主 讲 教 师 : 王 雷
第 一 章 操 作 系 统 引 论 什 么 是 操 作 系 统 操 作 系 统 简 史 计 算 机 硬 件 简 介 操 作 系 统 的 基 本 类 型 操 作 系 统 的 特 征 和 功 能 操 作 系 统 结 构 目 前 常 用 操 作 系 统 的 介 绍
参 考 书 Operating Systems Internals and Design Principles William Stalling, 清 华 大 学 出 版 社 Prentice Hall, 1998.6, 35.00 元 Operating Systems:Design and Implementation Second Edition A. S. Tanenbaum, A. S. Woodhull, 清 华 大 学 出 版 社 Prentice Hall, 1997.9, 59.00 元
什 么 是 操 作 系 统 提 供 一 个 计 算 机 用 户 与 计 算 机 硬 件 系 统 之 间 的 接 口, 使 计 算 机 系 统 更 易 于 使 用 ( 使 用 者 ) 有 效 地 控 制 和 管 理 计 算 机 系 统 中 的 各 种 硬 件 和 软 件 资 源, 使 之 得 到 更 有 效 的 利 用 ( 资 源 管 理 者 ) 合 理 地 组 织 计 算 机 系 统 的 工 作 流 程, 以 改 善 系 统 性 能 ( 如 响 应 时 间 系 统 吞 吐 量 ) 虚 拟 机 的 概 念
操 作 系 统 层 次 应 用 软 件 应 用 语 言 级 虚 拟 机 翻 译 ( 应 用 程 序 ) 高 级 语 言 级 虚 拟 机 系 统 软 件 翻 译 ( 编 译 程 序 ) 汇 编 语 言 级 虚 拟 机 翻 译 ( 汇 编 程 序 ) 操 作 系 统 级 虚 拟 机 部 分 解 释 ( 操 作 系 统 ) 软 硬 件 交 界 面 硬 件 传 统 机 器 级 物 理 机 器 解 释 固 件 微 程 序 机 器 级 硬 件 直 接 执 行 电 子 线 路
操 作 系 统 简 史 1946~1955 年 电 子 管 1955~1965 年 晶 体 管 & 监 控 系 统 1965~1980 年 集 成 电 路 & 多 道 程 序 设 计 1980~1990 年 PC 机 & 微 机 操 作 系 统 1990~ 年 分 布 式 与 嵌 入 式 系 统
批 处 理 技 术 脱 机 输 入 技 术 脱 机 输 出 技 术 批 处 理 技 术 : 计 算 机 系 统 对 一 批 作 业 进 行 处 理 的 技 术 CPU 与 外 设 的 矛 盾
多 道 程 序 设 计 多 道 程 序 设 计 技 术 分 时 系 统
多 道 程 序 系 统 需 要 解 决 的 问 题 在 一 个 连 续 的 内 存 空 间, 同 时 驻 留 多 道 程 序 处 理 机 的 争 夺 I/O 设 备 的 分 配 有 效 的 组 织 不 同 程 序 的 运 行 系 统 对 各 种 存 储 介 质 的 管 理
微 机 操 作 系 统 PC 机 MSDOS WINDOWS 95 WINDOWS NT WINDOWS 2000 类 UNIX(Linux, Freebsd 等 )
分 布 式 与 嵌 入 式 系 统 Cluster of Workstation, Network of Workstation 实 时 操 作 系 统 :Psos, VRTX, RTLinux,
计 算 机 硬 件 简 介 硬 件 是 基 础, 必 须 了 解 硬 件 但 不 必 象 硬 件 工 程 师 那 样, 我 们 了 解 的 是 功 能 接 口 和 状 态
操 作 系 统 的 基 本 类 型 批 处 理 系 统 分 时 系 统 实 时 系 统 混 合 型
