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1、第一章 操作系统概述,操作系统课程组,第2页,讨论问题,什么是操作系统？我们为什么要使用操作系统？,第3页,一、什么是操作系统？,其实现在并无精确定义不同的观点用户角度：操作系统是用户使用计算机的界面。提供用户与计算机硬件之间的接口，一般可以分为三种：命令方式，系统调用，图形界面。软件角度：操作系统是程序和数据结构的集合。它是直接和硬件相邻的第一层软件，是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的。,第4页,一、什么是操作系统？,系统观点：操作系统是对计算机资源管理，这些资源包括硬件和软件。操作系统向用户提供了高级而调用简单的服务，掩盖了绝大部分硬件设备复杂的特性和差异，使得用户可以免除大
2、量的乏味的杂务，而把精力集中在自己所要处理的任务上。教材中的定义操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织和管理计算机的工作流程以方面用户使用的程序的集合。,第5页,计算机系统的结构,二、为什么要使用操作系统？,裸机,第6页,二、为什么要使用操作系统？,OS的地位位于硬件（裸机）之上，所有其他软件之下。它是对硬件系统功能的首次扩充。引入操作系统的目标（特性）方便：提供一个用户与计算机硬件之间的接口，使计算机更易于操作；有效：以更有效的方式使用计算机软硬件资源；改善性能：合理的组织计算机系统的工作流程，以改善系统性能；提供扩展能力：支持可扩展的体系结构，可以方便的引进新的功能，支持可移
3、植性和互操作性。,第7页,三、现代操作系统的特征,并发（concurrence）并发性：指两个或者多个事件在同一时间间隔内发生。并行性（parallel）：指两个或者多个事件在同一时刻发生（同时发生）。共享（sharing）系统中有限的资源不在为某个用户独占，而是可供多个用户共享。共享的方式：1）互斥共享：一段时间内某一资源只允许一个用户使用，当使用完后，其他用户才能使用。例如：打印机、扫描仪等。2）非互斥共享：一个资源在一段时间内可以供多个用户“同时”使用。依旧是：宏观上的并行，微观上的串行。例如CPU,内存等。,第8页,三、现代操作系统的特征,虚拟（virtual）一个物理实体映射为若干个
4、对应的逻辑实体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。,第9页,三、现代操作系统的特征,不确定性（uncertainty）操作系统的不确定性也称为异步性(asynchronism)，指在并发环境下程序的执行顺序、开始时间和执行时间是不确定性（不可准确预知）。特点：在相同的环境下，无论程序执行的顺序如何，何时开始执行，也无论执行多少时间，只要输入相同，则结果总是相同的。,第10页,四、操作系统的发展,操作系统的发展和计算机体系结构有着密切联系第一台机械计算机：差分机由英国数学家Charles Babbage设计,第11页,四、操作系统的发展,第一代电子计算机（194
5、61955）：人工操作方式,结构：由数万个真空电子管、插件板、导线组成，体积巨大，运算极慢，且很不可靠。操作：程序员提前在墙上的机时表上预约一段时间，然后到机房将他的插板插到计算机里，在接下来的几小时里计算自己的题目。这个阶段基本上所有的题目都是数值计算问题。缺点：系统资源利用率极低。,重量30t,功率150kW占地167m2,第12页,四、操作系统的发展,第二代计算机（1955-1965）：脱机和批处理系统结构：使用晶体管，体积减小，可靠性提高，可以批量生产，仅有少数大公司、主要的政府部门和大学买得起。,第13页,四、操作系统的发展,第三代计算机（1965-1980）：多道程序设计结构：小规
6、模集成电路芯片，性价比有较大提升，典型的有IBM360系列，它提出了软件兼容的概念，可在科学计算和商用计算领域通用。,第14页,四、操作系统的发展,IBM360的操作系统OS/360以失败而告终，但是它提出了两项非常重要的技术：1）多道程序设计技术。极大的提高了CPU的利用率。2）Spooling（Simultaneous Peripheral Operation On Line）技术。多道程序设计技术的出现给系统的管理提出了挑战，例如：内存管理问题、处理机等资源共享问题、文件检索和存储问题等。为了解决这些问题，系统中必须设置一套管理软件以方便用户使用，于是便形成了操作系统。因此我们说：多道程
7、序设计技术是操作系统形成的标志。这一时期著名的操作系统有:MIT:CTSS（第一个分时系统，1963年）；Bell实验室:UNIX。,第15页,四、操作系统的发展,第四代计算机（1980-1990）：个人计算机结构：大规模集成电路，体积很小，功能强大。这一时期操作系统技术日趋完善，典型的有：1）Microsoft：MS-DOS,windows系列2）UNIX和Linux,第16页,五、操作系统的分类,微机操作系统单用户微机操作系统CP/M：早期8位系统(75年)，配置在Intel8080,8085机器上。MS-DOS：81年，16位系统，配置在IBM-PC机上。OS/2：87年，IBM推出，单
