中科大操作系统原理与实现课件1_introduction.pdf

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1、.操作系统原理与设计第一章绪论陈香兰中国科学技术大学计算机学院2009年09月01日.提纲What is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发

2、展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.Computer System Organization（1）I计算机系统由硬件和软件两部分组成。I操作系统是硬件之上的第一层软件，可以看成是对计算机硬件系统的第一次扩充。I所有运行在操作系统上层的应用软件都会或多或少、或直接或间接地调用操作系统提供的功能.计算机系统的4个组

3、成成分.提问：计算机系统的硬件组成有哪些？.一个简单示意图：.提问：你所知道的操作系统有哪些？IWindows系列、Unix系列、SUN Sorlaris、FreeBSD、苹果、Linux系列，等等I各种实时、非实时的嵌入式操作系统I例如UC/OS-II、RTEMS、VxWorks、QNX、PalmOS等等I各种网络操作系统、分布式操作系统、集群操作系统、并行操作系统I各种研究型操作系统，等等.提问：你所知道的操作系统有哪些？IWindows系列、Unix系列、SUN Sorlaris、FreeBSD、苹果、Linux系列，等等I各种实时、非实时的嵌入式操作系统I例如UC/OS-II、RTEM

4、S、VxWorks、QNX、PalmOS等等I各种网络操作系统、分布式操作系统、集群操作系统、并行操作系统I各种研究型操作系统，等等.OS definitionI没有一个统一的、适用的定义！IAn Operating System is a program thatImanagers the computer hardwareIprovides a basis for application programsIacts as an intermediary between the computer user and thecomputer hardwareIOS is a resource a

5、llocatorIManages all resourcesIDecides between conflicting requests for efficient and fair resourceuseIOS is a control programIControls execution of programs to prevent errors and improper use ofthe computerI操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理地对各类作业进行调度以及方便用户的程序的集合。.操作系统的（设计）目标I在计算机硬件上配置的OS的（设计）目标有以下几点：I方便性IExe

6、cute user programs and make solving user problems easierIMake the computer system convenient to useI有效性IUse the computer hardware in an efficient manner（提高软硬件资源的利用率）I可扩充性I适应软硬件的发展需求I开放性I可移植性、互操作性I方便性和有效性是操作系统最重要的两个目标。.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系

7、统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.操作系统的作用I对操作系统作用的理解，有不同的观点：I用户与计算机硬件系统之间的接口（图）I命令接口、图形用户接口I编程接口（系统调用接口）I计算机资源的管理者（图）I四类资源：处理机、存储器、I/O设备、文件I扩充机器（或虚拟机）I虚拟机：覆盖了软件的机器I层次性.作为用户与计算机硬件系统之间的接口.作为计算机资源的管理者.Outlin

8、eWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.操作系统的层次模型I什么是层次模型？I一种经典的操作系统的结构模型I最高层：接口I中间层：对对象进行操纵和管理的软件集合I最底层：OS操纵和管理的对象，包括各类软硬件资源I以Linux，W

9、indows和嵌入式操作系统RTEMS为例.举例：类UNIX操作系统的经典体系结构图.举例：Windows操作系统的经典体系结构图.举例：RTEMS体系结构IRTEMS：一种微内核抢占式实时操作系统I现在：Real Time Executive for Multiprocessor Systems；I最早：Real Time Executive for Missile SystemsI后来：Real Time Executive for Military SystemsI4.0.0核心代码约9万行I维护网站：http:/ is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统

10、的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.操作系统的发展动力I操作系统形成至今将近60年，出现了上百种操作系统I大型机、小型机、微机、嵌入式、实时、分布等等I推动操作系统发展的主要动力有4个方面：I不断提高计算机资源利用率的需要I方便用户I器件的不断更新换代I计算机体系结构的不断发展I历程：I无OS时代批处理系统

11、分时系统实时系统PC分布式和并行系统嵌入移动系统.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.操作系统的种类IFMS（FORTRAN Monitor System，FORTRAN监控系统）IOS/360（IBM为系列机3

12、60配备的操作系统）ICTSS（Compatible Time Sharing System）IMULTICS（MULTiplexed Information and Computer Service）IUNIX类、LinuxICP/MIWindows、MacintoshIMachIVxWorks、嵌入式Linux系列、uC/OS-II、RTEMSI.本实验室操作系统研究I基于服务体/执行流模型的操作系统：MiniCoreI安全操作系统I分布式操作系统I可重构混成操作系统I车控操作系统I机器狗操作系统I.操作系统的发展过程I无操作系统时期I单道批处理系统I多道批处理系统I分时系统I实时系统I其

13、他操作系统I分布式、并行、安全.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.History of the OS(19451955，无操作系统)ITube-based（电子管）IENIACI17,468 vacuum tu

