清华大学电子工程系马洪兵62773434hbmatsinghuaeducn.ppt

1,清华大学电子工程系 马洪兵 62773434 hbmatsinghua.edu.cn,Windows操作系统原理与应用,2,操作系统课程的定位 操作系统是一门涉及较多硬件知识的计算机系统软件课程，在计算机软、硬件课程的设置上，起着承上启下的作用。 本课程的目的与任务是使学生通过本课程的学习，理解操作系统的基本原理、组成、基本概念和主要功能。,教学目标,3,教学模式 目前国内外操作系统课程的教学主要有两种模式： 1. 侧重理论与原理的讲述，不局限于具体具体实例 2. 结合具体实例，讲述操作系统的实现技术,教学目标,4,Windows操作系统原理与应用课的教学任务 对电子信息类专业，操作系统教学要兼顾原理和应用，一方面要让学生掌握操作系统的基本功能和一般性原理，另一方面要了解一般性原理在具体操作系统中实现方法，但不必深入到源代码的层次。 考虑到Windows是当今微型计算机的主流操作系统，使学生了解Windows的组织和运行的基本原理是十分必要的。 因而，本课程的教学任务是在讲述操作系统基本原理的基础上，重点介绍Windows的运行机制和内核技术，为学生今后开发应用系统打下基础。,教学目标,5,Windows操作系统原理尤晋元等 机械工业出版社 Windows内核实验教程陈向群等 机械工业出版社 操作系统内核与设计原理 William Stallings， (Operating System:Internals and Design Principles) 中文版：电子工业出版社 英文版：清华大学出版社 现代操作系统 Andrew S. Tanenbaum, (Modern Operating System) 中文版: 机械工业出版社 操作系统：设计与实现 Andrew S. Tanenbaum (Operating System: Design and Implementation) 中文版：电子工业出版社 英文版：清华大学出版社,教材与参考书,6,第一章 操作系统概述 第二章 Windows操作系统的体系结构 第三章 处理机管理 第四章 存储管理 第五章 文件管理 第六章 设备管理 第七章 计算机网络管理,课程主要内容介绍,7,1. 线程同步 2. 磁盘I/O 3. 网络通信 4. 设备驱动程序设计,实验安排,考核方式,实验（60%）+ 学期论文/大作业（40%）,8,第一章 操作系统概述,一、计算机系统概述 二、操作系统的基本概念 三、操作系统的主要功能 四、操作系统的发展历史 五、Windows操作系统的发展历程,9,一、计算机系统概述,计算机系统的层次结构,计算机硬件是根据电、磁、光、机械等原理构成的各种物理设备的有机组合，是系统赖以工作的实体。,软件是计算机系统中程序和有关文件的集合。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文件是开发、使用和维护程序所需的资料数据。,10,计算机软件,系统软件：居于计算机系统中最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用，与具体的应用领域无关。 操作系统是最重要的系统软件。 支撑软件：支援其他软件的编制和维护的软件，主要包括环境数据库、各种接口软件和工具软件。,应用软件：特定应用领域专用的软件。,11,二、操作系统的基本概念,1. 操作系统的定义,操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这 样一些程序模块的集合： 它们能有效地组织和管理计算机的软硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效的运行。,12,有效：系统效率 （如CPU用的充足与否） 资源利用率 （如内存，外部设备是否忙碌） 合理： 公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿” 方便： 针对应用程序程序员和用户,1. 操作系统的定义,13,2. 操作系统的地位,操作系统在硬件基础上的第一层软件, 是其它软件和硬件的接口,14,3. 操作系统的特征,并发性： 在计算机系统中同时存在多个程序，从宏观上看这些程序是同时在执行的。 从微观上讲，在单CPU环境下，任何时刻只有一个程序在执行，这些并行执行的程序在CPU上轮流执行。,15,共享性 操作系统与多个用户的程序共同使用计算机上的资源,3. 操作系统的特征,随机性 操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应 考虑周密、设计适当,16,系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）； 系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。,OS是用户使用系统硬件、软件的接口,4. 操作系统的作用,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（针对CPU）； 另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理。,17,4. 操作系统的作用,OS是计算机硬件、软件资源的管理者,管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）； 管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。,18,三、操作系统的主要功能,处理机管理 存储管理 文件管理 设备管理 作业管理,传统的操作系统教科书对操作系统功能的描述,19,处理机管理,此处的处理机就是通常所说的处理器或CPU。 CPU是计算机系统中最宝贵的硬件资源，操作系统最重要的服务就是提高CPU的利用率。 为了提高CPU的利用率 ，现代操作系统大都采用多道程序技术。如果一个程序因等待某一条件而不能运行下去时，就把处理器占用权转交给另一个可运行程序。或者，当出现了一个比当前运行的程序更重要的可运行的程序时，后者应能抢占CPU。为了描述多道程序的并发执行，引入了进程的概念。所以处理机管理通常也称为进程管理。 通过进程管理协调多道程序之间的关系，解决对处理器分配调度策略、分配实施和回收等问题，以使CPU资源得到最充分的利用。,20,存储管理,存储管理主要管理内存资源。 