《操作系统》详解

今日提纲简要回忆上节课1.3操作系统的种类实时操作系统网络操作系统操作系统的构造设计1复习计算机进展历史操作系统历史操作系统的种类2复习操作系统进展第一阶段：手工操作(45-55)CPU和输入输出之间利用效率低操作系统其次阶段：单道批处理系统(55-65)单路性独占性自动性封闭性操作系统第三阶段：多道批处理系统〔65-75〕多路性共享性自动性封闭性分时系统(70年月至今)多路性交互性“独占性”准时性3实时操作系统实时：是指能准时响应随机发生的外部大事、并对大事做出快速处理的力量。外部大事：是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种效劳恳求〔随机〕。实时操作系统：是能对来自外部的恳求和信号在限定的时间范围内做出准时响应的一种操作系统。1.3操作系统的种类4实时操作系统的分类实时系统按其使用方式不同可以分为两类：实时掌握系统(特定时间触发某个大事)用于掌握飞机飞行、放射以及冶炼轧钢等生产过程实时信息处理系统(保持数据的同步)用于飞机订票、银行业务部门1.3操作系统的种类5实时掌握系统实时掌握指微型计算机在实时过程掌握和供给环境监视中的应用。过程掌握是指从传感器获得输入的数字或模拟信息进展分析处理后，激发一个活动信号，从而转变可控过程，以到达掌握的目的。1.3操作系统的种类6实时掌握系统例子：化学生产反响堆掌握传感装置ABC反应堆阀门阀门计算机系统记录仪图例：控制信号测量信号1.3操作系统的种类7实时系统的特点高准时性：对外部大事信号的接收、分析处理、以及给出反响信号进展掌握，都必需在严格的时间限度内完成。否则可能会引起爆炸、火灾等事故，给人身安全和国家财产造成无法挽回的损失。高牢靠性：无论是实时掌握系统还是实时信息处理系统，都必需有高牢靠性。1.3操作系统的种类8网络操作系统计算机网络：是指把地理上分散的、具有独立功能的多个计算机和终端设备，经通信线路加以连接，到达数据通信和资源共享目的的计算机系统。网络操作系统：在网络范围内，用于治理网络通信和共享资源，协调各计算机上任务的运行，并向用户供给统一的、有效便利的网络接口的程序集合。1.3操作系统的种类9网络操作系统的根本功能网络通信：为通信双方建立和撤除通信信路，实施数据传输，对传输过程中的数据进展检查和校正。资源治理：承受统一、有效的策略，协调诸用户对共享资源的使用，使得用户使用远地资源犹如使用本地资源似的。1.3操作系统的种类10网络操作系统的根本功能向用户供给多项网络效劳：电子邮件效劳：它为各用户间发送与接收信息，供给快捷、简便、廉价的现代化通信手段；远程登录效劳：它使一台计算机能登录到另一台计算机上，使自己的计算机就像一台与远程计算机直接相连的终端一样进展工作，猎取与共享所需要的各种信息；文件传输效劳：他允许用户把自己的计算机连接到远程计算机上，查看那里有哪些文件，然后将所需文件从远程计算机复制到本地计算机，或将本地计算机中的文件复制到远程计算机中。1.3操作系统的种类11网络操作系统的根本功能供给网络接口：向网络用户供给统一的网络使用接口，以便用户能便利地上网，便利地使用共享资源，便利地获得网络供给的各种效劳。1.3操作系统的种类12计算机网络系统的特点自治性：在网络中的每台计算机都有自己的内存储器、I/O设备，安装有自己的操作系统，因此具有很强的自治性，能独立担当安排给它的任务。分散性：系统中的计算机分布在不同的地域，有各自的任务。互联性：网络中分散的计算机及各种资源，通过通信线路实现物理上的连接，进展信息传输和资源共享。统一性：网络中的诸计算机，使用统一的网络命令。1.3操作系统的种类13实例：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操作系统然而宣布简洁，交货就不简洁了，Windows交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄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，更换主管人员最多直到1985年11月20日，Windows1.0才正式上市不过几年之后，Windows最终制造了销售成绩最正确的历史记录1.3操作系统的种类14Windows的历史记录1987年12月，Windows2．