第一讲操作系统概述课件

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1、第一讲 操作系统概述,摩尔定律,Gordon Moore (co-founder of Intel) predicted in 1965 that the transistor density of semiconductor chips would double roughly every 18 months.,InternetConnectivity,计算机应用范围,软件规模,内容提要,操作系统发展简史 操作系统基本特征 操作系统原理组成 操作系统结构设计,内容提要,操作系统发展简史,前计算机时代 1642年，帕斯卡发明加法器，第一台数字计算器 1671年，莱不尼兹发明乘法演算器 1833

2、年，巴贝奇发明“分析机”，建立计算机的逻辑基础 1876年，贝尔发明电话；1887年，赫兹通信原理；1895年，汤姆逊发现电子,操作系统发展简史,继电器与真空管时代没有OS的概念存在 哈佛（Howard Aiken）、普林斯顿（Von Neumann）、宾夕发尼亚大学（J.Presper Eckert）、德国（K Zuse） 基于机械继电器与真空管的计算机，没有操作系统概念 主要特点：个人独占使用，主要完成科学计算,ENIAC: (19451955),“The machine designed by Drs. Eckert and Mauchly was a monstrosity. When

3、 it was finished, the ENIAC filled an entire room, weighed thirty tons, and consumed two hundred kilowatts of power.” http:/ei.cs.vt.edu/history/ENIAC.Richey.HTML,晶体管时代批处理操作系统 FMS（IBM 1401），IBSYS（IBM 7094） 批处理概念起源 作业输入与打印输出的速度远远低于计算速度 宝贵的计算资源被浪费，如何提高利用效率？ 脱机概念起源 相对于主计算机而言，输入和输出都是非联机 计算机使用方式的进化 个人独占批

4、处理以节省资源,Core Memories (1950s ARPANET and MILNET split 85-86: NSF builds NSFNET as backbone, links 6 Supercomputer centers, 1.5 Mbps, 10,000 computers 87-90: link regional networks, NSI (NASA), ESNet (DOE), DARTnet, TWBNet (DARPA), 100,000 computers,SATNet: Satelite network PRNet: Radio Network,操作系统现

5、代观点的出现（集成电路时代） “物理”与“逻辑”概念的明确 多道程序带来的地址映射机制改变 “分时”与“保护”OS的责任更加重要 内存保护和CPU状态切换 中断概念的出现 设备管理概念的增强 I/O设备、内存管理：更加强大 资源共享与互斥：Spooling技术，DMA的起源 虚拟思想的萌芽 分时系统的特点、多道程序的特点,个人计算机时代（LSI与VLSI） 1974年，Intel推出了8080通用8位CPU CP/M系统：Gary Kildall，创建Digital Research公司 19771982：CP/M统治PC世界的时代 1983年，兼容机概念的出现与发展 CP/M系统的死亡之旅：

6、后悔100辈子的选择 Bill Gates的成功之路：源自Seattle ComputerProducts的DOS系统 IT业成功的商业模式：软硬件捆绑知识产权保护 成功的偶然与必然：Microsoft从蚂蚁到大象的发展道路,GUI界面的起源Steve Jobs的兴衰 Doug Engelbar发明了GUI机制，新的计算机科学领域HCI逐渐兴起 Xerox PARC的际遇和悲哀：掌握GUI，却没有实现其商业价值；1972年，第一台PC机Alto Steve Jobs：Lisa的失败与Macintosh的成功 微软时代的来临 Windows 3.1(1985-1995),Windows 95,W

7、indows 98:16位操作系统的代表 Windows NT与2K，Windows XP，Windows 2003：32位操作系统的代表 Vista,Win7：下一代64位操作系统,Xerox Star: 1981 Originally a researchproject (Alto) First “mice”, “windows” Apple Lisa/Machintosh: 1984 “Look and Feel” suit 1988 Microsoft Windows: Win 1.0 (1985) Win 3.1 (1990) Win 95 (1995) Win NT (1993)

