操作系统发展历史与现状

1第二讲操作系统发展历史与现状目的与要求：了解操作系统基本技术及产生背景重点与难点：各发展阶段的主要技术作业安排：1，4，5，7，8，1021.2操作系统的发展历史•单道批处理时代(50年代)•多道批处理、分时、实时系统时代(60年代初)•多方式系统时代(60-70年代)•分布式系统、多机系统时代(70年代中期后)*3史前年代特点:•计算机刚问世,除硬件和应用软件外,几乎没有中间层软件，没有操作系统。•用户独占机器或由系统操作员控制机器*41.2.1监督程序（50年代单道批处理时代）基本思想：系统有一常驻内存的监督程序(第一代操作系统)。操作员有选择的把若干作业合成一批,安装在输入设备上,并启动监督程序,然后由监督程序依次启动这批作业,以单道方式运行。作业：用户的一次上机行为作业步：作业的执行步骤作业控制语言：说明作业如何执行的语言作业控制说明书：用作业控制语言编写的程序*5$END$RUN$LOAD$FORTRAN$JOB,JOBNAME=…程序处理数据FORTRAN程序语句典型的卡片作业举例6普通指令:所有程序都可包含的指令特权指令:只有监督程序才可包含的指令方式/态:指处理机能执行什么类型指令的状态。在特权方式下,除能执行普通指另外还能执行特权指令。在普通方式下只能执行普通指令。系统调用(广义指令):由监督程序提供给用户调用的系统功能TRAP机制:硬件支持在特定状态下(如执行trap指令,定时器中断)进入监督程序的机制。用于实现系统调用或由监督程序处理作业死循环。*7系统空间:监督程序所占内存(0-K)。用户空间:供用户程序使用的内存(K+1-N)存储保护:硬件提供一个界地址寄存器,每次访问内存时,处理机依照目前处理机的态判断访问是否越界。定时器中断:在规定时间间隔到时,系统暂停当前程序之运行,去进行时间相关的处理，如看作业是否已超过其运行期限。*8早期批处理系统中的监督程序工作流程:1.若输入设备上没有待输入作业,则停止2.从设备上输入一道作业3.控制作业运行a.取作业说明书中一条语句,解释执行,如果是“作业终止”语句,这删除该作业,转1。b.如果是一条执行性语句,则在主存中建立相应程序运行环境,传递好参数,转去执行该程序(变到用户态运行)。c.在用户态程序运行过程中,如发生中断事件(如系统调用/定时器中断),立即转监督程序,待中断事件处理结束后,用户态程序继续执行。d.用户态程序结束后,转a取下一作业控制语句9监督程序功能:输入用户作业,解释执行作业控制说明书,提供系统调用。监督程序与操作系统的区别:监督程序不具有并发机制。监督程序只是免去了作业转接的人工开销*101.2.2专用操作系统•多道批处理•分时•实时系统一、多道/高级批处理系统源于中断、通道、磁盘的引入特点:在单道批处理系统的基础上引入双缓存机制、脱机输入输出、SPOOLing技术、多道程序设计技术。*111.脱机输入输出：利用卫星机将慢速介质转到快速介质,加速作业的输入输出速度。2.输入输出缓冲：利用双缓冲技术,使针对一个缓冲区的数据处理和针对另一个缓冲区的I/O并行运行。磁盘缓冲区CPU123.SPOOLing技术基础：•I/O中断:由I/O部件操作完成后通知处理机去运行相应的处理程序•通道:能够自主控制外设与处理机并行交换数据的I/O装置(控制器)•磁盘:随机存取的存储设备*基本思想:用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备,即主机从磁盘选取作业运行,结果也存在磁盘中。相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输。利用通道和中断机制,作业的输入输出与作业在处理机上的运行可很好并行起来。*13磁盘通道主机通道通道卡片机打印机SPOOLing系统图示154.多道程序设计基本思想:内存同时保持多道程序(作业),处理机(单处理机)以交替的方式同时处理多道程序.宏观上看,已有多道程序开始运行且尚未结束,微观上看,某一时刻处理机只运行某道作业。