華東理工815操作系統(tǒng)第2講

第1章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)的目標和作用操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的結構設計UNIX操作系統(tǒng)簡介1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)

人工操作方式

脫機輸入輸出方式批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng)推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力

1.2.1推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力

不斷提高計算機資源利用率的需要方便用戶器件的不斷更新?lián)Q代計算機體系結構的不斷發(fā)展1.2.2無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)（1）人工操作方式工作流程：（1）由程序員事先穿孔（對應程序和數據）（2）將穿孔的紙帶（卡片）裝入紙帶（卡片)輸入機（3）再啟動輸入機將程序和數據輸入計算機，（4）然后啟動計算機運行（5）運行完畢取走計算機結果（6）下一位用戶人工操作方式帶來的矛盾及解決方法缺點：（1）用戶獨占全機（資源浪費）（2）CPU等待人工操作：裝入、取走時CPU及內存等資源空閑。CPU既負責計算，又要負責傳輸。（屬于單控制方式）矛盾人機矛盾即人工操作方式與機器利用率的矛盾CPU與I/O設備之間速度不匹配的矛盾解決方法通道技術、緩沖技術脫機輸入輸出方式（2）脫機輸入/輸出方式（off-LineI/O）工作流程：（示意圖）優(yōu)點：（1）減少了CPU的空閑時間。（2）提高了I/O速度（與高速的磁盤打交道）輸入設備外圍機外存輸出設備主機外存外存外存外圍機高速高速1.2.3單道批處理系統(tǒng)1、工作流程：

（1）作業(yè)合成一批輸入到外存上，同時在系統(tǒng)中配上監(jiān)控程序。（2）monitor將作業(yè)逐個送入內存并運行。2、特征：（1）自動性（2）順序性（3）單道性3、優(yōu)點：減少了人工操作的時間，提高機器的利用率和系統(tǒng)吞吐量。4、缺點：對某些作業(yè)來說，當它發(fā)出輸入/輸出請求后，CPU必須等待I/O的完成，特別因為I/O設備的低速性，從而使機器的利用率很低。用戶在一次解題或一個事務處理過程中要求計算機系統(tǒng)所做的全部工作。1.2.4多道批處理系統(tǒng)（1）多道程序設計技術（20世紀60年代中期引入）特征：（1）多道性（2）無序性（3）調度性優(yōu)點：（1）資源（CPU、內存、I/O設備）的利用率高（2）系統(tǒng)吞吐量大缺點：（1）平均周轉周期長（2）無交互能力需解決問題

處理機管理、內存管理、I/O設備管理、文件及作業(yè)管理問題單道程序運行情況用戶程序監(jiān)督程序I/O操作t1t2t3t4t5t6t7t8I/O中斷請求啟動I/OI/O完成結束中斷結束中斷I/O完成啟動I/OI/O中斷請求四道程序運行情況程序A程序B程序C程序D調度程序I/O請求I/O完成再被調度程序A完成I/O請求I/O請求I/O請求I/O完成I/O完成I/O完成再被調度1.2.4多道批處理系統(tǒng)（2）操作系統(tǒng)的形成

為解決上述問題，在計算機系統(tǒng)中增設一組軟件，對這些問題加以有效、妥善地解決，這組軟件應包括：控制和管理四大資源的軟件、合理地對各類作業(yè)進行調度的軟件，以及方便用戶使用計算機的軟件，這樣就形成了操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)：是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各類作業(yè)進行調度，以及方便用戶使用的程序的集合?？ㄆ缙谂幚硐到y(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機卡片閱讀機輸出磁帶打印機批處理操作系統(tǒng)優(yōu)缺點優(yōu)點：作業(yè)流程自動化效率高吞吐量高缺點：無交互手段調試程序困難1.2.5分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)(TimeSharingSystem)的產生

人-機交互、共享主機、便于用戶上機分時系統(tǒng)的定義見圖實現中的關鍵問題

及時接收、及時處理分時系統(tǒng)的特征多路性、獨立性、及時性、交互性主機終端1.2.6實時系統(tǒng)(RealTimeSystem)（1）實時操作系統(tǒng)：指系統(tǒng)能及時（或即時）響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行。實時操作系統(tǒng)的應用領域

有實時要求（有嚴格確定的時間限制）的領域（過程控制及事務處理）--多道批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)不能滿足1.2.6實時系統(tǒng)(RealTimeSystem)（2）實時系統(tǒng)分類：

