第一講高級操作系統(tǒng)

第一講高級操作系統(tǒng)第1頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月授課教師

陳向群

cherry@

第2頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月2003年第一學(xué)期高級操作系統(tǒng)

課程計劃

15次課課堂講授11-12次專題課1-2次復(fù)習(xí)答疑1-2次成績平時成績小論文40分閱讀指定Paper，編寫讀書報告期中考試（無）期末考試60分復(fù)習(xí)題每次課3-5題第3頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月小論文要求字數(shù)要求3頁紙正文字數(shù)限制在3000~4000字語言文字要求簡潔、流暢風(fēng)格要求樸實（素）格式要求題目學(xué)生姓名、學(xué)號、電子郵件地址正文參考文獻*字體正文小四主體為宋體第4頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月小論文要求（續(xù)）內(nèi)容要求內(nèi)容豐富論述自己的觀點全面論文提交E-mail到cherry@文件名格式：學(xué)號（后3位）-論文標題評分標準難度系數(shù)加分*加2分；**加5分總分：40分對內(nèi)容掌握程度：

15分語言敘述表達：10分條理性：10分綜合印象：5分第5頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月參考書目現(xiàn)代操作系統(tǒng)，陳向群，機械工業(yè)出版社分布式操作系統(tǒng)，陸麗娜，電子工業(yè)出版社分布式操作系統(tǒng)，尹俊文，國防科大出版社高級操作系統(tǒng)，何炎祥，科學(xué)出版社

ModernOperatingSystemAndrewS.TanenbaumDistributedOperatingSystems&Algorithms,RandyChow,TheodoreJohnsonDistributedOperatingSystemsConcepts&Practice,DoreenL.Galli第6頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月注意學(xué)習(xí)方式的變化概念定位

為什么引入？解決什么問題？

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法為主線

工作方式？

實現(xiàn)過程？

特點或優(yōu)缺點

第7頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)做什么？

#include<stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){puts("helloworld");return0;}

第8頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，在文件描述符中寫一字符串用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行hello程序操作系統(tǒng)找到該程序，檢查其類型檢查程序首部，找出正文和數(shù)據(jù)的地址文件系統(tǒng)找到第一個磁盤塊父進程需要創(chuàng)建一個新的子進程，執(zhí)行hello程序操作系統(tǒng)需要將執(zhí)行文件映射到進程結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)設(shè)置CPU上下文環(huán)境，并跳到程序開始處程序的第一條指令執(zhí)行，失敗，缺頁中斷發(fā)生操作系統(tǒng)分配一頁內(nèi)存，并將代碼從磁盤讀入，繼續(xù)執(zhí)行更多的缺頁中斷，讀入更多的頁面第9頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)檢查字符串的位置是否正確操作系統(tǒng)找到字符串被送往的設(shè)備設(shè)備是一個偽終端，由一個進程控制操作系統(tǒng)將字符串送給該進程該進程告訴窗口系統(tǒng)它要顯示字符串窗口系統(tǒng)確定這是一個合法的操作，然后將字符串轉(zhuǎn)換成像素窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲映像區(qū)視頻硬件將像素表示轉(zhuǎn)換成一組模擬信號控制顯示器（重畫屏幕）顯示器發(fā)射電子束你在屏幕上看到helloworld第10頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）程序的執(zhí)行 負責啟動每個程序 以及結(jié)束程序的工作（2）完成與硬件有關(guān)的工作（3）完成與應(yīng)用無關(guān)的工作 易于使用，基本服務(wù)，統(tǒng)一性（4）計算機系統(tǒng)的效率與安全問題操作系統(tǒng)的工作第11頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月硬件相關(guān)：

應(yīng)用程序-----------------------

虛機器界面

操作系統(tǒng)-----------------------

物理機器界面

硬件假如沒有操作系統(tǒng)？怎樣將目標代碼送給硬件？怎樣輸出打印結(jié)果？→人們將對二進制程序操作從二極發(fā)光管讀答案第12頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月硬件相關(guān)（續(xù)1）：指實現(xiàn)代碼中包含存儲器的物理地址，包含對設(shè)備接口寄存器和設(shè)備接口緩沖區(qū)的讀寫等等實現(xiàn)該工作的過程代碼和硬件因素密切相關(guān)，即需要設(shè)置與測試、使用物理地址、設(shè)備接口寄存器等等硬件相關(guān)必然復(fù)雜繁瑣、代碼量大硬件相關(guān)的工作，其實現(xiàn)代碼不通用第13頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月硬件相關(guān)（續(xù)2）： 由于操作系統(tǒng)承擔了上述工作，在其之上的各類程序就沒有必要直接同硬件打交道了。硬件改變時，操作系統(tǒng)相應(yīng)變化即可，其他的程序不用作出改變

硬件相關(guān)還表現(xiàn)在有關(guān)硬件的狀態(tài)必定帶來對應(yīng)代碼的變化第14頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月與應(yīng)用無關(guān)：是指這些工作是任何一個程序都需要的、最基本的工作

