操作系統(tǒng)1-10章

1、第1章 操作系統(tǒng)概述呂鳴松呂鳴松嵌入嵌入式系統(tǒng)研究所，東北大學(xué)式系統(tǒng)研究所，東北大學(xué)20152015年年3 3月月操作系統(tǒng)原理2015年春季課程主要內(nèi)容 操作系統(tǒng)的基本概念 操作系統(tǒng)歷史 操作系統(tǒng)主要功能概述 操作系統(tǒng)接口 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2022-3-3Operating Systems Overview2操作系統(tǒng)定義2022-3-3Operating Systems Overview3An operating system (OS) is a collection of software that manages computer hardware resources and provide

2、s common services for computer programs.wikipedia操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中的位置2022-3-3Operating Systems Overview4操作系統(tǒng)舉例2022-3-3Operating Systems Overview5操作系統(tǒng)作為“擴(kuò)展機(jī)” 以操作磁盤(pán)為例 硬件說(shuō)明書(shū)：450頁(yè)（2007年第一代SATA硬盤(pán)） 驅(qū)動(dòng)程序（disk driver） 操作系統(tǒng)程序接口2022-3-3Operating Systems Overview6丑陋的硬件接口漂亮的OS接口操作系統(tǒng)作為“資源管理者” 如何更加有效的使用計(jì)算機(jī)硬件資源，使之可以為更多的用戶

3、服務(wù) 資源的共享（multiplexing） 時(shí)間上的共享 空間上的共享 操作系統(tǒng)的自身發(fā)展能力 支持新硬件，提供新服務(wù) 操作系統(tǒng)補(bǔ)丁2022-3-3Operating Systems Overview7操作系統(tǒng)的歷史 史前時(shí)代（1945-55）無(wú)操作系統(tǒng) 硬件：真空管計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)數(shù)字化趨勢(shì)2022-3-3Operating Systems Overview8程序員提前預(yù)約好時(shí)間，帶著自己精心組裝好的插件板到機(jī)房插到計(jì)算機(jī)上。在接下來(lái)的幾個(gè)小時(shí)里，祈禱幾萬(wàn)個(gè)真空管不會(huì)燒壞，從而可以完成一個(gè)余弦計(jì)算。操作系統(tǒng)的歷史 史前時(shí)代（1945-55）無(wú)操作系統(tǒng) 50年代早期，出現(xiàn)了穿孔卡片：程序?qū)懺诳?/p>

4、片上然后讀入計(jì)算機(jī)，而不用插板，但計(jì)算過(guò)程依舊2022-3-3Operating Systems Overview9操作系統(tǒng)的歷史 遠(yuǎn)古時(shí)代（1955-65）簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng) 硬件更加可靠，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn) 明確的角色分工：設(shè)計(jì)者、操作員、程序員等2022-3-3Operating Systems Overview10操作系統(tǒng)的歷史 遠(yuǎn)古時(shí)代（1955-65）簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng) 主要矛盾：操作員傳遞作業(yè)成為性能瓶頸，機(jī)器昂貴 解決方案：大型機(jī) + 衛(wèi)星機(jī)；大型機(jī)中運(yùn)行監(jiān)控程序，負(fù)責(zé)切換作業(yè)2022-3-3Operating Systems Overview11操作系統(tǒng)的歷史 近古時(shí)代（1965-80）

5、多道程序系統(tǒng) 硬件趨勢(shì)：集成電路的發(fā)展（IC） 使得在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上集成大型機(jī)和衛(wèi)星機(jī)的功能成為可能，運(yùn)算更快，可以服務(wù)于多種不同應(yīng)用 （傳說(shuō)中的 IBM 360）2022-3-3Operating Systems Overview12操作系統(tǒng)的歷史 近古時(shí)代（1965-80）多道程序系統(tǒng) 操作系統(tǒng)概念出現(xiàn)，規(guī)模變大：百萬(wàn)行機(jī)器代碼，上千程序員 成千上萬(wàn)的bug，改多少，添多少bug守恒 更大的矛盾：CPU資源嚴(yán)重浪費(fèi)（快速CPU與慢速外設(shè)的矛盾）2022-3-3Operating Systems Overview13操作系統(tǒng)的歷史 近古時(shí)代（1965-80）多道程序系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng)的特點(diǎn) 在