（1）實時控制系統(tǒng)（2）實時信息處理系統(tǒng)實時任務：周期性/非周期性實時任務（截止時間）硬實時任務/軟實時任務實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較：多路性、獨立性、及時性、交互性、可靠性三種基本的操作系統(tǒng)三種基本的操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)如果一個操作系統(tǒng)兼有批處理、分時和實時系統(tǒng)三者或二者的功能，則稱該操作系統(tǒng)為通用操作系統(tǒng)。1.2.7微機操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)的特征應用領域：事務處理、個人娛樂，系統(tǒng)要求：使用方便、支持多種硬件和外部設備（多媒體設備、網絡、遠程通信）、效率不必很高。常用的微機操作系統(tǒng)單用戶單任務：CP/M，MS-DOS單用戶多任務：Windows多用戶多任務：SolarisOS,Linux。1.2.8多處理機操作系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)引入原因增加系統(tǒng)的吞吐量規(guī)模經濟、節(jié)省投資（共享外設、存儲器等）提高系統(tǒng)的可靠性多處理機系統(tǒng)的類型緊密耦合MPS松散耦合MPS多處理機操作系統(tǒng)的類型非對稱多處理模式（每個處理器都有各自特定的任務）對稱多處理模式（每個處理器都運行同一個操作系統(tǒng)的拷貝）1.2.9網絡操作系統(tǒng)計算機網絡的類型（按拓撲結構分為：星型、樹型、總線型、環(huán)型、網狀型）網絡OS的模式客戶/服務器模式對等模式網絡OS的功能通信、資源管理、網絡服務、網絡管理、互操作能力1.2.10分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)：能將任務處理和控制進行分散/分布的系統(tǒng)（相對于集中式）。分布式系統(tǒng)的兩種環(huán)境：多處理機系統(tǒng)；多計算機系統(tǒng)。分布式OS與網絡OS的比較

1.分布性2.并行性3.透明性

4.共享性5.健壯性

分布式系統(tǒng)基本特征---處理上的分布，即功能和任務的分布。嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOS）的應用智能卡移動通信計算機外設機頂盒零售設備印刷機復印機互聯(lián)網服務器電話交換設備1.3操作系統(tǒng)的基本特征并發(fā)(concurrence)共享(sharing)虛擬(virtual)異步性(asynchronism)并發(fā)(concurrence)(1)并發(fā)：指在計算機系統(tǒng)中同時存在著多道運行的程序（進程）宏觀上：多道程序同時在執(zhí)行微觀上：任何時刻只有一道程序在執(zhí)行，即微觀上多道程序在CPU上輪流（交替）執(zhí)行（單機）并行(parallel)：與并發(fā)相似，指多道程序在同一時刻執(zhí)行，但需多個硬件支持。并發(fā)(concurrence)(2)引入進程程序和進程：在多道程序系統(tǒng)中，程序不能獨立運行，更不能和其它程序并發(fā)執(zhí)行。引入進程的目的，就是為了使多個程序并發(fā)執(zhí)行。引入線程進程是OS中擁有資源并獨立運行的基本單位。引入線程后，把進程作為分配資源的基本單位，把線程作為獨立運行和獨立調度的基本單位，進一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性。并發(fā)(concurrence)(3)

注：1、程序的并發(fā)執(zhí)行能有效改善系統(tǒng)資源的利用率，但使系統(tǒng)復雜化，因此操作系統(tǒng)必須對并發(fā)活動進行控制和管理。