0正式供货。1990年5月22日，微软推出Windows3.0，该版本对内存治理、图形界面做了重大改进，使图形界面更加美观并支持虚拟内存。1992年4月，推出了略加改进的Windows3.1。1995年推出了Windows95，它可以独立运行而无需DOS支持。WindowsME，Windows98，Windows2023，WindowsXP个人计算机承受Windows占90％以上，微软公司成了垄断PC行业的同义词1.3操作系统的种类15基于微内核的Mach操作系统RIG操作系统〔Rochester大学，1975年开发〕设计者之一RichardRashid移居到CMU后，在DARPA支持下，1984年开头了Mach的开发希望Mach能与UNIX兼容，运行线程，更好的进程通信机制，支持多处理机及好的虚拟存储系统。Mach第一个版本是1986年为VAX11/784四CPU多处理机公布1988年的Mach2.5版包含了大量的BSDUNIX的代码，1989年Mach内核中就去掉了全部的BSDUNIX的代码，剩下了一个纯的Mach微内核，这就是Mach3.0版本1.3操作系统的种类16Mach中承受了很多当代操作系统使用的技术,微内核、线程、进程间消息传递和面对对象的设计方法等等在Mach的根底上，有不少用于微处理器、多处理器以及超级计算机的操作系统和实时嵌入式操作系统间续设计和开发出来，如OSF/1，DCEUnix,NeXT等等基于微内核的Mach操作系统1.3操作系统的种类17IBM大型计算机操作系统OS/39090年月末期，电子商务进展刺激对计算力量的要求，导致大型机市场的再度升温三十年的改进，IBMS/390已成为有高牢靠性、可扩展性、及安全可用性的现代大型计算机系统支持UNIX95标准，UNIX应用程序可在IBMOS/390上运行，同时还可连续运行S/390应用程序，包括S/370上开发的应用程序OS/390包括TCP/IP的多种通信协议，具有高网络安全性1.3操作系统的种类18IBM大型计算机操作系统OS/390OS/390承受面对对象程序设计、并行处理、分布式处理以及客户机/效劳器技术，具有较强的互操作性、可移植性与可扩展性由于历史渊源，OS/390有不同的系统运行方式:S/370本机模式，支持原先在S/370运行的程序ESA/390模式，支持到10个240M处理器内存和256个通道ESA/390LPAR模式，系统可分成最多十个局部，每个局部有自己的CPU，存储器和通道，且分别运行不同的操作系统，如S/370,ESA/370和ESA/390等1.3操作系统的种类19在PC机时代，人们曾经估量大型计算时机衰亡。IBMS/390是大型计算机复活的一个典型。那么，在21世纪的Internet和后PC的时代，大型机还会有什么演化，只有让时间来说明1.3操作系统的种类20嵌入式操作系统的代表VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统〔RTOS〕，是嵌入式开发环境的关键组成局部。VxWorks良好的持续进展力量、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。VxWorks支持各种工业标准，包括POSIX,ANSIC和TCP/IP网络协议。VxWorks运行系统的核心是一高效率的微内核,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。微内核设计减轻了系统负载并可快速响应外部大事1.3操作系统的种类21嵌入式操作系统的代表VxWorksVxWorks以其良好的牢靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者上，甚至连1997年4月在火星外表登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。VxWorks负责火星探测器全部飞行掌握，包括飞行订正、载体自旋和降落时的高度掌握等，而且还负责数据收集和与地球的通信工作目前在国内也占据嵌入式开发系统市场主要份额1.3操作系统的种类22

