第一讲操作系统概述

第一讲操作系统概述摩尔定律2Xtransistors/ChipEvery1.5yearsCalled“Moore’sLaw”

Moore’sLawMicroprocessorshavebecomesmaller,denser,andmorepowerful.GordonMoore(co-founderofIntel)predictedin1965thatthetransistordensityofsemiconductorchipswoulddoubleroughlyevery18months.Internet

ConnectivityClustersMassiveClusterGigabitEthernet计算机应用范围软件规模5内容提要操作系统发展简史操作系统基本特征操作系统原理组成操作系统结构设计内容提要操作系统发展简史前计算机时代1642年，帕斯卡发明加法器，第一台数字计算器1671年，莱不尼兹发明乘法演算器1833年，巴贝奇发明“分析机”，建立计算机的逻辑基础1876年，贝尔发明电话；1887年，赫兹通信原理；1895年，汤姆逊发现电子操作系统发展简史继电器与真空管时代——没有OS的概念存在哈佛（HowardAiken）、普林斯顿（VonNeumann）、宾夕发尼亚大学（J.PresperEckert）、德国（KZuse）基于机械继电器与真空管的计算机，没有操作系统概念主要特点：个人独占使用，主要完成科学计算ENIAC:(1945—1955)

“ThemachinedesignedbyDrs.EckertandMauchlywasamonstrosity.Whenitwasfinished,theENIACfilledanentireroom,weighedthirtytons,andconsumedtwohundredkilowattsofpower.”/~history/ENIAC.Richey.HTML晶体管时代——批处理操作系统FMS（IBM1401），IBSYS（IBM7094）批处理概念起源作业输入与打印输出的速度远远低于计算速度宝贵的计算资源被浪费，如何提高利用效率？脱机概念起源相对于主计算机而言，输入和输出都是非联机计算机使用方式的进化个人独占——批处理以节省资源CoreMemories(1950s&60s)CoreMemorystoreddataasmagnetizationinironringsIron“cores”wovenintoa2-dimensionalmeshofwiresOriginoftheterm“DumpCore”RumorthatIBMconsultedLifeSavercompanySee:/acis/history/core.htmlThefirstmagneticcorememory,fromtheIBM405AlphabeticalAccountingMachine.版权所有，转载请注明出处11课程导论卡片IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机课程导论$END$RUNDataforprogram$LOADFortranprogram$FORTRAN

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CherryChen

集成电路时代（IC）OS/360，IBM为满足产业发展推出的第二代OS商业计算与科学计算的集成：System/360多道程序设计和假脱机技术的概念起源商业计算中I/O操作比例很大，直接造成CPU浪费分时操作系统的概念起源批处理系统的普及——对第一代计算机的怀念概念的回归：个人独占计算机个人计算机概念的萌芽DEC公司小型计算机的崛起和发展课程导论课程导论主机终端课程导论操作系统维护一个程序计数器，在作业间切换对每一个作业而言，都有独立的计数器和CPU时间操作系统实现分时，任意时刻只有一个进程运行AMulticsSystem(Circa1976)The6180atMITIPC,skindoorsopen,circa1976:“WeusuallyranthemachinewithdoorsopensotheoperatorscouldseetheAQregisterdisplay,whichgaveyouanideaofthemachineload,andforconvenientaccesstotheEXECUTEbutton,whichtheoperatorwouldpushtoenterBOSifthemachinecrashed.”/multics-stories.html1973:1.7Mbit/sq.in140MBytes1979:7.7Mbit/sq.in2,300MBytesEarlyDiskHistoryContrast:Seagate2TB,

