第一章概括

陈珂Tel:13927533109(63109)操作系统原理为什么需要学习操作系统?理解计算机系统的运行机理高效地使用和开发应用系统合理地配置和管理计算机系统教学计划目的通过本课程的学习，使学生掌握操作系统的基本概念、系统结构和主要的功能原理，培养训练学生使用、维护和管理操作系统的基本能力。教学内容以原理为主，参考具体操作系统。以口授为主，插入问题的讨论。上机实践。教学计划学习方法多看书，做到预习、听课、复习三部曲。认真听课，积极参与课堂提问和讨论。多思考（如类比联想），多提问题，多讨论，加深理解。认真完成作业和上机实习。教学计划考试方法作业和上机——30%考试——70％第一章概述教学目的和要求了解操作系统的发展历史掌握各种操作系统的特点重点单道批处理系统、多道批处理系统、分时处理系统第一章概述操作系统的发展历史早期操作系统现代操作系统操作系统基本概念任务和地位主要功能体系结构计算机的诞生1946年，世界上第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生，这是一台专门用于数字积分运算的十进制计算机。采用十进制18000电子管，重30吨5,000additionspersecond程序通过人工插接线路设定ENIAC机房计算机的诞生1948年，第一台二进制的冯·诺曼结构计算机在英国的曼彻斯特大学诞生。冯·诺曼结构采用二进制首次采用index和base寄存器电子管存储器：1024bits6000电子管ManchesterMarkI操作系统的史前时代裸机：除硬件外，没有操作系统，没有任何支持用户程序的软件。用户通过控制面板的开关和指示灯，输入程序、启动程序运行、读出运算结果。用户独占机器，需要预约用机时间。程序的准备时间远远大于运行时间为ENIAC输入程序单道批处理系统出现早期I/O设备（纸带、卡片、磁带、打印机）穿孔卡片程序穿卡机穿孔卡片读卡机计算结果磁带机打印机计算机单道批处理系统运行程序IO子程序作业加载程序JCL解释程序JCL语句N个作业每次读入1个作业单道批处理系统作业作业是指由计算机完成的一组相关任务，每个任务称为一个作业步。输入程序和数据运行编译程序运行目标程序输出数据单道批处理系统作业控制语言JCL（JobControlLanguage）——描述作业的流程$END$RUN$LOAD$FORTRAN$JOB,JOBNAME=…,TIME=…执行目标程序执行FORTRAN编译程序单道批处理系统Monitor程序——操作系统的雏形加载和启动作业解释执行JCL，控制作业运行设备驱动程序和公用子程序代表产品：FORTRANMonitorSystem1950年代末，安装在IBM7090单道批处理系统Monitor需要解决的问题Monitor不能被用户程序破坏界地址寄存器地址越界检查硬件监控程序用户程序0km内存k界地址寄存器CPU越界检查部件访存地址访存地址单道批处理系统Monitor需要解决的问题限制用户使用特殊寄存器和指令特权指令处理机状态：核心态/用户态k界地址寄存器Monitor用户程序0km内存单道批处理系统Monitor需要解决的问题提供用户调用操作系统功能函数的界面系统调用——提供操作系统的功能界面trap机制：用户态核心态k界地址寄存器Monitor用户程序0km内存单道批处理系统单道批处理操作系统的工作流程:1.判输入设备上是否有作业,没有则等待作业。2.从设备上输入一道作业3.控制作业运行a.逐行解释执行作业说明书中的每一条语句。b.如果是“作业终止”语句，则删除该作业，转1。c.在内存中建立程序运行环境,在用户态下执行该程序。d.用户程序结束后,回到核心态下的Monitor程序，转a读取下一作业控制语句。多道批处理系统硬件的发展中断机制和IO通道内存容量增大磁盘CPUMM通道通道通道磁盘卡片机打印机多道批处理系统多道批处理系统批处理运行方式：用户只能通过JCL控制作业的运行过程。多个用户程序同时在内存中，利用CPU与IO的并行处理能力，交替地运行。