6、內(nèi)存中存放多道相互獨(dú)立的程序 多個(gè)程序交替占用CPU 宏觀上并行，微觀上串行并發(fā) 大大提高了CPU使用率2022-3-3Operating Systems Overview14操作系統(tǒng)的歷史 分時(shí)系統(tǒng)（Time Sharing Systems） 驅(qū)動(dòng)力 計(jì)算機(jī)依然龐大，個(gè)人擁有計(jì)算機(jī)不現(xiàn)實(shí)多人分享 “交互式計(jì)算”需求顯著增加，如何使每個(gè)用戶感覺(jué)自己獨(dú)占計(jì)算機(jī)？ 基本原理 多個(gè)用戶通過(guò)終端訪問(wèn)計(jì)算機(jī) 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)讓多個(gè)用戶交替使用計(jì)算機(jī)，每人獲得一個(gè)很短的時(shí)間片（如果20個(gè)人中有17個(gè)人正在思考問(wèn)題，則計(jì)算機(jī)供另外3個(gè)人使用）2022-3-3Operating Systems Overview1

7、5操作系統(tǒng)的歷史 代表系統(tǒng)MULTICS（MULTiplexed Information and Computing Service） 由貝爾實(shí)驗(yàn)室與GE聯(lián)合開(kāi)發(fā)，后MIT接手 愿景：把插頭插在墻上，你就有了電；把終端打開(kāi)，你就有了計(jì)算力 似曾相識(shí)？YES！云計(jì)算 雖沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，但是用MULTICS的都是當(dāng)時(shí)的牛逼公司，最長(zhǎng)的一用就是30幾年 其設(shè)計(jì)思想，對(duì)后世操作系統(tǒng)的發(fā)展起到了重大影響2022-3-3Operating Systems Overview16操作系統(tǒng)的歷史 UNIX家族的興起 貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ken Thompson在PDP-7計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)一個(gè)“單用戶”版的MULTICS，

8、后來(lái)成為了UNIX Dennis Ritchie后來(lái)加入開(kāi)發(fā)，UNIX運(yùn)行在PDP-11計(jì)算機(jī)上 兩人發(fā)表論文，獲得1984年“圖靈獎(jiǎng)” 隨著PDP-11計(jì)算機(jī)在大學(xué)里的廣泛使用，UNIX被推廣 由于源代碼公開(kāi)，出現(xiàn)了很多版本，兩個(gè)重要版本（1）System V by AT&T；（2）BSD UNIX by Univ. of Berkeley IEEE提出了POSIX接口 Andrew Tanenbaum在UNIX基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了教學(xué)用的MINIX系統(tǒng) 若干年以后，一個(gè)芬蘭小伙子Linus Trovalds受MINIX啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)操作系統(tǒng)，叫做Linux 后來(lái)，又有了Mac OS，An

9、droid， 2022-3-3Operating Systems Overview17操作系統(tǒng)的歷史 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（1980-現(xiàn)在） 硬件驅(qū)動(dòng)：大規(guī)模集成電路個(gè)人擁有計(jì)算機(jī)成為可能 1974年，Intel 8080 CPU出現(xiàn)，Kildall為其開(kāi)發(fā)了CP/M操作系統(tǒng)，創(chuàng)辦Digital Research公司，CP/M成為業(yè)界主流2022-3-3Operating Systems Overview18操作系統(tǒng)的歷史 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（1980-現(xiàn)在） 1980年代，IBM研制出了著名的IBM PC，尋找操作系統(tǒng) IBM找到了一個(gè)年輕有為的小伙子，因?yàn)樗掷镉幸粋€(gè)叫做BASIC的解釋器