分 类 : 批 处 理 系 统 单 道 批 处 理 系 统 : 无 须 作 业 调 度 和 进 程 调 度 ; 内 存 仅 有 一 道 作 业 ; 顺 序 完 成 多 道 批 处 理 系 统 : 作 业 调 度 和 进 程 调 度 ; 内 存 有 多 道 作 业 ; 非 顺 序 完 成 远 程 批 处 理 系 统 优 点 : 系 统 吞 吐 量 大 资 源 利 用 率 高 缺 点 : 平 均 周 转 时 间 长 不 能 提 供 交 互 作 用 能 力
分 时 系 统 简 单 分 时 系 统 : 内 存 中 只 有 一 道 作 业 ; 具 有 前 台 和 后 台 的 分 时 系 统 基 于 多 道 程 序 设 计 的 分 时 系 统
分 时 系 统 的 特 征 多 路 性 : 多 路 连 接 ; 宏 观 上 用 户 共 享, 微 观 上 分 时 ; 独 立 性 : 用 户 相 互 不 干 扰 ; 及 时 性 : 响 应 时 间 ; 交 互 性 : 人 机 对 话
影 响 响 应 时 间 的 因 素 系 统 开 销 用 户 数 目 时 间 片 对 换 信 息 量 采 用 可 重 入 文 件 引 入 虚 存 减 少 对 换
实 时 系 统 的 类 型 和 特 征 实 时 控 制 系 统 实 时 信 息 处 理 系 统 及 时 性 交 互 作 用 性 : 比 分 时 系 统 差, 但 非 常 必 要 多 路 性 独 立 性
实 时 系 统 的 特 殊 功 能 高 可 靠 性 : 双 工 ; 原 子 事 务 ; 连 续 人 机 对 话 过 载 防 护
RTOS 性 能 指 标 RTOS 性 能 指 标 中 断 响 应 时 间 : Interrupt Response 上 下 文 切 换 时 间 :Context Switching Time 确 定 性 : Determinism Kernel services should be deterministic by specifying how long each service call will take to execute. 调 度 器 的 实 现 算 法 Rate Monotonic( 发 生 率 单 调 ), 优 先 级 与 发 生 率 呈 正 比 [LiuLay 1973] lottery scheduler ( 彩 票 调 度, Wald&Weihl94)
操 作 系 统 的 特 征 并 发 并 发 : 两 个 或 多 个 事 件 在 同 一 时 间 间 隔 内 发 生 ; 并 行 : 两 个 或 多 个 事 件 在 同 一 时 刻 内 发 生 ; 共 享 : 系 统 中 软 硬 件 资 源 不 再 为 某 个 程 序 所 独 占, 而 是 供 多 个 用 户 同 时 使 用 互 斥 共 享 ( 打 印 机 变 量 ) 同 时 访 问 ( 宏 观 ) 虚 拟 : 把 一 个 物 理 实 体, 变 为 若 干 个 逻 辑 上 的 对 应 物 多 道 程 序 中 的 CPU SPOOLING( 外 围 设 备 同 时 联 机 操 作 ) 虚 拟 存 储 不 确 定 程 序 执 行 结 果 不 确 定 多 道 程 序 中 执 行 顺 序 不 确 定
操 作 系 统 的 功 能 处 理 机 管 理 存 储 器 管 理 设 备 管 理 文 件 管 理 作 业 控 制
处 理 机 管 理 进 程 控 制 ; 进 程 同 步 ; 进 程 通 信 ; 进 程 调 度
任 务 : 存 储 器 管 理 为 多 道 程 序 的 并 发 提 供 良 好 的 环 境 便 于 用 户 使 用 存 储 器 提 高 存 储 器 利 用 率 为 尽 量 多 的 用 户 提 供 足 够 大 的 存 储 空 间 功 能 : 内 存 分 配 : 静 态 和 动 态 分 配 内 存 保 护 ; 地 址 影 射 ; 内 存 扩 充