8、用户、多任务，运行在80286，80386机器上。多用户微机操作系统MS：Windows系列UNIX,Linux,第17页,五、操作系统的分类,批处理系统单道批处理系统：早期的操作系统类型，作业排好队，一个一个运行，一次运行一个。如 IBSYS(IBM7409)。多道批处理系统：内存中可以同时放入多个作业运行，作业的执行需要调度，有了进程的概念。如UNIX。远程批处理系统：依靠网络运行，可以远程处理作业，是分布式系统的基本条件。优点：系统吞吐量大，资源利用率高。缺点：无实时交互能力；作业周转时间长(作业必须一次运行完)。,第18页,五、操作系统的分类,分时系统“分时”的定义：指把计算机的系统资
9、源(尤其是CPU时间)进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片，每个用户依次轮流使用时间片。典型的分时系统：早期：CTSS,MULTICS现代：Windows,UNIX,Linux,第19页,五、操作系统的分类,实时操作系统概念：在限定的时间内对输入进行快速处理并作出响应的计算机处理系统。主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。实时系统与分时系统的区别,第20页,五、操作系统的分类,网络操作系统分布式操作系统并行操作系统,第21页,五、操作系统的分类,嵌入式操作系统(Embeded Operating System)定义IEEE:An Embedded sy
10、stem is the devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants.嵌入式系统一般指非 PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于 PC 中 BIOS 的工作方式，其软件代码小、自动化程度高、响应速度快，特别适合于要求实时和多任务的体系。,第22页,五、操作系统的分类,应用：几乎包括
11、了生活中的所有电器设备，典型的如手机、PDA、汽车、微波炉、数码相机、电梯、工业自动化设备等。特点嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用型CPU的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中，具有低功耗、体积小、集成度高的特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统是将先进技术(计算机技术,半导体技术,电子技术)与各个行业的具体应用相结合后的产物。决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。,第23页,五、操作系统的分类,嵌入式系统的硬件和软件都必
12、须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境支持。,第24页,五、操作系统的分类,嵌入式系统一览表,第25页,五、操作系统的分类,第26页,五、操作系统的分类,嵌入式系统发展趋势需要强大的开发工具和操作系统的支持；联
13、网成为必然趋势；支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本；提供精巧的多媒体人机界面。,第27页,六、操作系统的结构,层次结构观点将系统按照层次结构划分为若干“层”。某一层次上代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用有序化。系统每加一层，就构成一个比原来功能更强的虚拟机。第一个按照这种思想构造的系统是THE系统(68年，Dijkstra等设计，简单的批处理系统)。,OSI模型,THE模型,优点：1）功能明确，调用关系清晰(高层对低层单向依赖),有利于保证设计和实现的正确性；2）低层和高层可分别实现(便于扩充)；高层错误不会影响到低层；避免递归调用(不会死锁)。缺点：降低了运行效率；各系统对具
14、体划分多少层次有不同的看法。,第28页,六、操作系统的结构,功能观点：模块接口法整个系统分成若干功能各异的模块，模块预先定义有接口，各模块之间只能通过这些接口进行通信。模块可以自由调用。典型的操作系统：UNIX,优点：灵活性强；运行效率高；开发过程快。缺点：1）功能划分和模块接口难以保证正确和合理，连接上有一定困难；2）模块之间的依赖关系复杂，降低了模块之间的相对独立性，可能会造成循环依赖不利于修改(高耦合性)。,第29页,六、操作系统的结构,虚拟机将整个系统在逻辑上虚拟为若干个相同的机器。,典型操作系统：IBM:VM/370(1979年)其实是对硬件的精确复制，每台虚拟机和裸机完全相同，可以
