CHAPTER 1 操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)原理

PrinciplesofOperatingSystem

ca教材

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操作系統(tǒng)教程陳向群楊芙清北京大學(xué)出版社

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程張堯?qū)W史美林清華大學(xué)出版社

ca參考教材

現(xiàn)代操作系統(tǒng)陳向群等譯機(jī)械工業(yè)出版社

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程周長(zhǎng)林左萬(wàn)歷高等教育出版社

操作系統(tǒng)基礎(chǔ)屠立德屠祁清華大學(xué)出版社

操作系統(tǒng)教程孟慶昌西安電子科技大學(xué)出版社

操作系統(tǒng)一內(nèi)核與設(shè)計(jì)原理(V4)William

Stallings著魏迎梅等譯電子工業(yè)出版社

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)湯子瀛等西安電子科技大學(xué)出版社

操作系統(tǒng)概述2

課程目的

不是如何使用操作系統(tǒng)

而是理解操作系統(tǒng)如何工作

?：?OS工作方式

OS內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)OS過(guò)程中的問(wèn)題、解決方案和折中權(quán)

衡

操作系統(tǒng)概述3

操作系統(tǒng)課程的特點(diǎn)

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實(shí)踐性強(qiáng)（從實(shí)踐總結(jié)出原理）

涉及面廣（并行程序，性能問(wèn)題，結(jié)構(gòu)問(wèn)

題，程序方法論，軟件工程，等等）

錯(cuò)綜復(fù)雜：縱橫交叉

如何學(xué)好操作系統(tǒng)？

LearnOSconceptsbycodingthem!

操作系統(tǒng)概述4

為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)?

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設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)或者修改現(xiàn)有的系統(tǒng)

存在人們意識(shí)不到的大量“操作系統(tǒng)”

嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedOS)

加深對(duì)使用的OS的理解，有利于深入編程

用戶為了開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序必須與操作系統(tǒng)打交道

編程時(shí)借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和算法

操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應(yīng)用

到其他領(lǐng)域

選擇購(gòu)買(mǎi)操作系統(tǒng)

我們并不總使用Win95/NT/2000/XP

操作系統(tǒng)概述5

涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)的很多領(lǐng)域

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)/硬件

軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

算法

網(wǎng)絡(luò)

學(xué)習(xí)核心技術(shù)并能在其他地方應(yīng)用之

操作系統(tǒng)概述6

。大型、復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①性能與方便使用

②性能與簡(jiǎn)單性

③硬件與軟件

折衷權(quán)衡

TradeOff

操作系統(tǒng)是目前最復(fù)雜的軟件成分

應(yīng)聘工作

操作系統(tǒng)概述7

預(yù)期學(xué)習(xí)收獲

1.對(duì)操作系統(tǒng)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)

行環(huán)境有一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)操作系統(tǒng)這一

課程有比較全面的把握

2.深入到操作系統(tǒng)內(nèi)部，理解并掌握操作

系統(tǒng)的基本原理、設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.了解操作系統(tǒng)的演化過(guò)程、發(fā)展研究動(dòng)

向、新技術(shù)以及新思想，具有透過(guò)變化

看趨勢(shì)、透過(guò)技術(shù)抓原理、把握學(xué)科發(fā)

展脈搏的基本素質(zhì)，為其今后在相關(guān)領(lǐng)

域開(kāi)展工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

操作系統(tǒng)概述8

第一章操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)的基本概念

操作系統(tǒng)的特征

研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)

操作系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展過(guò)程

著名的操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的分類

操作系統(tǒng)的功能

操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化

操作系統(tǒng)概述9

操作系統(tǒng)的地位

作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口

操作系統(tǒng)概述10

用戶接口

目標(biāo)：提供一個(gè)友好的用戶訪問(wèn)操作系統(tǒng)的

接口。

操作系統(tǒng)向上提供兩種接口:

。系統(tǒng)命令：供用戶用于組織和控制自己的作

業(yè)運(yùn)行。命令行、菜單式或GUI（聯(lián)機(jī)）；

命令腳本（脫機(jī)）

?:?編程接口：供用戶程序和系統(tǒng)程序調(diào)用操作

系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用和高級(jí)語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)

操作系統(tǒng)概述11

操作系統(tǒng)的定義

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)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(jì)算機(jī)

的軟硬件資源，合理的組織計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，使整個(gè)計(jì)

算機(jī)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行

操作系統(tǒng)概述12

操作系統(tǒng)的目標(biāo)

1.方便性

*計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0、1;用戶熟悉的是各種語(yǔ)言。

2.有效性

米使計(jì)算機(jī)的各類資源在系統(tǒng)的管理下得到更有效的利

用，提高系統(tǒng)吞吐量。

3.可擴(kuò)充性

便于修改和增加功能（如何設(shè)計(jì)？）。

4.開(kāi)放性

米系統(tǒng)能支持世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范O

操作系統(tǒng)概述13

操作系統(tǒng)的特征

.