10、比爾弟弟說(shuō)：你們?cè)撊フ褼igital Research，他們才是操作系統(tǒng)領(lǐng)域的大老虎 于是IBM去找Kildall，出人意料，Kildall沒(méi)鳥(niǎo)IBM 于是IBM又找到比爾，“老弟，還得靠你啊” 比爾發(fā)現(xiàn)了一個(gè)叫做Seattle Computer Products的公司做了一個(gè)系統(tǒng)，叫做DOS 比爾以其敏銳的專業(yè)嗅覺(jué)，花75000美元買下了DOS，又拉來(lái)了DOS的主創(chuàng)Tim Paterson，跟自家的BASIC合為一體，修煉出了大名鼎鼎的MS-DOS 比爾做了一個(gè)重要的商業(yè)決策：MS-DOS將隨新計(jì)算機(jī)綁定出售 MS-DOS統(tǒng)治PC市場(chǎng)，CP/M沒(méi)落，Kildall離奇死亡2022-3-3Op

11、erating Systems Overview19操作系統(tǒng)的歷史 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（1980-現(xiàn)在） 蘋(píng)果的故事 引子：斯坦福研究院的Doug Engelbart在1960年發(fā)明了一種圖形用戶界面，后被Xerox相中，集成到了自家機(jī)器里 有一天，喬蜀黍訪問(wèn)Xerox，偶然遇見(jiàn)GUI，一見(jiàn)傾心 憑借其敏銳的嗅覺(jué)，喬蜀黍認(rèn)為GUI必將一統(tǒng)江湖，遂加班加點(diǎn)趕制一款GUI，用在他在自己車庫(kù)里開(kāi)發(fā)的電腦上，這款電腦叫Apple 第一代產(chǎn)品太貴，賣的不好。后來(lái)有了跑GUI的Macintosh，蘋(píng)果電腦風(fēng)靡 1999年，Jobs從CMU取得了一個(gè)基于UNIX的微內(nèi)核Mach，開(kāi)發(fā)了后來(lái)眾所周知的Mac

12、OS X，再后來(lái)的事情你就不陌生了2022-3-3Operating Systems Overview20操作系統(tǒng)的歷史 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（1980-現(xiàn)在） Windows的故事 雖然MS-DOS很成功，比爾看到Macintosh也是醉了 于是，在MS-DOS上套了GUI的殼子，出現(xiàn)了最早的Windows 后來(lái)，Windows 95,98出現(xiàn) 但這兩者都不是純粹的32位系統(tǒng)，為此微軟開(kāi)發(fā)了NT NT的主創(chuàng)同時(shí)是另一家公司VAX VMS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者，為此微軟被DEC公司起訴，為此支付了數(shù)額巨大的費(fèi)用，但是 NT Windows 2000 Windows XP Windows XP Vista

13、Windows 7 Windows 8 10 2022-3-3Operating Systems Overview21操作系統(tǒng)的歷史 移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)（1990-現(xiàn)在） 2000年前后，手機(jī)盛行，各公司定制的系統(tǒng) 90年代中期，NOKIA推出N9000，出現(xiàn)了PDA的概念；97年愛(ài)立信在GS88設(shè)備上首次提出了smartphone這個(gè)名詞2022-3-3Operating Systems Overview22操作系統(tǒng)的歷史 移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)（1990-現(xiàn)在） 早期的三足鼎立 Symbian OS：諾基亞，三星，摩托羅拉，索尼 iOS：蘋(píng)果，第一代iPhone RIM：黑莓 后來(lái)，Sybian生

14、態(tài)圈封閉，垮臺(tái) Android 81.5% iOS 14.8% Windows Mobile 2.7%2022-3-3Operating Systems Overview23操作系統(tǒng)演進(jìn)關(guān)系2022-3-3Operating Systems Overview24從歷史發(fā)展看操作系統(tǒng)本質(zhì) 操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，本質(zhì)上是為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性 硬件復(fù)雜性 用戶需求（應(yīng)用需求）復(fù)雜性 通過(guò)引入操作系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的使用，簡(jiǎn)化了程序開(kāi)發(fā)2022-3-3Operating Systems Overview25計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2022-3-3Operating Systems Overview26操作系