14、besI5,000 additions/sec,I1800 square feet,30 tonsIProgram are hardwired on plug boardsIOne program at a time,Need professionaloperatorIUser VS.operatorIOnly useful to Numerical calculationsINo OS at all!IManual system（人工操作）.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程1945195

15、5，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.History of the OS(19551965，批处理系统)ITransistor based（晶体管）IJobs on cards or tapesIJob（作业）IControl cardsILanguage:IASMIHigh level languageIFORTRAN,ALGOL,COBOLIApplicati

16、onsIScientific APPs&Engineering APPsIBatch system.专题1：Batch system，批处理系统I批处理系统概述I专题1.1：单道批处理系统I专题1.2：脱机IO和SPOOING技术I专题1.3：多道批处理系统.批处理系统的工作方式I用户（user）将作业（job）交给系统操作员（operater）I系统操作员将许多用户的作业组成一批作业，输入到计算机系统中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流I作业是成批的I启动操作系统I系统自动、依次执行每个作业I由操作员将作业结果交给用户.I批处理系统中作业的组成：I用户程序I数据I作业说明书（作业控制语

17、言）I批的含义：I供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装而成，在处理中使用一组相同的系统软件I批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理I从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；执行结果输出.批处理系统经历了两个阶段ISimple batch systems，单道批处理系统IMultiprogramming systems，多道批处理系统.专题1.1：单道批处理系统I单道批处理系统简介I单道批处理系统的工作过程I单道批处理系统的分析.单道批处理系统I输入设备：ICard readers,tape drivesI输出设备：ILine printer

18、s,card punches and tape drivesIOperator BATCH similar jobs to speed up processingIUser VS.operatorICompare to:Manual systemIMonitor（OS）,load program and executeIAlways resident in memoryIFIFO:Transfer control automatically from one job to the nextIOnly One Job in Memory at a time.单道批处理系统的工作过程I处理过程I监

19、督程序（monitor）I系统对作业的处理都是成批进行的、且内存中始终只保持一道作业。I批处理系统的引入是为了提高系统资源的利用率和吞吐量I特征I自动性、顺序性、单道性Monitor：.单道程序运行情况用户进程的行为序列：执行I/O执行I/O.执行I/O.单道批处理系统分析AnalysisISerial Card reader:Jobs execute one by oneIMechanical I/O device:poor speedICPU速度与I/O速度之间的矛盾ICPU:thousands of intructions/sec VS.Card reader:20 cards/secI

20、CPU is often idleCPU utilization is LOW解决问题的办法：引入的新技术和成果IOff-line I/O（脱机I/O）Ia cheaper system reads from cards into tapesI磁盘IAllowed OS to keep all jobs on a diskIWith direct access to several jobsCould do Job scheduling to use resources and perform task efficientlyIMultiprogramming（多道程序）CPU utiliza

21、tion(利用率).单道批处理系统分析AnalysisISerial Card reader:Jobs execute one by oneIMechanical I/O device:poor speedICPU速度与I/O速度之间的矛盾ICPU:thousands of intructions/sec VS.Card reader:20 cards/secICPU is often idleCPU utilization is LOW解决问题的办法：引入的新技术和成果IOff-line I/O（脱机I/O）Ia cheaper system reads from cards into ta

22、pesI磁盘IAllowed OS to keep all jobs on a diskIWith direct access to several jobsCould do Job scheduling to use resources and perform task efficientlyIMultiprogramming（多道程序）CPU utilization(利用率).专题1.2：脱机I/O和SPOOLing技术I脱机IOISPOOLing.脱机I/O和SPOOLing技术脱机I/O（时间：50年代末）I目的：解决人机矛盾和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾I方法：利用低速的外

23、围机进行，纸带（卡片）磁带（磁盘）I脱机的内涵：程序和数据都在脱离主机控制下，由外围机控制完成。.SPOOLing技术I1961年，英国曼彻斯特大学，Atalas机ISimultaneous Peripheral Operation On-Line（同时的外围设备联机操作假脱机技术）I基本思想：利用磁盘作缓冲，将输入、计算、输出分别组织成独立的任务流，使I/O和计算真正并行.SPOOLing系统工作原理I作业进入到磁盘上的输入井I按某种调度策略选择几种搭配得当的作业，并调入内存I作业运行的结果输出到磁盘上的输出井I结果从磁盘上的输出井送到打印机I使用进程代替外围机.SPOOLing系统的组成示