作业CI/OCPUI/OCPUI/O作业BCPUI/OCPUI/O作业ACPUI/OCPUI/OCPU16现场保护/恢复:指处理机从一个作业向另一个作业切换时进行的有关寄存器值的保护/恢复*操作系统的基本特征:并发与共享并发:在单处理机情况下指多道程序分时占用处理机运行共享:指并行运行程序对系统的硬软资源的访问*17二、分时系统终端设备:键盘与显示器交互式系统:操作系统提供终端命令语言及解析器,用户通过终端命令指导作业运行分时系统:交互式系统与多道程序设计结合的产物分时系统特点:并行性;共享性;交互性;独占性*18三、实时系统实时系统:能满足要求快速响应作业运行的多道程序设计系统实时系统主要性能指标和功能:•时钟分辨度:有更高的时钟中断频度,可更精确计时,更快进行调度•多级中断机制:保证要求快速响应中断的及时处理•支持实时作业调度:保证实时作业无条件剥夺非实时作业运行*191.2.3多方式系统时代(60-70年代)多方式操作系统:同时具有批处理,分时,实时功能的系统1.2.4并行与分布式操作系统及发展分布式操作系统:支持网络和分布处理的系统多机操作系统:支持共享内存多处理机的系统Windows操作系统:支持友好用户界面的系统20操作系统的发展趋势：•嵌入式操作系统：主要伴随着个人数字助理PAD,掌上电脑，电视机顶盒，智能家电等设备的发展，对操作系统在功能和所占空间大小权衡上提出了新的要求。•强实时操作系统：特别是针对通用操作系统的实时性研究，还在不断发展当中。•并行操作系统的研究：如建立在基于共享主存的多处理机系统(MP)及用上千个微处理器实现基于分布式存储的大规模并行处理机系统(MPP)的操作系统，系统突出特征是提供各类并行机制。例如并行文件系统，并行I／O控制，多处理机分配和调度，处理机间的通讯和同步，用户任务的并行控制等。•网络操作系统和分布式操作系统的研究：就目前情形而言，网络系统的研究也还方兴未艾，基于Client／Server模型的分布式系统也已不断走向应用，完全分布式的系统还未成型，仍将是研究的热点问题。211.3主要操作系统介绍•Windows系列:DOS,Windows3.x,Window95,WindowsNT,WindowsXP•UNIX大家庭：SVR4,BSD,Solaris,AIX,HP_UX•自由软件Linux和freeBSD等22Windows1.0（1985）Windows2.0（1987）Windows3.0（1990）Windows95（1995）Windows3.xWindowsMe（2000）Windows98（1998）WindowsXP（2001）WindowsNT3.1(NT第1版)（1993）WindowsNT3.51(NT第3版)Windows2000(NT5.0)（2000）WindowsCE（1998）WindowsNT3.5(NT第2版)WindowsNT4.0(NT第4版)（1996）微软公司Windows操作系统产品线23第一版(1971年)第三版(1973年)第六版(1975年)SYSTEMIII(1982年)第七版第八版第九版第十版1989年SYSTEMV(1983年)SVR2(1984年)SVR3(1987年)SVR4(1989年)SUNSolarisIBMAIXHPUX1BSD(1978年)2BSD(1978年)3BSD(1979年)4.0BSD(1980年)4.4BSD(1993年)MACH2.5OSF/1(1989年)DECOSF/1DigitalUNIXTru64UNIXUNIX发展简图24Linux和FreeBSDLinux由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生LinusTorvalds，在从1990年底到1991年的几个月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网使用而陆续编写的。在2001年初LinuxWorld大会前夕推出了Linux2.4内核。FreeBSD是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校开发的支持POSIX标准的免费操作系统，它基于4.4BSD。