并發(fā)(concurrency)：

處理多個(gè)同時(shí)性活動(dòng)的能力

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)程序

宏觀上：這些程序是同時(shí)在執(zhí)行的

微觀上：任何時(shí)刻只有一個(gè)程序在執(zhí)行(單CPU)

即微觀上這些程序在CPU上輪流執(zhí)行

并行(parallel)：(與并發(fā)相似,但多指硬件支

持)

由并發(fā)引起的問(wèn)題：活動(dòng)切換、保護(hù)、相互依賴

的活動(dòng)間的同步

操作系統(tǒng)概述14

共享（sharing）：

操作系統(tǒng)與多個(gè)用戶的程序共同使用計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)中的資源（共享有限的系統(tǒng)資源）

操作系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用

資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用

?:?互斥共享（如音頻設(shè)備）

?:?同時(shí)訪問(wèn)（如可重入代碼，磁盤(pán)文件）

。資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化

操作系統(tǒng)概述15

虛擬（Virtual）：

一個(gè)物理實(shí)體映射為若干個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯實(shí)體一一分時(shí)

或分空間。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

?CPU——每個(gè)用戶（進(jìn)程）的“虛處理機(jī)”

。存儲(chǔ)器一一每個(gè)進(jìn)程都占有的地址空間（指令+數(shù)據(jù)

+堆棧）

顯示設(shè)備一一多窗口或虛擬終端

操作系統(tǒng)概述16

隨機(jī)性：

操作系統(tǒng)必須隨時(shí)對(duì)以不可預(yù)測(cè)的次

序發(fā)生的事件進(jìn)行響應(yīng)

進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知：分時(shí)系統(tǒng)中，

多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，“走走停?！?，無(wú)法預(yù)

知每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行推進(jìn)快慢

難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)（包括

重現(xiàn)運(yùn)行中的錯(cuò)誤）

操作系統(tǒng)概述17

畬...............

....■…………...………....B

不確定性：

?:?由共享和并發(fā)引起

?:?在操作系統(tǒng)中可運(yùn)行多道用戶程序，而每個(gè)用

戶程序的運(yùn)行時(shí)間、要使用哪些系統(tǒng)資源、使用

多長(zhǎng)時(shí)間、使用的資源是共享還是獨(dú)占的，操作

系統(tǒng)在程序運(yùn)行前是不知道的

?:?要求操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要很好地解決并發(fā)和共享

的問(wèn)題，否則，將會(huì)產(chǎn)生不可重現(xiàn)的錯(cuò)誤，這種

不可重現(xiàn)的錯(cuò)誤稱為不確定性

?:?例子：兩個(gè)用戶共享一臺(tái)打印機(jī)

操作系統(tǒng)概述18

研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)

?:?作為軟件來(lái)看的觀點(diǎn)

?:?資源管理的觀點(diǎn)

?:?進(jìn)程的觀點(diǎn)

?:?虛機(jī)器觀點(diǎn)

?:?服務(wù)提供者觀點(diǎn)

操作系統(tǒng)概述19

作為軟件來(lái)看的觀點(diǎn)

軟件的特性

。外在特性

軟件是種語(yǔ)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(gè)部分的功能

c.部分之間的關(guān)系

操作系統(tǒng)概述20

資源管理的觀點(diǎn)

操作系統(tǒng)--資源管理者（自底向上）

操作系統(tǒng)管理一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的各個(gè)部分

硬件資源：

CPU,內(nèi)存，外部設(shè)備（I/O設(shè)備,外存,時(shí)

鐘，網(wǎng)絡(luò)接口等）

軟件資源：

硬盤(pán)上的文件，信息

兩種方式實(shí)現(xiàn)復(fù)用（共享）：時(shí)間及空間

操作系統(tǒng)概述21

。記錄資源使用狀況

如哪些資源空閑，好壞與否，被誰(shuí)使用，使用

多長(zhǎng)時(shí)間等

?:?合理的分配資源

靜態(tài)分配策略

（在程序運(yùn)行前分配，但效率不高）

動(dòng)態(tài)分配策略

（在程序運(yùn)行過(guò)程中何時(shí)用資源，何時(shí)分配。

其缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)死鎖）

。具體完成分配

?:?回收資源

操作系統(tǒng)概述22

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資源管理的目的：

實(shí)現(xiàn)資源共享

提高資源利用率

操作系統(tǒng)功能

進(jìn)程和線程管理（CPU管理）

存儲(chǔ)管理

文件管理

設(shè)備管理

作業(yè)管理

操作系統(tǒng)概述23

進(jìn)程的觀點(diǎn)

從操作系統(tǒng)運(yùn)行的角度動(dòng)態(tài)的觀察操作系統(tǒng)。

從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看：

操作系統(tǒng)是由一些可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程

和一個(gè)對(duì)這些進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)的核心組成。

進(jìn)程：

完成某一特定功能的程序

是程序的一次執(zhí)行過(guò)程

是動(dòng)態(tài)有生命的，當(dāng)它執(zhí)行時(shí)存在，否則消亡

操作系統(tǒng)概述24

虛擬機(jī)觀點(diǎn)

從操作系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)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(gè)虛機(jī)器,