任 务 : 设 备 管 理 为 用 户 程 序 分 配 I/O 设 备 完 成 用 户 程 序 请 求 的 I/O 操 作 提 高 CPU 和 I/O 设 备 的 利 用 率 : 中 断 ; 通 道 改 善 人 机 界 面 功 能 : 缓 冲 管 理 ; 设 备 分 配 ; 设 备 处 理 ; 虚 拟 设 备 功 能
文 件 管 理 文 件 存 储 空 间 的 管 理 ; 目 录 管 理 ; 文 件 读 写 管 理 ; 文 件 保 护 ; 向 用 户 提 供 接 口
作 业 控 制 作 业 调 度 ; 作 业 控 制 批 量 型 作 业 终 端 型 作 业
多 处 理 机 操 作 系 统 多 处 理 机 结 构 紧 密 耦 合 ;SMP 松 散 耦 合 多 处 理 机 操 作 系 统 类 型 主 - 从 式 ; 独 立 管 理 程 序 系 统 ; 浮 动 式 管 理 程 序 控 制 方 式
网 络 操 作 系 统 广 域 网 WAN; 局 域 网 LAN 建 立 在 主 机 操 作 系 统 基 础 上, 用 于 管 理 网 络 通 信 和 资 源 共 享, 协 调 各 主 机 上 的 任 务 运 行, 并 向 用 户 提 供 统 一 的 有 效 的 网 络 接 口 的 软 件 集 合
计 算 机 网 络 的 基 本 特 征 : 自 治 性 分 布 性 :(1) 地 理 分 布 ;(2) 功 能 分 布 ;( 3) 任 务 分 布 互 联 性 : 物 理 上 和 逻 辑 上 统 一 性 :TCP/IP
网 络 操 作 系 统 的 功 能 和 定 义 网 络 通 信 资 源 管 理 提 供 多 种 网 络 服 务 :email 文 件 传 输 远 程 控 制 提 供 网 络 接 口
分 布 式 操 作 系 统 基 本 特 征 分 布 性 自 治 性 模 块 性 并 行 性
基 本 功 能 资 源 管 理 任 务 分 配 分 布 式 进 程 同 步 和 通 信 管 理 程 序 浮 动
操 作 系 统 结 构 模 块 接 口 有 序 分 层 法 微 内 核 结 构
模 块 接 口 内 聚 性 : 模 块 内 部 各 部 分 间 联 系 的 紧 密 程 度 逻 辑 内 聚 模 块 时 间 过 程 数 据 和 功 能 耦 合 性 : 模 块 间 相 互 联 系 和 相 互 影 响 数 据 耦 合 控 制 病 态 优 点 : 加 速 了 操 作 系 统 的 研 制 过 程 增 加 了 操 作 系 统 的 灵 活 性 便 于 修 改 和 维 护 缺 点 : 接 口 定 义 困 难 无 序 性
有 序 分 层 法 自 底 向 上 法 自 顶 向 下 法 层 次 设 置 原 则 调 用 关 系 与 硬 件 的 关 系 与 虚 存 的 关 系 可 扩 充 性 调 用 方 式 只 能 调 用 直 接 下 层 可 以 调 用 所 有 下 层 可 以 部 分 调 用 下 层
微 内 核 结 构 内 核 中 只 包 括 中 断 处 理 进 程 通 信 (IPC) 基 本 调 度 等 文 件 系 统 网 络 功 能 内 存 管 理 设 备 管 理 等 作 为 服 务 在 微 内 核 上 运 行 优 点 : 内 核 易 于 实 现 可 移 植 性 好 配 置 灵 活 适 应 分 布 式 环 境 ( 本 地 内 核 与 远 程 内 核 对 服 务 同 样 的 支 持 ) 缺 点 : 速 度 较 慢 ( 扩 大 内 核 减 少 切 换 ; 减 少 内 核 提 高 其 他 优 点 )
目 前 常 用 操 作 系 统 的 介 绍 CP/M(Control Program Monitor) Windows 操 作 系 统 UNIX 操 作 系 统 Linux 操 作 系 统
CP/M(Control Program Monitor) CP/M(Control Program Monitor):1975 年 Digital Research 公 司 推 出 的 带 有 软 盘 系 统 的 8 位 微 机 操 作 系 统, 配 置 在 以 Intel 8080 8085 Z80 为 芯 片 的 微 机 上
