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1、Lifang 20151/55操作系统二、操作系统的发展二、操作系统的发展 1、“需求推动发展需求推动发展” 2、操作系统的历史在某种意义上来说也是计算机的历史。、操作系统的历史在某种意义上来说也是计算机的历史。目标目标: :管理控制、充分利用硬件管理控制、充分利用硬件 并提供更好的服务并提供更好的服务大型机大型机 PCPC机机 后后PCPC时代时代计算机硬件的发展经历了如下的阶段：计算机硬件的发展经历了如下的阶段：操作系统也随之经历了各个不同的阶段。操作系统也随之经历了各个不同的阶段。Lifang 20152/55操作系统第一台数字计算机第一台数字计算机英国数学家英国数学家Charles B
2、abbageCharles Babbage（1792-18711792-1871）设计）设计BabbageBabbage投入了毕生精力，但却没能让它成功地运行起来投入了毕生精力，但却没能让它成功地运行起来因为纯机械，当时的技术不可能达到需要的精度因为纯机械，当时的技术不可能达到需要的精度当然，这个分析机没有操作系统当然，这个分析机没有操作系统Lifang 20153/55操作系统注释注释A A：她预言了通用计算机的作用，认为分析机可以接受各种各样的穿孔卡：她预言了通用计算机的作用，认为分析机可以接受各种各样的穿孔卡：“控制卡控制卡”、“数据卡数据卡”、“操作卡操作卡”，它们如何使计算机自动地对
3、输入的，它们如何使计算机自动地对输入的数据完成正确的操作。换句话说，计算机能数据完成正确的操作。换句话说，计算机能“分析数据分析数据”。她还提议数字和。她还提议数字和其他符号如字母都可以其他符号如字母都可以“编码编码”成数字数据，机器可以处理它们，并给出写成数字数据，机器可以处理它们，并给出写成的数据。她甚至要为分析机能产生音乐而奋斗。成的数据。她甚至要为分析机能产生音乐而奋斗。注释注释B B：adaada讨论了分析机的记忆能力，她把记忆装置称为讨论了分析机的记忆能力，她把记忆装置称为“仓库仓库”。她提出了存。她提出了存储位置或地址的想法。储位置或地址的想法。她指出插入她指出插入“注解或备忘注
4、解或备忘”的可能性，计算机不会执行它们，但可以让人们的可能性，计算机不会执行它们，但可以让人们简明地了解程序将走向何方。简明地了解程序将走向何方。注释注释C C：adaada引入引入“返回返回”(backing)(backing)的概念，制作一个操作卡返回到某个位置，的概念，制作一个操作卡返回到某个位置，而它就是将要工作的下一个数据卡。这个思想我们今天称为而它就是将要工作的下一个数据卡。这个思想我们今天称为”循环循环” 。注释注释D D：adaada解释了如何使用操作卡、返回、仓库以及各种控制卡，以写成一个指解释了如何使用操作卡、返回、仓库以及各种控制卡，以写成一个指令序列，去完成一个特定的操
5、作集合。令序列，去完成一个特定的操作集合。注释注释E E：她解释了机器如何拥有三角函数和其他函数。这就在计算机内部引入了她解释了机器如何拥有三角函数和其他函数。这就在计算机内部引入了内建函数内建函数(built-in function)(built-in function)的思想。的思想。注释注释F F：adaada警告读者，如果输入警告读者，如果输入“不真实不真实”的信息，那么计算机就不能做任何事的信息，那么计算机就不能做任何事今天我们把这称为今天我们把这称为“输入垃圾，输出垃圾输入垃圾，输出垃圾”(Garbage in, Garbage out)(Garbage in, Garbage o
6、ut)。第一位计算机程序员第一位计算机程序员AdaLifang 20154/55操作系统二战对武器设计的需要，美国、英国和德国等国家开始了电子数字二战对武器设计的需要，美国、英国和德国等国家开始了电子数字计算机的研究工作计算机的研究工作哈佛大学的哈佛大学的Howard AikenHoward Aiken普林斯顿高等研究院的普林斯顿高等研究院的John von NeumannJohn von Neumann宾夕法尼亚大学的宾夕法尼亚大学的J.Presper EckertJ.Presper Eckert和和William MauchleyWilliam Mauchley德国电话公司的德国电话公司的
7、Konraad ZuseKonraad Zuse以及其他一些人以及其他一些人都使用真空管成功地建造了运算机器都使用真空管成功地建造了运算机器第一代第一代 真空管计算机（真空管计算机（19451945年年-1955-1955年）时期年）时期Lifang 20155/55操作系统没有程序设计语言（甚至没有汇编），没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统更谈不上操作系统程序员提前预约一段时间程序员提前预约一段时间, ,然后到机房然后到机房将他的插件板插到计算机里将他的插件板插到计算机里期盼着在接下来的时间中期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断几万个真空管不会烧断从而可以计算自己的题目
8、从而可以计算自己的题目ENIACENIAC计算机（计算机（美国宾夕法尼亚大学）美国宾夕法尼亚大学）运算速度：运算速度：50005000次次/ /每秒每秒, , 1800018000个真空管个真空管, , 占地占地182182平方米，重量平方米，重量3030吨吨Lifang 20156/55操作系统5050年代早期年代早期出现了穿孔卡片出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机程序写在卡片上然后读入计算机但计算过程则依然如旧但计算过程则依然如旧Lifang 20157/55操作系统第二代第二代 晶体管计算机（晶体管计算机（19551955年年-1965-1965年）时期年）时期5050年代晶体管