当多个程序共享有限的内存资源时，会有一些问题需要解决，例如，如何为它们分配内存空间，同时，使用户存放在内存中的程序和数据彼此隔离、互不侵扰，又能保证在一定条件下共享等等问题，都是存储管理的范围。 当内存不够用时，存储管理必须解决内存的扩充问题，即将内存和外存结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器。 存储功能与硬件存储器的组织结构密切相关。,21,文件管理,系统中的信息资源（如程序和数据）是以文件的形式存放在外存储器（如磁盘、光盘和磁带）上的，需要时再把它们装入内存。 文件管理的任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题，以使用户方便、安全地访问文件。操作系统一般都提供很强的文件系统。,22,设备管理,设备管理是指对计算机系统中的所有输入、输出设备（外部设备）的管理。 设备管理的主要任务是根据一定的分配策略，把输入输出设备分配给请求输入输出操作的进程，并负责启动设备完成实际的输入输出操作。 为了发挥设备和处理器的并行工作能力，设备管理广泛采用虚拟技术和缓冲技术。,23,作业管理,即用户接口。 作业管理的任务是为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效地组织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行。,24,四、操作系统的发展历史,操作系统发展是随着计算机硬件技术的发展而发展的 目标：充分利用硬件,操作系统历史划分为4个阶段,25,第1阶段：电子管时代(1946年-1955年),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,26,50年代早期 出现了穿孔卡片 程序写在卡片上然后读入计算机 但计算过程则依然如旧,第1阶段：电子管时代(1946年-1955年),27,第1阶段：电子管时代(1946年-1955年),28,50年代晶体管发明 计算机比较可靠，可成批地生产，用户可指望计算机长时间运行，完成一些工作 程序设计语言诞生： FORTRAN 1954年提出，1956年设计完成 ALGOL 1958年引入 COBOL 1959年引入 设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员之间 第一次有了明确的分工,第2阶段 晶体管时代（1955年-1965年）,29,要运行一个作业，先将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言） 然后穿孔成卡片，再将卡片盒交给操作员 计算结果从打印机上输出 操作员到打印机上撕下运算结果送到输出室 程序员稍后可从取到结果 然后，操作员从输入室的卡片盒中读入另一个任务 如果需要FORTRAN编译器，还要把它取来读入计算机 机时在走来走去时被浪费,第2阶段 晶体管时代（1955年-1965年）,30,作业卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱,第2阶段 晶体管时代（1955年-1965年）,31,批处理操作系统 - 现代操作系统雏型,为了改进主存和I/O设备之间的吞吐量，IBM 7094机引入了I/O 处理机概念 其思想是：在输入室收集全部的作业，用一台相对便宜的计算机如IBM 1401计算机，将它们读到磁带上，另外用较昂贵的计算机，如IBM7094来完成真正的计算,第2阶段 晶体管时代（1955年-1965年）,32,第二代计算机典型的操作系统,FMS（FORTRAN Monitor System，FORTRAN监控系统） IBMSYS（IBM为7094机配备的操作系统） 这些操作系统由监控程序，特权指令，存储保护和简单的批处理构成,第2阶段 晶体管时代（1955年-1965年）,33,多道程序设计技术（multiprogramming）,在IBM 7094机上，若当前作业因等待I/O而暂停， CUP只能踏步直至该I/O完成 对于CPU操作密集科学计算问题，浪费时间少 对于商业数据处理，I/O等待时间常占8090 解决办法 将内存分几个部分，每部分放不同的作业 当一个作业等待I/O时，另一个作业可以使用CPU 在主存中同时驻留多个作业需要硬件进行保护 以避免信息被窃取或攻击,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,34,多道程序设计技术（multiprogramming）,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,单处理机上多道程序运行的特点： 1、多道：内存中同时存放多道相互独立的程序 2、宏观上并行：宏观上，系统中的多道程序都在运行，在一定的时间间隔内都取得进展 3、微观上串行：在任意时刻，只有一道程序占有CPU,35,多道程序设计技术（multiprogramming）,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,时间,CPU,I/O 设备,A B C,A B C,36,分时系统,批处理系统从一作业提交到结果取回, 往往长达数小时 一个逗号的误用会导致编译失败，而可能浪费程序员半天时间 问题的解决导致分时系统的出现 分时系统实际上是多道程序的一个变种 在分时系统中，每个用户有一个联机终端。假设20个用户登录，其中17个在思考或谈论或喝咖啡，则CPU可给那三个需要的作业轮流分配服务 调试程序的用户常常只发出简短的命令，而很少有长的费时命令，所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务，同时在CPU空闲时还能在后台运行大作业,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,37,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,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，后来可能需要一台大的计算机，而且希望能在新计算机上执行原有的程序 这样，厂家和用户需要软件在不同型号的计算机之间兼容,系列机思想与IBM System/360系统,38,1964 年IBM 宣布推出System/360计算机系统 第一个采用小规模集成电路的主流机型 试图一次性地解决上述两个问题 