15、統(tǒng)的主要功能2022-3-3Operating Systems Overview27設(shè)備管理文件管理處理機(jī)管理存儲(chǔ)管理用戶接口操作接口編程接口操作系統(tǒng)的主要功能 處理機(jī)管理 創(chuàng)建和刪除用戶/系統(tǒng)進(jìn)程 進(jìn)程的啟動(dòng)與停止 調(diào)度多個(gè)進(jìn)程在CPU上執(zhí)行 提供進(jìn)程間通信和同步的機(jī)制 存儲(chǔ)器管理 存儲(chǔ)器的分配與釋放 地址映射：邏輯地址到內(nèi)存物理地址映射 存儲(chǔ)保護(hù)：保證不同程序間互不干擾、互相保密 內(nèi)存擴(kuò)充：虛擬內(nèi)存，擴(kuò)大系統(tǒng)的內(nèi)存空間2022-3-3Operating Systems Overview28操作系統(tǒng)的主要功能 文件管理 外存空閑空間管理與分配 磁盤(pán)調(diào)度 文件/文件夾的創(chuàng)建與刪除 目錄管理：解

16、決信息檢索問(wèn)題 文件的讀寫(xiě)管理和存取控制：解決信息安全問(wèn)題2022-3-3Operating Systems Overview29操作系統(tǒng)功能 設(shè)備管理 設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)設(shè)備的操作 設(shè)備獨(dú)立性：提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)性；在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容 設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享I/O設(shè)備資源 緩沖區(qū)管理：匹配CPU和外設(shè)的速度，提高兩者的利用率。主機(jī)與外設(shè)并行2022-3-3Operating Systems Overview30用戶接口 本質(zhì)：用戶與操作系統(tǒng)“溝通”的通道 用戶需要將自己的意圖正確方便的傳達(dá)給操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)將

17、結(jié)果呈現(xiàn)給用戶 根據(jù)用戶類型的不同，用戶接口的定義亦不同 普通用戶（操作級(jí)接口） 如何使用操作系統(tǒng)已經(jīng)提供的功能 重點(diǎn)是信息的呈現(xiàn)形式，便于使用 程序開(kāi)發(fā)人員（程序級(jí)接口） 如何在編程過(guò)程中，使用操作系統(tǒng)提供的功能 系統(tǒng)調(diào)用（System Call）、庫(kù)函數(shù)（Library）2022-3-3Operating Systems Overview31操作級(jí)接口 在UNIX，Linux操作系統(tǒng)中盛行2022-3-3Operating Systems Overview32操作級(jí)接口 命令與命令解釋器 用戶通過(guò)命令行界面輸入的叫做“命令” “命令”通過(guò)“命令解釋器（Command Interpreter

18、）”得以最終執(zhí)行 命令解釋器 區(qū)分“命令的識(shí)別”和“命令的執(zhí)行” 一般命令解釋器 Shell2022-3-3Operating Systems Overview33操作級(jí)接口 一般命令解釋器 解釋器既識(shí)別命令，也執(zhí)行命令 解釋器對(duì)命令的執(zhí)行，體現(xiàn)為調(diào)用“系統(tǒng)調(diào)用” 支持的命令越多，解釋器軟件就越龐大 Shell 僅識(shí)別命令，不執(zhí)行命令 對(duì)命令的執(zhí)行，是通過(guò)調(diào)用其它“系統(tǒng)程序”來(lái)完成的 常用于Linux/Unix操作系統(tǒng)2022-3-3Operating Systems Overview34操作級(jí)接口 圖形用戶接口（Graphical User Interface, GUI） 桌面，圖標(biāo)，文件夾

