第一講操作系統(tǒng)概述

第一講操作系統(tǒng)概述摩爾定律2Xtransistors/ChipEvery1.5yearsCalled“Moore’sLaw”

Moore’sLawMicroprocessorshavebecomesmaller,denser,andmorepowerful.GordonMoore(co-founderofIntel)predictedin1965thatthetransistordensityofsemiconductorchipswoulddoubleroughlyevery18months.Internet

ConnectivityClustersMassiveClusterGigabitEthernet計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍軟件規(guī)模5內(nèi)容提要操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史操作系統(tǒng)基本特征操作系統(tǒng)原理組成操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容提要操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史前計(jì)算機(jī)時(shí)代1642年，帕斯卡發(fā)明加法器，第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算器1671年，萊不尼茲發(fā)明乘法演算器1833年，巴貝奇發(fā)明“分析機(jī)”，建立計(jì)算機(jī)的邏輯基礎(chǔ)1876年，貝爾發(fā)明電話；1887年，赫茲通信原理；1895年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史繼電器與真空管時(shí)代——沒(méi)有OS的概念存在哈佛（HowardAiken）、普林斯頓（VonNeumann）、賓夕發(fā)尼亞大學(xué)（J.PresperEckert）、德國(guó)（KZuse）基于機(jī)械繼電器與真空管的計(jì)算機(jī)，沒(méi)有操作系統(tǒng)概念主要特點(diǎn)：個(gè)人獨(dú)占使用，主要完成科學(xué)計(jì)算ENIAC:(1945—1955)

“ThemachinedesignedbyDrs.EckertandMauchlywasamonstrosity.Whenitwasfinished,theENIACfilledanentireroom,weighedthirtytons,andconsumedtwohundredkilowattsofpower.”/~history/ENIAC.Richey.HTML晶體管時(shí)代——批處理操作系統(tǒng)FMS（IBM1401），IBSYS（IBM7094）批處理概念起源作業(yè)輸入與打印輸出的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算速度寶貴的計(jì)算資源被浪費(fèi)，如何提高利用效率？脫機(jī)概念起源相對(duì)于主計(jì)算機(jī)而言，輸入和輸出都是非聯(lián)機(jī)計(jì)算機(jī)使用方式的進(jìn)化個(gè)人獨(dú)占——批處理以節(jié)省資源CoreMemories(1950s&60s)CoreMemorystoreddataasmagnetizationinironringsIron“cores”wovenintoa2-dimensionalmeshofwiresOriginoftheterm“DumpCore”RumorthatIBMconsultedLifeSavercompanySee:/acis/history/core.htmlThefirstmagneticcorememory,fromtheIBM405AlphabeticalAccountingMachine.版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處11課程導(dǎo)論卡片IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機(jī)卡片閱讀機(jī)輸出磁帶打印機(jī)課程導(dǎo)論$END$RUNDataforprogram$LOADFortranprogram$FORTRAN

$JOB,10,429754

CherryChen

集成電路時(shí)代（IC）OS/360，IBM為滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展推出的第二代OS商業(yè)計(jì)算與科學(xué)計(jì)算的集成：System/360多道程序設(shè)計(jì)和假脫機(jī)技術(shù)的概念起源商業(yè)計(jì)算中I/O操作比例很大，直接造成CPU浪費(fèi)分時(shí)操作系統(tǒng)的概念起源批處理系統(tǒng)的普及——對(duì)第一代計(jì)算機(jī)的懷念概念的回歸：個(gè)人獨(dú)占計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)概念的萌芽DEC公司小型計(jì)算機(jī)的崛起和發(fā)展課程導(dǎo)論課程導(dǎo)論主機(jī)終端課程導(dǎo)論操作系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，在作業(yè)間切換對(duì)每一個(gè)作業(yè)而言，都有獨(dú)立的計(jì)數(shù)器和CPU時(shí)間操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分時(shí)，任意時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行AMulticsSystem(Circa1976)The6180atMITIPC,skindoorsopen,circa1976:“WeusuallyranthemachinewithdoorsopensotheoperatorscouldseetheAQregisterdisplay,whichgaveyouanideaofthemachineload,andforconvenientaccesstotheEXECUTEbutton,whichtheoperatorwouldpushtoenterBOSifthemachinecrashed.”/multics-stories.html1973:1.7Mbit/sq.in140MBytes1979:7.7Mbit/sq.in2,300MBytesEarlyDiskHistoryContrast:Seagate2TB,