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 在其他型号机器上 运行,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,39,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 数千名程序员写的数百万行汇编语言代码 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 所以随着时间的流逝，错误的数量大致保持不变,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,这便是软件危机, 软件工程应运而生,40,MULTICS的灾难,1965年MIT、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 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 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月贝尔实验室退出，不久通用电气公司也退出了 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,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,41,UNIX的崛起,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，他们在一台无人用的PDP-7上，重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏 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 到了1970年，在一切完成后，给新系统起了个同MULTICS发音相近的名字UNIX 随后，UNIX用C语言全部重写，自此，UNIX诞生了,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,42,UNIX是现代操作系统的代表。Unix运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖 促使UNIX系统成功的因素： 首先，由于UNIX是用C语言编写，因此它是可移植的，UNIX 是世界上唯一能在笔记本计算机、PC机、工作站直至巨型机上运行的操作系统 第二，系统源代码非常有效，系统容易适应特殊的需求 最后，也是最重要的一点，它是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统,UNIX的崛起,第3阶段：集成电路时代（1965年-1980年）,43,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),随着大规模集成电路发展，个人计算机时代到来了,各种类型的个人计算机和操作系统层出不穷。,个人计算机操作系统,个人计算机操作系统的特征 应用领域：事务处理、个人娱乐， 系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。 常用的个人计算机操作系统 单用户单任务：MS DOS 单用户多任务：Windows 多用户多任务：UNIX, Linux, FreeBSD),针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。,44,在当代，操作系统的发展正在呈现更加迅猛的发展态势。 从规模上看，操作系统向着大型和微型的两个不同的方向发展着。大型系统的典型是分布式操作系统和机群操作系统。而微型系统的典型则是嵌入式操作系统。,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),当代操作系统的两大发展方向,45,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),分布式操作系统,分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中式系统） 分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。 分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。,46,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),分布式操作系统与网络操作系统的比较,耦合程度： 分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立的(OS同质)，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理； 网络通常容许异种OS互连，各机上各种服务程序遵从统一的网络协议(协议同质)。 并行性： 分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行(进程迁移)； 网络则各机上的进程独立。 透明性：用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如CPU、内存或外设）。 分布式系统的网络资源调度对用户透明，用户不了解所占有资源的位置； 网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定； 健壮性：分布式系统要求更强的容错能力（工作时系统重构）,47,嵌入式系统： 在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统，它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”。该系统通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中。由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统。