它們具有共性，工作過程相同

與具體應(yīng)用無直接關(guān)系，即與用戶所關(guān)心的應(yīng)用目標無直接關(guān)系第15頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，是一些程序模塊的集合——它們能以盡量有效、合理的方式組織和管理計算機的軟硬件資源，合理的組織計算機的工作流程，控制程序的執(zhí)行并向用戶提供各種服務(wù)功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效的使用計算機，使整個計算機系統(tǒng)能高效地運行。第16頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月有效：系統(tǒng)效率，資源利用率 （如：CPU利用的充足與否，內(nèi)存、外部設(shè)備是否忙碌）合理： 公平與否，如果不公平則會產(chǎn)生“死鎖”或“饑餓”方便： 用戶界面第17頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)的特征并發(fā)：在計算機系統(tǒng)中同時存在多個程序宏觀上：這些程序是同時在執(zhí)行的微觀上：任何時刻只有一個程序在執(zhí)行即微觀上這些程序在CPU上輪流執(zhí)行并行：(與并發(fā)相似，但多指硬件支持）第18頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月共享： 操作系統(tǒng)與多個用戶的程序共同使用計算機系統(tǒng)中的資源操作系統(tǒng)特征（續(xù)）隨機性： 操作系統(tǒng)必須隨時對以不可預(yù)測的次序發(fā)生的事件進行響應(yīng)如何考慮周密、設(shè)計適當?shù)?9頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月研究操作系統(tǒng)的幾種觀點作為軟件來看的觀點資源管理的觀點進程的觀點虛機器觀點服務(wù)提供者觀點第20頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1.作為軟件來看的觀點軟件的特性外在特性： 軟件是種語言,是界面 界面:使用方式（命令,系統(tǒng)調(diào)用等)內(nèi)在特性： 軟件的結(jié)構(gòu)

a.由有幾部分組成

b.每個部分的功能

c.部分之間的關(guān)系第21頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月2.資源管理的觀點操作系統(tǒng)---資源管理者硬件資源：CPU，內(nèi)存，外部設(shè)備(I/O設(shè)備，外存，時鐘，網(wǎng)絡(luò)接口等)軟件資源：硬盤上的文件，信息第22頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月管理資源記錄資源使用狀況如哪些資源空閑，好壞與否，被誰使用,使用多長時間等合理的分配資源靜態(tài)分配策略(在程序運行前分配，但效率不高)動態(tài)分配策略(在程序運行過程中何時用資源，何時分配。其缺點是會出現(xiàn)死鎖)具體完成分配回收資源第23頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月3.進程的觀點是從操作系統(tǒng)運行的角度動態(tài)的觀察操作系統(tǒng)從這個觀點來看：操作系統(tǒng)是由一些可同時獨立運行的進程和一個對這些進程進行協(xié)調(diào)的核心組成.第24頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月進程：完成某一特定功能的程序是程序的一次執(zhí)行過程是動態(tài)有生命的，當它執(zhí)行時存在，否則消亡第25頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月4.虛機器觀點從操作系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看：把操作系統(tǒng)分成若干層每一層完成其特定功從而構(gòu)成一個虛機器，并對上一層提供支持通過逐層功能擴充,最終完成整個操作系統(tǒng)虛機器而操作系統(tǒng)虛機器向用戶提供各種功能,完成用戶請求第26頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月5.服務(wù)提供者的觀點在操作系統(tǒng)之外從用戶角度來看：操作系統(tǒng)為用戶提供一組功能強大的、方便易用的命令或系統(tǒng)調(diào)用第27頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月6.其他觀點操作系統(tǒng)作為仲裁者（協(xié)調(diào)者）

使多個應(yīng)用程序/用戶高效公平地一起工作保護用戶不互相干擾例子：并發(fā)，存儲保護文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)作為管理程序

硬件平臺擴展為運行平臺運行平臺是承載應(yīng)用程序的載體平臺之爭企業(yè)競爭的范圍已經(jīng)超出了市場、資本和技術(shù)競爭的焦點：表面上：平臺（標準）實質(zhì)上：爭奪產(chǎn)業(yè)的制高點第28頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)作為幻覺制造者(illusionist)

提供硬件的高層界面，取消硬件限制操作系統(tǒng)提供無限的內(nèi)存、無限的CPU操作系統(tǒng)作為管理者(government)

有效合理地分配資源，保護用戶不受侵犯提供安全、保密措施第29頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)作為歷史教員

學(xué)習(xí)過去，預(yù)測未來操作系統(tǒng)作為APARENT程序創(chuàng)建和執(zhí)行存取I/O設(shè)備控制對文件的存取系統(tǒng)存取錯誤檢測和回應(yīng)統(tǒng)計操作系統(tǒng)作為標準服務(wù)提供者

