操作系統(tǒng) 第一節(jié)

1、計算機(jī)操作系統(tǒng)課程安排每周5課時：講課3課時 上機(jī)實(shí)習(xí)2課時總成績：平時（作業(yè)+考勤+課堂表現(xiàn)）30% 考試70%第三周開始上機(jī)實(shí)習(xí)雷迅，val.ray90前期課程和有關(guān)參考書前期課程：計算機(jī)基礎(chǔ)知識，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參考書目：操作系統(tǒng)實(shí)用教程，任愛華主編，清華大學(xué)出版社 第二版計算機(jī)操作系統(tǒng)，湯子瀛等，西安電子科技大學(xué)出版社現(xiàn)代操作系統(tǒng)，Andrew S.Tanenbaum，陳向群等譯課程主要講解內(nèi)容操作系統(tǒng)概述中斷及系統(tǒng)調(diào)用內(nèi)存管理進(jìn)程及線程處理機(jī)調(diào)度同步互斥文件系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)第一講 操作系統(tǒng)概述什么是操作系統(tǒng)為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)計算機(jī)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)定義 操作系統(tǒng)是一個

2、控制程序 沒有公認(rèn)的精確定義一個系統(tǒng)軟件控制程序執(zhí)行過程，防止錯誤和計算機(jī)的不當(dāng)使用執(zhí)行用戶程序，給用戶程序提供各種服務(wù)方便用戶使用計算機(jī)系統(tǒng) 操作系統(tǒng)是一個資源管理器應(yīng)用程序與硬件之間的中間層管理各種計算機(jī)軟硬件資源提供訪問計算機(jī)軟硬件資源的高效手段解決資源訪問沖突，確保資源公平使用操作系統(tǒng)的地位操作系統(tǒng)的地位操作系統(tǒng)軟件的分類操作系統(tǒng)軟件的組成 Shell-命令行接口通過鍵盤操縱。方便用戶進(jìn)行命令輸入 GUI-圖形用戶接口WIMP（視窗（Window）、圖標(biāo)（Icon）、選單（Menu）、指標(biāo)（Pointer）直接操作和所見即所得 Kernel-操作系統(tǒng)的內(nèi)部 執(zhí)行各種資源管理等功能操作系

3、統(tǒng)軟件的組成操作系統(tǒng)內(nèi)核特征 并發(fā) 計算機(jī)系統(tǒng)中同時存在多個運(yùn)行的程序，需要OS管理和調(diào)度 共享 虛擬 異步“同時”訪問 互斥共享 利用多道程序設(shè)計技術(shù)，讓每個用戶都覺得有一個計算機(jī)專門為他服務(wù)程序的執(zhí)行不是一貫到底，而是走走停停，向前推進(jìn)的速度只要運(yùn)行環(huán)境相同，OS需要保證程序運(yùn)行的結(jié)果也要相同操作系統(tǒng)課是多門課程的綜合 綜合課程-結(jié)合許多不同的課程程序設(shè)計語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)很酷!掌握操作系統(tǒng)是一個挑戰(zhàn)!我要參與系統(tǒng)軟件開發(fā)操作系統(tǒng)很有用!我想了解操作系統(tǒng)到底是如何工作的？指導(dǎo)應(yīng)用軟件開發(fā) 更好得使用計算機(jī)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的目的 已有操作系統(tǒng)很好，我將來的工作不會寫操作系統(tǒng)W

4、indows,Linux. 已有操作系統(tǒng)是否解決了所有的事? 為什么我要學(xué)習(xí)它？操作系統(tǒng)軟件的地位 操作系統(tǒng)：計算機(jī)科學(xué)研究的基石之一計算機(jī)系統(tǒng)的基本組成部分由硬件的發(fā)展和應(yīng)用需求所驅(qū)動學(xué)術(shù)和工業(yè)的持續(xù)推進(jìn)掌握操作系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性（1）Windows Xp 有4500萬行 操作系統(tǒng)很大操作系統(tǒng)必須比用戶程序擁有更高的穩(wěn)定性 操作系統(tǒng)是系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)并發(fā)導(dǎo)致有趣的編程挑戰(zhàn) 操作系統(tǒng)管理并發(fā)時間依賴行為, 非法行為, 硬件故障 操作系統(tǒng)代碼管理原始硬件 操作系統(tǒng)代碼必須是高效的, 低耗CPU、內(nèi)存、磁盤的 操作系統(tǒng)出錯，就意味著機(jī)器出錯掌握操作系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性（2） 并發(fā)性和瑣碎的調(diào)度算法、內(nèi)核鎖機(jī)制