,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),嵌入式操作系统,48,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),49,嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。,在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),嵌入式操作系统,50,典型嵌入式操作系统的特性,完成某一项或有限项功能；不是通用型的 在性能和实时性方面有严格的限制 能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素 占有资源少、易于连接 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成 以便满足最终产品的设计要求,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),51,嵌入式操作系统的应用,第4代阶段：大规模集成电路时代(1980年-),52,1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair 8800，它的内存只有1K字节，当时的价格为375美元。值得一提的是，Altair 8800的BASIC语言解释器是Bill Gates。 1975年，MOS Technology公司推出了MC6501和MC6502两款8位微处理器芯片，它们的价格分别为20美元和25美元，而当时Intel 8080的价格为150美元。日后Steve Jobs在美国西海岸的一个汽车库中组装Apple II微型计算机时，便采用了比较便宜的MC6502。Apple II具有4KB RAM、16KB ROM、键盘、游戏杆、8个扩充插槽以及彩色显示器，是世界上第一台能够显示彩色图形的个人计算机。Apple II一经推出便在市场上迅速走红，为成立不久的Apple带来滚滚财源，Apple II的热潮一直持续到80年代初。,个人计算机的诞生,五、Windows操作系统的发展历程,53,MS DOS,个人计算机的成功，逼得IBM采取紧急战略行动,决定要在1980年尽快生产出微型计算机，以应付挑战 但没有操作系统不行。要想快就是找现成系统配套，IBM公司洽谈 CP/M操作系统不顺利，机遇落到了微软公司 在关键时刻，开发新操作系统时间和人手上已经不可能，微软找到西雅图计算机产品公司，用5万美圆的价格购买了西雅图计算机产品公司的QDOS操作系统 当时西雅图公司并不知道QDOS将被转卖给IBM，否则历史将会怎样演变，谁也无法知晓,五、Windows操作系统的发展历程,54,MS DOS,IBM在1981年推出个人计算机，宣布了DOS操作系统 随着IBM PC和MS DOS普及，CP/M逐渐走向下坡路 MS DOS有优良的文件系统 但受到Intel x86体系结构的限制 缺乏以硬件为基础的存储保护机制 它属于单用户单任务操作系统 从1981的 1.0版到1998年在Windows 95/98之下的7.0版，MS DOS历经了16个年头 迄今仍有MS DOS爱好者继续开发各种DOS软件产品,五、Windows操作系统的发展历程,55,五、Windows操作系统的发展历程,拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS),在推出IBM PC机后，市场卷起一股龙卷风 IBM自己也没有料到产品会有如此巨大的成功 IBM的成功说明必有其他公司失败。甚至连苹果公司也遇到了问题，销售数量落到了兰色巨人的后面 苹果公司推出Lisa机遭到失败，Apple III型也遭到失败 分析家们认为，在微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了,56,施乐Palo Alto研究中心-70年代的计算机研究思想库,图形界面，手持鼠标，面向对象程序设计, 微机网络，桌面出版和激光打印等等,具有先进概念和技术的原型都首次出现在这里,1979年苹果公司允许施乐公司购买一百万股的苹果公司股票 作为回报，施乐公司允许苹果公司的少数人员，包括乔布斯，在有限的时间内考察施乐公司Palo Alto研究中心内部，并同该思想库的研究人员交谈 苹果公司对Palo Alto研究中心内的技术大感吃惊:施乐公司在拥有这些宝贵技术的同时竟然什么也没有做！,五、Windows操作系统的发展历程,拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS),57,对Palo Alto研究中心这些科学家们而言，苹果公司的人是他们第一次遇到真正理解他们技术的人 这些科学家们后来有的去了苹果公司，微软公司，有的最终创办了自己的公司 在访问的基础上，苹果决定立即开发采用这些新技术的个人计算机 苹果公司已看到IBM PC机的技术有多么糟糕，但他们卖得又是特别的好,五、Windows操作系统的发展历程,拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS),58,1984年，人们看到一则广告：“What was that?”和对Macintosh的介绍, 这是配有图形界面操作系统 MAC OS和鼠标的新型个人计算机 MAC机一上市立即在市场上获得极大的成功 当年比尔.盖茨曾经购买了一台Macintosh作为礼物送给母亲 Macintosh把苹果公司从连续的失败中拯救出来，苹果公司又开始向前发展 正是Mac先进图形界面操作系统技术，超前PC机若干年，造就了一批苹果的忠实追随者,拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS),五、Windows操作系统的发展历程,59,一波三折的微软Windows操作系统,1983年10月，PC机竞争厂家的图形界面相关产品上市 面对市场压力，比尔.盖茨在1983年11月10日宣布推出Windows操作系统 然而宣布容易，交货就不简单了，Windows交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄 直到1985年11月20日，Windows 1.0才正式上市 Windows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多 不过几年之后，Windows终于创造了销售成绩最佳的历史记录,五、Windows操作系统的发展历程,60,五、Windows操作系统的发展历程,