19、等等 高性能顯示設(shè)備，鼠標(biāo)等2022-3-3Operating Systems Overview35操作級(jí)接口 圖形用戶接口（Graphical User Interface, GUI） 移動(dòng)設(shè)備：觸控輸入、輔助設(shè)備2022-3-3Operating Systems Overview36操作級(jí)接口 Google Glass - Augmented Reality 2022-3-3Operating Systems Overview37操作級(jí)接口 操作級(jí)接口的選擇 普通用戶基本上都會(huì)選擇GUI 系統(tǒng)管理員往往選擇命令行接口 雖然學(xué)習(xí)過(guò)程難度大，一旦熟練，效率很高 GUI通常不能支持全部的操作系統(tǒng)

20、功能 通過(guò)Shell script，可以在命令行接口，編寫(xiě)極為復(fù)雜的操作2022-3-3Operating Systems Overview38程序級(jí)接口 應(yīng)用軟件也是需要使用操作系統(tǒng)所提供的功能的，如何在程序中實(shí)現(xiàn)這一目的？ 系統(tǒng)調(diào)用（System Call） 在操作系統(tǒng)發(fā)行之時(shí)，由操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者提供 本質(zhì)上是一種特殊的“程序調(diào)用”接口2022-3-3Operating Systems Overview39程序級(jí)接口 應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface, API） 程序級(jí)接口，在編程中使用 Windows API, POSIX API in Un

21、ix, JAVA API 終端編程者使用API，提供API的開(kāi)發(fā)者在API的具體實(shí)現(xiàn)中調(diào)用“操作系統(tǒng)調(diào)用” 可以帶參數(shù)，可以有返回值2022-3-3Operating Systems Overview40程序級(jí)接口 程序API與操作系統(tǒng)調(diào)用之間的關(guān)系2022-3-3Operating Systems Overview41程序級(jí)接口 常見(jiàn)操作系統(tǒng)調(diào)用2022-3-3Operating Systems Overview42操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 可靠性（Reliablity） Do exactly what is designed to 主要挑戰(zhàn)：系統(tǒng)狀態(tài)空間太大，軟件測(cè)試無(wú)法覆蓋所有可能，給惡意軟件

22、以可乘之機(jī) 操作系統(tǒng)補(bǔ)丁 可用性（Availability） 系統(tǒng)百分之多少的時(shí)間里是可用的（MTTF，MTTR） 經(jīng)常出錯(cuò)，還丟失用戶數(shù)據(jù)：不可靠，不可用 經(jīng)常出錯(cuò)，但從不丟失數(shù)據(jù)，從不受到攻擊：可靠，不可用 會(huì)被破壞，但能持續(xù)運(yùn)行：不可靠，可用2022-3-3Operating Systems Overview43操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 安全性（Security） 安全性：不會(huì)被惡意攻擊所破壞 隱私性：數(shù)據(jù)僅被有權(quán)限的用戶訪問(wèn) 可靠性 典型措施：錯(cuò)誤隔離（Fault Isolation） 主要挑戰(zhàn)：共享與隔離之間的矛盾與權(quán)衡2022-3-3Operating Systems Overview4

23、4操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 可移植性（Portability） 一次編寫(xiě)，到處運(yùn)行 手機(jī)上網(wǎng)：WiFi，藍(lán)牙，GPRS， 操作系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)也需要可移植性 主要考慮是工程量太大 “主要功能”與“硬件抽象”分離2022-3-3Operating Systems Overview45操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 性能（Performance） 通過(guò)效率、Overhead來(lái)衡量 Overhead：操作系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)抽象過(guò)程中帶來(lái)的額外開(kāi)銷 操作系統(tǒng)的資源仲裁機(jī)制與策略 延遲：一個(gè)任務(wù)（個(gè)體）從開(kāi)始到結(jié)束所用的時(shí)間 吞吐率：系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的工作總量（整體） 小延遲與大吞吐率有正向關(guān)系，但并非一定如此2022-3-3Opera