作业CCPUI/OCPUI/O作业BCPUI/OCPUI/O作业ACPUI/OCPUI/O多道批处理系统多道批处理系统需要解决：作业和资源管理处理机切换和调度输入/输出设备竞争多道批处理系统Spooling系统解决作业输入和计算结果输出问题——通常使用慢速设备（卡片机、打印机）利用快速设备（磁盘）作为缓存利用IO通道或专用处理机控制IO过程读卡机计算结果打印机作业磁盘多道批处理系统多道程序系统的出现标志着操作系统的真正形成。操作系统的基本特征：并发（Concurrent）共享（Sharing）多道技术是所有OS的基础多道分时操作系统批处理运行方式的问题程序调试困难，调试周期长。用户要求交互式程序运行方式。1961年11月MIT实现了第一个分时系统CTSS多道分时操作系统硬件支持键盘和显示终端精确的时钟中断系统更快的CPU速度多道分时操作系统多道分时系统多个终端，多个用户同时使用。提供交互运行环境命令界面替代JCL命令或程序以分时的方式交替运行程序Crunrun程序Brunrun程序Arunrunrun多道分时操作系统多道分时系统需要解决命令解释器分时调度机制为每个执行程序设置时间片监督时间片和调度CPU多道分时操作系统使人们看到了计算机的实用价值，计算机开始进入更多的应用领域。提高了编程效率，从而促进了应用软件的开发。发展出各具特色的现代操作系统。现代操作系统通用操作系统（提供分时和批处理）UNIX操作系统PC操作系统实时操作系统嵌入式操作系统网络操作系统分布式操作系统通用操作系统提供分时处理和批处理多个用户通过本地终端和远程终端同时交互地使用系统批处理作业在后台运行，输出结果不会在终端上显示。适用多种应用环境计算中心大型计算机UNIX家族、Linux通用操作系统批处理功能通常由作业管理系统实现，主要有以下功能：JCL脚本（即JCL程序）使用“提交作业”命令调度作业运行控制和查询作业UNIX操作系统Multics与UNIX麻省理工学院（MIT）主持开发的大型分时系统Multics功能复杂、系统庞大贝尔实验室（BellLabs）的Thompson与DennisRitchie合作开发UNIX功能简单、系统精简UNIX操作系统UNIX是操作系统发展史上的一场革命，改变了人们对OS的传统观念。采用c语言（除极小部分汇编代码外）精简的内核与灵活的shell简洁的文件系统设计为IO设备与文件提供统一的API界面开放源码UNIX操作系统UNIX家族BSD（加州大学伯克利分校）TCP/IP套接字SVR4（AT&T的UNIXSoftwareOperation）VFSNFSUNIX标准OS标准POSIX：可移植操作系统界面标准PC操作系统PC（PersonalComputer）的诞生计算机的神奇功能引起了计算机爱好者的强烈兴趣1980年IBM开始设计面向家庭使用的PC，并选中微软公司为IBM的PC提供操作系统。微软公司的PC操作系统成为个人计算机上的主流操作系统。由美国MITS公司制造，采用Intel8080PC操作系统MS-DOS（简称DOS，DiskOperatingSystem）采用命令行界面简单的磁盘文件系统使用BASIC作为程序设计语言1985年开始推出采用图形用户界面的Windows系列操作系统。Windows1.0和Windows2.0两个版本并没有取得成功。PC操作系统1990年5月微软推出Windows3.0版，6周销售50万份拷贝。改进内存管理，支持虚拟内存。图形界面更加美观，操作更加方便。Windows95、Windows98、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP、Vista。PC操作系统面向的是没有计算机专业知识的普通大众，追求目标是界面友好，使用方便，丰富的实用软件。易学易用的图形用户界面即插即用的设备管理丰富的实用软件多任务执行环境实时操作系统实时（real-time）要求对来自外部的信息能在规定的时限内做出处理。