400GB/SQin,3?indisk,

4plattersTheARPANet(1968-1970’s)PaulBaranRANDCorp,early1960sCommunicationsnetworksthatwouldsurviveamajorenemyattackARPANet:Researchvehiclefor“ResourceSharingComputerNetworks”2September1969:UCLAfirstnodeontheARPANetDecember1969:4nodesconnectedby56kbpsphonelines1971:FirstEmail1970’s:<100computersSRI940UCLASigma7UCSBIBM360UtahPDP10IMPsBBNteamthatimplementedtheinterfacemessageprocessorARPANetEvolvesintoInternetFirstE-mailSPAMmessage:1May197812:33EDT80-83:TCP/IP,DNS;ARPANETandMILNETsplit85-86:NSFbuildsNSFNETasbackbone,links6Supercomputercenters,1.5Mbps,10,000computers87-90:linkregionalnetworks,NSI(NASA),ESNet(DOE),DARTnet,TWBNet(DARPA),100,000computersARPANetSATNetPRNetTCP/IPNSFNetDeregulation&Commercialization19651975198519952005WWWISPASPAIPSATNet:SatelitenetworkPRNet:RadioNetwork操作系統(tǒng)現(xiàn)代觀點(diǎn)的出現(xiàn)（集成電路時(shí)代）“物理”與“邏輯”概念的明確多道程序帶來(lái)的地址映射機(jī)制改變“分時(shí)”與“保護(hù)”——OS的責(zé)任更加重要內(nèi)存保護(hù)和CPU狀態(tài)切換中斷概念的出現(xiàn)設(shè)備管理概念的增強(qiáng)I/O設(shè)備、內(nèi)存管理：更加強(qiáng)大資源共享與互斥：Spooling技術(shù)，DMA的起源虛擬思想的萌芽分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)、多道程序的特點(diǎn)個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)代（LSI與VLSI）1974年，Intel推出了8080通用8位CPUCP/M系統(tǒng)：GaryKildall，創(chuàng)建DigitalResearch公司1977－1982：CP/M統(tǒng)治PC世界的時(shí)代1983年，兼容機(jī)概念的出現(xiàn)與發(fā)展CP/M系統(tǒng)的死亡之旅：后悔100輩子的選擇BillGates的成功之路：源自SeattleComputerProducts的DOS系統(tǒng)IT業(yè)成功的商業(yè)模式：軟硬件捆綁＋知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)成功的偶然與必然：Microsoft從螞蟻到大象的發(fā)展道路GUI界面的起源——SteveJobs的興衰DougEngelbar發(fā)明了GUI機(jī)制，新的計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域HCI逐漸興起XeroxPARC的際遇和悲哀：掌握GUI，卻沒(méi)有實(shí)現(xiàn)其商業(yè)價(jià)值；1972年，第一臺(tái)PC機(jī)AltoSteveJobs：Lisa的失敗與Macintosh的成功微軟時(shí)代的來(lái)臨Windows3.1(1985-1995),Windows95,Windows98:16位操作系統(tǒng)的代表WindowsNT與2K，WindowsXP，Windows2003：32位操作系統(tǒng)的代表Vista,Win7：下一代64位操作系統(tǒng)XeroxStar:1981Originallyaresearch