并對(duì)上一層提供支持

?:?通過(guò)逐層功能擴(kuò)充,最終完成整個(gè)操作系統(tǒng)

虛機(jī)器

?:?而操作系統(tǒng)虛機(jī)器向用戶提供各種功能，

完成用戶請(qǐng)求

操作系統(tǒng)概述25

服務(wù)提供者的觀點(diǎn)

在操作系統(tǒng)之外從用戶角度來(lái)看：

操作系統(tǒng)為用戶提供一組功能強(qiáng)大的

命令或系統(tǒng)調(diào)用

操作系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)提供者

?提供每個(gè)用戶需要的標(biāo)準(zhǔn)工具白

?如標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、窗口系統(tǒng)

操作系統(tǒng)概述26

其他觀點(diǎn)

操作系統(tǒng)作為仲裁

使多個(gè)應(yīng)用程序/

保護(hù)用戶不互相干

例子：并發(fā)，存儲(chǔ)

操作系統(tǒng)作為管理程序

?硬件平臺(tái)擴(kuò)展為運(yùn)行平臺(tái)

運(yùn)行平臺(tái)是承載應(yīng)用程序的載體

操作系統(tǒng)概述27

操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?/p>

?不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率的需要

米如批處理系統(tǒng)的出現(xiàn)

?方便用戶

未如分時(shí)交互式系統(tǒng)的出現(xiàn)

?器件的不斷更新?lián)Q代

米8位一16-32-64-...

?計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展：

米單機(jī)OS-多機(jī)OS-網(wǎng)絡(luò)OS-...

操作系統(tǒng)概述28

l操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程-第邛介段（1948-1970）

硬件昂貴，人工便宜

更有效地利用硬件資源，缺乏用戶和計(jì)算機(jī)

之間的交互

?:?控制臺(tái)：一次一個(gè)用戶

。批處理：裝入程序一運(yùn)行一打印輸出（保護(hù)：無(wú):

?:?數(shù)據(jù)通道、中斷：I/O和計(jì)算重疊

?:?多道程序設(shè)計(jì)：多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，多個(gè)用戶共

享系統(tǒng)（需要存儲(chǔ)保護(hù)）

操作系統(tǒng)必須管理所有程序的交接、運(yùn)行、

操作系統(tǒng)概述29

操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程-第2階段(1970-1985)

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硬件便宜，人工昂貴

交互分時(shí)：

利用便宜的終端一多個(gè)用戶同時(shí)與系統(tǒng)交互

犧牲CPU時(shí)間一用戶得到更好的響應(yīng)時(shí)間

用戶可以在線工作：開(kāi)發(fā)、調(diào)試、編輯等

問(wèn)題：增加用戶時(shí)系統(tǒng)性能降低

（響應(yīng)時(shí)間、抖動(dòng)）

操作系統(tǒng)概述30

操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程-第3階段（1981-）

.

硬件非常便宜，人工非常昂貴

面臨挑戰(zhàn):

如何利用計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮人的時(shí)間

個(gè)人計(jì)算時(shí)代

開(kāi)始PC硬件資源有限一次運(yùn)行一個(gè)程

序。OS是一個(gè)例程庫(kù)，回歸簡(jiǎn)單。

逐漸PC資源豐富OS又成為

一個(gè)龐然大物（大型OS）存儲(chǔ)保護(hù)、

多道程序設(shè)計(jì)又出現(xiàn)

操作系統(tǒng)概述31

操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程-第4階段（1981-）

.

分布式系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)：允許不同機(jī)器很容易共享資源

（打印機(jī)、文件服務(wù)器、Web服務(wù)器）

客戶/服務(wù)器模型

解決問(wèn)題：共享，安全

操作系統(tǒng)概述32

.畬操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程-第5階段(1995-)

移動(dòng)系統(tǒng)時(shí)代/f

各種移動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)(筆記本、PDA等等)

特點(diǎn)：小型、移動(dòng)、便宜，但能力有限

無(wú)線支持可以leverage分布式系統(tǒng)的資源

操作系統(tǒng)概述33

歷史上的操作系統(tǒng)(1)

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2：,?‘"?■?—?--???—■，

隨歷史線索，介紹一些重要的操作系統(tǒng)

?FMS(FORTRANMonitorSystem)和IBSYS

(IBM為7094配備的操作系統(tǒng))

?OS/360(IBM為系列機(jī)360配備的操作系統(tǒng))

?CTSS(CompatibleTimeSharingSystem)

?MULTICS(MULTiplexedInformationand

ComputerService)

OUNIX類、Linux

?CP/M

操作系統(tǒng)概述34

歷史上的操作系統(tǒng)（2）

?MS-DOS>Windows3.1/95/98/Me、WindowsNT、

Windows2000/XP、WindowsCE、Windows

Server2003

?Macintosh

?OS/390

。Mach

VxWorks

嵌入式領(lǐng)域

國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)

