进入实用化阶段，Unix是其中的代表Provide for user inter

13、action（提供用户交互性:一问一答）Allow many users to share the computer simultaneously,each user is given the impression than the entire computer system is dedicated to her use. 允许多个用户同时使用,（但由于计算机速度快,）每个用户感觉独享整个计算机系统。Use CPU scheduling and multiprogramming 采用CPU调度和多道程序技术Use time slice 采用时间片（将cpu时间分成时间片，多个程序轮流使用）

14、More complex : memory management and protection;CPU-scheduling.主机终端Personal-Computer Systems 个人计算机系统Personal Computers computer system dedicated to a single user. 个人计算机 - 供个人使用的计算机系统I/O devices keyboards, mice, display screens, small printers. 使用的 I/O设备 - 键盘、鼠标、显示、小型打印机Designed for maximizing User c

15、onvenience and responsiveness. 尽可能提高用户使用方便和响应及时Can adopt technology developed for larger operating system. Often individuals have sole use of computer and do not need advanced CPU utilization or protection features. 可采用大型操作系统研发的技术，通常个人独占计算机,不需要很高的CPU利用率和保护技术常用的个人计算机操作系统单用户单任务：MS DOS单用户多任务：OS/2, MS W

16、indows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 Professional多用户多任务：UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD)Migration of Operating-System Concepts and Features 操作系统概念和特性的变迁Parallel Systems 并行系统Multiprocessor systems with more than one CPU in close communication.有紧密通信的、多于一个CPU的多处理器系统Tightly couple

17、d system processors share memory and a clock; communication usually takes place through the shared memory. 紧耦合系统 - 处理器共享内存和时钟；一般通过共享内存进行通信Advantages of parallel system: 并行系统的优点Increased throughput 增大吞吐量Economical 经济Increased reliability提高可靠性graceful degradation（有故障时）适度的降低性能Fault tolerant systems 容错系

18、统Parallel Systems 并行系统(Cont.)Symmetric multiprocessing (SMP)对称多处理 器Each processor runs an identical copy of the operating system ; they are peers. 每个处理器运行操作系统的相同副本;彼此地位平等。Many processes can run simultaneously without a significant performance deterioration. 许多进程可以并行运行,不会有性能的明显降低。Most modern operatin

19、g systems support SMP 大多数现代操作系统支持SMPAsymmetric multiprocessing 非对称多处理器Each processor is assigned a specific task; master processor schedules and allocates work to slave processors.每个处理器赋予一个特定任务；主处理器为从处理器调度和分配作业Symmetric Multiprocessing Architecture 对称多处理器体系结构Real-Time Systems 实时系统Often used as a con

20、trol device in a dedicated application such as controlling scientific experiments, medical imaging systems, industrial control systems, and some display systems.通常作为控制设备在诸如控制科学实验、医学影象系统、工业控制系统以及一些显示系统中应用Well-defined fixed-time constraints.严格确定的时间限制Hard real-time system 硬实时系统Secondary storage limited

21、 or absent, data stored in short-term memory, or read-only memory (ROM)有限的或没有二级存储器(辅存)，数据存在短期存储器或只读存储器中Conflicts with time-sharing systems, not supported by general-purpose operating systems.同分时系统冲突，不被通用操作系统不支持.Soft real-time system 软实时系统Limited utility in industrial control or robotics在工业控制或机器人领域中有

22、一定的应用Useful in applications (multimedia, virtual reality) requiring advanced operating-system features.在需要高级操作系统功能的应用（多媒体、虚拟现实）中有用.Distributed Systems 分布式系统Distribute the computation among several physical processors.计算分布在若干物理处理器上（与集中式系统相对应）Loosely coupled system each processor has its own local mem

23、ory; processors communicate with one another through various communications lines, such as high-speed buses or telephone lines. 松散偶合系统 - 每个处理器有自身的本地存储器；通过各种通信设施，如高速总线、电话线等进行处理器之间的通信Advantages of distributed systems.分布式系统的优点?Resources Sharing 资源共享Computation speed up load sharing 加快计算 分担负荷Reliability

24、可靠Communications 方便通信Distributed Systems 分布式系统(Cont.)Network Operating System 网络操作系统provides file sharing 提供文件共享provides communication scheme 提供通信机制runs independently from other computers on the network 运行独立于网络上的其他计算机Distributed Operating System分布式操作系统less autonomy between computers计算机间较少自治性gives th

25、e impression there is a single operating system controlling the network.让人感觉只有一个操作系统控制网络分布式操作系统与网络操作系统的比较耦合程度：分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立的OS同质，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；网络通常容许异种OS互连，各机上各种服务程序需按不同网络协议协议同质。并行性：分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行进程迁移；网络则各机上的进程独立。透明性：用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如CPU、内存或外设）。分布式系统的网络资源调度对用户透明，用