400GB/SQin,3½indisk,

4plattersTheARPANet(1968-1970’s)PaulBaranRANDCorp,early1960sCommunicationsnetworksthatwouldsurviveamajorenemyattackARPANet:Researchvehiclefor“ResourceSharingComputerNetworks”2September1969:UCLAfirstnodeontheARPANetDecember1969:4nodesconnectedby56kbpsphonelines1971:FirstEmail1970’s:<100computersSRI940UCLASigma7UCSBIBM360UtahPDP10IMPsBBNteamthatimplementedtheinterfacemessageprocessorARPANetEvolvesintoInternetFirstE-mailSPAMmessage:1May197812:33EDT80-83:TCP/IP,DNS;ARPANETandMILNETsplit85-86:NSFbuildsNSFNETasbackbone,links6Supercomputercenters,1.5Mbps,10,000computers87-90:linkregionalnetworks,NSI(NASA),ESNet(DOE),DARTnet,TWBNet(DARPA),100,000computersARPANetSATNetPRNetTCP/IPNSFNetDeregulation&Commercialization19651975198519952005WWWISPASPAIPSATNet:SatelitenetworkPRNet:RadioNetwork操作系统现代观点的出现（集成电路时代）“物理”与“逻辑”概念的明确多道程序带来的地址映射机制改变“分时”与“保护”——OS的责任更加重要内存保护和CPU状态切换中断概念的出现设备管理概念的增强I/O设备、内存管理：更加强大资源共享与互斥：Spooling技术，DMA的起源虚拟思想的萌芽分时系统的特点、多道程序的特点个人计算机时代（LSI与VLSI）1974年，Intel推出了8080通用8位CPUCP/M系统：GaryKildall，创建DigitalResearch公司1977－1982：CP/M统治PC世界的时代1983年，兼容机概念的出现与发展CP/M系统的死亡之旅：后悔100辈子的选择BillGates的成功之路：源自SeattleComputerProducts的DOS系统IT业成功的商业模式：软硬件捆绑＋知识产权保护成功的偶然与必然：Microsoft从蚂蚁到大象的发展道路GUI界面的起源——SteveJobs的兴衰DougEngelbar发明了GUI机制，新的计算机科学领域HCI逐渐兴起XeroxPARC的际遇和悲哀：掌握GUI，却没有实现其商业价值；1972年，第一台PC机AltoSteveJobs：Lisa的失败与Macintosh的成功微软时代的来临Windows3.1(1985-1995),Windows95,Windows98:16位操作系统的代表WindowsNT与2K，WindowsXP，Windows2003：32位操作系统的代表Vista,Win7：下一代64位操作系统XeroxStar:1981Originallyaresearch

project(Alto)First“mice”,“windows”AppleLisa/Machintosh:1984“LookandFeel”suit1988MicrosoftWindows:Win1.0(1985)Win3.1(1990)Win95(1995)WinNT(1993)Win2000(2000)WinXP(2001)WinVista(2007)XeroxStarWindows3.1SingleLevelHAL/ProtectionNoHAL/FullProt其他独具特色的操作系统微内核操作系统1975，Rochester大学开发了RIG系统1984年，Mach系统的研发。1986（1.0），1988（2.5），1989（3.0）IBM的大型机操作系统OS/390大型机的复活：网络时代的新生嵌入式操作系统——VxWorksWindDriver公司的独到眼光，火星探测器的大脑技术应用的新领域：计算时代与智能时代的来临LinusTorvalds如此自然的Linux系统：DIY概念的起源Android,Symbin,iphone——未来趋势移动嵌入式操作系统嵌入式操作系统示例课程导论美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装TinyOS智能卡操作系统课程导论

在读写器与智能卡之间通过“命令-响应对”方式进行通信和控制读写器发出操作命令，智能卡接收命令操作系统对命令加以解释，完成命令的解密与校验操作系统调用相应程序来进行数据处理，产生应答信息，加密后送给读写器28内容提要操作系统发展简史操作系统基本特征操作系统原理组成操作系统结构设计内容提要操作系统基本特征虚拟——最主要的特征CPU虚拟、内存虚拟、显示设备虚拟更高层次的虚拟：硬件设备虚拟并发与共享——分时系统的特征CoCurrency的宏观体现和微观概念共享与互斥：由此引发的一系列设计难题不确定性——复杂应用的特征并发情况无法预期，如何有效控制保护机制与恢复机制：操作系统稳定性的体现课程导论虚拟技术计算机硬件的多样性；不同类型的CPUPentium,PowerPC,ColdFire,ARM,MIPS不同类型的memory,disk,…不同类型的外设Mice,Keyboards,Sensors,Cameras,Fingerprintreaders不同的网络环境Cable,DSL,Wireless,Firewalls,…ApplicationOperatingSystemHardwareVirtualMachineInterfacePhysicalMachineInterface并发性1．并行与并发并行性和并发性(Concurrence)是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。共享性互斥共享方式

系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。为此，系统中应建立一种机制，以保证对这类资源的互斥访问。同时访问方式

系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。内容提要操作系统发展简史操作系统基本特征操作系统原理组成操作系统结构设计内容提要操作系统的基本原理框架进程管理（CPU管理）进程的定义与实现、进程的调度、进程通信…存储管理（内存管理）存储管理策略、虚拟存储、页面调度、工作集模型设备管理（I/O管理）I/O软件设计、中断处理、死锁、DMA…文件系统（硬盘管理与数据管理）硬盘空间管理、文件系统结构、文件与目录、安全保护课程导论内容提要操作系统发展简史操作系统基本特征操作系统原理组成操作系统结构设计内容提要

无结构操作系统在早期开发操作系统时，设计者只是把注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。此时的OS是为数众多的一组过程的集合，每个过程可以任意地相互调用其它过程，致使操作系统内部既复杂又混乱。因此，这种OS是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。

模块化结构OS

模块化程序设计技术是20世纪60年代出现的一种结构化程