Internet时代与Linux1990年秋天，Linus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统课程，由于上机需要排队等待，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，固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就以这样极其奇怪但也极其自然式问世1.3操作系统的种类23

Internet时代与LinuxHelloeverybodyoutthereusingminix---I‘mdoinga(free)operatingsystem在1991年的八月，网络上消失了一篇以此为开篇话语的帖子，这是Linus为自己写的类似minix，可运行在386上的操作系统查找志同道合的合作伙伴。1991年10月5日，Linus在新闻组公布了大约有一万行代码的Linuxv0.01版本。到了1992年，大约有1000人在使用Linux，值得一提的是，他们根本上都属于真正意义上的hacker。1993年，大约有100余名程序员参与了Linux内核代码编写/修改工作，其中核心组由5人组成，此时Linux0.99的代码有大约有十万行，用户大约有10万左右。1.3操作系统的种类24

Internet时代与Linux1994年3月，Linux1.0公布，代码量17万行，当时是依据完全自由免费的协议公布，随后正式承受GPL协议。至此，Linux的代码开发进入良性循环。很多系统治理员开头在自己的操作系统环境中尝试linux，并将修改的代码提交给核心小组。由于拥有了丰富的操作系统平台，因而Linux的代码中也充实了对不同硬件系统的支持，大大的提高了跨平台移植性。1995年，此时的Linux可在Intel、Digital以及SunSPARC处理器上运行了，用户量也超过了50万，相关介绍Linux的LinuxJournal杂志也发行了超过10万册之多。1.3操作系统的种类25

Internet时代与Linux1996年6月，Linux2.0内核公布，此内核有大约40万行代码，并可以支持多个处理器。此时的Linux已经进入了有用阶段，全球大约有350万人使用。1997年夏，大片《泰坦尼克号》在制作特效中使用的160台Alpha图形工作站中，有105台承受了Linux操作系统。1.3操作系统的种类26

Internet时代与Linux1998年是Linux迅猛进展的一年。1月，小红帽高级研发试验室成立，同年RedHat5.0获得了InfoWorld的操作系统奖项。4月Mozilla代码公布，成为linux图形界面上的王牌扫瞄器。Redhat宣布商业支持打算，网络了多名优秀技术人员开头商业运作。王牌搜寻引擎“Google”现身，承受的也是Linux效劳器。值得一提的是，Oracle和Informix两家数据库厂商明确表示不支持Linux，这个打算赐予了Mysql数据库充分的进展时机。同年10月，Intel和Netscape宣布小额投资红帽软件，这被业界视作Linux获得商业认同的信号。同月，微软在法国公布了反Linux公开信，这说明微软公司开头将Linux视作了一个对手来对待。1.3操作系统的种类27

Internet时代与Linux十二月，IBM公布了适用于Linux的文件系统AFS3.5以及JikesJava编辑器和SecureMailer及DB2测试版，IBM的此番行为，可以看作是与Linux羞答答地第一次亲切接触。迫于Windows和Linux的压力，Sun渐渐开放了Java协议，并且在UltraSparc上支持Linux操作系统。1998年可说是Linux与商业接触的一年。1.3操作系统的种类28

Internet时代与Linux1999年，IBM宣布与Redhat公司建立伙伴关系，以确保Redhat在IBM机器上正确运行。三月，第一届LinuxWorld大会的召开，象征Linux时代的降临。IBM、Compaq和Novell宣布投资Redhat公司，以前始终对Linux持否认态度的Oracle公司也宣布投资。五月，SGI公司宣布向Linux移植其先进的XFS文件系统。对于效劳器来说，高效牢靠的文件系统是不行或缺的，SGI的大方移植再一次帮助了Linux确立在效劳器市场的专业性。7月IBM启动对Linux的支持效劳和公布了LinuxDB2，从今完毕了Linux得不到支持效劳的历史，这可以视作Linux真正成为效劳器操作系统一员的重要里程碑。1.3操作系统的种类29