9、发明年代晶体管发明, ,计算机比较可靠计算机比较可靠, ,可成批生产可成批生产用户可指望计算机长时间运行，完成一些工作用户可指望计算机长时间运行，完成一些工作FORTRAN 1954FORTRAN 1954年提出，年提出，19561956年设计完成年设计完成ALGOL 1958ALGOL 1958年引入，年引入，COBOL 1959COBOL 1959年引入；年引入；设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员之间第一次有了明确的分工护人员之间第一次有了明确的分工运行一个作业：运行一个作业：将程序写在纸上（用高将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言）
10、级语言或汇编语言）穿孔成卡片穿孔成卡片将卡片盒交给操作员将卡片盒交给操作员计算结果从打印机输出计算结果从打印机输出操作员到打印机上撕下操作员到打印机上撕下运算结果送到输出室运算结果送到输出室操作员从输入室的卡片盒操作员从输入室的卡片盒中读入一个任务中读入一个任务计算（如果是高级语言计算（如果是高级语言还需要拿来编译器）还需要拿来编译器）机时在走来走去时被浪费机时在走来走去时被浪费Lifang 20158/55操作系统为了解决人机矛盾以及为了解决人机矛盾以及CPUCPU和和I/OI/O设备间速度的不匹配设备间速度的不匹配引入了引入了I/O I/O 处理机概念处理机概念, ,即：即：脱机输入输出方
11、式脱机输入输出方式 P6P6其思想是其思想是：在输入室收集全部的作业，用一台相对便宜的计算机如：在输入室收集全部的作业，用一台相对便宜的计算机如IBM 1401IBM 1401计算机，将它们读到磁带上计算机，将它们读到磁带上另外用较昂贵的计算机，如另外用较昂贵的计算机，如IBM7094IBM7094来完成真正的计算来完成真正的计算产生批处理操作系统产生批处理操作系统 - - 现代操作系统雏型现代操作系统雏型Lifang 20159/55操作系统（单道）批处理系统处理流程（单道）批处理系统处理流程还有下一还有下一个作业？个作业？把下一个作业的源程序把下一个作业的源程序转化为目标程序转化为目标程序
12、源程序是源程序是否有错？否有错？是是装配目标程序装配目标程序运行目标程序运行目标程序否否是是否否停止停止常驻监控程序自动地装入程序，运行、撤出作业常驻监控程序自动地装入程序，运行、撤出作业Lifang 201510/55操作系统第二代计算机典型的操作系统第二代计算机典型的操作系统FMSFMS（FORTRAN Monitor SystemFORTRAN Monitor System，FORTRANFORTRAN监控系统）监控系统）IBMSYSIBMSYS（IBMIBM为为70947094机配备的操作系统）机配备的操作系统）这些操作系统由监控程序，特权指令，存储保护和简单的批处理构成这些操作系统由
13、监控程序，特权指令，存储保护和简单的批处理构成Lifang 201511/55操作系统内存中始终只保持一道作业运行内存中始终只保持一道作业运行1)1)处理过程处理过程： P6 (监督程序监督程序 Monitor)2)2)特点特点 自动连续性自动连续性 (无需人工干预，缺乏交互性无需人工干预，缺乏交互性) 顺序性顺序性 (磁盘磁盘/带上各道作业顺序进入内存，先进入带上各道作业顺序进入内存，先进入先完成先完成) 单道性单道性 (内存中仅有一道程序运行内存中仅有一道程序运行)11111.单道批处理系统单道批处理系统(Simple Batch System)Lifang 201512/55操作系统v脱
14、机：脱机：不受主机或用户直接控制。不受主机或用户直接控制。( (批处理系统批处理系统) )v联机：联机：受主机或用户直接控制。受主机或用户直接控制。( (交互式系统交互式系统) )1212基本术语基本术语v作业作业(Job)(Job)：计算机用户为某种特定目的要求计算机系统所计算机用户为某种特定目的要求计算机系统所做工作的集合，作业中各项有序而又相对独立的工作称为作做工作的集合，作业中各项有序而又相对独立的工作称为作业步，作业步是用命令定义的。一个作业是用定义作业步的业步，作业步是用命令定义的。一个作业是用定义作业步的命令以及作业控制语言命令以及作业控制语言(JCL)(JCL)来描述的。来描述
15、的。u作业的基本类型：作业的基本类型：l脱机作业：脱机作业：计算机用户不能在此类作业被计算机系计算机用户不能在此类作业被计算机系统处理时改变其已定义好的作业步。统处理时改变其已定义好的作业步。( (批处理系统批处理系统) )l联机作业：联机作业：计算机用户可以在此类作业被计算机系计算机用户可以在此类作业被计算机系统处理时根据用户自己需要改变其作业步。统处理时根据用户自己需要改变其作业步。( (交互式交互式系统系统) )Lifang 201513/55操作系统v用户可以通过该接口向计算机系统提一个完整的作业描述用户可以通过该接口向计算机系统提一个完整的作业描述( (写在作业说明书上写在作业说明书
16、上) )。当系统调度到该作业运行时调用命令。当系统调度到该作业运行时调用命令解释程序，对作业说明书上的命令逐条解释执行。解释程序，对作业说明书上的命令逐条解释执行。v作业处理过程中用户不能干涉。作业处理过程中用户不能干涉。1313操作系统与用户之间的接口操作系统与用户之间的接口: P201)用户接口用户接口v用户可以通过该接口逐步向计算机系统提交作业，并根据用户可以通过该接口逐步向计算机系统提交作业，并根据计算机系统返回的信息随时决定下一个作业步计算机系统返回的信息随时决定下一个作业步( (用户每键入一用户每键入一条命令，转入相应的命令解释程序，对命令解释执行，完成条命令，转入相应的命令解释程
17、序，对命令解释执行，完成后返回终端或控制台，等待键入下一条命令后返回终端或控制台，等待键入下一条命令) )联机用户接口：联机用户接口：v采用图形化的操作界面：应用图标、菜单、对话框等图形采用图形化的操作界面：应用图标、菜单、对话框等图形元素实现对应用程序和文件的操作。元素实现对应用程序和文件的操作。图形用户接口：图形用户接口：脱机用户接口：脱机用户接口：Lifang 201514/55操作系统v定义了一台虚拟机器，该虚拟机包含一组抽象概念及与这组概定义了一台虚拟机器，该虚拟机包含一组抽象概念及与这组概念相关的系统服务念相关的系统服务( (系统调用系统调用) )v应用程序与操作系统的接口，用户在
