操作系统课件第1章 操作系统引论

●实践性强（从实践总结出原理）●涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，软件工程等）●错综复杂、纵横交叉

操作系统课程特点●认真听讲，按时完成作业

●研读教材、参考书，全面掌握其内容

●善于思考，发现问题、提出问题要努力寻求问题的答案注意学习方法第一章操作系统引论●操作系统的定义--------------操作系统是什么？●操作系统的形成--------------为什么要操作系统？●操作系统的特征--------------操作系统怎么样？●操作系统的功能--------------操作系统能干什么？●操作系统的分类--------------操作系统有哪些？本章要点●操作系统体系结构--------------操作系统新发展？资源管理的观点用户的观点●操作系统是控制和管理计算机的软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，以及方便用户的程序集合。本质312●操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩充。机器扩充的观点1.1操作系统的定义用户的观点●操作系统的地位：紧贴硬件（裸机）之上，所有其他软件之下。1946年第一代计算机上没有操作系统1958年第二代计算机上有了监控系统1964年第三代计算机上操作系统得到极大发展1974年第四代计算机操作系统向多元化方向发展

Development1.2操作系统的产生和发展

在第一代计算机上没有操作系统，对计算机的操作完全是人工操作方式，这种人工操作方式有两个缺点：●用户完全独占计算机。也就是说，计算机的全部资源只供一个用户使用。●计算机等待人工操作。当用户操作时计算机要等待，CPU空闲。人工操作监控系统●第二代计算机主要用于科学和工程计算，程序大多用FORTRAN语言书写，该语言适用于作数值运算，当时主机上用的控制程序称之为监控程序（Monitor），其功能相对比较简单，监控程序是操作系统的雏形。●

单道批处理系统（SimpleBatchSystem）是将所有的作业用一台相对比较便宜的计算机（如IBM1401）输入到磁带上，此计算机称为输入/输出机，实施数值运算、速度较快的计算机称为主机（如IBM7094）。大批的作业在输入/输出机的控制下输入到磁带后，用一个特殊的程序来控制作业的读入和运行，这个特殊的程序叫作业控制语言（JCL，JobControlLanguage）书写，它能控制程序的运行，如图所示。

●矛盾的观点矛盾的观点

●用操作员——不分工（第一代）-->有分工（第二代）

●减少人干预——手工操作-->早期的批处理●作业控制卡●作业控制语言JCL●FORTRAN语言产生（第二代）

●用多个操作员——产生分时系统（第三代）

●多台外设----产生多道程序设计（第三代）

●提高外设速度●硬件----产生通道、中断（第三代）

●软件用缓冲区(Buffer)产生脱机输入/输出技术主机与外设速度的不匹配——Vcpu~Vp计算机与人速度的不匹配——Vcomputer~Vpersom启示！■操作系统的产生和发展是计算机内部矛盾产生和发展的结果。速度的矛盾脱机输入/输出技术●程序和数据的输入都不是在主机的控制之下，而是在一台专门作输入/输出的计算机的控制之下进行，或者说，输入/输出工作是在脱离主机的情况之下进行的，故称为脱机输入/输出（OffLineI/O），如图所示。单道程序运行情况多道程序运行情况多道程序设计●随着大规模集成电路（在每平方厘米的芯片上集成数千个晶体管）的发展，计算机向着微型化、网络化和智能化的方向发展。●个人计算机的时代到来了。●个人计算机连接成了网络。因此运行其上的网络操作系统和分布式操作系统就开始崛起。多元化发展1.3操作系统的特征也称随机性，是指系统中各种事件的发生顺序是不确定的。不确定并发两个或两个以上的事物在同一时间间隔内发生共享系统中的软、硬件资源在其上的供多个程序共同享用

●互斥共享——某时间内只允许一个进程访问，该进程访问完了，别人才可访问。如：打印机

●同时访问——某时间段内，允许多个进程同时访问。如：磁盘。虚拟通过某种技术手段把一个物理上的实体，变成多个逻辑上的对应物1.4操作系统的功能创意存储管理制作图片进程管理制作动画设备管理制作声音文件管理编制程序用户接口显示器键盘CD-ROM外存储器音响设备鼠标内存储器中央处理器●对处理机的分配和运行实施有效管理。●在多道程序环境下，处理机的分配和运行以进程为单位，因此对处理机的管理即对进程的管理。●