5、時間與空間性能與可預(yù)測性 操作系統(tǒng)是關(guān)于：如何讓中斷、異常、上下文切換真正有效? TLB是如何工作的？這對頁表又意味著什么？ 硬件 權(quán)衡公平與性能（哪種設(shè)計能工作？為什么？）如何學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)？ “天才是1%的靈感加上99%的汗水 - Thomas Edison 不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之；學(xué)至于行之而止矣。-荀子儒效篇 如何學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)？計算機(jī)的發(fā)展-機(jī)械計算機(jī)機(jī)械計算機(jī)時代（1614-1946）：1614年提出的原始的自動計算裝置標(biāo)志著計算機(jī)時代的來臨。1840年英國人Charles Babbage設(shè)計了差分機(jī)和分析機(jī)，設(shè)計理論非常超前，提出了卡片輸入程序和數(shù)據(jù)計

6、算機(jī)的發(fā)展-電子計算機(jī)第一代電子計算機(jī)（1946-1958）：電子管制作開關(guān)邏輯部件。代表機(jī)有“科洛薩斯”（英國），ENIAC(美國），10Hz 第二代電子計算機(jī)（1959-1964）：晶體管制作開關(guān)邏輯部件。程序設(shè)計開始使用高級語言。代表機(jī)IBM-7094，幾十到幾百萬Hz第三代電子計算機(jī)（1965-1970）：使用集成電路制作開關(guān)邏輯部件，IBM360，幾百萬到幾千萬Hz第四代電子計算機(jī)（1971年至今）：使用大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路制作開關(guān)邏輯部件，Pentium等計算機(jī)發(fā)展史中的大事1848年英國數(shù)學(xué)家George Boole創(chuàng)立了二進(jìn)制代數(shù)學(xué)1937年Turing圖靈提出了一種抽象計

7、算模型，用來精確定義可計算函數(shù)。圖靈機(jī)由一個控制器、一條可無限伸延的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭組成。這個在概念上如此簡單的機(jī)器，理論上可以計算任何直觀可計算的函數(shù)。 1949年出現(xiàn)馮諾依曼計算機(jī)。它的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)一致，由運(yùn)算器、控制器、存儲器、I/O設(shè)備五個部分組成Von Neumann計算機(jī)又叫“存儲程序式計算機(jī)”主要特點(diǎn)：集中順序過程控制處理器（運(yùn)算器，控制器）協(xié)處理器總線內(nèi)存儲器I/O設(shè)備硬盤等計算機(jī)未來的發(fā)展未來的計算機(jī)將與各種新技術(shù)相結(jié)合：與光電子學(xué)相結(jié)合的光子計算機(jī)與生物科學(xué)相結(jié)合，用生物材料進(jìn)行運(yùn)算的生物計算機(jī)為什么引入操作系統(tǒng)？從計算機(jī)管理的角度來看為了更加充分

8、、有效地使用計算機(jī)系統(tǒng)資源，合理地組織計算機(jī)的工作流程、有效地管理和分配計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源。從計算機(jī)使用的角度來看為了給用戶操作計算機(jī)提供一個良好的界面，以便用戶無須了解計算機(jī)硬件或系統(tǒng)軟件的有關(guān)細(xì)節(jié)就能方便地使用計算機(jī)。操作系統(tǒng)由哪些成分組成？控制和管理計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源的程序集合合理地組織計算機(jī)的工作流程的程序集合方便用戶使用的程序集合操作系統(tǒng)為什么改變 原則：設(shè)計隨著各種相關(guān)技術(shù)的改變而做出一定的改變 在過去二十年底層技術(shù)有極大的改變 ! 主要功能：硬件抽象和協(xié)調(diào)管理從1981到 2012計算機(jī)系統(tǒng)的對比操作系統(tǒng)的演變 單用戶系統(tǒng) 批處理系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng) 分時 個人計算