Internet时代与Linux2023年，Linux在嵌入式行业的潜力渐渐被开掘出来伴随着国际上的Linux热潮，国内的联想和联邦推出了“幸福Linux家用版”，同年7月中科院与新华科技合作进展红旗Linux,此举让更多的国内个人用户生疏到了存在着Linux这个操作系统。11月，Intel与Xteam合作，推出基于Linux的网络专用效劳器，此举完毕了在Linux单向顺应硬件商硬件开发驱动的历史。2023年，8月红色代码爆发，引得很多站点纷纷从windows操作系统转向linux操作系统。12月RedHat为IBMs/390大型计算机供给了Linux解决方案。1.3操作系统的种类30

Internet时代与Linux2023年3月，内核开发者宣布新的Linux系统支持64位的计算机。2023年1月，NEC宣布将在其手机中使用Linux操作系统，代表着Linux成功进军手机领域2023年6月的统计报告显示在世界500强超级计算机系统中，使用Linux操作系统的已经占到了280席，抢占了原本属于各种Unix的份额。9月HP开头网罗Linux内核代码人员，以影响新版本的内核朝对HP有利的方式进展，而IBM则预备推出OpenPower效劳器，仅运行Linux系统。1.3操作系统的种类31

Internet时代与LinuxLinux是爱好者们通过Internet协同开发出来的假设没有Intenet网，没有遍布全世界的很多计算机骇客的无私奉献，那么Linux最多只能进展到0.13(0.95)版的水平1.3操作系统的种类32操作系统领域中新的操作系统有线电视机顶盒领域，PowerTV移动通信领域，EPOC掌上计算机领域，PalmOS数字影像领域，Digita1.3操作系统的种类33国内操作系统的研制状况60年月末至70年月初杨芙清院士主持我国第一台百万次集成电路计算机操作系统支持多道程序运行，在石油勘探领域成功应用70年月中后期杨芙清院士主持我国第一个全部用高级语言书写的DJS240机操作系统DJS200/XT2层次管程构造模型，PCM设计方法，活泼管程构造模式1.3操作系统的种类34国内操作系统的研制状况〔续〕GX73多机实时操作系统〔1978年〕国防科技大学，1980年装在“远望”-I号航天测量船上，完成了向太平洋放射运载火箭、潜水艇水下放射的测控任务；完成了我国第一颗同步地球卫星的测控、定轨、掌握任务“银河”-1YHOS巨型操作系统〔1983年〕国防科技大学，用于YH-1、YH-2超级计算机，用于我国的石油勘探、天气预报和核物理争论COSIXv1.X/2.0国产UNIX类操作系统〔国家八五、九五重点科技攻关成果，以中软为首，联合国内18个单位共同完成〕微内核构造，安全级别超过B1，中文界面1.3操作系统的种类351996年，“银河麒麟”操作系统由自主研发的根本内核层和基于FreeBSD〔一种Unix操作系统〕改造的系统效劳层组成目前我国通过认证的安全等级最高的操作系统1999年，嵌入式操作系统Hopen〔女娲打算〕中科院软件研制中心推出“女娲打算”，其中的嵌入式操作系统Hopen可广泛用于机顶盒、袖珍电脑、掌上电脑、PDA、DVD、Internet接入设备等。Linux类操作系统1.3操作系统的种类国内操作系统的研制状况〔续〕36思考和回忆个人计算机的兴起，完毕了IBM的霸主地位Internet普及，Linux的成功，极大地推动了当代操作系统的争论进展活动据不完全统计，当前在Internet上，有超过100个操作系统的工程在14个国家中进展着一批批的程序设计员们自愿通过互联网组织成为争论小组，从事着各类操作系统的争论开发工作1.3操作系统的种类37在一些影响全球的操作系统的诞生和进展过程中，大师们设计那些知名操作系统的初始动机真是各不一样的一个操作系统成功的缘由，似乎也在于某种机遇，往往是有心裁花花不开，无心插柳柳成荫在Internet时代，新概念、新思想、新原理和新技术层出不穷谁又能猜测，将来会有什么样的新型操作系统在国际互联网上问世呢！