研究型操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)概述35

批處理操作系統(tǒng)-現(xiàn)代操作系統(tǒng)雛型

運(yùn)行一個(gè)作業(yè)的步驟：

米將程序?qū)懺诩埳希ㄓ酶呒?jí)語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言）

米穿孔成卡片，再將卡片盒交給操作員

米計(jì)算結(jié)果從打印機(jī)上輸出

米操作員到打印機(jī)上撕下運(yùn)算結(jié)果送到輸出室

米程序員稍后可從輸出室取到結(jié)果

米操作員從輸入室的卡片盒中讀入另一個(gè)任務(wù)

米如果需要FORTRAN編譯器，還要把它取來(lái)讀入計(jì)算機(jī)

缺點(diǎn)：機(jī)時(shí)在走來(lái)走去時(shí)浪費(fèi)掉

操作系統(tǒng)概述36

為改進(jìn)主存和I/O設(shè)備之間的吞吐量

IBM7094機(jī)引入了I/O處理機(jī)概念。

思想：在輸入室收集全部的作業(yè)，用一臺(tái)

相對(duì)便宜的計(jì)算機(jī)（IBM1401計(jì)算機(jī)），

將作業(yè)讀到磁帶上。

再用較昂貴的計(jì)算機(jī)（IBM7094）完成

真正的計(jì)算。

操作系統(tǒng)概述37

早期批處理系統(tǒng)

輸入磁帶輸出磁帶

操作系統(tǒng)概述38

典型的操作系統(tǒng)

FMS（FORTRANMonitorSystem,FORTRAN監(jiān)控系統(tǒng)）

IBMSYS（IBM為7094機(jī)配備的操作系統(tǒng)）

這些操作系統(tǒng)由監(jiān)控程序，特權(quán)指令，存儲(chǔ)保護(hù)和簡(jiǎn)

單的批處理構(gòu)成

操作系統(tǒng)概述39

0S/360操作系統(tǒng)

當(dāng)前存在的問(wèn)題：

?:10世紀(jì)60年代初期，計(jì)算機(jī)開(kāi)始采用集成電

路，多數(shù)廠商有幾條完全不同的生產(chǎn)線，生

產(chǎn)不同的計(jì)算機(jī)。

?:?開(kāi)發(fā)和維護(hù)完全不同的產(chǎn)品，對(duì)廠商來(lái)說(shuō)是

昂貴的。

?:?新的用戶在開(kāi)始時(shí)只需要一臺(tái)小計(jì)算機(jī)，后

來(lái)可能需要一臺(tái)大的計(jì)算機(jī)，并希望能在新

計(jì)算機(jī)上執(zhí)行原有的程序。

?:?廠家和用戶需要軟件在不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)之

間兼容。

操作系統(tǒng)概述40

?1964年IBM宣布推出System/360計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

第一個(gè)采用小規(guī)模集成電路的主流機(jī)型

?:?試圖一次性地解決上述問(wèn)題

?:?由于所有的計(jì)算機(jī)都有相同的體系結(jié)構(gòu)和指令

集，在理論上，為一型號(hào)編寫(xiě)的程序可以在其

他型號(hào)機(jī)器上運(yùn)行

操作系統(tǒng)概述41

System/360的若干問(wèn)題

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?:?IBM無(wú)法寫(xiě)出同時(shí)滿足互沖突需要的操作系統(tǒng)

其實(shí)別人也一樣不能完成此項(xiàng)任務(wù)

?IBMOS/360文件系統(tǒng)中有類型字段，定義文件的

類型，有定長(zhǎng)、不定長(zhǎng)記錄、塊狀和非塊狀文件

用戶對(duì)于輸出文件的大小，只有通過(guò)猜測(cè)。

?:?存儲(chǔ)管理有基地址寄存器尋址方式，程序也可以

訪問(wèn)和修改基地址寄存器，但是CPU生成的卻是

絕對(duì)地址，雖然不用進(jìn)行動(dòng)態(tài)再分配，但程序卻

被“釘死”在調(diào)入內(nèi)存時(shí)的物理地址上。

操作系統(tǒng)概述42

?:?數(shù)千名程序員寫(xiě)的數(shù)百萬(wàn)行匯編語(yǔ)言代碼

系統(tǒng)自身占據(jù)了大量存儲(chǔ)空間和一半的CPU

時(shí)間。

?:?數(shù)百萬(wàn)行匯編代碼中有成千上萬(wàn)處錯(cuò)誤。

?:TBM不斷發(fā)行新的版本試圖更正這些錯(cuò)誤

每個(gè)新版本在更正老錯(cuò)誤的同時(shí)又引入新錯(cuò)

誤。

?:?隨著時(shí)間的流逝，錯(cuò)誤的數(shù)量大致保持不變。

操作系統(tǒng)概述43

?:?在IBM7094機(jī)上，若當(dāng)前作業(yè)因等待I/O而暫停,

CUP只能“踏步'直至該I/O完成；對(duì)于CPU操作

密集科學(xué)計(jì)算問(wèn)題，浪費(fèi)時(shí)間少；對(duì)于商業(yè)數(shù)據(jù)

