操作系統(tǒng)課件第1章 操作系統(tǒng)引論

●實踐性強（從實踐總結出原理）●涉及面廣（并行程序，性能問題，結構問題，軟件工程等）●錯綜復雜、縱橫交叉

操作系統(tǒng)課程特點●認真聽講，按時完成作業(yè)

●研讀教材、參考書，全面掌握其內容

●善于思考，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題要努力尋求問題的答案注意學習方法第一章操作系統(tǒng)引論●操作系統(tǒng)的定義--------------操作系統(tǒng)是什么？●操作系統(tǒng)的形成--------------為什么要操作系統(tǒng)？●操作系統(tǒng)的特征--------------操作系統(tǒng)怎么樣？●操作系統(tǒng)的功能--------------操作系統(tǒng)能干什么？●操作系統(tǒng)的分類--------------操作系統(tǒng)有哪些？本章要點●操作系統(tǒng)體系結構--------------操作系統(tǒng)新發(fā)展？資源管理的觀點用戶的觀點●操作系統(tǒng)是控制和管理計算機的軟、硬件資源，合理地組織計算機的工作流程，以及方便用戶的程序集合。本質312●操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件系統(tǒng)的第一次擴充。機器擴充的觀點1.1操作系統(tǒng)的定義用戶的觀點●操作系統(tǒng)的地位：緊貼硬件（裸機）之上，所有其他軟件之下。1946年第一代計算機上沒有操作系統(tǒng)1958年第二代計算機上有了監(jiān)控系統(tǒng)1964年第三代計算機上操作系統(tǒng)得到極大發(fā)展1974年第四代計算機操作系統(tǒng)向多元化方向發(fā)展

Development1.2操作系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展

在第一代計算機上沒有操作系統(tǒng)，對計算機的操作完全是人工操作方式，這種人工操作方式有兩個缺點：●用戶完全獨占計算機。也就是說，計算機的全部資源只供一個用戶使用?！裼嬎銠C等待人工操作。當用戶操作時計算機要等待，CPU空閑。人工操作監(jiān)控系統(tǒng)●第二代計算機主要用于科學和工程計算，程序大多用FORTRAN語言書寫，該語言適用于作數(shù)值運算，當時主機上用的控制程序稱之為監(jiān)控程序（Monitor），其功能相對比較簡單，監(jiān)控程序是操作系統(tǒng)的雛形。●

單道批處理系統(tǒng)（SimpleBatchSystem）是將所有的作業(yè)用一臺相對比較便宜的計算機（如IBM1401）輸入到磁帶上，此計算機稱為輸入/輸出機，實施數(shù)值運算、速度較快的計算機稱為主機（如IBM7094）。大批的作業(yè)在輸入/輸出機的控制下輸入到磁帶后，用一個特殊的程序來控制作業(yè)的讀入和運行，這個特殊的程序叫作業(yè)控制語言（JCL，JobControlLanguage）書寫，它能控制程序的運行，如圖所示。

●矛盾的觀點矛盾的觀點

●用操作員——不分工（第一代）-->有分工（第二代）

●減少人干預——手工操作-->早期的批處理●作業(yè)控制卡●作業(yè)控制語言JCL●FORTRAN語言產(chǎn)生（第二代）

●用多個操作員——產(chǎn)生分時系統(tǒng)（第三代）

●多臺外設----產(chǎn)生多道程序設計（第三代）

●提高外設速度●硬件----產(chǎn)生通道、中斷（第三代）

●軟件用緩沖區(qū)(Buffer)產(chǎn)生脫機輸入/輸出技術主機與外設速度的不匹配——Vcpu~Vp計算機與人速度的不匹配——Vcomputer~Vpersom啟示！■操作系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展是計算機內部矛盾產(chǎn)生和發(fā)展的結果。速度的矛盾脫機輸入/輸出技術●程序和數(shù)據(jù)的輸入都不是在主機的控制之下，而是在一臺專門作輸入/輸出的計算機的控制之下進行，或者說，輸入/輸出工作是在脫離主機的情況之下進行的，故稱為脫機輸入/輸出（OffLineI/O），如圖所示。單道程序運行情況多道程序運行情況多道程序設計●隨著大規(guī)模集成電路（在每平方厘米的芯片上集成數(shù)千個晶體管）的發(fā)展，計算機向著微型化、網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展。●個人計算機的時代到來了。●個人計算機連接成了網(wǎng)絡。因此運行其上的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)就開始崛起。多元化發(fā)展1.3操作系統(tǒng)的特征也稱隨機性，是指系統(tǒng)中各種事件的發(fā)生順序是不確定的。不確定并發(fā)兩個或兩個以上的事物在同一時間間隔內發(fā)生共享系統(tǒng)中的軟、硬件資源在其上的供多個程序共同享用