18、程序中安排系统调用取得应用程序与操作系统的接口，用户在程序中安排系统调用取得操作系统服务。操作系统服务。v程序接口为用户程序在执行中访问系统资源而设置，是用户程程序接口为用户程序在执行中访问系统资源而设置，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径，它由一组系统调用组成。序取得操作系统服务的唯一途径，它由一组系统调用组成。14142)程序接口：程序接口：v在操作系统内部实现的能完成特定功能的并可供其他软件在操作系统内部实现的能完成特定功能的并可供其他软件调用的过程调用的过程(子程序子程序)，是由操作系统实现的应用软件在运行，是由操作系统实现的应用软件在运行过程中可以引用的系统服务过程中可以引用的系统
19、服务(System Service)系统调用：系统调用：Lifang 201515/55操作系统第三代集成电路计算机（第三代集成电路计算机（19651965年年-1980-1980年）时期年）时期多数厂商有几条完全不同的生产线，生产不同的计算机多数厂商有几条完全不同的生产线，生产不同的计算机( (如如ibm7094ibm7094和和1401)1401)。 开发和维护完全不同的产品，对厂商来说是昂贵的开发和维护完全不同的产品，对厂商来说是昂贵的另外，新用户，在开始时只需要一台小计算机，后来可能需要一台另外，新用户，在开始时只需要一台小计算机，后来可能需要一台大的计算机。而且希望能在新计算机上执行
20、原有的程序大的计算机。而且希望能在新计算机上执行原有的程序厂家和用户需要软件在不同型号的计算机之间兼容厂家和用户需要软件在不同型号的计算机之间兼容Lifang 201516/55操作系统n1964 1964 年年IBM IBM 宣布推出宣布推出System/360System/360计算机系统计算机系统 第一个采用小规模集成电路的主流机型第一个采用小规模集成电路的主流机型n试图一次性地解决上述两个问题试图一次性地解决上述两个问题n引入引入系列机的思想系列机的思想：同系列中，所有的计算机都有相同的体系结同系列中，所有的计算机都有相同的体系结构和指令集。理论上，为一型构和指令集。理论上，为一型号编
21、写的程序可以在其他型号号编写的程序可以在其他型号机器上运行机器上运行Lifang 201517/55操作系统OS/360, OS/360, 庞大的软件怪兽庞大的软件怪兽n数千名程序员写的数百万行汇编语言代码数千名程序员写的数百万行汇编语言代码 系统自身占据了大量存储空间和一半的系统自身占据了大量存储空间和一半的CPUCPU时间时间n数百万行汇编代码中有成千上万处错误数百万行汇编代码中有成千上万处错误nIBMIBM不断发行新的版本试图更正这些错误不断发行新的版本试图更正这些错误 每个新版本在更正老错误的同时又引入新错误每个新版本在更正老错误的同时又引入新错误n所以随着时间的流逝，错误的数量大致保
22、持不变所以随着时间的流逝，错误的数量大致保持不变Fred brooksSilberschatz et alThe Mythical Man-MonthLifang 201518/55操作系统多道程序设计技术（多道程序设计技术（multiprogramming）n在在IBM 7094IBM 7094机上，若当前作业因等待机上，若当前作业因等待I/OI/O而暂停，而暂停，CUPCUP只能踏步直至该只能踏步直至该I/OI/O完成完成 对于对于CPUCPU操作密集科学计算问题，浪费时间少；操作密集科学计算问题，浪费时间少； 对于商业数据处理，对于商业数据处理，I/OI/O等待时间常占等待时间常占808
23、09090Lifang 201519/55操作系统多道程序设计技术（多道程序设计技术（multiprogramming）n何谓多道？何谓多道？ 将内存分几个部分，每部分放不同的作业，内存中可以同时存将内存分几个部分，每部分放不同的作业，内存中可以同时存放多个作业。放多个作业。Lifang 201520/55操作系统2. 多道批处理系统多道批处理系统 (Multiprogrammed Batch Processing System)处理过程：作业先存放在外存上并排成一个作业后处理过程：作业先存放在外存上并排成一个作业后备队列；由作业调度程序按照一定的作业调度算备队列；由作业调度程序按照一定的作业
24、调度算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享们共享CPU和系统中的各种资源。和系统中的各种资源。此时，此时， 同时在内存中的作业有多个，而某一时刻同时在内存中的作业有多个，而某一时刻CPU处理的是其中一个作业。处理的是其中一个作业。Lifang 201521/55操作系统多道批处理系统需解决的问题：多道批处理系统需解决的问题：由此可见：由此可见：操作系统操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度以及方便用户的程序资源、合理地对各类作业进行调度以及方便用户的程序的集合。的集合。P8P8
25、处理机管理问题、处理机管理问题、内存管理问题、内存管理问题、I/OI/O管理问题、管理问题、文件管理问题、文件管理问题、作业管理问题、作业管理问题、用户与系统的接口问题用户与系统的接口问题Lifang 201522/55操作系统Spooling 技术技术nSPOOLingSPOOLing技术是在通道技术和多道程序设计基础上产技术是在通道技术和多道程序设计基础上产生的，它由主机和相应的通道共同承担作业的输入输生的，它由主机和相应的通道共同承担作业的输入输出工作，利用磁盘作为后援存储器，实现外围设备同出工作，利用磁盘作为后援存储器，实现外围设备同时联机操作。时联机操作。 nSpoolingSpoo