處理，I/O等待時(shí)間常占80%—90%。

。解決辦法

將內(nèi)存分幾個(gè)部分，每部分放不同的作業(yè)；

當(dāng)一個(gè)作業(yè)等待I/O時(shí)，另一個(gè)作業(yè)可以使用

CPU；在主存中同時(shí)駐留多個(gè)作業(yè)需要硬件進(jìn)行

保護(hù)，以避免信息被竊取或攻擊。

操作系統(tǒng)概述44

單道程序運(yùn)行情況

I/O中斷請(qǐng)求I/O中斷請(qǐng)求

用戶程序

啟動(dòng)I/OI/O完成啟動(dòng)I/OI/O完成

監(jiān)督程序

結(jié)束中斷結(jié)束中斷

I/O操作

t1t3t4t7t8

操作系統(tǒng)概述45

四道程序運(yùn)行情況

I/O請(qǐng)求I/O完成

程序AA完成

I/O請(qǐng)求I/O完成

程序B

I/O請(qǐng)求I/O完成C再運(yùn)行

程序C

I/O請(qǐng)求

程序D

調(diào)度程序

表示獲得CPU

操作系統(tǒng)概述46

,Spooling技術(shù)

口口口口口口。口口匚”:?匚”:匚”：，口口。匚”:“:，匚?？诳凇？谪危?/p>

速序卡片被拿到機(jī)房后

■能夠很快將一作業(yè)從卡片讀入磁盤(pán)

。任何時(shí)刻當(dāng)一作業(yè)運(yùn)行結(jié)束

操作系統(tǒng)就將一新作業(yè)從磁盤(pán)讀出

裝入空出的內(nèi)存區(qū)運(yùn)行

OSpooling技術(shù)

(SimultaneousPeripheralOperationOn

Line)

?:?該技術(shù)也用于輸出

操作系統(tǒng)概述47

多道批處理系統(tǒng)（2）

?需解決的問(wèn)題

-處理機(jī)管理問(wèn)題

?內(nèi)存管理問(wèn)題

■I/O管理問(wèn)題

■文件管理問(wèn)題

-作業(yè)管理問(wèn)題

操作系統(tǒng)概述48

分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生

■■?■■?？诳??匚?。口匚，:?匚八:?匚”:?□口匚匚，。匚”:?。匚匚”:，匚？

。分時(shí)系統(tǒng)的思想——1959年在MIT提出

?:?每個(gè)用戶有一個(gè)聯(lián)機(jī)終端；

在分時(shí)系統(tǒng)中，假設(shè)20個(gè)用戶登錄；

其中17個(gè)在思考或談?wù)摶蚝瓤Х龋?/p>

貝IJCPU可分配給那三個(gè)需要的作業(yè)（輪流服務(wù)）

?:?調(diào)試程序的用戶常常只發(fā)出簡(jiǎn)短的命令；

很少有長(zhǎng)的費(fèi)時(shí)命令。

?計(jì)算機(jī)能夠?yàn)樵S多用戶提供交互式、快速服務(wù):

時(shí)在CPU空閑時(shí)還能在后臺(tái)運(yùn)行大作業(yè)。

操作系統(tǒng)概述49

j第一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)(CTSS)

I-Bi"?1"?1*，?*?i*?t*??-??"?i-??"?i"??"?i-??"?3"11->i~?i*??-r?*?i"?J*?i"?i"i?"!

MIT的巨etnandoCorbato等i96i車(chē)茬一

f改裝的IBM7090/94機(jī)上開(kāi)發(fā)成功(有32個(gè)

交互式用戶)。

?IBM7090/94計(jì)算機(jī)有32K內(nèi)存，系統(tǒng)用5K,

用戶用27K,用戶存儲(chǔ)映象在內(nèi)存和一臺(tái)磁

鼓之間切換。

?1962年Manchester大學(xué)的Atlas計(jì)算機(jī)投外

運(yùn)行；運(yùn)行速度200kFL0PSo&

。第一個(gè)有虛擬存儲(chǔ)器(virtualmemorj^B

和頁(yè)面調(diào)度(paging)的機(jī)器。W

?:?指令執(zhí)行是DiDelined的。操作系統(tǒng)概述50

MULTICS的災(zāi)難

?:T965年在ARPA的支持下MIT、貝爾實(shí)驗(yàn)室

和通用電氣公司決定開(kāi)發(fā)一種“公用計(jì)

算服務(wù)系統(tǒng)”，希望能夠同時(shí)支持整個(gè)

波士頓所有的分時(shí)用戶。該系統(tǒng)稱作

MULTICS(MULTiplexedInformation

andComputingService)

?:叩110葭$設(shè)計(jì)目標(biāo)是：

便利的終端使用——大量遠(yuǎn)程終端通過(guò)

電話線接入計(jì)算機(jī)主機(jī)

除高可靠的大型文件系統(tǒng)——大容量的用

才信息共享；存儲(chǔ)和構(gòu)造層次化信息結(jié)