9、機(jī)：每個用戶一個系統(tǒng) 分布式計算：每個用戶多個系統(tǒng) 多處理機(jī)操作系統(tǒng) 實(shí)時操作系統(tǒng)29單用戶系統(tǒng)（45-55) 操作系統(tǒng)=裝載器+通用子程序庫 問題：昂貴組件的低利用率操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展-手工操作階段操作員將紙帶/卡片裝入輸入機(jī)啟動輸入機(jī)把程序和數(shù)據(jù)裝入輸入機(jī)通過控制臺開關(guān)使程序運(yùn)行程序運(yùn)行結(jié)束將結(jié)果在打印機(jī)上輸出卸下紙帶/卡片，將結(jié)果取走手工操作：人機(jī)矛盾突出批處理（55-65) 順序執(zhí)行與批處理操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展-批處理階段縮短手工操作時間，減少人工干預(yù)，提高計算機(jī)使用效率。將用戶提交的作業(yè)分批處理，使同一批作業(yè)執(zhí)行過程中一個用戶作業(yè)結(jié)束另一個用戶作業(yè)開始運(yùn)行的這種轉(zhuǎn)換工作由專門編制的

10、監(jiān)督程序來管理。聯(lián)機(jī)批處理階段和脫機(jī)批處理聯(lián)機(jī)批處理：輸入過程、運(yùn)算和輸出過程全部都由CPU處理。輸入輸出設(shè)備速度遠(yuǎn)比CPU低，在管理輸入輸出設(shè)備過程中大部分時間CPU都處于等待狀態(tài)。造成CPU資源的很大浪費(fèi)脫機(jī)批處理：除主機(jī)外另設(shè)一臺外圍機(jī)，外圍機(jī)只與輸入輸出設(shè)備打交道，不與主機(jī)直接連接。脫機(jī)批處理紙帶機(jī)卡片機(jī)打印機(jī)外圍機(jī)輸入帶輸出帶主機(jī)執(zhí)行管理帶 保持多個工作在內(nèi)存中并且在各工作間復(fù)用CPU多道程序（65-80)操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展-多道程序系統(tǒng)多道程序設(shè)計技術(shù)是指同時把多個作業(yè)放入內(nèi)存并允許它們交替執(zhí)行，從而共享系統(tǒng)中的軟硬件資源。當(dāng)正運(yùn)行的程序因某種原因而暫停執(zhí)行時，CPU就立即轉(zhuǎn)去執(zhí)

11、行另一道程序。CPU得到充分利用，提高了輸入輸出設(shè)備和內(nèi)存的利用率。允許多道程序運(yùn)行的操作系統(tǒng)具有宏觀上并行、微觀上串行的特點(diǎn)多道程序系統(tǒng)的幾種形式多道成批系統(tǒng)：多道+批處理分時系統(tǒng)：提高系統(tǒng)響應(yīng)能力，每個用戶一個終端分時系統(tǒng)的特點(diǎn)：多路性，獨(dú)占性，交互性，及時性 定時中斷用于工作對CPU的復(fù)用分時（70-)多處理機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理多個分布在各個系統(tǒng)或同一個系統(tǒng)中的多個處理機(jī)是一個“單系統(tǒng)”，每個CPU沒有私有內(nèi)存關(guān)鍵特點(diǎn)是單一的運(yùn)行隊(duì)列：系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的進(jìn)程組成的隊(duì)列多處理機(jī)的文件系統(tǒng)和單處理機(jī)系統(tǒng)幾乎沒有區(qū)別個人電腦操作系統(tǒng)單用戶利用率已不再是關(guān)注點(diǎn) 個人電腦系統(tǒng)重點(diǎn)是用戶界面和多媒

12、體功能很多老的服務(wù)和功能不存在最初: 操作系統(tǒng)作為一個簡單的服務(wù)提供者 (簡單庫)現(xiàn)在：支持協(xié)調(diào)和溝通的多應(yīng)用系統(tǒng) 演變越來越多的安全問題 (如，電子商務(wù)、醫(yī)療記錄) 網(wǎng)絡(luò)支持成為一個重要的功能分布式操作系統(tǒng)跨多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和協(xié)調(diào) 通常支持分布式服務(wù)松、緊耦合系統(tǒng) 可能使用多個處理器 高可用性與可靠性的要求分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)由若干臺獨(dú)立的計算機(jī)構(gòu)成，整個系統(tǒng)給用戶的印象是一臺計算機(jī)多機(jī)合作和健壯性：多機(jī)合作是自動的任務(wù)分配和協(xié)調(diào)，健壯性是局部故障時自動重構(gòu)新系統(tǒng)目前研究的熱點(diǎn)分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)演變中的計算機(jī)系統(tǒng)iOS/Android,AIX/HP-UX主機(jī)型計算(Mainframe

