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1、操作系统与系统编程,谌 卫 军,清华大学软件学院,Operating Systems and System Programming,2004年春季,为何要学操作系统？,BOOL g_bEndFlag = TRUE; /* 优先级低，70 */ void testTaskA( ) while(g_bEndFlag) 等待信号量； g_bEndFlag = FALSE; return; ,/*优先级高，50*/ void testTaskB( ) int nRecvLen; while(g_bEndFlag) nRecvLen = recv(sockId.); if(nRecvLen = 0) 打
2、印出错信息； 释放信号量； return; ,教学安排, 教学目标,熟悉操作系统的基本原理和主要构件； 通过编程练习来加深对操作系统基本 概念的理解； 了解一些典型的操作系统实例。,教学安排, 教材,Andrew S. Tanenbaum, Modern Operating System（英文版，第2版，机械工业出版社), 参考书,Abrahan Silberschatz, etc，Operating System Concept (6th edition) William Stallings, Operating Systems,教学安排, 参考书（续）,Daniel P. Bovet, M
3、arco Cesati， Understanding the Linux Kernel (2nd Edition) 毛得操、胡希明，Linux内核源代码情景分析， 浙江大学出版社 David A.Solomon, Mark E.Russinovich, Inside Microsoft Windows 2000 (3rd Edition),教学安排, 联系方式,办公室：软件学院教学楼211房间 电话：62795435 手机：13661094628 Email：或 Ftp：166.111.102.2，os/student,教学安排, 助教的联系方式,姓名：吴邦欲（软件理论与系统研究所） 办公室：
4、软件学院教学楼117房间 电话：62795400124 Email： 上机辅导：每周五下午1:304:30,第一章 概述,操作系统的概念 操作系统的发展历史 操作系统的类型 操作系统的硬件环境 操作系统的功能,1.1 操作系统的概念,小例子：如何在计算机上看影碟？,买一台计算机！ 安装操作系统 (Windows XP) 安装影碟播放软件 (超级解霸)； 把影碟装入光驱； 运行影碟播放软件； 播放影碟。,$,联想,$,微软,$,豪杰,硬件,操作系统,联想,IBM,DELL,惠普,微软,编译器,超级解霸,豪杰,微软,操作系统的地位：紧贴计算机硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）,各种
5、应用程序,操作系统是计算机系统中的一个系统软件， 是一些程序模块的集合,它们能以尽量有效、合理的方式管理和分配计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。,操作系统的定义,有效：系统效率，资源利用率 （如：CPU利用的充足与否，内存、硬盘的访问效能、浪费的空间）,合理：公平与否，如果不公平则会产生“死 锁”或“饥饿”。,方便：两层含义 友好的用户界面：DOS - Windows； 方便的编程接口， 中断调用 - API - MFC。,1.2 操作系统的发展历史,硬件非常昂贵，没有
6、操作系统,编程语言：机器语言； 输入输出：纸带或卡片； 用户在控制台前调试程序，独占全机。用户既是程序员，又是操作员，手工操作； 一次完成一个功能（计算，I/O，用户思考/反应），之间没有重叠。,问题：手工操作的低效率造成CPU资源的浪费。,程序员把作业（卡片或磁带）提交给负责调度的操作员（系统管理员）； 操作员把作业“成批”地输入到计算机； 常驻内存的批处理管理程序自动地识别、装入一个作业，并运行之，然后再取下一个作业。,串行地执行作业，因而称为是“单道批处理”。,硬件昂贵，人力便宜,50年代末60年代中：批处理管理程序,为了提高计算机的使用效率，减少手工操作！,程序的调试比较困难； 由于慢
7、速的输入输出处理仍然直接由主机来完成，使得CPU和I/O设备使用忙闲不均：对计算为主的作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲。,单道批处理的问题：,通道和中断技术,通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输，有专用的I/O处理器，启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行工作。 中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，在完成后回到原来断点继续工作。,60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使得I/O访问与CPU计算可以重叠进行。,60年代中70年代中：多道批处理系统,(现代意义上的操作系统的出现）,特征： 多道：内存中同时存放多个作业，
8、由CPU以切换方式为之服务。在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业； 宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完； 微观上串行运行：各作业交替使用CPU和I/O设备,CPU,I/O,单道批处理：,多道批处理：,CPU,I/O,作业甲（红黄）,作业乙（白绿）,需要解决的问题： 内存管理，系统必须给多个作业分配内存； 内存保护，避免一个程序中的bug造成整个系统崩溃，或者是破坏了其他程序的执行； CPU调度，系统必须在多个作业中不断地进行切换，选择其中的一个去使用CPU； 系统必须去管理各个并行运行的作业之间的交互关系；,如何构造一个多道批处理系统？,系统非常复杂； 完全用汇
