操作系統(tǒng)課件第1章 操作系統(tǒng)引論

●實(shí)踐性強(qiáng)（從實(shí)踐總結(jié)出原理）●涉及面廣（并行程序，性能問題，結(jié)構(gòu)問題，軟件工程等）●錯(cuò)綜復(fù)雜、縱橫交叉

操作系統(tǒng)課程特點(diǎn)●認(rèn)真聽講，按時(shí)完成作業(yè)

●研讀教材、參考書，全面掌握其內(nèi)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(xué)習(xí)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(diǎn)●操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)--------------操作系統(tǒng)新發(fā)展？資源管理的觀點(diǎn)用戶的觀點(diǎn)●操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，以及方便用戶的程序集合。本質(zhì)312●操作系統(tǒng)是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對(duì)硬件系統(tǒng)的第一次擴(kuò)充。機(jī)器擴(kuò)充的觀點(diǎn)1.1操作系統(tǒng)的定義用戶的觀點(diǎn)●操作系統(tǒng)的地位：緊貼硬件（裸機(jī)）之上，所有其他軟件之下。1946年第一代計(jì)算機(jī)上沒有操作系統(tǒng)1958年第二代計(jì)算機(jī)上有了監(jiān)控系統(tǒng)1964年第三代計(jì)算機(jī)上操作系統(tǒng)得到極大發(fā)展1974年第四代計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)上沒有操作系統(tǒng)，對(duì)計(jì)算機(jī)的操作完全是人工操作方式，這種人工操作方式有兩個(gè)缺點(diǎn)：●用戶完全獨(dú)占計(jì)算機(jī)。也就是說，計(jì)算機(jī)的全部資源只供一個(gè)用戶使用?！裼?jì)算機(jī)等待人工操作。當(dāng)用戶操作時(shí)計(jì)算機(jī)要等待，CPU空閑。人工操作監(jiān)控系統(tǒng)●第二代計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)和工程計(jì)算，程序大多用FORTRAN語言書寫，該語言適用于作數(shù)值運(yùn)算，當(dāng)時(shí)主機(jī)上用的控制程序稱之為監(jiān)控程序（Monitor），其功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，監(jiān)控程序是操作系統(tǒng)的雛形?！?/p>

單道批處理系統(tǒng)（SimpleBatchSystem）是將所有的作業(yè)用一臺(tái)相對(duì)比較便宜的計(jì)算機(jī)（如IBM1401）輸入到磁帶上，此計(jì)算機(jī)稱為輸入/輸出機(jī)，實(shí)施數(shù)值運(yùn)算、速度較快的計(jì)算機(jī)稱為主機(jī)（如IBM7094）。大批的作業(yè)在輸入/輸出機(jī)的控制下輸入到磁帶后，用一個(gè)特殊的程序來控制作業(yè)的讀入和運(yùn)行，這個(gè)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(yùn)行，如圖所示。

●矛盾的觀點(diǎn)矛盾的觀點(diǎn)

●用操作員——不分工（第一代）-->有分工（第二代）

●減少人干預(yù)——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(gè)操作員——產(chǎn)生分時(shí)系統(tǒng)（第三代）

●多臺(tái)外設(shè)----產(chǎn)生多道程序設(shè)計(jì)（第三代）

●提高外設(shè)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(jī)輸入/輸出技術(shù)主機(jī)與外設(shè)速度的不匹配——Vcpu~Vp計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)內(nèi)部矛盾產(chǎn)生和發(fā)展的結(jié)果。速度的矛盾脫機(jī)輸入/輸出技術(shù)●程序和數(shù)據(jù)的輸入都不是在主機(jī)的控制之下，而是在一臺(tái)專門作輸入/輸出的計(jì)算機(jī)的控制之下進(jìn)行，或者說，輸入/輸出工作是在脫離主機(jī)的情況之下進(jìn)行的，故稱為脫機(jī)輸入/輸出（OffLineI/O），如圖所示。單道程序運(yùn)行情況多道程序運(yùn)行情況多道程序設(shè)計(jì)●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(gè)晶體管）的發(fā)展，計(jì)算機(jī)向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。●個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代到來了。●個(gè)人計(jì)算機(jī)連接成了網(wǎng)絡(luò)。因此運(yùn)行其上的網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(gè)或兩個(gè)以上的事物在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生共享系統(tǒng)中的軟、硬件資源在其上的供多個(gè)程序共同享用