两大类：强实时系统工业控制、军事控制、飞行控制等弱实时系统飞机订票、银行服务、信息服务等实时操作系统特点高精度计时系统多级中断机制实时调度机制嵌入式操作系统嵌入式系统（EmbeddedSystem）环境处理机芯片嵌入在各种设备、装置或系统中极其有限的存储空间1个或2个输入/输出设备液晶显示屏、触摸屏、串口、调制调解器嵌入式操作系统特点具有实时系统的特征功能及编程非常精简支持特定的IO设备定制操作系统功能简单的存储管理网络协议、文件系统等例子：VxWorks，WindowsCE网络操作系统网络技术的出现，改变了人们使用计算机的传统方式。特点架构在本机操作系统之上。遵照网络体系结构协议，提供网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络服务。适用异构多处理机系统。分布式操作系统基于网络建立分布式应用系统成为计算机应用技术的主要发展方向例如：建立银行服务系统集中式应用系统分布式应用系统分布式操作系统就是要为分布式应用提供必要的底层支持和运行环境。分布式应用系统总行服务系统分行服务系统分行服务系统分行服务系统集中式应用系统总行服务系统分行交换器分行交换器分行交换器现代操作系统分布式操作系统构架在本机操作系统之上，遵照资源共享协议，实现统一的和透明的资源共享平台。统一性：统一的用户管理和系统映象共享性：共享所有资源透明性：网络透明自治性：分布式系统中多个计算机都处于平等地位开放源码操作系统LinuxFreeBSD自由软件，基于BSD4.4。高效和功能完善。支持多种硬件平台。MinixSolaris操作系统基本概念操作系统的任务和地位操作系统的主要功能操作系统的体系结构操作系统的任务和地位操作系统的定义：操作系统是计算机系统中的最基本的核心软件；管理计算机资源，使其发挥最大效率；为用户提供方便和安全的访问计算机资源的界面。上次课的内容操作系统的发展历史早期操作系统现代操作系统操作系统的任务和地位操作系统的任务和地位任务资源管理资源使用安全地位应用程序操作系统硬件提供各种功能函数操作和控制硬件操作系统的功能进程管理存储管理设备管理文件管理使用界面及程序执行环境实用程序或软件系统管理外部使用功能内部实现机制操作系统体系结构命令解释器编译器装配器作业管理编辑器操作系统内核硬件层C库/数学库/图形库/窗口库等系统调用库图形用户界面GUI应用程序应用程序应用程序用户态核心态应用程序应用程序系统管理应用程序应用程序实用程序用户使用界面程序执行环境操作系统体系结构操作系统内核与硬件的界面与用户程序的界面功能模块硬件用户程序设备驱动程序系统调用功能函数中断/异常处理程序进程管理内存管理文件系统设备管理安全管理核心态用户态系统调用库操作系统体系结构系统调用库是用户程序使用操作系统功能的唯一界面用户程序打开文件：fopen(...)系统调用库main()fopen(...)trap指令OS功能函数fopen(...)用户态核心态操作系统体系结构实现精简的操作系统内核和丰富的操作系统核外功能是当前操作系统结构设计的共同特点提高系统可靠性提高系统可扩展性提高系统性能Linux体系结构系统调用接口虚拟文件管理系统内存管理器进程管理器抽象网络服务（套接字）用户级程序用户级程序用户级程序文件系统驱动程序TCP/IP协议驱动程序硬件内核核心态硬件驱动程序、中断/异常处理程序系统管理实用程序应用程序桌面系统shell命令解释器用户态GNOMEKDE用户账号管理磁盘管理软件管理系统安全管理内核管理网络服务管理Web浏览器文字处理工具图形处理软件多媒体播放器LinuxLinux的特点GPL(GNU通用公共许可)版权的自由软件，统一的内核版本。具有出色的稳定性和速度性能。内核模块化好。功能完善，支持POSIX标准。网络功能强大。硬件支持广泛。应用程序众多。WindowsXP体系结构驱动程序核心执行体图形引擎硬件内核核心态硬件硬件抽象层（HAL）服务进程应用程序环境子系统系统支持进程子系