26、ling技术技术假脱机技术假脱机技术 (Simultaneous Peripheral Operation On Line)(Simultaneous Peripheral Operation On Line)联机情况下的同时外围操作。联机情况下的同时外围操作。Lifang 201523/55操作系统3.分时系统分时系统(Time Sharing System) P8第三代计算机实质是批处理系统第三代计算机实质是批处理系统而从一作业提交到结果取回而从一作业提交到结果取回, , 往往长达数小时往往长达数小时 一个逗号的误用会导致编译失败而可能浪费程序员半天时一个逗号的误用会导致编译失败而可能浪费
27、程序员半天时间。间。无交互能力是批处理系统的主要问题。无交互能力是批处理系统的主要问题。问题的解决导致问题的解决导致分时系统分时系统的流行的流行Lifang 201524/55操作系统1）分时系统的产生：分时系统的产生：n人机交互：人机交互：用户能直接控制机器，便于程序修改和调试用户能直接控制机器，便于程序修改和调试n共享主机：共享主机：多用户共享一台主机。按时间片占用多用户共享一台主机。按时间片占用CPU。n便于用户上机：便于用户上机：分时系统的主机可带多个显示器和键盘终分时系统的主机可带多个显示器和键盘终端。多个用户通过终端机器同时使用一台主机，这些终端端。多个用户通过终端机器同时使用一台
28、主机，这些终端机器连接在主机上，用户可以同时与主机进行交互操作而机器连接在主机上，用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰。互不干扰。 Lifang 201525/55操作系统2）分时系统实现中的关键问题：分时系统实现中的关键问题：n及时接收及时接收 配置多路卡，主机以很快的速度周期性扫描各个终配置多路卡，主机以很快的速度周期性扫描各个终端，接收终端发来的数据。端，接收终端发来的数据。n及时处理及时处理 作业直接进入内存作业直接进入内存 ;采用轮转运行方式。采用轮转运行方式。 不允许一个作业长期占用处理机，规定每个程序不允许一个作业长期占用处理机，规定每个程序只运行很短的时间片只运行很短的时间
29、片(Timeslice)后暂停该作业运行，后暂停该作业运行，立即调度下一程序运行。立即调度下一程序运行。Lifang 201526/55操作系统3)分时系统的特征分时系统的特征 多路性：多路性：宏观上系统同时为多个用户服务；微观宏观上系统同时为多个用户服务；微观上主机系统的单个处理机采用时间片轮转法，某一时上主机系统的单个处理机采用时间片轮转法，某一时刻只为一个用户服务。允许一台主机上同时接多个联刻只为一个用户服务。允许一台主机上同时接多个联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。机终端，系统按分时原则为每个用户服务。 独立性：独立性：各用户各自占一终端，彼此独立互不干各用户各自占一终端，彼此独
30、立互不干扰，感觉是独占主机。扰，感觉是独占主机。 及时性：及时性：用户请求可在很短时间内获得响应。用户请求可在很短时间内获得响应。 交互性：交互性：用户可通过终端与系统进行人机交互，用户可通过终端与系统进行人机交互，获得系统服务。获得系统服务。Lifang 201527/55操作系统n分时系统的思想分时系统的思想19591959年在年在MITMIT提出提出 1961 1961年在一改装的年在一改装的IBM 7090/94IBM 7090/94机上开发成功机上开发成功 当时有当时有3232个交互式用户个交互式用户n是多道程序设计的一个变种，每个用户有一个联机终端。是多道程序设计的一个变种，每个用
31、户有一个联机终端。 在分时系统中，假设在分时系统中，假设2020个用户登录个用户登录 其中其中1717个在思考或谈论或喝咖啡个在思考或谈论或喝咖啡 则则CPUCPU可分配给那三个需要的作业（轮流服务）可分配给那三个需要的作业（轮流服务）第一个分时操作系统第一个分时操作系统CTSSCTSSLifang 201528/55操作系统MULTICSMULTICS的灾难的灾难n19651965年在年在ARPAARPA的支持下的支持下MITMIT、贝尔实验室和通用电气公司、贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种决定开发一种“公用计算服务系统公用计算服务系统”， 希望能够同时支希望能够同时支持整个波士顿所有的
32、分时用户。该系统称作持整个波士顿所有的分时用户。该系统称作MULTICS MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service )(MULTiplexed Information and Computing Service )nMULTICSMULTICS设计目标是：便利的远程终端使用，大量终端通设计目标是：便利的远程终端使用，大量终端通过电话线接入计算机主机，同时支持数百名分时用户。过电话线接入计算机主机，同时支持数百名分时用户。就象电器设备需要电能时，只需将电器设备接到墙上的插就象电器设备需要电能时，只需将电器设备接到墙上的插座一样简
33、单。座一样简单。Lifang 201529/55操作系统nMULTICSMULTICS研制难度超出了所有人预料研制难度超出了所有人预料 长期研制工作达不到预期目标，贝尔实验室，通用电气公司长期研制工作达不到预期目标，贝尔实验室，通用电气公司相继退出。相继退出。MitMit坚持下来并使得坚持下来并使得MULTICSMULTICS成功地应用成功地应用MULTICS MULTICS 于于 1963 1963 年开始年开始，直至直至 1969 1969 年才发布。年才发布。nMULTICSMULTICS引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对随后操引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对随后操作系统特别是