●互斥共享——某時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問，該進(jìn)程訪問完了，別人才可訪問。如：打印機(jī)

●同時(shí)訪問——某時(shí)間段內(nèi)，允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問。如：磁盤。虛擬通過某種技術(shù)手段把一個(gè)物理上的實(shí)體，變成多個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物1.4操作系統(tǒng)的功能創(chuàng)意存儲(chǔ)管理制作圖片進(jìn)程管理制作動(dòng)畫設(shè)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(chǔ)器音響設(shè)備鼠標(biāo)內(nèi)存儲(chǔ)器中央處理器●對(duì)處理機(jī)的分配和運(yùn)行實(shí)施有效管理。●在多道程序環(huán)境下，處理機(jī)的分配和運(yùn)行以進(jìn)程為單位，因此對(duì)處理機(jī)的管理即對(duì)進(jìn)程的管理。●

任務(wù)●進(jìn)程控制●進(jìn)程同步●進(jìn)程通信●進(jìn)程調(diào)度●

功能制作圖片進(jìn)程管理●方便用戶使用內(nèi)存●提高內(nèi)存的利用率●從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存●

任務(wù)●內(nèi)存分配●地址映射●內(nèi)存保護(hù)●內(nèi)存擴(kuò)充●

功能創(chuàng)意存儲(chǔ)管理制作動(dòng)畫設(shè)備管理●完成用戶程序請(qǐng)求的I/O操作，為用戶程序分配I/O設(shè)備●提高外部設(shè)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(shè)備●

任務(wù)●設(shè)備分配●設(shè)備控制●設(shè)備無關(guān)性●

功能●大量的信息以文件的形式放在外存，對(duì)信息的管理也就是對(duì)文件的管理

●

任務(wù)制作聲音●文件存儲(chǔ)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(jī)命令接口●脫機(jī)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(diào)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(shí)系統(tǒng)●實(shí)時(shí)系統(tǒng)●微機(jī)操作系統(tǒng)●多處理機(jī)操作系統(tǒng)

●網(wǎng)絡(luò)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(nèi)存中僅放一道作業(yè)●作業(yè)的完成順序與進(jìn)駐內(nèi)存的順序相關(guān)多道●內(nèi)存中放多道作業(yè)●作業(yè)的完成順序與進(jìn)駐內(nèi)存的順序無嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系●資源利用率高●系統(tǒng)吞吐量大●

優(yōu)點(diǎn)●平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)●無交互能力●

缺點(diǎn)批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)IBM的DOS/VSE實(shí)例類型●簡(jiǎn)單分時(shí)系統(tǒng)●具有前后臺(tái)的分時(shí)系統(tǒng)●多道分時(shí)系統(tǒng)

特征●多路性●獨(dú)立性●交互性●及時(shí)性分時(shí)系統(tǒng)

允許多個(gè)終端用戶同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，在這樣的系統(tǒng)中，用戶感覺不到其他用戶的存在，好象獨(dú)占計(jì)算機(jī)一樣。OS/360Multics實(shí)例類型●閉環(huán)——實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)●開環(huán)——實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)特殊要求●高可靠性●過載保護(hù)●對(duì)截止時(shí)間的要求

對(duì)外部輸入的信息，實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)處理完畢并作出反應(yīng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)QNXVxWorksRTLinux實(shí)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(jī)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(duì)稱多處理模式——主-從模式●對(duì)稱多處理模式——獨(dú)立管理模式●