盤(pán)勾的能力

操作系統(tǒng)概述51

?:川11廣支$研制難度超出所有人的預(yù)料（PL/1

語(yǔ)言），長(zhǎng)期研制工作達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，

1969年4月貝爾實(shí)驗(yàn)室退出，通用電氣公司

也退出。最終，MIT堅(jiān)持下來(lái)，MULTICS成功

運(yùn)行，成為商業(yè)產(chǎn)品（通用汽車(chē)、福特、美

國(guó)國(guó)家安全局等），運(yùn)行MULTICS的計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)在九十年代中陸續(xù)被關(guān)閉（加拿大國(guó)防

部于2000年10月30日17:08)

?:叩11/葭$的意義

引入了許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)領(lǐng)域概念

雛形，對(duì)隨后的操作系統(tǒng)特別是UNIX

的成功有著巨大的影響。操作系統(tǒng)概述52

A小型計(jì)算機(jī)，電子游戲和UNIX的成功

l-i1-14-B4"t?-?l-??*■i-B1*■4"?1-??-?<"■*?-?I-??-?4-B?->?-1l-?t-?

■??，???)■???，????，，??■"??，??*??-ar?■，■??、??，??-??,,????，?，,0???，??--■?，?，??，??

?:T969年，在貝爾退出MULTICS研制項(xiàng)目后，Ken

Thompson和DennisM.Ritchie想申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)買(mǎi)計(jì)算

機(jī)從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請(qǐng)得不到批準(zhǔn)

。項(xiàng)目無(wú)著落，他們?cè)谝慌_(tái)無(wú)人用的PDP-7上，重新擺

弄原先在MULTICS項(xiàng)目上設(shè)計(jì)的“空間旅行”游戲

?:?為了使游戲能夠在PDP-7上順利運(yùn)行，他們陸續(xù)開(kāi)發(fā)

了浮點(diǎn)運(yùn)算軟件包、顯示驅(qū)動(dòng)軟件，設(shè)計(jì)了文件系

統(tǒng)、實(shí)用程序、shell和匯編程序上&￡;

?:?到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)博喋

MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX?

。隨后，UNIX用C語(yǔ)言全部重寫(xiě)，自此，UNIX誕生了

操作系統(tǒng)概述53

UNIX

?河X(jué)是現(xiàn)代操祚系統(tǒng)的代蓑丁訴％運(yùn)行時(shí)的安全

性、可靠性以及強(qiáng)大的計(jì)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(yǔ)言編寫(xiě)，因此它是可移

植的，UNIX是世界上唯一能在筆記本計(jì)算機(jī)、

PC機(jī)、工作站直至巨型機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)。

?:?第二，系統(tǒng)源代碼非常有效，一系工一統(tǒng)容易適應(yīng)一絲特殊

的需求。T

。最后，也是最重要的一點(diǎn)，它是二T普前：通

用的、多用戶、多任務(wù)、分時(shí)操作系統(tǒng)薛統(tǒng)概述54

?:?兩個(gè)版本系列

AT&TSystemV

BSD(BerkeleySoftwareDistribution)

?MINUX

?VAX(DEC公司)

。其他

操作系統(tǒng)概述55

CP/M操作系統(tǒng)

。隨著大規(guī)模集成電路發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)代到

來(lái)，各種類型的個(gè)人計(jì)算機(jī)和軟件層出不窮。

?:T973年GaryKiIdal1看到對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系

統(tǒng)的需求,設(shè)計(jì)了CP/M操作系統(tǒng)(Control

Program/MicroprocessororMicrocomputer)o

?:+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(kāi)，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。

操作系統(tǒng)概述56

微軟MSDOS

。個(gè)人計(jì)算機(jī)的成功，逼得IBM采取緊急戰(zhàn)略行動(dòng),

決定要在1980年盡快生產(chǎn)出微型計(jì)算機(jī)，以應(yīng)付

挑戰(zhàn)。

?:?但沒(méi)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(jī)遇落

到了微軟公司。

。在關(guān)鍵時(shí)刻，開(kāi)發(fā)新操作系統(tǒng)時(shí)間和人手上已經(jīng)

不可能，微軟找到西雅圖計(jì)算機(jī)產(chǎn)品公司，達(dá)成

由微軟經(jīng)銷西雅圖計(jì)算機(jī)產(chǎn)品公司的QDOS操作系

統(tǒng)的協(xié)議。

。當(dāng)時(shí)西雅圖公司并不知道QDOS將被轉(zhuǎn)賣(mài)給IBM,

否則歷史將會(huì)怎樣演變，誰(shuí)也無(wú)法知曝系統(tǒng)概述57

*

?:寸訕在1981年推出個(gè)人計(jì)算機(jī)，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(chǔ)保護(hù)機(jī)

加。

。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(gè)年頭。

?:?迄今仍有MSDOS愛(ài)好者繼續(xù)開(kāi)發(fā)各種DOS軟件產(chǎn)

品。

操作系統(tǒng)概述58

拯救蘋(píng)果公司的Macintosh(MACOS)

?:?在推出IBMPC機(jī)后，市場(chǎng)卷起一股龍卷風(fēng),

IBM自己也沒(méi)有料到產(chǎn)品會(huì)有如此巨大的成

功

?:TBM的成功說(shuō)明必有其他公司失敗。甚至連

蘋(píng)果公司也遇到了問(wèn)題，銷售數(shù)量落到了蘭

色巨人的后面

?:?蘋(píng)果公司推出Lisa機(jī)遭到失敗，AppleIII

型也遭到失敗

?:?分析家們認(rèn)為，在微機(jī)市場(chǎng)上的戰(zhàn)斗似乎蘭

色巨人要嬴了

操作系統(tǒng)概述59

雷.............................

