计算机操作系统.ppt
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1、操 作 系 统,1.1 操作系统的地位、目标及作用,计算机系统的组成 :,第1章 引论,计算机硬件,操作系统,系统工具,用户应用,应用用户,应用开发人员,操作系统 开发人员,地位:,紧贴系统硬件之上,所有其它软件之下(是其它软件的支撑环境),有效性(系统管理人员的观点):管理和分配硬件、软件资源,合理地组织计算机的工作流程。 方便性(用户的观点):提供良好的、一致的用户接口,弥补硬件系统的类型和数量差别。 可扩充性(开放的观点):硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作 。,目标:,作用 :,几种观点 (1) OS是计算机硬件、软件资源的管理者。,(2)O
2、S是用户使用系统的接口,(3) OS是扩展机(extended machine)/虚拟机(virtual machine)。 在裸机上添加:设备管理、文件管理、存储管理(针对内存和外存)、处理机管理,1.2 操作系统的发展史,1.2.1 推动操作系统发展的主要动力,需求推动了发展 (1) 提高资源的利用率和系统性能 (2) 方便用户 (3) 器件的发展,1.2.2 早期的手工操作,时间 1946 50年代(电子管),集中计算(计算中心),计算机资源昂贵; 需求 二战对武器设计的需要,美国、英国和德国等国家开始了电子数字计算机的研究工作。 哈佛大学的Howard Aiken 普林斯顿高等研究院的
3、John Neumann(冯诺依曼) 宾夕法尼亚大学的J.Presper Eckert和William Mauchley 德国电话公司的Konraad Zuse以及其他一些人都使用真空管成功地建造了运算机器。,没有程序设计语言(甚至没有汇编),更谈不上操作系统。 程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的插件板插到计算机里。 期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算自己的题目。,ENIAC计算机 运算速度:1000次/每秒, 数万个真空管, 占地100平方米,工作方式: 用户:用户既是程序员,又是操作员;用户是计算机专业人员; 编程语言:机器语言; 输入输出:纸带或卡片; 工作特点
4、: 1) 用户独占全机:不出现资源被其他用户占用的现象,但资源利用率低; 2)CPU等待用户:计算前,手工装入纸带或卡片;计算完成后,手工卸取纸带或卡片;CPU利用率低; 主要矛盾: 1)计算机处理能力的提高,手工操作的低效率(造成浪费); 2)用户独占全机的所有资源; 提高效率的途径 专门的操作员,批处理,1.2.3 单道批处理系统(simple batch processing),时间 50年代末 60年代中(晶体管):利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列,每个批作业由一个专门的监督程序(Monitor)自动依次处理。可使用汇编语言开发。 批处理中的作业的组成: 包括用户程序、数据和作
5、业说明书(作业控制语言),批处理方式 (1) 联机批处理,问题:输入输出时,CPU处于等待状态。,早期的联机批处理的硬件控制方式是:作业的输入、计算和输出都是在CPU直接控制下进行的。 模型:,(2)脱机批处理(缓冲技术的一种) 增加卫星机完成输入/输出功能。主机与卫星机可并行工作。,1.2.4 多道批处理系统,时间: 60年代中 70年代中(集成电路),60年代初期,计算机开始采用集成电路,多数厂商有几条完全不同的生产线,生产不同的计算机。开发和维护完全不同的产品,对厂商来说是昂贵的。 另外,新用户,在开始时只需要一台小计算机,随着时间的推移,业务量的增加,到后来可能需要一台大的计算机,而且
6、希望能在新计算机上执行原有的程序。这样,厂家和用户都需要软件在不同型号的计算机之间兼容。,目的: 提高资源的利用率。 特点: 多道:内存中同时存放几个作业(用户程序); 宏观上并行运行:都处于运行状态,但都未运行完; 微观上串行运行:各作业交替使用CPU;,t,jop1 jop2 jop3 调度程序,使用cpu,使用I/O,优点: 资源利用率高:CPU和内存利用率较高;作业吞吐量大:单位时间内完成的工作总量大; 缺点: 用户交互性差,不利于调试和修改;,由于所有的计算机都有相同的体系结构和指令集在理论上,为一型号编写的程序可以在其它型号机器上运行。IBM试图一次性地解决上述问题,代表机器: 1