34、作系统特别是UNIXUNIX的成功有着巨大的影响的成功有着巨大的影响 概念的回归：公共服务系统概念的回归：公共服务系统以因特网服务器形式回归以因特网服务器形式回归Lifang 201530/55操作系统小型计算机，电子游戏和小型计算机，电子游戏和UNIXUNIX的成功的成功n19691969年，在贝尔退出年，在贝尔退出MULTICSMULTICS研制项目后，研制项目后，Ken ThompsonKen Thompson和和Dennis Ritchie Dennis Ritchie 想申请经费买计算机从事操作系统研究，想申请经费买计算机从事操作系统研究，但多次申请得不到批准但多次申请得不到批准n项
35、目无着落，他们在一台无人用的项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7PDP-7上，开始开发简化上，开始开发简化的单用户版的单用户版MULTICSMULTICS，并继续摆弄原来的，并继续摆弄原来的“太空旅行太空旅行”游戏。游戏。n为了使游戏能够在为了使游戏能够在PDP-7PDP-7上顺利运行，他们陆续开发了浮点上顺利运行，他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、shell shell 和汇编程序和汇编程序n到了到了19701970年，在一切完成后，给新系统起了个名字年，在一切完成后，给新系统起了个名字UNIXUNI
36、Xn随后，随后，UNIXUNIX用用C C语言全部重写，自此，语言全部重写，自此，UNIXUNIX诞生了诞生了Lifang 201531/55操作系统UNIXUNIXnUNIXUNIX是现代操作系统的代表。是现代操作系统的代表。UnixUnix运行时的安全性、可靠运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖促使促使UNIXUNIX系统成功的因素：系统成功的因素： n首先，由于首先，由于UNIXUNIX是用是用C C语言编写，因此它是可移植的，语言编写，因此它是可移植的，UNIX UNIX 是世界上唯一能在笔记本计算机、是世界上唯一能在笔记本计
37、算机、PCPC机、工作站直至巨型机、工作站直至巨型机上运行的操作系统机上运行的操作系统n第二，系统源代码非常有效，系统容易适应特殊的需求第二，系统源代码非常有效，系统容易适应特殊的需求n最后，也是最重要的一点，它是一个良好的、通用的、最后，也是最重要的一点，它是一个良好的、通用的、多多用户、多任务用户、多任务、分时分时操作系统操作系统Ken Thompson，Dennis Ritchie1983年图灵奖获得者年图灵奖获得者1999年年4月月 美国国家技术金奖美国国家技术金奖Lifang 201532/55操作系统Lifang 201533/55操作系统在在RTOS的控制下，计算机系统接收到外部
38、信号后及时响应的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时响应并处理外部事件，并且要求在并处理外部事件，并且要求在严格规定时限严格规定时限内处理完接收内处理完接收的事件，并控制所有实时任务协调一致的运行。的事件，并控制所有实时任务协调一致的运行。 1 1）应用领域）应用领域工业控制系统：飞机自动驾驶系统、导弹制导系统等工业控制系统：飞机自动驾驶系统、导弹制导系统等 信息处理系统：火车订票系统信息处理系统：火车订票系统多媒体系统：多媒体系统：DVDDVD播放器播放数字电影播放器播放数字电影嵌入式系统：智能仪器和设备嵌入式系统：智能仪器和设备 33334. 实时系统实时系统 (Real Time Sy
39、stem) P10Lifang 201534/55操作系统 多路性多路性 独立性独立性 及时性及时性 交互性交互性 可靠性可靠性 34342）实时系统的特征）实时系统的特征Lifang 201535/55操作系统多路性多路性独立性独立性及时性及时性交互性交互性可靠性可靠性实时系统实时系统分时系统分时系统批处理系批处理系统统35353）实时系统、分时系统、批处理系统特征比较实时系统、分时系统、批处理系统特征比较Lifang 201536/55操作系统第四代大规模集成电路计算机（第四代大规模集成电路计算机（19801980年年- -至今）至今）n随着大规模集成电路发展，硬件非常便宜，随着大规模集成
40、电路发展，硬件非常便宜，CPU CPU 便宜到可在每台终便宜到可在每台终端上安装，功能强大有效。而人力却异常昂贵。端上安装，功能强大有效。而人力却异常昂贵。个人计算机时代个人计算机时代到来了，各种类型的个人计算机和软件层出到来了，各种类型的个人计算机和软件层出不穷。不穷。CP/M CP/M 操作系统操作系统1973 Intel 8080 1973 Intel 8080 ，请，请Gary KildallGary Kildall设计操作系统设计操作系统CP/MCP/M操作系统操作系统(Control Program/Microprocessor or (Control Program/Microp
41、rocessor or Microcomputer)Microcomputer)Gary KildallGary Kildall看到了个人计算机操作系统的前景看到了个人计算机操作系统的前景, ,要求要求CP/MCP/M版版权权digital researchdigital researchCP/MCP/M操作系统有较好的层次结构。它的操作系统有较好的层次结构。它的BIOSBIOS把操作系统的其他把操作系统的其他模块与硬件配置分隔开，所以它的可移植性好模块与硬件配置分隔开，所以它的可移植性好, , 具有较好的可具有较好的可适应性和易学易用性适应性和易学易用性到了到了19811981年，年，CP/