8、Win 2000 (2000) Win XP (2001) Win Vista (2007),Xerox Star,Windows 3.1,其他独具特色的操作系统 微内核操作系统 1975，Rochester大学开发了RIG系统 1984年，Mach系统的研发。1986（1.0），1988（2.5），1989（3.0） IBM的大型机操作系统OS/390 大型机的复活：网络时代的新生 嵌入式操作系统VxWorks WindDriver公司的独到眼光，火星探测器的大脑 技术应用的新领域：计算时代与智能时代的来临 Linus Torvalds 如此自然的Linux系统：DIY概念的起源 Andro

9、id,Symbin,iphone 未来趋势 移动嵌入式操作系统,嵌入式操作系统示例,课程导论,美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装TinyOS,智能卡操作系统,课程导论,在读写器与智能卡之间通过“命令-响应对”方式进行通信和控制 读写器发出操作命令，智能卡接收命令 操作系统对命令加以解释，完成命令的解密与校验 操作系统调用相应程序来进行数据处理，产生应答信息，加密后送给读写器,内容提要,操作系统发展简史 操作系统基本特征 操作系统原理组成 操作系统结构设计,内容提要,操作系统基本特征,虚拟最主要的特征 CPU虚拟、内存虚拟、显示设备虚拟 更高层次的虚拟：硬件设备虚拟 并发与共享分时系统

10、的特征 CoCurrency的宏观体现和微观概念 共享与互斥：由此引发的一系列设计难题 不确定性复杂应用的特征 并发情况无法预期，如何有效控制 保护机制与恢复机制：操作系统稳定性的体现,课程导论,虚拟技术,计算机硬件的多样性； 不同类型的CPU Pentium, PowerPC, ColdFire, ARM, MIPS 不同类型的memory, disk, 不同类型的外设 Mice, Keyboards, Sensors, Cameras, Fingerprint readers 不同的网络环境 Cable, DSL, Wireless, Firewalls,Application Opera

11、ting System Hardware,Virtual Machine Interface,Physical Machine Interface,并发性,1并行与并发 并行性和并发性(Concurrence)是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。,共享性,互斥共享方式 系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记

12、录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。为此，系统中应建立一种机制，以保证对这类资源的互斥访问。 同时访问方式 系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。,内容提要,操作系统发展简史 操作系统基本特征 操作系统原理组成 操作系统结构设计,内容提要,操作系统的基本原理框架,进程管理（CPU管理） 进程的定义与实现、进程的调度、进程通信 存储管理（内存管理） 存储管理策略、虚拟存储、页面调度、工作集模型 设备管理（I/O管理） I/O软件设计、中断处理、死锁、DMA 文件系统（硬盘管理与数据管理） 硬盘空间管理、文件系统结构、文件与目

13、录、安全保护,课程导论,内容提要,操作系统发展简史 操作系统基本特征 操作系统原理组成 操作系统结构设计,内容提要,无结构操作系统 在早期开发操作系统时，设计者只是把注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。此时的OS是为数众多的一组过程的集合，每个过程可以任意地相互调用其它过程，致使操作系统内部既复杂又混乱。因此，这种OS是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。,模块化结构OS 模块化程序设计技术是20世纪60年代出现的一种结构化程序设计技术。该技术是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度。为使OS具有较清晰的结构，OS不再是由众多的过程直接构成，而是将OS按

14、其功能精心地划分为若干个具有一定独立性和大小的模块；每个模块具有某方面的管理功能，如进程管理模块、存储器管理模块、I/O设备管理模块等，并仔细地规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接口实现交互。,分层式结构OS 为了将模块接口法中“决定顺序”的无序性变为有序性，引入了有序分层法。分层法的设计任务是，在目标系统An和裸机系统(又称宿主系统)A0之间，铺设若干个层次的软件A1、A2、A3、An1，使An通过An1、An2、A2、A1层，最终能在A0上运行。在操作系统中，常采用自底向上法来铺设这些中间层。,微内核OS结构 在微内核操作系统中，内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本的核心功能的部分。微内核并非是一个完整的OS，而只是操作系统中最基本的部分，它通常用于： 实现与硬件紧密相关的处理； 实现一些较基本的功能； 负责客户和服务器之间的通信。它们只是为构建通用OS提供一个重要基础，这样就可以确保把操作系统内核做得很小。 将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现。,图1-11 在传统OS和微内核OS中的上下文切换,