7、964 年IBM 宣布推System/360计算机系统,为第一个采用小规模集成电路的主流机型。,IBM System/360的若干问题: IBM无法写出同时满足互冲突需要的操作系统,其实别人也一样不能完成这项工作任务。 IBM OS/360文件系统中有类型字段,定义文件的类型,有定长、不定长记录、块状和非块状文件,用户对于输出文件的大小,只有通过猜测。 存储管理有基地址寄存器寻址方式,程序也可以访问和修改基地址寄存器,但是CPU生成的却是绝对地址,虽然不用进行动态再分配,但程序却被钉死在调入内存时的物理地址上。,IBM System/360, 庞大的软件怪兽 数千名程序员写了数百万行汇编语言代
8、码,系统自身占据了大量存储空间和一半的CPU时间。 数百万行汇编代码中有成千上万处错误 IBM不断发行新的版本试图更正这些错误,每个新版本在更正老错误的同时又引入新错误。 随着时间的流逝,错误的数量大致保持不变,1.2.5 分时系统,时间: 70年代中期至今 含义: 多个用户分享使用同一台计算机。每个用户给一定的时间运行,然后切换到另一个用户,一个轮转周期在宏观上相当短,用户感觉不到。,主机,终端,占用终端与系统用户交互的作业前台作业,系统控制台,不占用终端的用户(作业) 后台作业,特点: (1)人机交互性好。在调试和运行程序时由用户自己操作。 (2)共享主机:多个用户同时使用。 (3) 用户
9、独立性:对每个用户而言逻辑上独占主机。 目前许多操作系统都具有分时处理的功能,在分时系统的基础上,操作系统的发展开始分化,如实时系统、通用系统、个人系统等。,1.2.6 实时系统(real-time system),用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域,包括实时控制、实时信息处理。 要求:在一定范围之内,响应时间短; 系统可靠性高,1.3 操作系统的特征和服务,1.3.1 操作系统的特征,并发(concurrency) 多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统,各进程间的并发,系统程序与应用程序间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。 并行(parallel) 是指在同一时
10、刻发生。在多道程序处理时,宏观上并发,微观上交替执行(在单处理器情况下)。 程序的静态实体是可执行文件,而动态实体是进程(或称作任务),并发指的是进程。,共享(sharing) 多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。 互斥共享(如音频设备):资源分配后到释放前,不能被其它进程所用。 同时访问(如可重入代码,磁盘文件),虚拟(virtual) 一个物理实体映射为若干个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。 CPU每个用户(进程)的“虚处理机” 存储器每个进程都占有的地址空间(指
11、令数据堆栈) 显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal),异步性(asynchronism) 也称不确定性,指进程的执行顺序和执行时间的不确定性; 进程的运行速度不可预知:分时系统中,多个进程并发执行,“时走时停”,不可预知每个进程推进的快慢 判据:无论快慢,应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证难以重现系统在某个时刻的状态(包括重现运行中的错误) 性能保证:实时系统与分时系统相似,但通过资源预留以保证性能,1.3.2 操作系统的服务,(1)服务类型 程序执行和终止(包括分配和回收资源) I/O操作 文件系统操作 通信:本机内,计算机之间(通常通信服务的使用者为进程,而不是
12、笼统说“主机”) 配置管理:硬件、OS本身、其它软件 差错检测 (2)服务提供方式:系统命令和系统调用,1.4.1 存储管理,管理目标:提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。 (1)存储分配与回收 (2)存储保护 (3)地址映射 (4)内存扩充(覆盖、交换和虚拟存储),1.4.2 处理机管理,完成处理机资源的分配调度等功能。 (1)进程控制 (2)进程同步 (3)进程通信 (4)调度,1.4 操作系统的功能,1.4.3 设备管理,目标:方便设备使用、提高CPU与I/O设备利用率; (1)设备操作 (2)设备独立性 (3)设备分配与回收,1.4.4 信息管理,解决软件资