42、MCP/M操作系统成为世界上流行最广的操作系统成为世界上流行最广的8 8位操作系位操作系统之一统之一Lifang 201537/55操作系统微软微软MS DOSn个人计算机的成功，逼得个人计算机的成功，逼得IBMIBM采取紧急战略行动采取紧急战略行动, ,决定要在决定要在19801980年尽快生产出微型计算机，以应付挑战年尽快生产出微型计算机，以应付挑战n但没有操作系统不行。要想快就是找现成系统配套，但没有操作系统不行。要想快就是找现成系统配套，IBMIBM公公司洽谈司洽谈CP/MCP/M操作系统不顺利，机遇落到了微软公司操作系统不顺利，机遇落到了微软公司n在关键时刻，开发新操作系统时间和人手
43、上已经不可能，微在关键时刻，开发新操作系统时间和人手上已经不可能，微软找到西雅图计算机产品公司，达成由微软经销西雅图计算软找到西雅图计算机产品公司，达成由微软经销西雅图计算机产品公司的机产品公司的QDOSQDOS操作系统的协议操作系统的协议n当时西雅图公司并不知道当时西雅图公司并不知道QDOSQDOS将被转卖给将被转卖给IBMIBM，否则历史将，否则历史将会怎样演变，谁也无法知晓会怎样演变，谁也无法知晓Lifang 201538/55操作系统nIBMIBM在在19811981年推出个人计算机，宣布了年推出个人计算机，宣布了DOSDOS操作系统操作系统n随着随着IBM PCIBM PC和和MS
44、DOSMS DOS普及，普及，CP/MCP/M逐渐走向下坡路逐渐走向下坡路nMS DOSMS DOS有优良的文件系统有优良的文件系统 但受到但受到Intel x86Intel x86体系结构的限制体系结构的限制 缺乏以硬件为基础的存储保护机制缺乏以硬件为基础的存储保护机制n它属于单用户单任务操作系统它属于单用户单任务操作系统n从从19811981的的 1.01.0版到版到19981998年在年在Windows 95/98Windows 95/98之下的之下的7.07.0版，版，MS DOSMS DOS历经了历经了1616个年头个年头n相当一部分相当一部分MS DOSMS DOS爱好者继续开发出
45、了各种爱好者继续开发出了各种DOSDOS软件产品软件产品Lifang 201539/55操作系统拯救苹果公司的拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS)Macintosh(MAC OS)n在推出在推出IBM PCIBM PC机后，市场卷起一股龙卷风机后，市场卷起一股龙卷风nIBMIBM自己也没有料到产品会有如此巨大的成功自己也没有料到产品会有如此巨大的成功nIBMIBM的成功说明必有其他公司失败。甚至连苹果公司也遇到的成功说明必有其他公司失败。甚至连苹果公司也遇到了问题，销售数量落到了兰色巨人的后面了问题，销售数量落到了兰色巨人的后面n苹果公司推出苹果公司推出LisaLisa机遭到失败，
46、机遭到失败，Apple IIIApple III型也遭到失败型也遭到失败n分析家们认为，在微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了分析家们认为，在微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了Lifang 201540/55操作系统MAC OSMAC OS、鼠标的新型个人计算机、鼠标的新型个人计算机n19841984年，人们看到一则广告：年，人们看到一则广告：“What was that?What was that?”和对和对MacintoshMacintosh的介绍的介绍, , 这是配有图形界面操作系统这是配有图形界面操作系统 MAC OSMAC OS和鼠和鼠标的新型个人计算机标的新型个人计算机nMACMAC
47、机一上市立即在市场上获得极大的成功机一上市立即在市场上获得极大的成功n当年比尔当年比尔. .盖茨都说，这是一台他的妈妈也能使用的计算机盖茨都说，这是一台他的妈妈也能使用的计算机nMacintoshMacintosh把苹果公司从连续的失败中拯救出来把苹果公司从连续的失败中拯救出来 苹果公司又开始向前发展苹果公司又开始向前发展n正是正是MacMac先进图形界面操作系统技术，超前先进图形界面操作系统技术，超前PCPC机若干年，造就机若干年，造就了一批苹果的忠实追随者了一批苹果的忠实追随者Lifang 201541/55操作系统一波三折的微软一波三折的微软WindowsWindows操作系统操作系统n
48、19831983年年1010月，月，PCPC机竞争厂家的图形界面相关产品上市机竞争厂家的图形界面相关产品上市n面对市场压力，比尔面对市场压力，比尔. .盖茨在盖茨在19831983年年1111月月1010日宣布推出日宣布推出WindowsWindows操作系统操作系统n然而宣布容易，交货就不简单了，然而宣布容易，交货就不简单了，WindowsWindows交货期的灾难，交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄成了当年计算机界的笑柄n直到直到19851985年年1111月月2020日，日，Windows1.0Windows1.0才正式上市才正式上市Lifang 201542/55操作系统Window
49、sWindows的历史记录的历史记录nWindowsWindows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多n不过几年之后，不过几年之后，WindowsWindows终于创造了销售成绩最佳的历史记录终于创造了销售成绩最佳的历史记录n19921992年年4 4月，推出月，推出Windows 3.1, 1993Windows 3.1, 1993年年5 5月，发表月，发表Windows NTWindows NTnWindows 95Windows 95