任务●进程控制●进程同步●进程通信●进程调度●

功能制作图片进程管理●方便用户使用内存●提高内存的利用率●从逻辑上扩充内存●

任务●内存分配●地址映射●内存保护●内存扩充●

功能创意存储管理制作动画设备管理●完成用户程序请求的I/O操作，为用户程序分配I/O设备●提高外部设备的利用●尽可能地提高输入/输出的速度●方便用户使用外部设备●

任务●设备分配●设备控制●设备无关性●

功能●大量的信息以文件的形式放在外存，对信息的管理也就是对文件的管理

●

任务制作声音●文件存储空间的管理●目录管理●文件的读、写管理●文件的存取控制●

功能文件管理编制程序操作系统接口●联机命令接口●脱机命令接口●图形用户界面（命令接口的改版）●

命令接口●

程序接口●也称系统调用1.5操作系统类型成熟的发展中的●批处理系统●分时系统●实时系统●微机操作系统●多处理机操作系统

●网络操作系统

●分布式操作系统DevelopingDeveloped●嵌入式操作系统批处理系统单道●内存中仅放一道作业●作业的完成顺序与进驻内存的顺序相关多道●内存中放多道作业●作业的完成顺序与进驻内存的顺序无严格对应关系●资源利用率高●系统吞吐量大●

优点●平均周转时间长●无交互能力●

缺点批处理系统的优缺点IBM的DOS/VSE实例类型●简单分时系统●具有前后台的分时系统●多道分时系统

特征●多路性●独立性●交互性●及时性分时系统

允许多个终端用户同时使用计算机，在这样的系统中，用户感觉不到其他用户的存在，好象独占计算机一样。OS/360Multics实例类型●闭环——实时控制系统●开环——实时信息处理系统特殊要求●高可靠性●过载保护●对截止时间的要求

对外部输入的信息，实时系统能够在规定的时间内处理完毕并作出反应。实时系统QNXVxWorksRTLinux实例●CP/M操作系统●MS-DOS

操作系统●OS/2

操作系统●

Windows

操作系统●UNIX及类UNIX

操作系统●Solaris ●SVR4●SCOOpenServer●SCOUnixWare7●

Xenix

●Linux●

MacOSX操作系统微机操作系统●增加系统吞吐量●节省投资

●提高系统可靠性●

引入原因●非对称多处理模式——主-从模式●对称多处理模式——独立管理模式●

多处理机OS类型多处理机操作系统●客户/服务器模式——Client/server●对等模式——PeertoPeer●网络OS模式●网络通信●资源共享管理●网络服务●

网络OS功能网络操作系统●网络管理●互操作能力●多机合作●健壮性●透明性●共享性●

分布式OS特点分布式操作系统

分布式系统是由若干个计算机经互连网络连接而成的，这些计算机既可以独立工作，又能协同工作。可实现系统内的资源管理，任务动态分配，并能并行地运行分布式程序。●分布式架构首次用于终端操作系统，实现跨终端无缝协同体验。●确定时延引擎和高性能进程间通信（Inter-ProcessCommunication，IPC）技术实现系统流畅。●基于微内核架构重塑终端设备可信安全。●鸿蒙操作系统通过统一集成开发环境（

IDE）支撑一次开发，多端部署，实现跨终端生态共享。●

华为鸿蒙操作系统技术特性华为鸿蒙操作系统

华为鸿蒙（英语：HarmonyOS，开发代号：Ark）是基于微内核的全场景分布式操作系统。●嵌入式计算机，顾名思义即将计算机嵌入到其他设备上，这些设备无处不在，大到汽车发动机、机器人，小到电视机、微波炉、移动电话。运行在其上的操作系统比较简单，只实现所要求的控制功能。●嵌入式系统