●互斥共享——某時間內只允許一個進程訪問，該進程訪問完了，別人才可訪問。如：打印機

●同時訪問——某時間段內，允許多個進程同時訪問。如：磁盤。虛擬通過某種技術手段把一個物理上的實體，變成多個邏輯上的對應物1.4操作系統(tǒng)的功能創(chuàng)意存儲管理制作圖片進程管理制作動畫設備管理制作聲音文件管理編制程序用戶接口顯示器鍵盤CD-ROM外存儲器音響設備鼠標內存儲器中央處理器●對處理機的分配和運行實施有效管理?！裨诙嗟莱绦颦h(huán)境下，處理機的分配和運行以進程為單位，因此對處理機的管理即對進程的管理。●

任務●進程控制●進程同步●進程通信●進程調度●

功能制作圖片進程管理●方便用戶使用內存●提高內存的利用率●從邏輯上擴充內存●

任務●內存分配●地址映射●內存保護●內存擴充●

功能創(chuàng)意存儲管理制作動畫設備管理●完成用戶程序請求的I/O操作，為用戶程序分配I/O設備●提高外部設備的利用●盡可能地提高輸入/輸出的速度●方便用戶使用外部設備●

任務●設備分配●設備控制●設備無關性●

功能●大量的信息以文件的形式放在外存，對信息的管理也就是對文件的管理

●

任務制作聲音●文件存儲空間的管理●目錄管理●文件的讀、寫管理●文件的存取控制●

功能文件管理編制程序操作系統(tǒng)接口●聯(lián)機命令接口●脫機命令接口●圖形用戶界面（命令接口的改版）●

命令接口●

程序接口●也稱系統(tǒng)調用1.5操作系統(tǒng)類型成熟的發(fā)展中的●批處理系統(tǒng)●分時系統(tǒng)●實時系統(tǒng)●微機操作系統(tǒng)●多處理機操作系統(tǒng)

●網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

●分布式操作系統(tǒng)DevelopingDeveloped●嵌入式操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)單道●內存中僅放一道作業(yè)●作業(yè)的完成順序與進駐內存的順序相關多道●內存中放多道作業(yè)●作業(yè)的完成順序與進駐內存的順序無嚴格對應關系●資源利用率高●系統(tǒng)吞吐量大●

優(yōu)點●平均周轉時間長●無交互能力●

缺點批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點IBM的DOS/VSE實例類型●簡單分時系統(tǒng)●具有前后臺的分時系統(tǒng)●多道分時系統(tǒng)

特征●多路性●獨立性●交互性●及時性分時系統(tǒng)

允許多個終端用戶同時使用計算機，在這樣的系統(tǒng)中，用戶感覺不到其他用戶的存在，好象獨占計算機一樣。OS/360Multics實例類型●閉環(huán)——實時控制系統(tǒng)●開環(huán)——實時信息處理系統(tǒng)特殊要求●高可靠性●過載保護●對截止時間的要求

對外部輸入的信息，實時系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內處理完畢并作出反應。實時系統(tǒng)QNXVxWorksRTLinux實例●CP/M操作系統(tǒng)●MS-DOS

操作系統(tǒng)●OS/2

操作系統(tǒng)●

Windows

操作系統(tǒng)●UNIX及類UNIX

操作系統(tǒng)●Solaris ●SVR4●SCOOpenServer●SCOUnixWare7●

Xenix

●Linux●

MacOSX操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)●增加系統(tǒng)吞吐量●節(jié)省投資

●提高系統(tǒng)可靠性●

引入原因●非對稱多處理模式——主-從模式●對稱多處理模式——獨立管理模式●

多處理機OS類型多處理機操作系統(tǒng)●客戶/服務器模式——Client/server●對等模式——PeertoPeer●網(wǎng)絡OS模式●網(wǎng)絡通信●資源共享管理●網(wǎng)絡服務●