....■…………...………....B

施樂(lè)PaloAlto研究中心

—70年代的計(jì)算機(jī)研究思想庫(kù)

。世界上第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)Alto,1972年在這里

出現(xiàn)

?:?圖形界面，手持鼠標(biāo)，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)

微機(jī)網(wǎng)絡(luò)，桌面出版和激光打印等等

具有先進(jìn)概念和技術(shù)的原型都首次出現(xiàn)在這里

操作系統(tǒng)概述60

?:T979年蘋(píng)果公司允許施樂(lè)公司購(gòu)買(mǎi)一百萬(wàn)股的

蘋(píng)果公司股票；

作為回報(bào)，施樂(lè)公司允許蘋(píng)果公司的少數(shù)人員,

包括喬布斯，在有限的時(shí)間內(nèi)考察施樂(lè)公司

PaloAlto研究中心內(nèi)部，并同該思想庫(kù)的研究

人員交談。

?:?蘋(píng)果公司對(duì)PaloAlto研究中心內(nèi)的技術(shù)大感吃

驚。

?:?他們更吃驚的是，施樂(lè)公司在擁有這些寶貴技

術(shù)的同時(shí)竟然什么也沒(méi)有做！

操作系統(tǒng)概述61

#

eBt>1■aBt?t?4■t???IB4?4>1?fl?I?I■tBIB4I4?I?4B?■tB4??■■?4BI?t?IB1■I?

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?:?對(duì)PaloAlto研究中心這些科學(xué)家們而言，蘋(píng)

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(lái)有的去了蘋(píng)果公司，微軟公

司，有的最終創(chuàng)辦了自己的公司。

?:?在訪問(wèn)的基礎(chǔ)上，蘋(píng)果決定立即開(kāi)發(fā)采用這些

新技術(shù)的個(gè)人計(jì)算機(jī)。

?:?蘋(píng)果公司已看到IBMPC機(jī)的技術(shù)有多么糟糕，

但他們賣(mài)得又是特別的好。

操作系統(tǒng)概述62

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01984年,人們看到一則廣告:“Whatwasthat?5

和對(duì)Macintosh的介紹，這是配有圖形界面操作

系統(tǒng)MACOS和鼠標(biāo)的新型個(gè)人計(jì)算機(jī)。

?:eMAC機(jī)一上市立即在市場(chǎng)上獲得極大的成功。

?:?當(dāng)年比爾?蓋茨都說(shuō)，這是一臺(tái)他的媽媽也能使

用的計(jì)算機(jī)。

?:?Macintosh把蘋(píng)果公司從連續(xù)的失敗中拯救出來(lái)

蘋(píng)果公司又開(kāi)始向前發(fā)展。

?:?正是Mac先進(jìn)圖形界面操作系統(tǒng)技術(shù)，超前PC機(jī)

若干年，造就了一批蘋(píng)果的忠實(shí)追隨者。

操作系統(tǒng)概述63

一波三折的微軟Windows操作系統(tǒng)

I*?1*??~?1*??*■t*B?*■l*?<1*?1-?

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?:T9§3年10月，PC機(jī)競(jìng)爭(zhēng)廠家的圖形界面相關(guān)產(chǎn)品

上市。

?:?面對(duì)市場(chǎng)壓力，比爾?蓋茨在1983年11月10日宣

布推出Windows操作系統(tǒng)。

?:?直到1985年11月20日，WindowsL0才正式上市。

*1992年4月,推出Windows3.1,1993年5月，發(fā)

表WindowsNTO

?Windows95/98,WindowsCE,Windows2000/XP,

WindowsServer2003(.net)。

?Longhorn

操作系統(tǒng)概述64

嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks

OWindRivet公司

?:7xWorks支持各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括P0SIX,

ANSIC和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

?:7xWorks運(yùn)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(shí)時(shí)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(jì)減輕了系統(tǒng)負(fù)載并可快速響應(yīng)外

部事件

?:?友只需幾千字節(jié)存儲(chǔ)器的深嵌式產(chǎn)品設(shè)計(jì)到

復(fù)雜高端實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)人員有八十多

個(gè)選件并可構(gòu)成上百個(gè)不同的配置

操作系統(tǒng)概述65

機(jī)Works開(kāi)發(fā)主機(jī)「旭武6謁"9"Wifid加丁NT；飛un

Solaris,SunOS,HP-UX等

。支持目標(biāo)微處理器：86,68k,PPC,CPU32,i960,

SPARC,SPARCLite,SH,ColdFire,R3000,R4000,

C16X,ARM,MIPS等

?:?在“勇氣號(hào)”（2004年1月）、“極地登陸者”號(hào)，

“深空二號(hào)”和火星氣候軌道器等登陸火星探測(cè)器

上，就采用了VxWorks

?:TxWorks負(fù)責(zé)火星探測(cè)器全部飛行控制，包括飛行糾

正、載體自旋和降落時(shí)的高度控制等，而且還負(fù)責(zé)