13、 computing)Windows/Linux/BSD,個人機(jī)計算(Personal computing)網(wǎng)絡(luò)計算(Internet computing)Future OS普適計算(Pervasive computing)，移動計算，云計算，大數(shù)據(jù)處理，許多聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為許多人提供個性化的服務(wù)操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史PC機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展UNIX的發(fā)展個人電腦操作系統(tǒng)的發(fā)展DOS操作系統(tǒng)，1981年問世，1.0版-7.0版以字符為基礎(chǔ)的用戶接口，單用戶單任務(wù)MS-DOS(Microsoft), PC-DOS(IBM), DR DOS(Novell)適用于16位機(jī)，最大的優(yōu)勢是支持眾多的通用軟件Windo

14、ws操作系統(tǒng)，1985年問世，Windows1.0版-Windows2000以圖形為基礎(chǔ)的用戶接口，多窗口多任務(wù)Windows *, Windows NT(New Technology), Windows XP(Explore)兼容16位軟件，32位操作系統(tǒng)OS/2操作系統(tǒng)，1987年由IBM公司推出32位多任務(wù)操作系統(tǒng)因缺乏應(yīng)用軟件的支持而失敗UNIX操作系統(tǒng)的發(fā)展1969年，Ken Thompson在一臺廢棄的PDP-7小型計算機(jī)上用匯編語言重寫一個簡化的MULTICS操作系統(tǒng)，稱為UNICS，即為UNIX1973年，Thompson和Ritchie一起用C重寫了UNIX1973年到20世

15、紀(jì)70年代末，UNIX免費(fèi)擴(kuò)散70年代中期到80年代中期，商用版本出現(xiàn)80年代中期，UNIX已被廣泛應(yīng)用于各種型號的小型機(jī)和工作站上Minix1986年 Mini UNIX，由Andrew S. Tenebaum編寫UNIX系統(tǒng)的子集，X86最多支持個用戶，沒有圖形用戶界面Linux1991年Linus Torvalds開發(fā)，以MINIX為基礎(chǔ)。是一個功能可與UNIX和Windows相媲美的操作系統(tǒng)特點(diǎn)：免費(fèi)軟件Linux操作系統(tǒng)與主流的UNIX系統(tǒng)兼容支持幾乎所有的硬件平臺：Intel系列，Alpha系列，MIPS系列，并廣泛支持各種周邊設(shè)備自由軟件的保證：GPLGeneral Public

16、 LicenseRichard Mathew Stallman (史托曼) 在 1984 年發(fā)起的 GNU 計劃自由不是免費(fèi)自由是自由復(fù)制、修改、發(fā)布等。進(jìn)入公有領(lǐng)域并不能保證軟件能始終被人自由使用、修改和發(fā)布根據(jù)GPL的規(guī)定，當(dāng)將軟件分送或者銷售出去時，你能做與不能做的事，你的接受者也都與你一樣發(fā)布自由軟件時也必須同時帶有GPL條款，使其繼續(xù)成為自由軟件。UNIX BSDUNIX家族LinuxLinux家族Windows家族簡單結(jié)構(gòu) MS-DOS 在最小的空間，設(shè)計用于提供大部分功能 (19811994)沒有拆分為模塊雖然 MS-DOS 在接口和功能水平?jīng)]有很好地分離，主要用匯編編寫分層結(jié)構(gòu)

17、 將操作系統(tǒng)分為多層 (levels)每層建立在低層之上最底層(layer 0), 是硬件最高層(layer N) 是用戶界面 每一層僅使用更低一層的功能 （操作）和服務(wù)。56UNIX操作系統(tǒng)與C語言 1972由 Kenneth Thompson和Dennis Ritchie在貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計. 設(shè)計用于 UNIX 操作系統(tǒng)的編碼例程.K. Thompson and D. Ritchie “高級”系統(tǒng)編程語言創(chuàng)建可移植操作系統(tǒng)的概念微內(nèi)核結(jié)構(gòu)（Microkernel) 盡可能把內(nèi)核功能移到用戶空間 用戶模塊間的通信使用消息傳遞 好處: 擴(kuò)展性好/安全 缺點(diǎn): 性能HAL（hardware abstract layer硬件抽象層）IPC (Inter-Process Communication 進(jìn)程間通訊)外核結(jié)構(gòu)（Exokernel) 讓內(nèi)核分配機(jī)