50、，Windows CEWindows CE，Windows 98Windows 98，Windows 2000Windows 2000，Windows XPWindows XPn个人计算机采用个人计算机采用WindowsWindows占占9090以上，微软公司成了垄断以上，微软公司成了垄断PCPC行行业的同义词业的同义词Lifang 201543/55操作系统IBMIBM大型计算机操作系统大型计算机操作系统OS/390OS/3909090年代末期，电子商务发展刺激对计算能力的要求，导致大年代末期，电子商务发展刺激对计算能力的要求，导致大型机市场的再度升温型机市场的再度升温三十年的改进三十年的改
51、进,IBM S/390,IBM S/390已成为有高可靠性、可扩展性、及已成为有高可靠性、可扩展性、及安全可用性的现代大型计算机系统安全可用性的现代大型计算机系统在在PCPC机时代，人们曾经估计大型计算机会衰亡机时代，人们曾经估计大型计算机会衰亡IBM S/390IBM S/390是大型计算机复活的一个典型是大型计算机复活的一个典型那么，在那么，在2121世纪的世纪的InternetInternet和后和后PCPC的时代，大型机还会有什的时代，大型机还会有什么演化，只有让时间来说明么演化，只有让时间来说明OS/390OS/390是是是是IBMIBM公司开发的一种操作系统，常用于公司开发的一种操
52、作系统，常用于公司开发的一种操作系统，常用于公司开发的一种操作系统，常用于S/390S/390大型大型大型大型主机系列中。主机系列中。主机系列中。主机系列中。OS/390OS/390是从一个最近被命名为是从一个最近被命名为是从一个最近被命名为是从一个最近被命名为MVSMVS的系统演的系统演的系统演的系统演化而来的，这种化而来的，这种化而来的，这种化而来的，这种MVSMVS（多虚拟存储）系统是（多虚拟存储）系统是（多虚拟存储）系统是（多虚拟存储）系统是IBMIBM公司的一种公司的一种公司的一种公司的一种长期的、稳定的大型主机操作系统。长期的、稳定的大型主机操作系统。长期的、稳定的大型主机操作系统
53、。长期的、稳定的大型主机操作系统。Lifang 201544/55操作系统嵌入式操作系统的代表嵌入式操作系统的代表VxWorksVxWorks在在“极地登陆者极地登陆者”号，号，“深空二号深空二号”和火星气候轨道器等和火星气候轨道器等登陆火星探测器上，就采用了登陆火星探测器上，就采用了VxWorks:VxWorks:VxWorksVxWorks负责火星探测器全部飞行控制，包括飞行纠负责火星探测器全部飞行控制，包括飞行纠正、载体自旋和降落时的高度控制等，而且还负责数据收集正、载体自旋和降落时的高度控制等，而且还负责数据收集和与地球的通信工作和与地球的通信工作目前在国内也占据嵌入式开发系统市场主要
54、份额目前在国内也占据嵌入式开发系统市场主要份额嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备的计算机系统嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备的计算机系统, ,嵌入的目的嵌入的目的主要是用智能化提升宿主设备的功能主要是用智能化提升宿主设备的功能Lifang 201545/55操作系统操作系统领域中新的操作系统操作系统领域中新的操作系统n有线电视机顶盒领域，有线电视机顶盒领域， PowerTVPowerTVn手机操作系统，手机操作系统，Android,IOS,WP7Android,IOS,WP7n数字影像领域，数字影像领域， DigitaDigitanLifang 201546/55操作系统时代与时代与LinuxLinux
55、19901990年秋天，年秋天，LinusLinus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统课程，因为上机需要排队等待，课程，因为上机需要排队等待，LinusLinus买了台买了台PCPC机，开发了机，开发了第一个程序，程序包括两个进程，向屏幕上写字母，然后第一个程序，程序包括两个进程，向屏幕上写字母，然后用定时器来切换进程用定时器来切换进程LinusLinus需要终端仿真程序来存取需要终端仿真程序来存取UsenetUsenet新闻组的内容，于是新闻组的内容，于是他写了从调制解调器上接发信息的程序以及显示器、键盘他写了从调制解调器上接发信息的程序以及显示器、键盘和调
56、制解调器的驱动程序和调制解调器的驱动程序然后写了磁盘驱动程序，文件系统，一旦有了进程切换、然后写了磁盘驱动程序，文件系统，一旦有了进程切换、文件系统和设备驱动程序，当然就拥有了一个操作系统原文件系统和设备驱动程序，当然就拥有了一个操作系统原型，或者至少是它的一个内核型，或者至少是它的一个内核LinuxLinux就以这样极其古怪但也极其自然式问世就以这样极其古怪但也极其自然式问世Lifang 201547/55操作系统时代与时代与LinuxLinux主流的主流的主流的主流的LinuxLinux发行版：发行版：发行版：发行版：UbuntuUbuntu， DebianDebian GNU/Linux
57、 GNU/Linux ，FedoraFedora，GentooGentoo，MandrivaLinux MandrivaLinux ，PCLinuxOSPCLinuxOS，SlackwareSlackwareLinux Linux ，openSUSEopenSUSE，ArchLinuxArchLinux，PuppyPuppylinuxlinux，MintMint, , CentOSCentOS, , Red HatRed Hat等。等。等。等。LinuxLinux支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有自己特支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有自己特支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有