9、编语言编写； IBM的OS/360，第一个为一系列计算机设计的操作系统，从最小的机器到最大的机器。1963年提出，1968年开始工作。发布时，带着已知的 1000 个bugs； 引发了研究兴趣，OS最终成为一门重要的学科,难不难？ 难！,缺点：只是解决了CPU与I/O设备之间的并行运行 问题，没有解决用户的响应时间要求。,计算机比较贵，只有一台； 终端比较便宜，人手一台； 所有用户可与系统立即交互，调试比较方便；,硬件较以前便宜，人力昂贵,70年代中至今：分时系统,多个用户通过各自的终端分享地使用同一台计算机。,交互式分时：,一些分时操作系统,CTSS：,由MIT开发； 最早的分时系统之一；
10、在调度方面进行了一些开拓性的工作；,MULTICS：,1963年，由MIT、贝尔实验室和GE联合开发； 设计目标是“公用计算服务系统”，大量用户 终端通过电话线接入计算机主机； 系统庞大而复杂，研制难度超出了所有人预料, 贝尔实验室和GE先后退出。于1969投入使用； 引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对 随后操作系统的发展有着巨大的影响。,MULTiplexed Information and Computing Service,一些分时操作系统（续）,UNIX：,1969年，贝尔实验室的Ken Thompson在MULTICS上编写了一个叫“太空旅行”(Space Travel)的游戏，
11、模拟一个飞行员驾驶一艘宇宙飞船在太阳系当中遨游，并且可以在各种星体上着陆。后来他们对MULTICS的访问被关闭了，因此Thompson在贝尔实验室找了一台无人使用的PDP-7计算机，然后和Dennis Ritchie在一台GE-635计算机上，利用其GECOS所提供的一个交叉汇编器，把空间旅行游戏用PDP-7汇编语言重新编写，然后用穿孔纸带把它转移到PDP-7上；,后来，Thompson和Ritchie等人开始为PDP-7编写一个新的操作系统。在写好了文件系统和一组基本的软件工具以后，他们编写了一个PDP-7的汇编器，这样他们就能够直接在PDP-7上编程了。到了1970年，操作系统的基本元素都
12、已经完成了，他们给系统起了一个名字UNIX (UNICS:UNiplexed Information and Computing Service); 1970年夏，研究小组得到了一台新机器PDP-11，因此把Unix系统从PDP-7移植到PDP-11，这项工作非常繁琐，因为整个系统都是用汇编语言来编写的。研究小组开始考虑用高级语言来重写整个系统，以提高系统的可移植性和可懂性； 于是Thompson发明了B语言，但这种语言过于简单，数据无类型。1972年，Ritchie发明了著名的C语言，因此两人把整个系统用C语言重写了。 由于两人的杰出工作，1984年他们获得了ACM图灵奖。,Unix是用高级
13、语言编写的，能够在不同的硬件 平台之间移植，是一种能够在笔记本电脑、PC 机、工作站甚至是巨型机上运行的操作系统； Unix是现代操作系统的代表，Unix运行时的安全 性、可靠性以及强大的计算能力赢得了广大用户 的信赖，已经成为一种不断发展的、商业化的操 作系统； Unix获得了广泛的发展：Berkeley大学的BSD系 统(Berkeley Software Distribution)、Tanenbaum 的MINIX系统、Linus Torvalds的Linux系统、 IBM的AIX系统、Sun的Solaris系统等等。,计算机非常便宜，可以人手一台，Apple II、IBM PC等； 1
14、974年Intel 推出8080芯片，请Gary Kildall设计了CP/M操作系统第一个个人计算机操作系统。Gary由此成立Digital Research公司； 1980年，IBM需要为他们的PC机安装操作系统，但Gary居然未予重视，机遇落在了微软身上，微软收购了西雅图计算机产品公司 DOS操作系统，创建了MS-DOS； 商业应用推动了软件工业：字处理器、制表软件、数据库。市场划分为三层：硬件、操作系统和应用软件。,硬件很便宜，人力依然昂贵,规模庞大：数以千万行的代码，Windows NT是2千万行，Windows 2000约4千万行； 极为复杂：功能繁杂、相互关联；用户行为难以预测；
15、性能非常重要；必须运行在各种硬件平台上，必须兼容以前的软件； 互联时代：网络连接你我他，信息共享，基于网络的应用（WWW、Email、新闻组）。,今天的操作系统,1.3 操作系统的类型,批处理操作系统（多道批处理）,分时操作系统,实时操作系统 嵌入式操作系统,个人计算机操作系统,网络操作系统,分布式操作系统,实时操作系统,实时操作系统是指使计算机能及时响应外部事件的 请求，在规定的严格时间内完成对该事件的处理， 并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的 操作系统。,主要特征： 实时性：对外部请求在严格时间范围内作出反应; 可靠性：要求高度可靠。,分两类：实时过程控制，用于工业控制、军事控制
16、；实时通信处理，用于电信、银行、飞机定票等领域。,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统就是运行在嵌入式智能芯片环境中, 对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装 置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统 软件。 它们是一个设备、装置或系统（即嵌入式系统）中的一部分，嵌入式系统可以不是“计算机”。小到手机的通信控制，大到国家范围内的电力监控网。 典型例子： Wind River（风河）的VxWorksMicrosoft的Windows CE,个人计算机操作系统,针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统，是一种单用户多任务的操作系统。,主要特征： 供个人使用，功能强; 用户界面友好，使用方便； 有丰富的应用软件：事务处理、学习、娱乐等； 要求支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网 络、远程通信）。,DOS系列，Windows系列，Linux系列等等,网络操作系统,网络操作系统是基于计算机网络的、在通常