26、户不了解所占有资源的位置；网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定；当代操作系统的特征并发：指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。（与“并行”的区别） 异步性：指内存中的多个进程均按照各自独立的、不可预知的速度向前推进。 虚拟：指物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物。 共享：指系统中硬件和软件资源可为多 个用户同时使用（互斥共享、同时访问）。研究操作系统的几种观点计算机资源管理者的观点 可以从资源情况记录、资源分配策略、资源分配和回收讨论操作系统。用户界面的观点对于用户来说，并不关心操作系统的内部结构,而关心操作系统提供了哪些用户界面。进程管理的观点 围绕进程运行过程讨论操作系统。

27、操作系统发展方向大型系统：分布式操作系统和集群操作系统微型系统：嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？ 在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统。它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”。通常工作在对处理时间有较严格要求环境中。 由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统 在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。嵌入式操作系统的应用智能卡移动通信计算机外设机顶盒零售设备印刷机复印机互联网服务器电话交换设备嵌入

28、式操作系统的应用美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装TinyOS 常用的操作系统MS DOSMS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000UNIX返回MS DOS1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持软盘的个人操作系统；1983年：DOS 2.0：PC XT，支持硬盘和目录的层次结构，并提供丰富的系统命令；1984年：DOS 3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)，它把286作为一个快速的8086使用；1987年：DOS 3.3：提供对IBM PS/2的支持（如3.5软驱），提供了更多的应用；19

29、88年：DOS 4.0：支持大于32M的硬盘；1991年：DOS 5.0：改进对扩展内存的支持；IBM PC, CPU 8088/8086单用户单任务，简单分层结构MS DOS的历史MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 20001990年：Windows 3.0（成功版本），16位OS，借鉴Apple Macintosh给出友好的用户界面；1993年：Windows NT 3.1, 32位OS，支持DOS和Windows应用程序；1999年12月：Windows 2000(Professional, Server, Advanced S

30、erver)，32位OS；CPU 80386单用户多任务Windows的历史 Windows在当时微软历史上创了几个记录： 投入开发人员最多 开发时间最长 更换主管人员最多 延迟交货次数最多 不过几年之后，Windows终于创造了销售成绩最佳的历史记录 个人计算机采用Windows占90以上，微软公司成了垄断PC行业的同义词UNIX一群计算机迷 在贝尔实验室开发出UNIX初衷：可以在一台无人使用的DEC PDP-7 小型计算机上玩星际探险游戏Ken Thompson，Dennis Ritchie1983年图灵奖获得者1999年4月 美国国家技术金奖1965年：MIT的Multics，由于规模和

31、进展而没有达到目标；1969年：AT&T，PDP-11上的16位操作系统；1974年：UNIX系统正式发表(第五版)，在大学得到使用和好评；1980年：University of California at Berkeley为VAX11发表BSD4.0；以后，UNIX就以AT&T和Berkeley为主分别开发，有多种变种；1989年：UI (UNIX International)发表UNIX system V Res4.0；使BSD和System V在用户界面上统一；1991年芬兰大学生Linus Benedict Torralds开发了第一个Linux版本多用户多任务分时操作系统UNIX的历

32、史UNIX革命UNIX是现代操作系统的代表。Unix运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖促使UNIX系统成功的因素： 首先，由于UNIX是用C语言编写，因此它是可移植的，UNIX 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第二，系统源代码非常有效，系统容易适应特殊的需求最后，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Linux什么是Linux？Linux是运行于多种平台（PC、工作站等）之上、源代码公开、免费、遵循 GPL精神、遵守POSIX标准的、与UNIX兼容的操作系统。Linux是微机版的UNIX。具有现代操作

33、系统的所有特征：l 真正的抢先式多任务处理，支持多用户l 虚拟内存l 支持对称多处理机l 网络功能l 图形用户界面和桌面环境l 速度和稳定性GPL（General public License）软件-公共许可软件。此类软件的开发不是为了经济目的，而是不断开发并传播新的软件，并让每个人都能获得、拥有。该类软件遵循一定的规则：1.传播者不能限制购买软件的用户自由权。即如果用户买了一套GPL软件，就可以免费复制和传播或自己出售。2. 传播者必须清楚告诉用户该软件属于GPL软件。3. 传播者必须免费提供软件的完整源代码。这样为用户提供了修改的条件 。 允许个人或组织为盈利而传播，获得利润。但不允许剥夺

34、购买者的传播能力。POSIX标准UNIX发展过程中，出现了许多变种（BSD,System V 等）。为统一标准，出现了POSIX系列标准，它定义了一套标准的操作系统接口和工具。从理论上说，POSIX标准代码很容易移植到任何遵守POSIX的操作系统中。今天，几乎所有的正式操作系统都以支持POSIX标准为目标。 Linux内核发展史1991年9月,芬兰赫尔辛基大学的大学生Linus Benedict Torvalds为改进MINIX操作系统开发了Linux 0.01版(内核)。该版本不能运行，只是一些源程序。1991年底， Linus Torvalds 首次在internet上发布基于Intel 386体系结构的Linux 源代码，这时越来越多的人开始在这个系统上工作。 Linux逐渐成为一个基本稳定可靠,功能比较完善的操作系统。一些软件公司，如Red Hat，InfoMagic也不失时机的推出自己的以