计算机发展的趋势之一是体积越来越小，掌上电脑和嵌入式系统随机出现。掌上电脑也称PDA

嵌入式操作系统●单核系统单处理器是目前多数操作系统采用的硬件，其特点是CPU只有一个，并且一次性只能执行一个包括用户进程的通用指令集。在单处理器系统中，配置键盘、磁盘以及图像控制器等多种专用处理器以及一些类似实现系统之间数据移动的I/O处理器（控制器）。在一些特殊的情况下，专用处理器是集成到硬件的，作为计算机的底层组件，操作系统不能直接与此类处理器进行通信，但是可以自主完成任务，需要注意的是此类专用处理器虽然可以独立完成任务，但是并不能将他们作为单独的处理器，成为多处理器系统，我们界定单处理器的标准只有一个通用的CPU。后续本书介绍的操作系统也主要是单核系统为主。●多核系统多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)，此时处理器能支持系统总线上的多个处理器，由总线控制器提供所有总线控制信号和命令信号。多处理器系统也称为多核系统，随着计算量的快速增大，传统的单处理器系统已不能满足需求，多处理系统开始在计算领域崭露头角并且逐渐主导计算领域。多核系统在硬件上表现为两个或多个紧密通信的CPU，共享总线、适中、外设与内存等。多核系统的特点主要有三点：吞吐量大，规模经济以及较强的可靠性。多核系统的容错能力突出，能够容忍单个部件错误，并且仍然继续运行。●多核系统●AMP模式非对称处理（AMP)的每个CPU内核运行一个独立的操作系统或者同一操作系统的独立实例，即每个处理器都有各自特定的任务。在AMP处理模式下，系统中的处理器分为两大类:一类是主处理器，负责控制整个系统，并且向其他处理器分配规定的任务；另一类是从处理器，负责完成主处理器分配的任务。两类服务器地位和功能不同，是主从关系，主处理器调度从处理器，并安排工作。AMP在包编译前就要决定部署在哪个核上，每个核上跑的软件可以不同。包可以带操作系统也可以不带，主要用于实时性要求很高的系统，一般以用于RPU系统，及时发现系统的中断，错误等。●AMP模式AMP模式的主要特点是各个操作系统拥有自己专用的内存，并且相互之间通过访问受限的共享内存进行通信。AMP模式的操作系统结构要实现系统资源的分配必须离不开用户的参与。在应用方面，AMP模式的应用比较少，商用操作系统中仅有WindRiver公司的VxWorks提供AMP模式的配置。●SMP模式SMP模式的操作系统构架是多核处理器技术的一种变体，能够同时管理所有CPU内核，且应用并不绑定某一个内核由一个操作系统实例控制所有处理器。不同于AMP模式中，SMP模式系统中所有CPU具有相同的地位，并且运行同一个操作系统，共享系统内存和外设资源。相对于AMP模式，SMP模式的操作系统具有可共享内存、较高的性能和功耗比、以及易实现负载均衡等优点，更能发挥发挥多核处理器的硬件优势。●SMP硬件平台●BMP模式BMP和SMP类似，也是一个OS管理所有内核，但是不同的是BMP模式中，开发者可以指定将某个任务仅在某个指定内核上执行而在BMP模式下每个应用被锁定于某个指定的核心。BMP能够满足强实时、

高吞吐量业务需求，能够结合SMP高级资源管理和AMP应用控制的混合功能，具有透明资源管理功能。

同时让开发者将业务线程绑定在指定的CPU核上，既满足不同业务的性能需求，同时也互不干扰。●多核系统发展技术路线面向可扩展多核操作系统集中在主要的三种技术路线：1）改进传统宏内核架构，以适应多核体系结构2）基于功能分布思想3）借鉴分布式系统的数据分布思想以及消息通信机制。●集群系统集群系统是一组独立的计算机（节点）的集合体，节点间通过高性能的互联网络连接，各节点除了作为一个单一的计算资源供交互式用户使用外，还可以协同工作，并表示为一个单一的、集中地计算资源，供并行计算任务使用。基于集群技术，多台PC或工作站的计算能力大幅提升，可以匹敌大型机，但是集群系统是一种造价低廉、易于构建并且具有较好可扩放性的体系结构。目前在很多领域，集群已经开始取代大型机，成为一种新的计算基础设施。●集群系统集群系统，将多个CPU组合在一起，因此他本质上也是一种红多处理器系统。但是集群系统与前述的多处理系统又不同，表现为松耦合，即集群系统主要是由多个独立节点或者多个独立系统组成，而每个节点或者系统又可以看成是一个单处理器系统或者一个多核系统。集群系统是分布式系统的一种，一个集群通常由一群处理器密集构成，集群操作系统专门服务于这样的集群。●集群系统模式集群系统分为两种模式：对称模式与非对称模式。非对称模式指的是存在节点对，一个节点运行应用程序，另外一个节点处于热备份模式，一旦运行程序的节点发生故障，处于热备份模式的节点能够及时检测到并且及时编程活动服务器。对称模式指的是节点对的两个主机都是主程序运行机，并且互相坚实，此种模式更加高效。●集群系统特点（1）高可用性。集群系统具有高可用性，当集群中一个或者多个系统出错，集群中的其他系统