第一讲操作系统概述

第一讲操作系统概述摩尔定律2Xtransistors/ChipEvery1.5yearsCalled“Moore’sLaw”Moore’sLawMicroprocessorshavebecomesmaller,denser,andmorepowerful.GordonMoore(co-founderofIntel)predictedin1965thatthetransistordensityofsemiconductorchipswoulddoubleroughlyevery18months.InternetConnectivityClustersMassiveClusterGigabitEthernet计算机应用范围软件规模5内容提要•操作系统发展简史•操作系统基本特征•操作系统原理组成•操作系统结构设计内容提要操作系统发展简史前计算机时代1642年，帕斯卡发明加法器，第一台数字计算器1671年，莱不尼兹发明乘法演算器1833年，巴贝奇发明“分析机”，建立计算机的逻辑基础1876年，贝尔发明电话；1887年，赫兹通信原理；1895年，汤姆逊发现电子操作系统发展简史继电器与真空管时代——没有OS的概念存在哈佛（HowardAiken）、普林斯顿（VonNeumann）、宾夕发尼亚大学（J.PresperEckert）、德国（KZuse）基于机械继电器与真空管的计算机，没有操作系统概念主要特点：个人独占使用，主要完成科学计算ENIAC:(1945—1955)•“ThemachinedesignedbyDrs.EckertandMauchlywasamonstrosity.Whenitwasfinished,theENIACfilledanentireroom,weighedthirtytons,andconsumedtwohundredkilowattsofpower.”•~history/ENIAC.Richey.HTML晶体管时代——批处理操作系统FMS（IBM1401），IBSYS（IBM7094）批处理概念起源•作业输入与打印输出的速度远远低于计算速度•宝贵的计算资源被浪费，如何提高利用效率？脱机概念起源•相对于主计算机而言，输入和输出都是非联机计算机使用方式的进化•个人独占——批处理以节省资源CoreMemories(1950s&60s)•CoreMemorystoreddataasmagnetizationinironrings–Iron“cores”wovenintoa2-dimensionalmeshofwires–Originoftheterm“DumpCore”–RumorthatIBMconsultedLifeSavercompany•See:版权所有，转载请注明出处11课程导论卡片IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机课程导论$END$RUNDataforprogram$LOADFortranprogram$FORTRAN$JOB,10,429754CherryChen•集成电路时代（IC）–OS/360，IBM为满足产业发展推出的第二代OS»商业计算与科学计算的集成：System/360–多道程序设计和假脱机技术的概念起源»商业计算中I/O操作比例很大，直接造成CPU浪费–分时操作系统的概念起源»批处理系统的普及——对第一代计算机的怀念»概念的回归：个人独占计算机–个人计算机概念的萌芽»DEC公司小型计算机的崛起和发展课程导论课程导论主机终端课程导论作业A作业B作业C作业D作业切换作业A作业B作业C作业D四个程序计数器作业A作业B作业C作业D时间操作系统维护一个程序计数器，在作业间切换对每一个作业而言，都有独立的计数器和CPU时间操作系统实现分时，任意时刻只有一个进程运行AMulticsSystem(Circa1976)•The6180atMITIPC,skindoorsopen,circa1976:–“WeusuallyranthemachinewithdoorsopensotheoperatorscouldseetheAQregisterdisplay,whichgaveyouanideaofthemachineload,andforconvenientaccesstotheEXECUTEbutton,whichtheoperatorwouldpushtoenterBOSifthemachinecrashed.”•:1.7Mbit/sq.in140MBytes1979:7.7Mbit/sq.in2,300MBytesEarlyDiskHistoryContrast:Seagate2TB,400GB/SQin,3½indisk,4plattersTheARPANet(1968-1970’s)•PaulBaran–RANDCorp,early1960s–Communicationsnetworksthatwouldsurviveamajorenemyattack•ARPANet:Researchvehiclefor“ResourceSharingComputerNetworks”–2September1969:UCLAfirstnodeontheARPANet–December1969:4nodesconnectedby56kbpsphonelines–1971:FirstEmail–1970’s:100computersSRI940UCLASigma7UCSBIBM360UtahPDP10IMPsBBNteamthatimplementedtheinterfacemessageprocessorARPANetEvolvesintoInternet•FirstE-mailSPAMmessage:1May197812:33EDT•80-83:TCP/IP,DNS;ARPANETandMILNETsplit•85-86:NSFbuildsNSFNETasbackbone,links6Supercomputercenters,1.5Mbps,10,000computers•87-90:linkregionalnetworks,NSI(NASA),ESNet(DOE),DARTnet,TWBNet(DARPA),100,000computersARPANetSATNetPRNetTCP/IPNSFNetDeregulation&Commercialization19651975198519952005:RadioNetwork•操作系统现代观点的出现（集成电路时代）–“物理”与“逻辑”概念的明确»多道程序带来的地址映射机制改变–“分时”与“保护”——OS的责任更加重要»内存保护和CPU状态切换»中断概念的出现–设备管理概念的增强»I/O设备、内存管理：更加强大»资源共享与互斥：Spooling技术，DMA的起源–虚拟思想的萌芽»分时系统的特点、多道程序的特点个人计算机时代（LSI与VLSI）1974年，Intel推出了8080通用8位CPU•CP/M系统：GaryKildall，创建DigitalResearch公司•1977－1982：CP/M统治PC世界的时代1983年，兼容机概念的出现与发展•CP/M系统的死亡之旅：后悔100辈子的选择•BillGates的成功之路：源自SeattleComputerProducts的DOS系统•IT业成功的商业模式：软硬件捆绑＋知识产权保护•成功的偶然与必然：Microsoft从蚂蚁到大象的发展道路GUI界面的起源——SteveJobs的兴衰•DougEngelbar发明了GUI机制，新的计算机科学领域HCI逐渐兴起•XeroxPARC的际遇和悲哀：掌握GUI，却没有实现其商业价值；1972年，第一台PC机Alto•SteveJobs：Lisa的失败与Macintosh的成功微软时代的来临•Windows3.1(1985-1995),Windows95,Windows98:16位操作系统的代表•WindowsNT与2K，WindowsXP，Windows2003：32位操作系统的代表•Vista,Win7：下一代64位操作系统•XeroxStar:1981–Originallyaresearchproject(Alto)–First“mice”,“windows”•AppleLisa/Machintosh:1984–“LookandFeel”suit1988•MicrosoftWindows:–Win1.0(1985)–Win3.1(1990)–Win95(1995)–WinNT(1993)–Win2000(2000)–WinXP(2001)–WinVista(2007)XeroxStarWindows3.1SingleLevelHAL/ProtectionNoHAL/FullProt其他独具特色的操作系统微内核操作系统•1975，Rochester大学开发了RIG系统•1984年，Mach系统的研发。1986（1.0），1988（2.5），1989（3.0）IBM的大型机操作系统OS/390•大型机的复活：网络时代的新生嵌入式操作系统——VxWorks•WindDriver公司的独到眼光，火星探测器的大脑•技术应用的新领域：计算时代与智能时代的来临LinusTorvalds•如此自然的Linux系统：DIY概念的起源Android,Symbin,iphone——未来趋势•移动嵌入式操作系统嵌入式操作系统示例课程导论美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装TinyOS智能卡操作系统课程导论•在读写器与智能卡之间通过“命令-响应对”方式进行通信和控制•读写器发出操作命令，智能卡接收命令•操作系统对命令加以解释，完成命令的解密与校验•操作系统调用相应程序来进行数据处理，产生应答信息，加密后送给读写器28内容提要•操作系统发展简史•操作系统基本特征•操作系统原理组成•操作系统结构设计内容提要操作系统基本特征•虚拟——最主要的特征–CPU虚拟、内存虚拟、显示设备虚拟–更高层次的虚拟：硬件设备虚拟•并发与共享——分时系统的特征–CoCurrency的宏观体现和微观概念–共享与互斥：由此引发的一系列设计难题•不确定性——复杂应用的特征–并发情况无法预期，如何有效控制–保护机制与恢复机制：操作系统稳定性的体现课程导论虚拟技术•计算机硬件的多样性；–不同类型的CPU»Pentium,PowerPC,ColdFire,ARM,MIPS–不同类型的memory,disk,…–不同类型的外设»Mice,Keyboards,Sensors,Cameras,Fingerprintreaders–不同的网络环境»Cable,DSL,Wireless,Firewalls,…ApplicationOperatingSystemHardwareVirtualMachineInterfacePhysicalMachineInterface并发性•1．并行与并发•并行性和并发性(Concurrence)是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。–在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只