13、源的存储、共享、保密和保护。 (1)文件存储空间管理 (2)目录管理 (3)文件的读写管理和存取控制 (4)软件管理,1.4.5 用户接口,目标:提供一个友好的用户访问操作系统的接口。 (1)系统命令:供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI“联机”;命令脚本“脱机” (2)编程接口:供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数;(系统调用),1.5 操作系统分类,2、多处理机操作系统(Multi-processor Operating System),3、 网络操作系统(NOS, Network Operating System),4、分布式操作系统(Di
14、stributed Operating System),5、非Microsoft系列操作系统,1)OS/2 OS/2最初是微软与IBM共同开发的,但后来微软推出Windows 3.x,并获得不错的市场反应,终到导致于微软与IBM分道扬镳,专心致力于Windows系列操作系统的研发。而此时由于OS/2的系统需求偏高,因此其市场接受程度偏低。直到IBM在1992年推出OS/2 2.0版,以及稍后的OS/2 Warp 3.0,才真正改变了大家对OS/2的观感。而IBM在1996年,将OS/2Warp 3.0与LANServer 5.0整合,推出OS/2 Warp Server 4.0版。至此,OS/
15、2 Warp与微软的Windows NT一样,已经分成Client和Server两种版本。,OS/2目前的版本是 4.0 Warp系列(96年),其特点如下: 真正、完全的多用户操作系统,其效率很高; 寻址能力高达64TB,使每个程序都可占用512MB的虚拟内存; 对象导向式操作环境,不同程序可通过SOM(System Object Model)共享及交换对象; 支持Java和语音识别,这是目前OS/2领先业界的先进技术; 内置DOS及Windows模拟器,以运行传统的DOS或Windows应用程序; 完善的多媒体MMPM/2(Multimedia Presentation Manager/2
16、)和3D图形支持; 高效率的文件系统(HPFS),文件名可长达255个字符。 参考网站:http:/ 1.合作矛盾 Window 3.1后MS与IBM分道扬镳 MS负责 OS/2 3.0 (Window NT) IBM负责 OS/2 2.0 2 .IBM进入PC领域后,仍然用大型机市场的思考模式,产品 价格贵,机器配置要求高,缺乏配套软件,非计算机人员不愿购买。,2002年12月IBM宣布,在2003年3月12日正式停止OS/2操作系统的支持与销售,其服务还将持续到2004年12月31日。,2)Mac OS 自1984年Macintosh上市以来,Mac OS几乎是大家公认唯一在Macinto
17、sh上运行的OS;不过除Mac OS之外,BeOS与Linux在Macintosh上也都有不错的表现。 “User Friendly“一直是电脑用户所企盼的。Mac OS在用户界面上跨了一大步,图形与鼠标导向的使用界面确实让人与电脑之间的交互达到了所谓的“User Friendly“。相比之下,直到1988年OS/2的Presentation Manager出现,IBM才推出具有相同能力的图形用户界面(GUI)解决方案;而微软直到1990年Windows 3.x问世之后,才有图形用户界面。 Mac硬件结构的封闭性迫使其下游厂商不得不屈服于苹果公司,但是也正是该特性使MacOS本身和Mac硬件具
18、有高度的集成性。它通过资源管理器、字型管理器、事件管理器、窗口管理器等一系列管理器,让整套操作系统相当人性化与合理化,用户在使用中根本感觉不到Mac OS的存在。,Mac OS 8.5是Macintosh系统史上的大翻新。系统核心主要针对PowerPC进行了改写,以提高Mac OS的运行效率;而重新改写的Macintosh系统绘图核心QuickDraw ,除了将绘图显示速度提高10%左右,还提供屏幕字体的柔边效果。新的Mac OS 8.5具有以下特点: Sherlock搜索引擎提供强大的搜索界面,甚至可将用户面前的电脑变成一个功能强大的网站搜索引擎; 改写了AppleScript,系统组件也提