project(Alto)First“mice”,“windows”AppleLisa/Machintosh:1984“LookandFeel”suit1988MicrosoftWindows:Win1.0(1985)Win3.1(1990)Win95(1995)WinNT(1993)Win2000(2000)WinXP(2001)WinVista(2007)XeroxStarWindows3.1SingleLevelHAL/ProtectionNoHAL/FullProt其他獨(dú)具特色的操作系統(tǒng)微內(nèi)核操作系統(tǒng)1975，Rochester大學(xué)開(kāi)發(fā)了RIG系統(tǒng)1984年，Mach系統(tǒng)的研發(fā)。1986（1.0），1988（2.5），1989（3.0）IBM的大型機(jī)操作系統(tǒng)OS/390大型機(jī)的復(fù)活：網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的新生嵌入式操作系統(tǒng)——VxWorksWindDriver公司的獨(dú)到眼光，火星探測(cè)器的大腦技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域：計(jì)算時(shí)代與智能時(shí)代的來(lái)臨LinusTorvalds如此自然的Linux系統(tǒng)：DIY概念的起源Android,Symbin,iphone——未來(lái)趨勢(shì)移動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)示例課程導(dǎo)論美國(guó)加州伯克利大學(xué)研制：微型智能傳感器，安裝TinyOS智能卡操作系統(tǒng)課程導(dǎo)論

在讀寫(xiě)器與智能卡之間通過(guò)“命令-響應(yīng)對(duì)”方式進(jìn)行通信和控制讀寫(xiě)器發(fā)出操作命令，智能卡接收命令操作系統(tǒng)對(duì)命令加以解釋，完成命令的解密與校驗(yàn)操作系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生應(yīng)答信息，加密后送給讀寫(xiě)器28內(nèi)容提要操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史操作系統(tǒng)基本特征操作系統(tǒng)原理組成操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容提要操作系統(tǒng)基本特征虛擬——最主要的特征CPU虛擬、內(nèi)存虛擬、顯示設(shè)備虛擬更高層次的虛擬：硬件設(shè)備虛擬并發(fā)與共享——分時(shí)系統(tǒng)的特征CoCurrency的宏觀體現(xiàn)和微觀概念共享與互斥：由此引發(fā)的一系列設(shè)計(jì)難題不確定性——復(fù)雜應(yīng)用的特征并發(fā)情況無(wú)法預(yù)期，如何有效控制保護(hù)機(jī)制與恢復(fù)機(jī)制：操作系統(tǒng)穩(wěn)定性的體現(xiàn)課程導(dǎo)論虛擬技術(shù)計(jì)算機(jī)硬件的多樣性；不同類型的CPUPentium,PowerPC,ColdFire,ARM,MIPS不同類型的memory,disk,…不同類型的外設(shè)Mice,Keyboards,Sensors,Cameras,Fingerprintreaders不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境Cable,DSL,Wireless,Firewalls,…ApplicationOperatingSystemHardwareVirtualMachineInterfacePhysicalMachineInterface并發(fā)性1．并行與并發(fā)并行性和并發(fā)性(Concurrence)是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念，并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行。共享性互斥共享方式

系統(tǒng)中的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然它們可以提供給多個(gè)進(jìn)程(線程)使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程(線程)訪問(wèn)該資源。為此，系統(tǒng)中應(yīng)建立一種機(jī)制，以保證對(duì)這類資源的互斥訪問(wèn)。同時(shí)訪問(wèn)方式

系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。內(nèi)容提要操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史操作系統(tǒng)基本特征操作系統(tǒng)原理組成操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容提要操作系統(tǒng)的基本原理框架進(jìn)程管理（CPU管理）進(jìn)程的定義與實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程的調(diào)度、進(jìn)程通信…存儲(chǔ)管理（內(nèi)存管理）存儲(chǔ)管理策略、虛擬存儲(chǔ)、頁(yè)面調(diào)度、工作集模型設(shè)備管理（I/O管理）I/O軟件設(shè)計(jì)、中斷處理、死鎖、DMA…文件系統(tǒng)（硬盤(pán)管理與數(shù)據(jù)管理）硬盤(pán)空間管理、文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、文件與目錄、安全保護(hù)課程導(dǎo)論內(nèi)容提要操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史操作系統(tǒng)基本特征操作系統(tǒng)原理組成操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容提要

無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)在早期開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者只是把注意力放在功能的實(shí)現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計(jì)思想。此時(shí)的OS是為數(shù)眾多的一組過(guò)程的集合，每個(gè)過(guò)程可以任意地相互調(diào)用其它過(guò)程，致使操作系統(tǒng)內(nèi)部既復(fù)雜又混亂。因此，這種OS是無(wú)結(jié)構(gòu)的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

模塊化結(jié)構(gòu)OS

模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)化程