15、运行不同的操作系统。技术基础：1）分时系统2）多道程序设计技术,第30页,六、操作系统的结构,用户观点操作系统是用户和计算机之间的接口程序级接口：系统调用作业控制级接口：命令方式和图形界面,第31页,六、操作系统的结构,资源管理观点计算机系统中有五大资源：作业、处理机、存储器、外部设备、磁盘信息(文件)。它们共同构成了操作系统本身和用户工作的物质基础和环境。实质上是将操作系统看成计算机系统的资源管理程序。包括五大部分：,作业管理,处理机管理(进程管理),存储管理,设备管理,文件系统管理,第32页,操作系统,core,第33页,七、内核体系结构模型,微内核(microkernel)基本思想：将更
16、多操作系统功能放在核心之外，作为独立的服务进程运行；内核保持尽量小，只实现操作系统的基本功能，称为微内核。其典型应用为客户机/服务器模式。,第34页,七、内核体系结构模型,优点：良好的扩充性：只需添加支持新功能的服务进程即可可靠性好：模块相互隔离，调用关系明确，执行转移不易混乱便于网络服务，实现分布式处理：以同样的调用形式，在下层可通过核心中的网络传送到远方服务器上缺点：消息传递比直接调用效率要低一些(但可以通过提高硬件性能来补偿),第35页,七、内核体系结构模型,单内核基本思想：将核心分为若干个模块，模块间的通信通过调用其它模块中的函数实现。,第36页,七、内核体系结构模型,优点：运行效率较
17、高组织方式相对也比较简单缺点：内核移植比较困难混合结构事实上，现在的操作系统多采用单内核和微内核的混合结构，以便取长补短。例如：Linux的内核从总体上来说是一个单内核结构，但是设计时也引入了许多微内核的设计和实现方法。现在系统的可移植性是非常重要的，因此微内核模型将是未来的发展趋势之一。,第37页,八、几种实际的操作系统,MS-DOS(Disk Operating System)最早用于IBM PC,CPU intel8088/8086单用户单任务16位操作系统历史1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持软盘的个人操作系统；1983年：DOS2.0：PC XT，支持硬盘和目录的
18、层次结构，并提供丰富的系统命令；1984年：DOS3.0：PC AT(Intel 80286 CPU)，它把286作为一个快速的8086使用。纯DOS 的最高版本为DOS6.22，这以后的新版本DOS都是由Windows系统所提供的，并不单独存在。,第38页,八、几种实际的操作系统,结构：层次设计法,输入输出系统(IBMIO.com,ROM-BIOS),文件管理系统(IBMDOS.com),命令处理程序(),硬 件,第39页,八、几种实际的操作系统,Windows85年：windows1.016位OS，基于DOS内核，是DOS中的一个高级应用。,第40页,八、几种实际的操作系统,90年：Win
19、dows 3.0，16位OS(模拟32位)，借见Macintosh 的用户界面，稳定性、友好性有了大的改进，引起了普遍关注。,第41页,八、几种实际的操作系统,93年：Windows NT系列推出，纯32位，支持企业级用户，不仅能提供计算服务平台，而且支持大量用户的并发应用，可以在恶劣的运行程序下仍保持特定的稳定性和效率。其典型代表为Windows NT4.0。,第42页,八、几种实际的操作系统,95年：windows95，32位，界面，兼容性，易用性有很大改观。开创了windows的新纪元。,第43页,八、几种实际的操作系统,98年：windows98，捆绑了IE浏览器，多媒体功能加强。20
20、00年：windows2000windows NT的升级版，稳定性、安全性进一步增强。2001年：windows XPWindows系列(95以后)的特点统一的图形界面和操作方法，良好的兼容性。虚拟存储：段页式，有存储保护。文件系统：支持多种格式如FAT16,FAT32,NTFS。多任务、多线程。具有丰富的应用程序。内置网络和通讯功能，支持多媒体技术。,第44页,八、几种实际的操作系统,UNIX,1987,Minix,1991,Linux,Linus Torvalds,Red hat,Red flag,Linus Torvalds,Ken Thompson,Dennis Richie,Slackware Linux,第45页,八、几种实际的操作系统,Unix系统的特点,UNIX,多用户、多任务、分时操作系统,核心代码95使用C语言编写，内核极小，容易编写、修改，可移植性好；,可靠性强，30多年历史的证明;,文件系统采用树型分层结构，灵活，安全，检索快捷,文件和设备的统一处理，简化了系统设计，便于用户使用；,外围系统实例丰富,第46页,作业：P26习题9,11,