提供每個用戶需要的標準工具如標準庫、窗口系統(tǒng)第30頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)發(fā)展是隨著計算機硬件技術(shù)、應(yīng)用軟件的發(fā)展而發(fā)展的目標：充分利用硬件提供更好的服務(wù)第31頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第一臺數(shù)字計算機英國數(shù)學(xué)家CharlesBabbage（1792-1871）設(shè)計Babbage投入了畢生精力但卻沒能讓它成功地運行起來因為當時的技術(shù)不可能達到需要的精度當然，這個分析機沒有操作系統(tǒng)第32頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1936年圖靈（A.M.Turing）發(fā)表劃時代論文《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》論述了一種“圖靈機”只要為它編好程序它就可以承擔其他機器能作的任何工作重要性:

世界上還沒人提出通用計算機概念前圖靈已在理論上證明了它存在的可能性電子計算機之父第33頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月電子計算機之父德國人蘭德·楚澤（KonradZuse）最早提出了“程序設(shè)計”的概念

1949年楚澤的Z－4計算機安裝在瑞士蘇黎士技術(shù)學(xué)院一直穩(wěn)定地運行到1958年美國人馮·諾依曼（JohnvonNeumann）提出了“存儲程序”的概念第34頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月所有的這些“電子計算機之父”們計算機先驅(qū)者們沒有提及有關(guān)計算機“操作系統(tǒng)”的任何思想也沒有在“操作系統(tǒng)”的設(shè)計方面進行任何嘗試第35頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月二戰(zhàn)對武器設(shè)計的需要美國、英國和德國等國家開始了電子數(shù)字計算機的研究工作哈佛大學(xué)的HowardAiken普林斯頓高等研究院的JohnNeumann（馮·諾依曼）賓夕法尼亞大學(xué)的J.PresperEckert和WilliamMauchley德國電話公司的KonraadZuse以及其他一些人都使用真空管成功地建造了運算機器第36頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月早期數(shù)字計算機的演變

操作系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)的完善第一臺數(shù)字電子計算機ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)1943年開始建造1946年投入使用用于彈道計算第一顆原子彈的計算第37頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月沒有程序設(shè)計語言（甚至沒有匯編），更談不上操作系統(tǒng)程序員提前預(yù)約一段時間,然后到機房將他的插件板插到計算機里期盼著在接下來的時間中幾萬個真空管不會燒斷從而可以計算自己的題目運算速度：10000次/每秒,18000個真空管,占地182平方米，重量130噸，功耗140kW第38頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月早期數(shù)字計算機沒有任何操作系統(tǒng)程序：人工編制二進制代碼輸入：通過卡片或者紙帶輸入計算機完成之后按下控制臺運行鍵命令計算機開始運行運行結(jié)果：通過卡片、紙帶以及氖燈顯示完全依賴人工運行方式運行效率非常低第39頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月新創(chuàng)造發(fā)明大事記1947年，晶體管發(fā)明1948年，英國Manchester大學(xué)依據(jù)“存儲程序”概念建造了第一臺具有隨機存取存儲器可存儲程序和數(shù)據(jù)的計算機1951年，第一臺“旋風(fēng)”實時控制計算機投入運行用于美國防空系統(tǒng)軟磁盤在這一年發(fā)明第一臺通用計算機UNIVACI投入運行第40頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第一臺實時控制計算機“旋風(fēng)”（Whirlwind）計算機

第41頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1952年，IBM推出IBM701型真空管計算機用于科學(xué)計算，配有卡片閱讀機，打印機，磁鼓第一臺磁帶機，已經(jīng)構(gòu)成了完整的輸入、運算處理和輸出能力1953年，王安博士發(fā)明磁芯存儲器。1954年，IBM推出IBM704型計算機第一臺具有變址和浮點運算能力的商用數(shù)字計算機1955年，IBM推出第一臺晶體管計算機IBM608型。1957年，F(xiàn)ortran由IBM公司設(shè)計完成1958年，LISP程序設(shè)計語言出現(xiàn)1959年，IBM推出IBM1401數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)共銷售了一萬余臺配有IBM1403高速打印機，現(xiàn)代“鏈式”打印機的先驅(qū)第42頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月批處理操作系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)的背景50年代中后期，系統(tǒng)的運行方式依舊：運算程序通過卡片機、紙帶機和輸入內(nèi)存運算完畢之后，再啟動輸出打印機打出結(jié)果當時，計算機稀少，的機時費用昂貴大段的時間在等待輸入和輸出過程中浪費了官僚主義在計算中心也到處存在嚴重影響了計算機效率的提高用戶上機時間的安排，甚至以日為單位安排第43頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月東部聯(lián)合計算機會議（EasternJointComputerConference）用戶提出能否使計算機作業(yè)更流暢一些，效率高一些用戶的反映，得到當時系統(tǒng)管理員們的重視1955年，第一套批處理管理程序（BatchProcessingMonitorProgram）由GeneralMotorsResearchCenter開發(fā)在IBM701上運行1956年，由于IBM701機不穩(wěn)定用戶GeneralMotors和NorthAmericanAviation