網(wǎng)絡OS功能網(wǎng)絡操作系統(tǒng)●網(wǎng)絡管理●互操作能力●多機合作●健壯性●透明性●共享性●

分布式OS特點分布式操作系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)是由若干個計算機經(jīng)互連網(wǎng)絡連接而成的，這些計算機既可以獨立工作，又能協(xié)同工作?？蓪崿F(xiàn)系統(tǒng)內的資源管理，任務動態(tài)分配，并能并行地運行分布式程序?！穹植际郊軜嬍状斡糜诮K端操作系統(tǒng)，實現(xiàn)跨終端無縫協(xié)同體驗?！翊_定時延引擎和高性能進程間通信（Inter-ProcessCommunication，IPC）技術實現(xiàn)系統(tǒng)流暢?！窕谖群思軜嬛厮芙K端設備可信安全?！聒櫭刹僮飨到y(tǒng)通過統(tǒng)一集成開發(fā)環(huán)境（

IDE）支撐一次開發(fā)，多端部署，實現(xiàn)跨終端生態(tài)共享?！?/p>

華為鴻蒙操作系統(tǒng)技術特性華為鴻蒙操作系統(tǒng)

華為鴻蒙（英語：HarmonyOS，開發(fā)代號：Ark）是基于微內核的全場景分布式操作系統(tǒng)?！袂度胧接嬎銠C，顧名思義即將計算機嵌入到其他設備上，這些設備無處不在，大到汽車發(fā)動機、機器人，小到電視機、微波爐、移動電話。運行在其上的操作系統(tǒng)比較簡單，只實現(xiàn)所要求的控制功能?！袂度胧较到y(tǒng)

計算機發(fā)展的趨勢之一是體積越來越小，掌上電腦和嵌入式系統(tǒng)隨機出現(xiàn)。掌上電腦也稱PDA

嵌入式操作系統(tǒng)●單核系統(tǒng)單處理器是目前多數(shù)操作系統(tǒng)采用的硬件，其特點是CPU只有一個，并且一次性只能執(zhí)行一個包括用戶進程的通用指令集。在單處理器系統(tǒng)中，配置鍵盤、磁盤以及圖像控制器等多種專用處理器以及一些類似實現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)移動的I/O處理器（控制器）。在一些特殊的情況下，專用處理器是集成到硬件的，作為計算機的底層組件，操作系統(tǒng)不能直接與此類處理器進行通信，但是可以自主完成任務，需要注意的是此類專用處理器雖然可以獨立完成任務，但是并不能將他們作為單獨的處理器，成為多處理器系統(tǒng)，我們界定單處理器的標準只有一個通用的CPU。后續(xù)本書介紹的操作系統(tǒng)也主要是單核系統(tǒng)為主。●多核系統(tǒng)多核處理器是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內核)，此時處理器能支持系統(tǒng)總線上的多個處理器，由總線控制器提供所有總線控制信號和命令信號。多處理器系統(tǒng)也稱為多核系統(tǒng)，隨著計算量的快速增大，傳統(tǒng)的單處理器系統(tǒng)已不能滿足需求，多處理系統(tǒng)開始在計算領域嶄露頭角并且逐漸主導計算領域。多核系統(tǒng)在硬件上表現(xiàn)為兩個或多個緊密通信的CPU，共享總線、適中、外設與內存等。多核系統(tǒng)的特點主要有三點：吞吐量大，規(guī)模經(jīng)濟以及較強的可靠性。多核系統(tǒng)的容錯能力突出，能夠容忍單個部件錯誤，并且仍然繼續(xù)運行?！穸嗪讼到y(tǒng)●AMP模式非對稱處理（AMP)的每個CPU內核運行一個獨立的操作系統(tǒng)或者同一操作系統(tǒng)的獨立實例，即每個處理器都有各自特定的任務。在AMP處理模式下，系統(tǒng)中的處理器分為兩大類:一類是主處理器，負責控制整個系統(tǒng)，并且向其他處理器分配規(guī)定的任務；另一類是從處理器，負責完成主處理器分配的任務。兩類服務器地位和功能不同，是主從關系，主處理器調度從處理器，并安排工作。AMP在包編譯前就要決定部署在哪個核上，每個核上跑的軟件可以不同。包可以帶操作系統(tǒng)也可以不帶，主要用于實時性要求很高的系統(tǒng)，一般以用于RPU系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的中斷，錯誤等?！馎MP模式AMP模式的主要特點是各個操作系統(tǒng)擁有自己專用的內存，并且相互之間通過訪問受限的共享內存進行通信。AMP模式的操作系統(tǒng)結構要實現(xiàn)系統(tǒng)資源的分配必須離不開用戶的參與。在應用方面，AMP模式的應用比較少，商用操作系統(tǒng)中僅有WindRiver公司的VxWorks提供AMP模式的配置?！馭MP模式SMP模式的操作系統(tǒng)構架是多核處理器技術的一種變體，能夠同時管理所有CPU內核，且應用并不綁定某一個內核由一個操作系統(tǒng)實例控制所有處理器。不同于AMP模式中，SMP模式系統(tǒng)中所有CPU具有相同的地位，并且運行同一個操作系統(tǒng)，共享系統(tǒng)內存和外設資源。相對于AMP模式，SMP模式的操作系統(tǒng)具有可共享內存、較高的性能和功耗比、以及易實現(xiàn)負載均衡等優(yōu)點，更能發(fā)揮發(fā)揮多核處理器的硬件優(yōu)勢?！馭MP硬件平臺●BMP模式BMP和SMP類似，也是一個OS管理所有內核，但是不同的是BMP模式中，開發(fā)者可以指定將某個任務僅在某個指定內核上執(zhí)行而在BMP模式下每個應用被鎖定于某個指定的核心。BMP能夠滿足強實時、