多處理機(jī)OS類型多處理機(jī)操作系統(tǒng)●客戶/服務(wù)器模式——Client/server●對(duì)等模式——PeertoPeer●網(wǎng)絡(luò)OS模式●網(wǎng)絡(luò)通信●資源共享管理●網(wǎng)絡(luò)服務(wù)●

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

分布式OS特點(diǎn)分布式操作系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)是由若干個(gè)計(jì)算機(jī)經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連接而成的，這些計(jì)算機(jī)既可以獨(dú)立工作，又能協(xié)同工作。可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的資源管理，任務(wù)動(dòng)態(tài)分配，并能并行地運(yùn)行分布式程序?！穹植际郊軜?gòu)首次用于終端操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨終端無縫協(xié)同體驗(yàn)。●確定時(shí)延引擎和高性能進(jìn)程間通信（Inter-ProcessCommunication，IPC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流暢?！窕谖?nèi)核架構(gòu)重塑終端設(shè)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(shí)現(xiàn)跨終端生態(tài)共享。●

華為鴻蒙操作系統(tǒng)技術(shù)特性華為鴻蒙操作系統(tǒng)

華為鴻蒙（英語：HarmonyOS，開發(fā)代號(hào)：Ark）是基于微內(nèi)核的全場(chǎng)景分布式操作系統(tǒng)?！袂度胧接?jì)算機(jī)，顧名思義即將計(jì)算機(jī)嵌入到其他設(shè)備上，這些設(shè)備無處不在，大到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)器人，小到電視機(jī)、微波爐、移動(dòng)電話。運(yùn)行在其上的操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，只實(shí)現(xiàn)所要求的控制功能?！袂度胧较到y(tǒng)

計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)之一是體積越來越小，掌上電腦和嵌入式系統(tǒng)隨機(jī)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(diǎn)是CPU只有一個(gè)，并且一次性只能執(zhí)行一個(gè)包括用戶進(jìn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)移動(dòng)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(jì)算機(jī)的底層組件，操作系統(tǒng)不能直接與此類處理器進(jìn)行通信，但是可以自主完成任務(wù)，需要注意的是此類專用處理器雖然可以獨(dú)立完成任務(wù)，但是并不能將他們作為單獨(dú)的處理器，成為多處理器系統(tǒng)，我們界定單處理器的標(biāo)準(zhǔn)只有一個(gè)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(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核)，此時(shí)處理器能支持系統(tǒng)總線上的多個(gè)處理器，由總線控制器提供所有總線控制信號(hào)和命令信號(hào)。多處理器系統(tǒng)也稱為多核系統(tǒng)，隨著計(jì)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(jì)算領(lǐng)域嶄露頭角并且逐漸主導(dǎo)計(jì)算領(lǐng)域。多核系統(tǒng)在硬件上表現(xiàn)為兩個(gè)或多個(gè)緊密通信的CPU，共享總線、適中、外設(shè)與內(nèi)存等。多核系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有三點(diǎn)：吞吐量大，規(guī)模經(jīng)濟(jì)以及較強(qiáng)的可靠性。多核系統(tǒng)的容錯(cuò)能力突出，能夠容忍單個(gè)部件錯(cuò)誤，并且仍然繼續(xù)運(yùn)行。●多核系統(tǒng)●AMP模式非對(duì)稱處理（AMP)的每個(gè)CPU內(nèi)核運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)或者同一操作系統(tǒng)的獨(dú)立實(shí)例，即每個(gè)處理器都有各自特定的任務(wù)。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(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)，并且向其他處理器分配規(guī)定的任務(wù)；另一類是從處理器，負(fù)責(zé)完成主處理器分配的任務(wù)。兩類服務(wù)器地位和功能不同，是主從關(guān)系，主處理器調(diào)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(gè)核上，每個(gè)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(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)，一般以用于RPU系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的中斷，錯(cuò)誤等?！馎MP模式AMP模式的主要特點(diǎn)是各個(gè)操作系統(tǒng)擁有自己專用的內(nèi)存，并且相互之間通過訪問受限的共享內(nèi)存進(jìn)行通信。AMP模式的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的分配必須離不開用戶的參與。在應(yīng)用方面，AMP模式的應(yīng)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。●SMP模式SMP模式的操作系統(tǒng)構(gòu)架是多核處理器技術(shù)的一種變體，能夠同時(shí)管理所有CPU內(nèi)核，且應(yīng)用并不綁定某一個(gè)內(nèi)核由一個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)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(yùn)行同一個(gè)操作系統(tǒng)，共享系統(tǒng)內(nèi)存和外設(shè)資源。相對(duì)于AMP模式，SMP模式的操作系統(tǒng)具有可共享內(nèi)存、較高的性能和功耗比、以及易實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡等優(yōu)點(diǎn)，更能發(fā)揮發(fā)揮多核處理器的硬件優(yōu)勢(shì)?！馭MP硬件平臺(tái)●BMP模式BMP和SMP類似，也是一個(gè)OS管理所有內(nèi)核，但是不同的是BMP模式中，開發(fā)者可以指定將某個(gè)任務(wù)僅在某個(gè)指定內(nèi)核上執(zhí)行而在BMP模式下每個(gè)應(yīng)用被鎖定于某個(gè)指定的核心。BMP能夠滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)、