2、并發(fā)是操作系統(tǒng)最重要的特征，其它特征均以并發(fā)為前提。共享(sharing)并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征，二者互為存在條件：資源的共享是以程序（進程）的并發(fā)執(zhí)行為條件。程序的并發(fā)執(zhí)行也以資源的共享為條件。指系統(tǒng)中的資源不再為某道程序所獨占，而是供多道程序共同使用。資源共享方式：互斥共享方式、同時訪問方式虛擬(virtual)通過某種技術把一個物理實體映射為若干個對應的邏輯實體——分時（時分復用技術）或分空間（空分復用技術）。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。如：虛擬處理機（分時）、虛擬設備（分時）、虛擬磁盤（分空間）、虛擬存儲器（分空間、分時）異步性(asynchronism)也稱不確定性，指進程在執(zhí)行中，其執(zhí)行時間、順序、向前推進的速度和完成的時間等都是不可預知的。只要在OS中配置有完善的進程同步機制，且運行環(huán)境相同，作業(yè)經多次運行都會獲得完全相同的結果。所以，異步運行方式是允許的，是OS的一個重要特征。1.4操作系統(tǒng)的功能處理機管理存儲器管理設備管理文件管理用戶接口一、處理機管理的功能處理機管理的主要任務：是對處理機進行分配對處理機運行進行有效的控制和管理注：處理機的分配和運行以進程為基本單位，因此對處理機的管理可歸結為對進程的管理處理機管理的功能進程控制進程同步進程通信調度二、存儲器管理的功能主要任務為多道程序的運行提供良好的環(huán)境方便用戶使用存儲器提高存儲器的利用率從邏輯上擴充內存功能內存分配（靜態(tài)分配、動態(tài)分配）內存保護地址映射內存擴充三、設備管理的功能主要任務完成用戶提出的I/O請求為用戶分配I/O設備提高I/O設備的利用率及速度方便用戶使用I/O設備功能緩沖管理設備分配設備處理虛擬設備四、文件管理的功能主要任務對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理方便用戶使用文件保證文件的安全性功能文件存儲空間的管理目錄管理文件的讀、寫管理和保護五、OS與用戶接口管理的功能主要任務方便用戶使用操作系統(tǒng)功能用戶接口（聯(lián)機用戶接口-命令方式、圖形用戶接口，脫機用戶接口）程序接口（系統(tǒng)調用）1.5操作系統(tǒng)的結構設計操作系統(tǒng)的結構設計經歷了以下幾代：傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結構無結構操作系統(tǒng)模塊化結構OS分層式結構OS客戶/服務器模式面向對象的程序設計微內核OS結構無結構操作系統(tǒng)OS是由眾多的過程直接構成，各過程之間可相互調用，但OS內部不存在任何結構，所以這種OS是無結構的，又稱為整體系統(tǒng)結構。缺點：既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結構；程序錯誤多，調試難、閱讀難、理解難、維護難。模塊化結構操作系統(tǒng)（1）OS是采用“模塊化程序設計”技術，按其功能劃分為若干個獨立的模塊，管理相應的功能，同時規(guī)定好各模塊之間的接口，以實現它們的交互，對較大模塊又可按子功能進一步細分下去。所以這種OS稱為模塊化OS結構。模塊的獨立性關鍵：模塊的劃分和規(guī)定好模塊之間的接口衡量獨立性的兩個標準：內聚性：指模塊內部各部分間聯(lián)系的緊密程度耦合度：指模塊間相互聯(lián)系和相互影響的程度模塊化結構操作系統(tǒng)（2）優(yōu)點提高了OS設計的正確性、可理解性和可維護性增強了OS的可適用性加速了OS的開發(fā)過程缺點：模塊及接口劃分較困難未區(qū)別共享資源和獨占資源由于管理上的差異，使OS結構變得不夠清晰分層式結構操作系統(tǒng)（1）分層式結構是對模塊化結構的一種改進，它按分層式結構設計的基本原則，將OS劃分為若干個層次，每一層都只能使用其底層所提供的功能和服務，從硬件開始，在其上面一層一層地自底向上增添相應功能的軟件，這種OS結構稱為分層式OS結構。特點：每一步設計都建立在可靠的基礎上，結構更清晰調試和驗證更容易，正確性更高分層式結構操作系統(tǒng)（2）分層式結構的優(yōu)點：易保證系統(tǒng)的正確性易擴充和易維護缺點：系統(tǒng)效率降低：層次結構是分層單向依賴的，必須在相鄰層次之間建立層次間的通信機制，增加了系統(tǒng)開銷?？蛻?服務器模式（1）客戶/服務器模式的組成客戶機：每臺客戶機都是一個自主計算機，客戶進程在運行服務器：一臺規(guī)模較大的機器，為網上所有的用戶提供一種或多種服務。網絡系統(tǒng)：用于連接所有客戶機和服務器，實現它們之間的通信和網絡資源共享?？蛻?服務器之間的交互：客戶發(fā)送請求消息、服務器接收消息服務器回送消息、客戶機接收消息客戶/服務器模式（2）客戶/服務器模式的優(yōu)點數據的分布處理和存儲。便于集中管理。靈活性和可靠性。易于改編應用軟件不足之處存在著不可靠性和瓶頸問題改進方法：在網絡中配置多個服務器，并采取相應的安全措施。面向對象的程序設計面向對象技術的基本概念對象類繼承面向對象技術的優(yōu)點通過“重用”提高產品質量和生產率。使系統(tǒng)具有更好的易修改性和易擴展性。更易于保證“正確性”和“可靠性”微內核的OS結構（1）微內核技術的主要思想在OS內核中只留下一些最基本的功能，而將其他服務分離出去，由工作在用戶態(tài)下的進程來實現，形成“客戶/服務器”模式?？蛻暨M程可通過內核向服務器進程發(fā)送請求，以取得OS的服務。微內核精心設計的，能實現現代OS核心功能的小型內核，它小而精煉，運行在核心態(tài)下，開機后常駐內存，不會因內存緊張而換出，它為構建通用OS提供了一個重要基礎。微內核的OS結構（2）微內核OS的基本概念在進行現代OS結構設計時，大多采用基于客戶/服務器模式的微內核結構，將OS分為兩部分：微內核和多個服務器。足夠小的內核基于客戶/服務器模式應用“機制與策略分離”原理采用面向對象技術微內核的基本功能進程（線程）管理低級存儲器管理中斷和陷入處理優(yōu)點：微內核OS結構是建立在模塊化、層次化結構的基礎上的，并采用了C/S模式和OO的程序設計技術提高了系統(tǒng)的可擴展性增強了系統(tǒng)的可靠性提供了對分布式系統(tǒng)的支持融入了面向對象技術微內核的OS結構（3）微內核OS存在的問題與早期的OS相比，微內核OS的運行效率有所降低最主要的原因：P32微內核的OS結構（4）1.6UNIX系統(tǒng)簡介UNIX系統(tǒng)的發(fā)展UNIX系統(tǒng)的特性開放性（系統(tǒng)遵循國際標準規(guī)范）多用戶、多任務環(huán)境功能強大、實現高效提供豐富的網絡功能支持多處理機的功能UNIX系統(tǒng)的內核結構P356圖10-1UNIX系統(tǒng)的發(fā)展UNIX系統(tǒng)是美國貝爾實驗室的兩名程序員K.Thompson和D.M.Ritchie為PDP-7機器所設計和實現的一個分時操作系統(tǒng)。最初采用匯編語言編寫，后采用了C語言，并先后形成了第3、4、5、6、7版、UNIXSystemv2.0(UNIXSVR2)、UNIXSVR3、UNIXSVR4、UNIXSVR4.2版本以及BSDUNIX版本系列。UNIX是目前世界上最成功、最流行的OS之一。UNIX操作系統(tǒng)發(fā)展歷程圖（下頁）SVR41989IBMAIXSunSolaris第10版1988SystemIII1982Systemv1983SvR21984SVR319871BSD19772BSD19783BSD19784.0BSD19794.3BSD19864.4BSD1992第1版1969年第5版1973第6版1976第7版1978第8版1982第9版1986BellLabsUNIX版本發(fā)展歷史1.7自由軟件和Linux操作系統(tǒng)(1)商業(yè)軟件共享軟件自由軟件自由軟件是指遵循通用公共許可證GPL（GeneralPublicLicense）規(guī)則，保證使用上的自由、獲得源程序的自由，可以自己修改的自由，可以復制和推廣的自由，也可以有收費的自由的一種軟件。自由軟件出現的意義。自由軟件和Linux操作系統(tǒng)(2)