DOS 操 作 系 统 Microsoft 公 司 在 1981 年 开 发 了 MS DOS1.0, 4000 行 汇 编 语 句, 运 行 在 Intel 8086 上 后 来 IBM 推 出 了 带 硬 盘 的 PC XT, Microsoft 公 司 在 1983 年 开 发 了 MS DOS2.0, 2.0 有 了 一 些 类 UNIX 的 功 能, 例 如 I/O redirection 在 1984 年 IBM 推 出 了 包 含 80286 的 PC AT, Microsoft 公 司 开 发 了 MS DOS3.0, 但 是 DOS 3.0 没 有 发 挥 出 80286 的 优 势 接 着 Microsoft 公 司 开 发 了 MS DOS3.1, 支 持 共 享 文 件 网 络 功 能 在 1987 年 推 出 了 DOS3.3 支 持 IBM 推 出 了 新 型 机 PS/2
Windows 操 作 系 统 在 486 Pentium 芯 片 问 世 后,DOS 不 能 充 分 发 挥 硬 件 性 能, 因 此 从 80 年 代 初,Microsoft 开 始 开 发 GUI 1990 年 推 出 了 WINDOWS 3.0, 单 需 要 在 DOS 上 运 行 1996 年 推 出 Windows 95, 后 来 的 Windows 98 IBM 在 1987 年 开 发 的 OS/2, 在 286 保 护 模 式 下 运 行 在 与 IBM 分 道 扬 镳 后,Microsoft 开 发 了 WINDOWS NT( 单 用 户 多 任 务 ), 1993 年 推 出 了 第 一 个 版 本 WINDOWS NT3.1( WINDOWS 3.1 风 格 ) NT4.0(WINDOWS 95) 风 格 现 在 的 Windows 2000 是 合 二 为 一 的 操 作 系 统
UNIX 操 作 系 统 UNIX 系 统 在 1969~70 年 有 贝 尔 实 验 室 开 发, 在 PDP 7 上 运 行 于 MULTICS 项 目 的 研 究 工 作 1973 年,C 语 言 加 入 了 结 构 和 全 局 变 量 与 此 同 时,Ken 和 Dennis 成 功 地 用 C 重 写 了 UNIX 核 心 Shell 也 被 重 写 了 1975 年, 第 六 版 UNIX 系 统 发 行 了 这 是 第 一 个 在 贝 尔 实 验 室 外 广 为 流 传 的 UNIX 系 统
Linux 操 作 系 统 Linux 是 由 Linus Torvalds 于 1991 年 开 发 的 1991 年 9 月,Linux 0.0.1, 很 不 完 善 1991 年 10 月, Linux 0.0.2, 第 一 个 正 式 版 本 两 周 后 0.0.3 1991 年 12 月, Linux 0.1.0, 已 经 有 许 多 人 在 上 面 工 作 了 1994 年 3 月, Linux 1.0
GNU/LINUX GNU(GNU not Unix) Linux 成 为 了 一 个 操 作 系 统 值 得 注 意 的 是 Linux并 没 有 包 括 Unix 源 码 它 是 按 照 公 开 的 POSIX 标 准 重 新 编 写 的 Linux 大 量 使 用 了 由 麻 省 剑 桥 免 费 软 件 基 金 的 GNU 软 件, 同 时 Linux 自 身 也 是 用 它 们 构 造 而 成
小 结 什 么 是 操 作 系 统 操 作 系 统 的 历 史 操 作 系 统 的 类 型 操 作 系 统 的 特 征 操 作 系 统 的 功 能 操 作 系 统 的 结 构 常 用 的 操 作 系 统