58、自己特支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有自己特殊的权利，保证了各用户之间互不影响。殊的权利，保证了各用户之间互不影响。殊的权利，保证了各用户之间互不影响。殊的权利，保证了各用户之间互不影响。LinuxLinux支持多任务，可以使多个程序同时并独立地运行。支持多任务，可以使多个程序同时并独立地运行。支持多任务，可以使多个程序同时并独立地运行。支持多任务，可以使多个程序同时并独立地运行。Lifang 201548/55操作系统思考和回顾思考和回顾n个人计算机的兴起，结束了个人计算机的兴起，结束了IBMIBM的霸主地位的霸主地位nInternetInternet普及，普及，LinuxLinux
59、的成功，极大地推动了当代操作系统的研究的成功，极大地推动了当代操作系统的研究发展活动发展活动n据不完全统计，当前在据不完全统计，当前在InternetInternet上，有超过上，有超过100100个操作系统的项目个操作系统的项目在在1414个国家中进行着个国家中进行着n一批批的程序设计员们自愿通过互联网组织成为研究小组，从事着一批批的程序设计员们自愿通过互联网组织成为研究小组，从事着各类操作系统的研究开发工作各类操作系统的研究开发工作n在一些影响全球的操作系统的诞生和发展过程中，大师们设计那些在一些影响全球的操作系统的诞生和发展过程中，大师们设计那些知名操作系统的初始动机真是各不相同的知名操
60、作系统的初始动机真是各不相同的n一个操作系统成功的缘由，似乎也在于某种机遇，往往是有心裁花一个操作系统成功的缘由，似乎也在于某种机遇，往往是有心裁花花不开，无心插柳柳成行花不开，无心插柳柳成行, ,未来操作系统的发展是否还会是这个模未来操作系统的发展是否还会是这个模式式? ?n在在InternetInternet时代，新概念、新思想、新原理和新技术层出不穷时代，新概念、新思想、新原理和新技术层出不穷, ,谁谁又能预测，未来会有什么样的新型操作系统在国际互联网上问世又能预测，未来会有什么样的新型操作系统在国际互联网上问世呢！呢！Lifang 201549/55操作系统操作系统的类型操作系统的类型
61、 （单道、多道）批处理操作系统（单道、多道）批处理操作系统 分时系统、分时系统、 实时操作系统、实时操作系统、个人计算机操作系统、个人计算机操作系统、嵌入式操作系统嵌入式操作系统 多处理机操作系统、多处理机操作系统、 P307P307 网络操作系统、网络操作系统、 分布式操作系统分布式操作系统Lifang 201550/55操作系统三、操作系统的运行环境三、操作系统的运行环境中央处理器中央处理器(CPU)存储器存储器中断系统中断系统I/O系统系统时钟时钟1. 1. 操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境 操作系统时钟是硬件操作系统时钟是硬件( (定时器定时器/
62、 /计数器计数器) )和软件和软件( (时钟中断处时钟中断处理程序理程序) )相结合的产物。用于控制多方面处理器执行指令的速相结合的产物。用于控制多方面处理器执行指令的速率，为进程的时间片调度和定时事件提供时间依据。率，为进程的时间片调度和定时事件提供时间依据。 Lifang 201551/55操作系统2.2.内核态与用户态内核态与用户态内核态与用户态内核态与用户态内核态内核态(核心态，管态核心态，管态)：操作系统程序的运行状态操作系统程序的运行状态(即即CPU模式模式)。内核态内核态具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区。存器和存储区
63、。通常情况下，操作系统内核运行在内核态。通常情况下，操作系统内核运行在内核态。用户态用户态(目态目态)：用户程序的运行状态。用户程序的运行状态。用户态用户态是一种具有较低特权的执行状态，它只能执行规是一种具有较低特权的执行状态，它只能执行规定的指令、访问规定的寄存器和存储区。定的指令、访问规定的寄存器和存储区。通常情况下，用户程序运行在用户态。通常情况下，用户程序运行在用户态。Lifang 201552/55操作系统四、四、操作系统的结构设计操作系统的结构设计 P22P221、传统操作系统结构、传统操作系统结构1)无结构操作系统无结构操作系统2)模块化结构操作系统：模块化结构操作系统： 结构化
64、程序设计思想结构化程序设计思想3)分层式结构操作系统分层式结构操作系统Lifang 201553/55操作系统2、微内核操作系统结构、微内核操作系统结构 1) 面向对象程序设计思想：面向对象程序设计思想： 2) 客户客户/服务器模式：服务器模式： 客户：用户进程。客户：用户进程。 服务器：操作系统中提供服务的进程服务器：操作系统中提供服务的进程微内核技术微内核技术:操作系统的小核心，它将各种操作系统共同操作系统的小核心，它将各种操作系统共同需要的核心功能提炼出来，需要的核心功能提炼出来， 形成微内核的基本功能，通常形成微内核的基本功能，通常包括包括:1）与硬件处理紧密相关的部分；）与硬件处理紧
65、密相关的部分； 2）基本功能）基本功能 3）客户与服务器之间的通信）客户与服务器之间的通信Lifang 201554/55操作系统微内核操作系统模型微内核操作系统模型 把操作系统的内核分为微内核与服务器两个层次：把操作系统的内核分为微内核与服务器两个层次： 微内核微内核提供各种操作系统的公共基础。提供各种操作系统的公共基础。 由由服务器服务器提供各种操作系统的子系统以及用户界面。提供各种操作系统的子系统以及用户界面。内存服务内存服务器器网络服务网络服务器器文件服务文件服务器器微内核微内核硬件硬件客户客户进程进程客户客户进程进程请求求回答回答用用户方式方式核心方式核心方式Lifang 201555/55操作系统小小 结结l如何学习操作系统原理？如何学习操作系统原理？l第一章第一章 概述概述 一一. .什么是操作系统什么是操作系统操作系统的地位操作系统的地位操作系统定义操作系统定义操作系统的作用操作系统的作用-几大功能几大功能操作系统的操作系统的四大特征四大特征 二二. .操作系统的发展操作系统的发展 三三. .操作系统的运行环境操作系统的运行环境 四四. .操作系统的结构设计操作系统的结构设计