自由軟件與RichardStallman(1)七十年代后期很多軟件不再提供源碼，使用戶無法修改軟件中的錯誤，使用尤為不便。GNU的含義是GNUisNotUNIX（遞歸定義），是一個自由軟件工程項目，由自由軟件的倡導者RichardStallman先生指導并啟動的一個組織成立了自由軟件基金會(FSF)。目的是為了建立免費的UNIX系統(tǒng)。自由軟件和Linux操作系統(tǒng)(3)

自由軟件與Richardstallman(2)GNU寫出一套和UNIX兼容，但又是自由軟件的UNIX系統(tǒng)，GNU完成了大部分外圍工作，包括外圍命令gcc/gcc++,shell等，最終Linux內核為GNU工程劃上了一個完美句號。自由軟件和Linux操作系統(tǒng)(4)

自由軟件的經典之作：

C++編譯器、ObjectiveC、FORTRAN77、C庫、BSDemail、BIND、Perl、Apache、TCP/IP、IPaccounting、HTTPserver、LynxWeb、…Linux操作系統(tǒng)(1)Linux是由芬蘭藉科學家LinusTorvalds于1991年編寫完成的操作系統(tǒng)內核。許多人對Linux進行改進、擴充、完善，做出了關鍵性貢獻----Linux由最初一個人寫的原型變成在Internet上由無數志同道合的程序高手們參與的一場運動。Linux操作系統(tǒng)(2)

Linux技術特點(1)

(1)繼承了UNIX的優(yōu)點，有許多改進，是集體智慧的結晶，能緊跟技術發(fā)展潮流，具有極強的生命力；

(2)通用操作系統(tǒng)，可作為Internet上的服務器；網關路由器；可用做文件和打印服務器；也可供個人使用；

(3)內置通信聯(lián)網功能，可讓異種機聯(lián)網；

Linux操作系統(tǒng)(3)

Linux技術特點(2)(4)開放源代碼，有利于發(fā)展各種特色的操作系統(tǒng)；

(5)符合POSIX標準（可移植操作系統(tǒng)接口），各種UNIX應用可方便地移植到Linux下；

(6)提供龐大的管理功能和遠程管理功能；

(7)支持大量外部設備；

Linux操作系統(tǒng)(4)

Linux技術特點(3)

(8)支持32種文件系統(tǒng),如Ext2、Ext3、Xiafs、Isofs、Hpfs、MSDOS、UMS