于在IBM709機上改寫了批處理管理程序，稱為GM/NAAI/OSystem由NorthAmericanAviation開發(fā)的管程（FMS，F(xiàn)ORTRANMonitorsystem）也在IBM709投入運行1960年，GM/NAAI/OSystem被的IBM用戶組織SHARE進一步發(fā)展成為SHAREOperatingSystem(SOS)

批處理操作系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)的背景(2)第44頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月軟件開放性

早期操作系統(tǒng)誕生的溫床早期的計算機用戶們在實際應(yīng)用上的需求對計算機軟件設(shè)計的開放性思想是操作系統(tǒng)發(fā)展的強大動力這時期的操作系統(tǒng)不僅是完全開放的而且是免費共享的第45頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)沒有被任何一位“計算機之父”所預(yù)見早期操作系統(tǒng)，批處理系統(tǒng)的出現(xiàn)說操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是必然的、不可避免的為了有效的利用昂貴而又稀缺的計算資源電子數(shù)字計算機就必然會尋找有效管理計算資源的方法讓計算機系統(tǒng)本身擁有系統(tǒng)資源的管理能力操作系統(tǒng)啟示第46頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)性能的提高

圍繞資源管理性能的競賽60年代初期，英國Manchester大學(xué)推出AtlasISupervisor早期操作系統(tǒng)首先引進了系統(tǒng)調(diào)用（systemcalls）虛擬存儲（virtualmemory）的概念有了系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)管理員可使用操作系統(tǒng)提供的內(nèi)部功能應(yīng)用程序設(shè)計師也可通過系統(tǒng)調(diào)用使用操作系統(tǒng)的一些內(nèi)部功能同時又不影響OS自身的運行和安全有了虛擬存儲計算機程序不再受物理存儲器大小的限制

IBM701機：內(nèi)存2K，36位字的容量

IBM704機：內(nèi)存32K，36位字的容量

第47頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月分時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)1962年，麻省理工學(xué)院得到一臺IBM7090計算機配有FMS批處理系統(tǒng)，32K字節(jié)內(nèi)存

0.35MIPS運算速度，當時價值350萬美元麻省教授HerbTeager和MarvinMinsky

提出希望能夠有類似在旋風(fēng)計算機上的工作方式能夠快速得到運算的結(jié)果JohnMcCarthy提出了“在IBM7090上的分時運行程序”，并進行了實驗1959年Teager和McCarthy共同發(fā)表“分時程序測試”報告CTSS分時系統(tǒng)思想在實際應(yīng)用中取得了巨大的成功第48頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月啟示分時系統(tǒng)的出現(xiàn)，是：

提高計算機運算效率與改善人機交互界面兩個方面的努力而產(chǎn)生的結(jié)果把CPU的處理時間劃分為時間片每個時間片處理一個終端上的交互操作充分利用了計算機高速運算處理的特點妥善地解決了大量終端交互要求和短暫處理時間間的矛盾實現(xiàn)了操作系統(tǒng)性能的一個大的飛躍第49頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月大型分時系統(tǒng)的實踐

Multics項目1962年，在ARPA支持下，MIT、貝爾實驗室和通用電氣公司決定開發(fā)一種“公用計算服務(wù)系統(tǒng)”希望能夠同時支持整個波士頓地區(qū)所有的分時用戶稱作Multics(MULTiplexedInformationandComputingService)Multics設(shè)計目標：使用便利的遠程終端，大量終端通過電話線接入計算機主機連續(xù)工作（無關(guān)機）可變的配置能力，無需用戶程序重新配置高可靠的大型文件系統(tǒng)大容量的用戶信息共享存儲和構(gòu)造層次化信息結(jié)構(gòu)的能力支持從數(shù)字運算到分時系統(tǒng)各種應(yīng)用多種程序設(shè)計環(huán)境和人機界面允許隨技術(shù)的發(fā)展，而不斷進化系統(tǒng)第50頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月段式存儲思想是Multics提出的重要思想之一Multics的虛擬地址由18位段號和16位字偏移量組成Multics文件系統(tǒng)：多級樹形結(jié)構(gòu)并允許用戶建立自己的子目錄結(jié)構(gòu)Multics的每個文件都有文件保護機制對于執(zhí)行進程則采用一套保護環(huán)的安全機制Multics系統(tǒng)幾乎完全是由PL/1語言寫成約有30萬行代碼實際運行的Multics硬件環(huán)境是一個多處理機系統(tǒng)它允許當某個CPU被取出維護時整個系統(tǒng)繼續(xù)運行第51頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Multics正式研制開始于1965年研制難度超出了所有人的預(yù)料第一階段的目標原計劃在幾個月內(nèi)實現(xiàn)但直到1967年12月才得以完成長期的研制工作達不到預(yù)期目標