高吞吐量業(yè)務(wù)需求，能夠結(jié)合SMP高級(jí)資源管理和AMP應(yīng)用控制的混合功能，具有透明資源管理功能。

同時(shí)讓開發(fā)者將業(yè)務(wù)線程綁定在指定的CPU核上，既滿足不同業(yè)務(wù)的性能需求，同時(shí)也互不干擾?！穸嗪讼到y(tǒng)發(fā)展技術(shù)路線面向可擴(kuò)展多核操作系統(tǒng)集中在主要的三種技術(shù)路線：1）改進(jìn)傳統(tǒng)宏內(nèi)核架構(gòu)，以適應(yīng)多核體系結(jié)構(gòu)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(jī)制?！窦合到y(tǒng)集群系統(tǒng)是一組獨(dú)立的計(jì)算機(jī)（節(jié)點(diǎn)）的集合體，節(jié)點(diǎn)間通過高性能的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接，各節(jié)點(diǎn)除了作為一個(gè)單一的計(jì)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(gè)單一的、集中地計(jì)算資源，供并行計(jì)算任務(wù)使用?；诩杭夹g(shù)，多臺(tái)PC或工作站的計(jì)算能力大幅提升，可以匹敵大型機(jī)，但是集群系統(tǒng)是一種造價(jià)低廉、易于構(gòu)建并且具有較好可擴(kuò)放性的體系結(jié)構(gòu)。目前在很多領(lǐng)域，集群已經(jīng)開始取代大型機(jī)，成為一種新的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施?！窦合到y(tǒng)集群系統(tǒng)，將多個(gè)CPU組合在一起，因此他本質(zhì)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(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)或者多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)組成，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)或者系統(tǒng)又可以看成是一個(gè)單處理器系統(tǒng)或者一個(gè)多核系統(tǒng)。集群系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)的一種，一個(gè)集群通常由一群處理器密集構(gòu)成，集群操作系統(tǒng)專門服務(wù)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(duì)稱模式與非對(duì)稱模式。非對(duì)稱模式指的是存在節(jié)點(diǎn)對(duì)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行應(yīng)用程序，另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于熱備份模式，一旦運(yùn)行程序的節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，處于熱備份模式的節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)檢測(cè)到并且及時(shí)編程活動(dòng)服務(wù)器。對(duì)稱模式指的是節(jié)點(diǎn)對(duì)的兩個(gè)主機(jī)都是主程序運(yùn)行機(jī)，并且互相堅(jiān)實(shí)，此種模式更加高效?！窦合到y(tǒng)特點(diǎn)（1）高可用性。集群系統(tǒng)具有高可用性，當(dāng)集群中一個(gè)或者多個(gè)系統(tǒng)出錯(cuò)，集群中的其他系統(tǒng)