思考和回忆〔续1〕1.3操作系统的种类381.3操作系统的种类操作系统的构造设计传统的操作系统构造无构造操作系统模块化构造分层式OS构造现代操作系统构造客户/效劳器模式(Client-ServerModel)面对对象的程序设计技术微内核技术391.3操作系统的种类无构造操作系统在早期开发操作系统时，设计者只是把他的留意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾全都的设计思想。此时的OS是为数众多的一组过程的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何构造，此时程序设计的技巧，只是如何编制紧凑的程序，以便于有效地利用内存、对GOTO语句的使用不加任何限制，所设计出的操作系统既浩大又杂乱。这一方面程序错误很多，给调试工作带来很多困难；另一方面程序难以阅读和理解，增加了维护负担。401.3操作系统的种类模块化构造模块化程序设计技术，是最早(20世纪60年月)消失的一种程序设计技术。该技术是基于“分解”和“模块化”原则来掌握大型软件的简单度的。为使OS具有较清晰的构造每个模块具有某方面的治理功能，如进程治理模块、存储器治理模块、I/O设备治理模块和文件治理模块等，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接口实现交互411.3操作系统的种类图1-5模块化操作系统构造421.3操作系统的种类模块化OS的优点提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。增加了OS的可适应性。加速了OS的开发过程。模块化OS的缺点在开头设计OS时，对模块的划分及对接口的规定并不准确，而且还可能存在错误，因而很难保证按此规定所设计出的模块会完全正确，这将使在把这些模块装配成OS时发生困难从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区分；由于治理上的差异，又会使模块间存在着简单的依靠关系使OS构造变得不清晰。431.3操作系统的种类分层式OS构造根本思想层次的设置441.3操作系统的种类分层式构造根本思想从改进设计方式上说，应使每一步设计都是建立在牢靠的根底上。从物理机器开头，在其上面先添加一层具有肯定功能的软件A1,经过细心设计和几乎是穷尽无遗的测试后，可以认为A1是正确的；然后再在A1上添加一层新软件A2…，如此一层一层地自底向上增加软件层，最终总能构成一个能满足需要的OS。每一层都仅使用其底层所供给的功能和效劳，这样可使系统的调试和验证都变得简洁451.3操作系统的种类层次的设置程序嵌套运行频率公用模块用户接口461.3操作系统的种类层次的设置程序嵌套通常OS每个功能的实现，并非是只用一个程序便能完成的，而是要经由假设干个软件层才有可能完成。因此在划分OS层次时，首先要考虑在实现OS的每个功能时所形成的程序嵌套例如，作业调度模块须调用进程掌握模块；在为某作业创立一进程时，又须调用内存治理模块为新进程安排内存空间，可见，进程掌握模块应在内存治理模块之上；而作业调度模块又应在更高层。471.3操作系统的种类层次的设置运行频率在分层构造中，各层次软件的运行速度是不同的，由于A1层软件能直接在物理机器上运行，故它有最高的运行速度。随着层次的增高，其相应软件的运行速度就随之下降，因而An层软件的运行速度最低。为了提高OS的运行效率，应当将那些常常活泼的模块放在最接近硬件的A1层，如时钟治理、进程调度，通常都放在A1层。481.3操作系统的种类层次的设置公用模块应把供多种资源管程程序调用的公用模块，设置在最低层，不然，会使比它低的层次模块由于无法调用它而须另外配置相应功能的模块。例如，用于对信号量进展操作的原语Signal和Wait。491.3操作系统的种类层次的设置用户接口为便利用户(程序)，OS向用户供给了“用户与OS的接口”如命令接口、程序接口以及图形用户接口。这些接口应设置在OS的最高层，直接供给应用户使用。501.3操作系统的种类客户/效劳器模式(Client-ServerModel)为了提高OS的敏捷性和可扩大性而将OS划分为两局部，效劳器(进程)和内核效劳器(进程)，都运行在用户态。当有一用户进程(现在称为客户进程)要求读文件的一个盘块时，该进程便向文件效劳器(进程)发出一个恳求；当效劳器完成了该客户的恳求后，便给该客户回送