1969年4月貝爾實驗室退出了研制工作隨后通用電氣公司退出經(jīng)過努力，Multics于1969年10月開始在MIT投入使用陸續(xù)銷售和安裝了幾十個Multics系統(tǒng)多數(shù)運行Multics的計算機系統(tǒng)在九十年代中陸續(xù)被關(guān)閉最后一個運行Multics的計算機系統(tǒng)在加拿大國防部于2000年10月30日17:08關(guān)閉第52頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Multics引入了許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要概念的雛形對現(xiàn)代操作系統(tǒng)的形成特別是代UNIX的成功有著巨大的影響Multics是第一個采用“層次化文件系統(tǒng)”（hierarchicalfilesystem）概念的系統(tǒng)是今天人們在Windows，MACOS，DOS，UNIX，Linux等等操作系統(tǒng)上時刻使用的文件系統(tǒng)多語言支持能力支持EPL、EPLBSA、PL/I、ALM、COBOL、FORTRAN、BCPL等等第53頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Multics的最大貢獻使UNIX的兩個主要發(fā)明人KenThompson和DennisRitchie

有機會發(fā)揮他們的才智充分吸收了有關(guān)Multics的設(shè)計思想和新概念在UNIX中，許多命令，控制變量，shell文本等等和Multics一樣UNIX這個名稱也是從Multics的發(fā)音中演化而來DennisRitchie在Multics的工作是實現(xiàn)BCPL語言

DennisRitchie后來把BCPL語言改造為C語言用C語言重新改寫了UNIX操作系統(tǒng)更重要的是，UNIX吸取了Multics中的教訓(xùn)任何新生事物在經(jīng)歷了一次困難的誕生過程之后它的第二次出現(xiàn)過程通常是比較順利的Multics為UNIX的成功儲備了技術(shù)，培養(yǎng)了人才第54頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)設(shè)備無關(guān)性的嘗試

IBMSystem/36060年代初期，第三代集成電路計算機開始出現(xiàn)在當時，大多數(shù)計算機廠商都有幾條完全不同的計算機生產(chǎn)線然而開發(fā)和維護完全不同的產(chǎn)品，對廠商來說是昂貴的一些計算機用戶，在開始時只需要使用一臺小計算機后來可能需要一臺較大的計算機而且希望能在較大的計算機上更快地執(zhí)行原有的程序。廠家和用戶都需要系統(tǒng)軟件在不同型號的計算機之間兼容上述問題都是對當時的操作系統(tǒng)嚴重依賴特定的硬件不具備設(shè)備無關(guān)性的反映1964年IBM宣布推出System/360計算機系統(tǒng)

IBM公司試圖通過引入System/360來一次性地解決上述兩個問題由于所有的計算機都有相同的體系結(jié)構(gòu)和指令集因此，在理論上，為一種型號機器編寫的程序可以在其他所有型號的機器上運行第55頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第56頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月“單一家族”思想也帶來了缺點:所有的軟件，包括操作系統(tǒng)OS/360都要能夠在所有機器上運行它要適用于所有型號的機器和不同的用途IBM無法寫出滿足相互沖突需要的OS軟件其實當時別人也不能完成這項工作任務(wù)第57頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月整個OS/360操作系統(tǒng)包含數(shù)千名程序員寫的數(shù)百萬行匯編語言代碼系統(tǒng)占據(jù)了大量存儲空間和一半的CPU時間數(shù)百萬行匯編代碼中有成千上萬處錯誤

IBM不斷地發(fā)行新的版本試圖更正這些錯誤每個新版本在更正老錯誤的同時又引入新錯誤所以隨著時間的流逝整個OS/360中錯誤數(shù)量大致保持不變OS/360的設(shè)計者之一FredBrooks

寫過一本書描述開發(fā)OS/360的經(jīng)驗其封面是一群史前恐龍陷入泥潭而不能自拔這幅圖畫，恰當?shù)谋硎隽薕S/360狀況第58頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月IBMSystem/360計算機第59頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表

UNIX1961年，以DEC的PDP-1作為起點小型計算機開始崛起

PDP-1計算機4K個字長為18比特的內(nèi)存每臺售價120，000美元今天看來，昂貴的不可思議當時，它價格還不到IBM7094的5%所以該機型非常熱銷PDP-1開辟了全新的小型計算機產(chǎn)業(yè)第60頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月小型計算機，電子游戲和UNIX的成功1969年，在貝爾退出MULTICS研制項目后，KenThompson和DennisM.Ritchie想申請經(jīng)費買計算機從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請得不到批準項目無著落，他們在一臺無人用的PDP-7上，重新擺弄原先在MULTICS項目上設(shè)計的“空間旅行”游戲為了使游戲能夠在PDP-7上順利運行，他們陸續(xù)開發(fā)了浮點運算軟件包、顯示驅(qū)動軟件，設(shè)計了文件系統(tǒng)、實用程序、shell和匯編程序到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)起了個同MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX隨后，UNIX用C語言全部重寫，自此，UNIX誕生了第61頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月世界上第一個真正體現(xiàn)了操作系統(tǒng)領(lǐng)域各種先進概念和技術(shù)的操作系統(tǒng)，是UNIXUNIX操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，有它的偶然性和必然性偶然性表現(xiàn)在研究工作多次的報告，都沒有得到上級主管的認可因為這些領(lǐng)導(dǎo)害怕會再有一次類似于Multics項目的失敗玩游戲的結(jié)果，導(dǎo)致世界上最有名的操作系統(tǒng)之一出現(xiàn)這也夠偶然的了必然性表現(xiàn)在