19、供Apple Script描述功能,这使得AppleScript在Mac OS 8.5中能发挥更多更广的用途; 提高了网络文件传输速度,与Windows NT /98相比,Mac OS 8.5的网络传输速度甚至更快; 内置多国语言网络浏览功能。 参考网站:http:/ 最新为Mac OS 10 , 2005年4月29日出苹果最新Mac操作系统Tiger于出货,129美元,3)UNIX 由于开放性、发展概念及商业利益等因素,Unix现已呈现出“百家争鸣“的盛况。不过总体来说,Unix可分成System V和BSD两大流派。这两大派别虽然都是Unix,但在系统架构、命令操作以及管理方式上都有所不同
20、。到了1988年,System V融入BSD与SunOS的主要特性,演变成为SVR4(System V Release 4)。 因为Unix当初是X/Open所使用的注册商标,基于版权考虑,不可以再使用Unix这个名字作为商业的操作系统名字。 有影响的的UNIX系统: IBM RS/6000上的AIX(System V) SGI的IRIX(SVR4) Sun的SunOS(4.3BSD或SVR4) HP的HP-UX(System V) SCO的SCO Unix(SVR3.2),发展历史: 为了解决批处理方式缺乏效率与使用不便,Dartmouth大学和麻省理工学院发明了分时系统, Dartmout
21、h大学的分时系统只能运行BASIC,麻省理工学院的CTSS则具有通用性,在科研领域取得了巨大的成功。 1965年麻省理工学院、贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种“公用计算服务系统”,希望能够同时支持整个波士顿所有的分时用户。该系统称作MULTICS(MULTiplexed Information and Computong Service),MULTICS设计目标是:便利的远程终端使用,大量终端通过电话线接入计算机主机。 高可靠的大型文件系统;大容量的用户信息共享;存储和构造层次化信息结构的能力。,MULTICS研制难度超出了所有人预料,长期研制工作达不到预期目标,1969年4月贝尔实验室退
22、出,其后通用电气公司也退出了。 但最终,经过多年的努力,MULTICS成功地应用。 运行MULTICS的计算机系统在九十年代中期陆续被关闭。 MULTICS引入了许多现代操作系统领域概念雏形,对随后操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响。,PDP-11的UNIX,1969年,在贝尔退出MULTICS研制项目后,Ken Thompson和Dennis M. Ritchie 想申请经费买计算机从事操作系统研究,但多次申请得不到批准,项目无着落, Thompson在一台无人用的PDP-7上,重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏。其工作吸引了Dennis M. Ritchie
23、,为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行,他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件,设计了文件系统、实用程序、shell 和汇编程序。 因此他们重写了一个简化的MULTICS并加进了自己的一些思想(用汇编语言作为编程工具),被Brian Kerighan开玩笑的称为UNICS(UNIplexed Information and Computer Service),Dennis Ritchie及所在部门的加入,完成两件事情 从PDP-7移植到PDP-11/20,后来又移植到PDP-11/45,PDP-11/70 Thompson决定用自己设计的语言“B”来重新写UNIX 其后,Ritchie对B
24、进行了改进,取名为C,接着又写了C的编译器,74年,Thompson和Richie发表了一篇关于UNIX的论文。 84年被授予图灵奖。,可移植的UNIX UNIX移植到非PDP11的第一个机器为Interdata 8/32小型机上,其后,又移植到了VAX和其它一些机器上。,贝尔实验室的Steve Johnson设计并实现了可移植的C语言编译器。只要修改少量的代码,它就能为相应的机器产生目标代码。从此以后,几乎所有的C编译器都是基于该可移植的编译器。 85年推出System V 。,伯克利的UNIX 加州大学的伯克利分校在美国国防高级研究规划局的资助下,为PDP11设计并发布了一个改进的版本。取
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