24、意图.专题1.3：多道批处理系统I多道批处理系统的概念和工作过程I多道程序对操作系统的功能需求I多道批处理系统的分析.多道批处理系统I多道：系统中同时驻留多个作业I共享内存I复用CPU：当一个作业因某个原因暂停运行时，切换到另一个作业上运行I多道引入的优点：I提高CPU利用率I提高内存和I/O设备利用率I提高了系统吞吐量I特征I多道性、无序性、调度性（作业调度、进程调度）.多道程序运行情况（四道时）.多道程序对操作系统的功能需求IJob SchedulingIHow many&which jobs entered memoryIMemory managementIwhere&how much

25、memory:the system must allocate the memoryto several jobs.IMemory protection for each jobICPU schedulingIWhich job in memory(job pool)would get the CPUIJob and CPU scheduling makes up 2-phrase of schedulingII/O routine supplied by the system.IAllocation of devices.多道批处理系统分析IWhen the job have to wait

26、 for some task,such as an I/O op.tocompleteISingle Batch System:CPUidleIMultiprogramming system:CPUswitch to another job andexecute(CPU is never idle)IAdvantagesIHigher CPU,I/O,Memory UtilizationIHigher system throughputIDisadvantagesINo User interaction with computerIJob time too long(why?)ISimple

27、batch system VS.Multiprogramming system.多道批处理系统分析IWhen the job have to wait for some task,such as an I/O op.tocompleteISingle Batch System:CPUidleIMultiprogramming system:CPUswitch to another job andexecute(CPU is never idle)IAdvantagesIHigher CPU,I/O,Memory UtilizationIHigher system throughputIDisa

28、dvantagesINo User interaction with computerIJob time too long(why?)ISimple batch system VS.Multiprogramming system.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed Syst

29、emsEmbedded System作业、实验和小结.History of the OS(19651980，引入分时)IIC circuits（集成电路）ILSI,VLSIIUNIXIMore ApplicationsIOSIMultiprogramming batch systemsITime-sharing systems（分时系统）.专题2：分时系统I分时系统的需求及其解决I经典案例I分时系统下的工作方式I关键技术、设计目标和实现.Time-sharing system 分时系统I需求：User need interaction with computerIResponse time 1

30、 secI解决方法：IShare CPU by time pieces（时间片）ITime-sharing(multitasking)IUsers share Main frameIOne main frame VS.Multi users&Multi terminalITime-sharing system is a logical extension of multiprogramming.I经典操作系统：MULTICS、UNIX.经典案例：UNIXI一群计算机迷在贝尔实验室开发出UNIXI初衷：可以在一台无人使用的DEC PDP-7 小型计算机上玩星际探险游戏IKen Thompson，

31、Dennis Ritchie 1983年图灵奖获得者 1999年4月美国国家技术金奖.分时系统下的工作方式I一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户在使用I交互式的向系统提出命令请求I系统接受每个用户的命令I采用时间片轮转方式处理服务请求I通过交互方式在终端上向用户显示结果I用户根据上步结果发出下道命令.分时系统的关键技术IReceive input in time（及时接收）IProcess in time（及时处理）I解决思路：IMutual job（交互作业）always in memoryITime piecesI分时系统的特征I多路性、独立性、及时性、交互性.分时系统的设计目标I

32、分时操作系统所追求的设计目标：I及时响应，其依据是响应时间I响应时间：I从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间I影响响应时间的因素：I机器处理能力I请求服务的时间长短I系统中连接的终端数目I服务请求的分布I调度算法（时间片的选取）.分时系统的实现I单道与分时的结合：I单道分时I分时与批处理相结合：I原则：分时优先，批处理在后I具有前后台的分时：I“前台”：需频繁交互的作业I“后台”：时间性要求不强的作业I分时与多道相结合I多道分时.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作

33、系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.History of the OS(1980now，百花齐放)IDevelopment of Computer architecture（图）I32bits64bitsIWorkstations and PCsIParallel processorsIComputer networksIClusterISpecial purpose c

34、omputer system TypesIParallel systemsIReal-time systemsIEmbedded systemsIDistributed systems.Migration of OS Concepts and Features.专题3：实时系统I实时系统I实时任务的分类I实时系统的实现和应用I实时系统与批处理系统、分时系统的比较.实时系统I通常在一些专门的应用中，用来控制设备I这种系统往往具有及时响应的时间限制I严格 vs.不严格I定义：实时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

35、作的操作系统I按领域分类：I第一类：实时过程控制I第二类：实时通信（信息）处理.实时任务的分类I按任务执行是否呈现周期性来划分I周期性的，有规律；I非周期性的，无规律，但有截止时间I开始截止时间 vs.完成截止时间I根据对截止时间的要求来划分I硬实时任务 vs.软实时任务I实时操作系统追求的设计目标：I满足实时性要求：对外部请求在严格时间范围内作出反应I高可靠性.实时系统的实现和应用I硬实时系统：Hard real-time systemISecondary storage limited or absent,data stored in short-termmemory,or read-on