UNIX大部分技術(shù)上的特性已經(jīng)在Multics和其他一些操作系統(tǒng)上實驗和實現(xiàn)而這兩位科學(xué)家對Multics的設(shè)計理念早已嫻熟在心這就是為什么只花費了不到一年的時間就基本設(shè)計完成UNIX的原型設(shè)計的原因第62頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月UNIX沒有僅僅停留在對以往操作系統(tǒng)的繼承和發(fā)展這一高度上UNIX對操作系統(tǒng)進行了前所未有的革新和創(chuàng)造UNIX實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的可移植性與計算機硬件無關(guān)性實現(xiàn)了對計算機外部設(shè)備的統(tǒng)一管理引進了“特殊文件”（SpecialFile）的概念第一次把各種外部設(shè)備也看作文件真正實現(xiàn)了對所有外部設(shè)備的統(tǒng)一管理第63頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月UNIX是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表。Unix運行時的安全性、可靠性以及強大的計算能力贏得廣大用戶的信賴促使UNIX系統(tǒng)成功的因素：

首先，由于UNIX是用C語言編寫，因此它是可移植的，UNIX是世界上唯一能在筆記本計算機、PC機、工作站直至巨型機上運行的操作系統(tǒng)第二，系統(tǒng)源代碼非常有效，系統(tǒng)容易適應(yīng)特殊的需求最后，也是最重要的一點，它是一個良好的、通用的、多用戶、多任務(wù)、分時操作系統(tǒng)第64頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第四代大規(guī)模集成電路計算機（1980年-至今）CP/M操作系統(tǒng)隨著大規(guī)模集成電路發(fā)展，個人計算機時代到來了各種類型的個人計算機和軟件層出不窮1973年GaryKildall看到對個人計算機操作系統(tǒng)的需求,設(shè)計了CP/M操作系統(tǒng)(ControlProgram/MicroprocessororMicrocomputer)CP/M操作系統(tǒng)有較好的層次結(jié)構(gòu)。它的BIOS把操作系統(tǒng)的其他模塊與硬件配置分隔開，所以它的可移植性好,具有較好的可適應(yīng)性和易學(xué)易用性到了1981年，CP/M操作系統(tǒng)成為世界上流行最廣的8位操作系統(tǒng)之一第65頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月微軟MSDOS個人計算機的成功，逼得IBM采取緊急戰(zhàn)略行動,決定要在1980年盡快生產(chǎn)出微型計算機，以應(yīng)付挑戰(zhàn)但沒有操作系統(tǒng)不行。要想快就是找現(xiàn)成系統(tǒng)配套，IBM公司洽談CP/M操作系統(tǒng)不順利，機遇落到了微軟公司在關(guān)鍵時刻，開發(fā)新操作系統(tǒng)時間和人手上已經(jīng)不可能，微軟找到西雅圖計算機產(chǎn)品公司，達成由微軟經(jīng)銷西雅圖計算機產(chǎn)品公司的QDOS操作系統(tǒng)的協(xié)議當時西雅圖公司并不知道QDOS將被轉(zhuǎn)賣給IBM，否則歷史將會怎樣演變，誰也無法知曉第66頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月IBM在1981年推出個人計算機，宣布了DOS操作系統(tǒng)隨著IBMPC和MSDOS普及，CP/M逐漸走向下坡路MSDOS有優(yōu)良的文件系統(tǒng)但受到Intelx86體系結(jié)構(gòu)的限制缺乏以硬件為基礎(chǔ)的存儲保護機制它屬于單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)從1981的1.0版到1998年在Windows95/98之下的7.0版，MSDOS歷經(jīng)了16個年頭迄今仍有MSDOS愛好者繼續(xù)開發(fā)各種DOS軟件產(chǎn)品第67頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月拯救蘋果公司的Macintosh(MACOS)在推出IBMPC機后，市場卷起一股龍卷風(fēng)IBM自己也沒有料到產(chǎn)品會有如此巨大的成功IBM的成功說明必有其他公司失敗。甚至連蘋果公司也遇到了問題，銷售數(shù)量落到了蘭色巨人的后面蘋果公司推出Lisa機遭到失敗，AppleIII型也遭到失敗分析家們認為，在微機市場上的戰(zhàn)斗似乎蘭色巨人要嬴了第68頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月施樂PaloAlto研究中心