數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作

目前在國(guó)內(nèi)也占據(jù)嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)市場(chǎng)主要份額

操作系統(tǒng)概述66

Internet時(shí)代與Linux

?:?詼0年秋天,…Liiiis在芬蘭首都赫爾辛基大學(xué)學(xué)

習(xí)操作系統(tǒng)課程，因?yàn)樯蠙C(jī)需要排隊(duì)等待，

Linus買(mǎi)了臺(tái)PC機(jī)，開(kāi)發(fā)了第一個(gè)程序，程序包

括兩個(gè)進(jìn)程，向屏幕上寫(xiě)字母，然后用定時(shí)器來(lái)

切換進(jìn)程

?Linus需要終端仿真程序來(lái)存取Usenet新聞組的

內(nèi)容，于是他編寫(xiě)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(pán)和調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動(dòng)程序

?:?然后編寫(xiě)了磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)，一旦有了

進(jìn)程切換、文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)然就擁

有了一個(gè)操作系統(tǒng)原型，至少是它的一個(gè)內(nèi)核

?:finux就以這個(gè)羊極其古怪但也極其自然式問(wèn)世

Internet時(shí)代與Linux操作系統(tǒng)概述67

操作系統(tǒng)領(lǐng)域中新的操作系統(tǒng)

?:?有線電視機(jī)頂盒領(lǐng)域PowerTV

?:?掌上計(jì)算機(jī)領(lǐng)域PalmOS

?:?數(shù)字影像領(lǐng)域Digita

?:?手機(jī)Symbian,SmartPhone,PalmOS

。其他Nucleus,VxWorks

。嵌入式Linux：uClinux,MontaVista

Linux,LynxOS

操作系統(tǒng)概述68

操作系統(tǒng)的分類

?:?批處理操作系統(tǒng)（多道批處理）

?:?分時(shí)系統(tǒng)

?:?實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

?:?個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

?:?網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

?:?分布式操作系統(tǒng)

?:?嵌入式操作系統(tǒng)

一

操作系統(tǒng)概述69

批處理操作系統(tǒng)

工作方式：

1、用戶將作業(yè)交給系統(tǒng)操作員;

2、系統(tǒng)操作員將許多用戶的作業(yè)組成一

批作業(yè)，輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在系統(tǒng)

中形成一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)接的連續(xù)的作業(yè)流；

3、啟動(dòng)操作系統(tǒng);

4、系統(tǒng)自動(dòng)、依次執(zhí)行每個(gè)作業(yè);

5、由操作員將作業(yè)結(jié)果交給用戶。

操作系統(tǒng)概述70

聾h批處理操作系統(tǒng)

心的1系統(tǒng)中的作'弛的組成；.………

米用戶程序

米數(shù)據(jù)

*作業(yè)說(shuō)明書(shū)（作業(yè)控制語(yǔ)言）

批：

供一次加載的磁帶或磁盤(pán)，通常由若干個(gè)作業(yè)

組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件

（系統(tǒng)帶）

批作業(yè)處理：

對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理：從磁

帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用

戶依業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)

果軸出操作系統(tǒng)概述71

問(wèn)題：

慢速的輸入輸出處理直接由主機(jī)來(lái)完成，輸

入輸出時(shí)，CPU處于等待狀態(tài)

解決：

衛(wèi)星機(jī)：完成面向用戶的輸入輸出(紙帶或

卡片)，中間結(jié)果暫存在磁帶或磁盤(pán)上

?單道批處理系統(tǒng)(simplebatchprocessing,

uni-programming)

多道批處理系統(tǒng)(multiprogranimingsystem)

操作系統(tǒng)概述72

批處理操作系統(tǒng)特點(diǎn)

多道：

內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè)

某個(gè)作業(yè)占用CPU,若由于某種原因暫時(shí)

不用CPU,則系統(tǒng)讓第二個(gè)作業(yè)占用CPU。

成批處理：

用戶自己不能干預(yù)自己作業(yè)的運(yùn)行，一旦

發(fā)現(xiàn)作業(yè)錯(cuò)誤不能及時(shí)改正，并延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)

軟件時(shí)間，所以適用于成熟的程序。

操作系統(tǒng)概述73

批處理操作系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)流程自動(dòng)化一資源利用率高

吞吐量大----

單位時(shí)間內(nèi)完成的工作總量大

缺點(diǎn)：用戶交互性差，調(diào)試程序困難

（無(wú)交互手段：整個(gè)作業(yè)完成后或中間出

錯(cuò)時(shí)，才與用戶交互，不利于調(diào)試和修改）

作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)

短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長(zhǎng)

操作系統(tǒng)概述74

分時(shí)操作系統(tǒng)

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工作方式:

一臺(tái)主機(jī)連接了若干個(gè)終端

每個(gè)終端有一個(gè)用戶在使用