高吞吐量業(yè)務需求，能夠結合SMP高級資源管理和AMP應用控制的混合功能，具有透明資源管理功能。

同時讓開發(fā)者將業(yè)務線程綁定在指定的CPU核上，既滿足不同業(yè)務的性能需求，同時也互不干擾?！穸嗪讼到y(tǒng)發(fā)展技術路線面向可擴展多核操作系統(tǒng)集中在主要的三種技術路線：1）改進傳統(tǒng)宏內核架構，以適應多核體系結構2）基于功能分布思想3）借鑒分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布思想以及消息通信機制?！窦合到y(tǒng)集群系統(tǒng)是一組獨立的計算機（節(jié)點）的集合體，節(jié)點間通過高性能的互聯(lián)網(wǎng)絡連接，各節(jié)點除了作為一個單一的計算資源供交互式用戶使用外，還可以協(xié)同工作，并表示為一個單一的、集中地計算資源，供并行計算任務使用?；诩杭夹g，多臺PC或工作站的計算能力大幅提升，可以匹敵大型機，但是集群系統(tǒng)是一種造價低廉、易于構建并且具有較好可擴放性的體系結構。目前在很多領域，集群已經(jīng)開始取代大型機，成為一種新的計算基礎設施。●集群系統(tǒng)集群系統(tǒng)，將多個CPU組合在一起，因此他本質上也是一種紅多處理器系統(tǒng)。但是集群系統(tǒng)與前述的多處理系統(tǒng)又不同，表現(xiàn)為松耦合，即集群系統(tǒng)主要是由多個獨立節(jié)點或者多個獨立系統(tǒng)組成，而每個節(jié)點或者系統(tǒng)又可以看成是一個單處理器系統(tǒng)或者一個多核系統(tǒng)。集群系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)的一種，一個集群通常由一群處理器密集構成，集群操作系統(tǒng)專門服務于這樣的集群?！窦合到y(tǒng)模式集群系統(tǒng)分為兩種模式：對稱模式與非對稱模式。非對稱模式指的是存在節(jié)點對，一個節(jié)點運行應用程序，另外一個節(jié)點處于熱備份模式，一旦運行程序的節(jié)點發(fā)生故障，處于熱備份模式的節(jié)點能夠及時檢測到并且及時編程活動服務器。對稱模式指的是節(jié)點對的兩個主機都是主程序運行機，并且互相堅實，此種模式更加高效?！窦合到y(tǒng)特點（1）高可用性。集群系統(tǒng)具有高可用性，當集群中一個或者多個系統(tǒng)出錯，集群中的其他系統(tǒng)