-70年代的計算機研究思想庫世界上第一臺個人計算機Alto1972年在這里出現(xiàn)圖形界面，手持鼠標，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計微機網(wǎng)絡(luò)，桌面出版和激光打印等等具有先進概念和技術(shù)的原型都首次出現(xiàn)在這里第69頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1979年蘋果公司允許施樂公司購買一百萬股的蘋果公司股票作為回報，施樂公司允許蘋果公司的少數(shù)人員，包括喬布斯，在有限的時間內(nèi)考察施樂公司PaloAlto研究中心內(nèi)部，并同該思想庫的研究人員交談蘋果公司對PaloAlto研究中心內(nèi)的技術(shù)大感吃驚他們更吃驚的是，施樂公司在擁有這些寶貴技術(shù)的同時竟然什么也沒有做！第70頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月對PaloAlto研究中心這些科學(xué)家們而言，蘋果公司的人是他們第一次遇到真正理解他們技術(shù)的人這些科學(xué)家們后來有的去了蘋果公司，微軟公司，有的最終創(chuàng)辦了自己的公司在訪問的基礎(chǔ)上，蘋果決定立即開發(fā)采用這些新技術(shù)的個人計算機蘋果公司已看到IBMPC機的技術(shù)有多么糟糕，但他們賣得又是特別的好第71頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月MACOS、鼠標的新型個人計算機1984年，人們看到一則廣告：“Whatwasthat?”和對Macintosh的介紹,這是配有圖形界面操作系統(tǒng)MACOS和鼠標的新型個人計算機MAC機一上市立即在市場上獲得極大的成功當年比爾.蓋茨都說，這是一臺他的媽媽也能使用的計算機Macintosh把蘋果公司從連續(xù)的失敗中拯救出來蘋果公司又開始向前發(fā)展正是Mac先進圖形界面操作系統(tǒng)技術(shù)，超前PC機若干年，造就了一批蘋果的忠實追隨者第72頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月一波三折的微軟Windows操作系統(tǒng)1983年10月，PC機競爭廠家的圖形界面相關(guān)產(chǎn)品上市面對市場壓力，比爾.蓋茨在1983年11月10日宣布推出Windows操作系統(tǒng)然而宣布容易，交貨就不簡單了，Windows交貨期的災(zāi)難，成了當年計算機界的笑柄直到1985年11月20日，Windows1.0才正式上市第73頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Windows的歷史記錄Windows在當時微軟歷史上創(chuàng)了幾個記錄：延遲交貨次數(shù)最多，投入開發(fā)人員最多，開發(fā)時間最長，更換主管人員最多不過幾年之后，Windows終于創(chuàng)造了銷售成績最佳的歷史記錄1992年4月，推出Windows3.1,1993年5月，發(fā)表WindowsNTWindows95，WindowsCE，Windows98，Windows2000，WindowsXP,.net個人計算機采用Windows占90％以上，微軟公司成了壟斷PC行業(yè)的同義詞第74頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月基于微內(nèi)核的Mach操作系統(tǒng)1975年Rochester大學(xué)開發(fā)了RIG操作系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計者之一RichardRashid移居到CMU后，在DARPA支持下，1984年開始了Mach的開發(fā)希望Mach能與UNIX兼容，運行線程，更好的進程通信機制，支持多處理機及好的虛擬存儲系統(tǒng)Mach第一個版本是1986年為VAX11/784四CPU多處理機發(fā)布1988年的Mach2.5版包含了大量的BSDUNIX的代碼1989年，Mach內(nèi)核中去掉了所有的BSDUNIX的代碼，剩下了一個純的Mach微內(nèi)核，這就是Mach3.0版本，它是OSF發(fā)布的基礎(chǔ)第75頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Mach中采用了許多當代操作系統(tǒng)使用的技術(shù),微內(nèi)核、線程、進程間消息傳遞和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法等等在Mach的基礎(chǔ)上，有不少用于微處理器、多處理器以及超級計算機的操作系統(tǒng)和實時嵌入式操作系統(tǒng)陸續(xù)設(shè)計和開發(fā)出來，如OSF/1，DCEUnix,NeXT等等第76頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月IBM大型計算機操作系統(tǒng)OS/39090年代末期，電子商務(wù)發(fā)展刺激對計算能力的要求，導(dǎo)致大型機市場的再度升溫三十年的改進,IBMS/390已成為有高可靠性、可擴展性、及安全可用性的現(xiàn)代大型計算機系統(tǒng)支持即UNIX95標準，UNIX應(yīng)用程序可在IBMOS/390上運行同時還可繼續(xù)運行S/390應(yīng)用程序，包括S/370上開發(fā)的應(yīng)用程序包括TCP/IP的多種通信協(xié)議，具有高網(wǎng)絡(luò)安全性采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、并行處理、分布式處理以及客戶機/服務(wù)器技術(shù)，具有較強的互操作性、可移植性與可擴展性第77頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月由于歷史淵源，OS/390有不同的系統(tǒng)運行方式:S/370本機模式，支持原先在S/370運行的程序ESA/390模式，支持到10個240M處理器內(nèi)存和256個通道ESA/390LPAR模式，系統(tǒng)可分成最多十個部分，每個部分有自己的CPU，存儲器和通道，且分別運行不同的操作系統(tǒng)，如S/370,ESA/370和ESA/390等在PC機時代，人們曾經(jīng)估計大型計算機會衰亡IBMS/390是大型計算機復(fù)活的一個典型那么，在21世紀的Internet和后PC的時代，大型機還會有什么演化，只有讓時間來說明第78頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月嵌入式操作系統(tǒng)的代表VxWorksVxWorks支持各種工業(yè)標準，包括POSIX,ANSIC和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議VxWorks運行系統(tǒng)的核心是一高效率的微內(nèi)核微內(nèi)核支持各種實時功能，包括快速多任務(wù)處理，中斷支持，搶占式和輪轉(zhuǎn)式調(diào)度微內(nèi)核設(shè)計減輕了系統(tǒng)負載并可快速響應(yīng)外部事件從只需幾千字節(jié)存儲器的深嵌式產(chǎn)品設(shè)計到復(fù)雜高端實時系統(tǒng)設(shè)計，開發(fā)人員有八十多個選件并可構(gòu)成上百個不同的配置第79頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月VxWorks開發(fā)主機：Windows9x,WindowsNT,SunSolaris,SunOS,HP-UX等支持目標微處理器：86,68k,PPC,CPU32,i960,SPARC,SPARCLite,SH,ColdFire,R3000,R4000,C16X,ARM,MIPS等在“極地登陸者”號，“深空二號”和火星氣候軌道器等登陸火星探測器上，就采用了VxWorksVxWorks負責火星探測器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自旋和降落時的高度控制等，而且還負責數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作目前在國內(nèi)也占據(jù)嵌入式開發(fā)系統(tǒng)市場主要份額第80頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月裝有VxWorks操作系統(tǒng)的返回式航天飛機X38