36、ly memory(ROM)IConflicts with time-sharing systems,not supported bygeneral-purpose operating systemsI软实时系统：Soft real-time systemILimited utility in industrial control or roboticsIUseful in applications(multimedia,virtual reality)requiring advancedoperating-system featuresI典型：VxWorks、QNX、RTEMS.实时系统与批

37、处理系统和分时系统的区别I专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统I实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构I高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余（如双机系统）I事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式：接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。.实时、分时的比较I多路性：相同I独立性：相同I及时性：实时系统要求更高I交互性：分时系统交互性更强I可靠性：实时系统要求更高.专题小结I到目前为止，介绍了三种最基本的操作系统类型I批处理系统I分时系统I实时系统I一个实际的操作系统，往往兼有上述三种基

38、本操作系统类型的功能I下面简单介绍其他类型的操作系统.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.Personal-Computer Systems，个人计算机系统IPersonal computers（PCs）I计算机

39、为单用户服务II/O devices 键盘、鼠标、显示器、打印机IPC系统所追求的设计目标是：I界面友好，使用方便（User convenience&responsiveness），有丰富的应用软件I不必过于追求CPU利用率.常见的PC system用的操作系统IOSIMS-DOSIOS/2IMicrosoft windows NT,95,98,2000,xp,windows me,windowsvistaIApple MacintoshILinux(.)I.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过

40、程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.并行系统 Parallel SystemsIMultiprocessor systems with more than one CPU in closecommunicationITightly coupled system 紧耦合系统Iprocessors share memory and a clock;c

41、ommunication usually takesplace through the shared memoryI优点:IIncreased throughputIEconomicalIIncreased reliabilityIgraceful degradationIfail-soft systems.并行系统(Cont.)ISymmetric multiprocessing(SMP，对称多处理器)IEach processor runs an identical copy of the operating system.IMany processes can run at once w

42、ithout performance deterioration.I现在的大多数通用操作系统都支持SMP，例如Linux、UNIX、Windows.并行系统(Cont.)IAsymmetric multiprocessing 非对称多处理 ASMPIEach processor is assigned a specific task;master processor schedulesand allocates work to slave processors.IMore common in extremely large systems.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目

43、标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.Distributed Systems 分布式系统I分布式系统：处理和控制的分散ILoosely coupled system 松耦合系统Ieach processor has its own local memory;proce

44、ssors communicatewith one another through various communications lines,such ashigh-speed buses or telephone linesIAdvantages of distributed systemsIResources Sharing 资源共享IComputation speed up load sharing 负载平衡IReliability 可靠ICommunications 通信.分布式系统上的操作系统INetwork Operating System 网络操作系统Iprovides file

45、 sharingIprovides communication schemeIruns independently from other computers on the networkIDistributed Operating System 分布式操作系统Iless autonomy between computersIgives the impression there is a single operating system controlling thenetwork 单一映像.OutlineWhat is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力

46、操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.Embedded SystemI嵌入式系统是在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统I它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”I通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中I由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系

47、统I嵌入式系统具有最广泛的应用.I嵌入式操作系统与通用操作系统有很大不同ISmall size、Low powerISpecial environment,special functionI开发方式也不同I交叉开发IHost,simulator VS.targetI经典：VxWorks、嵌入式Linux系列、RTEMS、WindowsCE、PalmOS.作业一I作业：I阅读至少2本操作系统相关书籍，给出这些书中关于操作系统的定义，要列出出处。I阅读至少2本操作系统相关书籍，阐明操作系统的公共设计目标和某些操作系统特有的设计目标，要列出出处。I阅读至少2本操作系统相关书籍，阐明操作系统的作用，要

48、列出出处。I操作系统的基本类型是哪三种？他们的关键技术有哪些？.实验一I安装虚拟机I在虚拟机(VirtualBox)上安装一款Linux发行版操作系统(推荐KUbuntu，或按助教指定)I熟悉Linux下的软件安装方法I安装一个可用的集成开发环境（推荐：eclipse CDT）和GCC编译工具链（大多自带）I学会编写简单的shell脚本I注意：为防止数据因重装系统丢失，建议将数据与系统分开管理I1人1组I检查方法和要求：提交详细的安装说明书，要求列出遇到的困难和解决的方法I提交报告的时间：以邮件发送时间为准I截止时间：待定.小结What is OS?操作系统的定义和目标操作系统的作用操作系统的层次模型操作系统的发展动力操作系统的种类操作系统的发展过程19451955，无操作系统19551965，批处理系统19651980，引入分时1980now，百花齐放其他操作系统Personal-Computer SystemsParallel SystemsDistributed SystemsEmbedded System作业、实验和小结.谢谢！