第81頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用智能卡移動通信計算機外設(shè)機頂盒零售設(shè)備印刷機復(fù)印機互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器電話交換設(shè)備電視機頂盒領(lǐng)域:PowerTV移動通信領(lǐng)域:EPOC掌上計算機領(lǐng)域:PalmOS,WindowsCE數(shù)字影像領(lǐng)域:Digita第82頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月

Internet時代與Linux1990年秋天，Linus在芬蘭首都赫爾辛基大學(xué)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程，因為上機需要排隊等待，Linus買了臺PC機，開發(fā)了第一個程序，程序包括兩個進程，向屏幕上寫字母，然后用定時器來切換進程Linus需要終端仿真程序來存取Usenet新聞組的內(nèi)容，于是他寫了從調(diào)制解調(diào)器上接發(fā)信息的程序以及顯示器、鍵盤和調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動程序然后寫了磁盤驅(qū)動程序，文件系統(tǒng)，一旦有了進程切換、文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序，當然就擁有了一個操作系統(tǒng)原型，或者至少是它的一個內(nèi)核Linux就以這樣極其古怪但也極其自然式問世第83頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月研究型操作系統(tǒng)哈佛大學(xué)的VINO，使應(yīng)用得以重用內(nèi)核構(gòu)件猶他大學(xué)的OSKit，提供構(gòu)造操作系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)構(gòu)件也提供高層次構(gòu)件OSKit可用來構(gòu)造新的OSMITExokernel,該系統(tǒng)只有一個極小的核系統(tǒng)抽象通過LibraryOperatingSystem完成第84頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月伯克利校園內(nèi)的機群計算機系統(tǒng)加州大學(xué)伯克利分校NOW機群操作系統(tǒng)，100臺UltraSPARC-I處理機集群，排名于世界最快的200臺超級計算機之內(nèi)NASA空間飛行中心(GSFC)研制Beowulf項目開始于1994年，用商業(yè)化的微型計算機，Linux和以太網(wǎng)等構(gòu)造機群。已有世界各地的約六十個大學(xué)和研究機構(gòu)在使用機群操作系統(tǒng)第85頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)的微型化未來計算機系統(tǒng)的一個發(fā)展方向：處處都有計算機、但又處處不見計算機嵌入到周圍各種設(shè)備、各種物品之中每個設(shè)備、物品之中都有計算機系統(tǒng)自動進行相關(guān)的智能處理加州伯克利大學(xué)研制的微型智能傳感器安裝有微型操作系統(tǒng)，比硬幣稍大

第86頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月國內(nèi)操作系統(tǒng)的研制狀況60年代末至70年代初楊芙清