操作系统概述浙江工业大学课件

操作系统概述操作系统概述第二章第二章1/74操作系统（操作系统（Operating System,Operating System,OSOS）是最重要的系统软件。本章从）是最重要的系统软件。本章从OSOS的作用、发展史、类型、特征和功能的作用、发展史、类型、特征和功能等多方面介绍等多方面介绍OSOS。教学目的教学目的2教学要求教学要求w熟悉操作系统作用和定义，了解熟悉操作系统作用和定义，了解操作系统的历史操作系统的历史。w熟练掌握多道程序设计技术的概念，掌握批处理熟练掌握多道程序设计技术的概念，掌握批处理系统、分时系统及实时系统三种系统、分时系统及实时系统三种操作系统基本类操作系统基本类型，了解微机操作系统、型，了解微机操作系统、网络操作系统、分布式网络操作系统、分布式操作系统和操作系统和嵌入式操作系统嵌入式操作系统。w掌握掌握操作系统操作系统并发性、共享性、虚拟性和异步性并发性、共享性、虚拟性和异步性等等特征，了解现代操作系统特征，熟悉操作系统特征，了解现代操作系统特征，熟悉操作系统功能。功能。3操作系统的目标和功能4/74操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能操作系统操作系统Operating Systemw控制应用程序执行的程序控制应用程序执行的程序w在应用程序和计算机硬件之间提供接口在应用程序和计算机硬件之间提供接口w设计目标设计目标n方便方便(Convenience)：使计算机更易于使用n有效有效(Efficiency)：使计算机系统资源得到最大化利用n扩展的能力扩展的能力(Ability to evolve)：有效地开发、测试和引进新的系统功能5 操作系统作用操作系统作用 从计算机系统组成观点从计算机系统组成观点操作系统是系统软件操作系统是系统软件 计算机系统组成：w软件软件：应用软件应用软件 系统软件系统软件（操作系统、语言处理系统和常用 的例行服务程序）w硬件硬件：输入输出（输入输出（IO）设备设备 存储器存储器(内存内存)中央处理器中央处理器(CPU)6从资源管理程序观点从资源管理程序观点操作系统是系统资源管理者操作系统是系统资源管理者w操作系统是系统资源管理程序，它用于控制和管理计算机系统的硬件和软件资源。w计算机系统资源：操作系统模块：软件：文件系统文件系统 硬件：IO设备 设备管理设备管理 存储器 存储器管理存储器管理 处理器 处理器（进程）管理处理器（进程）管理7作为资源管理器的操作系统作为资源管理器的操作系统w与普通计算机软件类似，是由处理器执行与普通计算机软件类似，是由处理器执行的一段程序或一组程序。的一段程序或一组程序。w操作系统经常释放对处理器的控制，并且操作系统经常释放对处理器的控制，并且依赖处理器的特性重新获得对处理器的控依赖处理器的特性重新获得对处理器的控制权。制权。实际上，操作系统就是一组程序，在处理实际上，操作系统就是一组程序，在处理器上同样以指令的方式执行。器上同样以指令的方式执行。8操作系统控制处理器使用其他系统操作系统控制处理器使用其他系统资源，并通过进程调度分配处理器资源，并通过进程调度分配处理器给不同的用户程序使用。给不同的用户程序使用。kernel,包含操包含操作系统中最常作系统中最常用的功能模块用的功能模块9从软件分层、扩充机器的观点从软件分层、扩充机器的观点 操作系统是扩充裸机的第一层系统软件操作系统是扩充裸机的第一层系统软件软件：语言处理程序 虚拟机2软件：操作系统 虚拟机1 硬件（裸机）：一台完全没有软件的计算机系统一台完全没有软件的计算机系统 虚拟机虚拟机：二者结合变成了功能更强大使用更方便的机器。操作系统是扩展的机器，是虚拟机。10从服务用户的观点从服务用户的观点操作系统是用户与裸机之间接口操作系统是用户与裸机之间接口 用户 接口 操作系统 裸机w系统提供的接口有二类：一类是作业级接口作业级接口，它提供一组键盘命令，供用户组织和控制自己的作业运行。另一类是程序级接口程序级接口，它提供一组系统调用，即OS中某个模块功能，供用户程序和其它程序调用。11计算机系统分层和视图计算机系统分层和视图普通普通用户用户编程员编程员操作系统操作系统设计师设计师计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统实用程序实用程序应用程序应用程序操作系统的易扩展性w操作系统发展的原因n硬件升级和新型硬件的出现n新的服务n纠正错误w对操作系统设计要求n构造系统采用模块结构n清楚定义模块间的接口n备有说明文档13w程序运行：从进程的观点程序运行：从进程的观点操作系统是由若干个可以并发执行的进程和一个对进程进行控制和协调的核心（kernel）组成。w程序开发程序开发wI/OI/O设备管理设备管理w文件访问控制文件访问控制w系统访问系统访问w错误检测和响应错误检测和响应w记账记账操作系统提供的服务操作系统提供的服务14 2.2 操作系统的历史操作系统的历史 1 第第0 0代（代（4040年代未年代未5050年代初）无操作系统年代初）无操作系统 这时的计算机操作是由程序员采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统。2 2 第一代（第一代（5050年代中年代中5050年代末）初级单道批处理系统年代末）初级单道批处理系统 它是为了减少人工操作时间和作业转换时间提高CPU利用率而设计的。系统自动成批处理作业，这是初级单道批处理系统。3 3 第二代（第二代（6060年代初年代初6060年代中）多道程序设计共享系统年代中）多道程序设计共享系统 这一代操作系统包括多道批处理系统、采用交互方式的分时系统和以提高瞬时响应时间为特征的实时系统。15操作系统的历史操作系统的历史4 4 第三代（第三代（6060年代中年代中7070年代中）多模式系统年代中）多模式系统 这一代计算机系统是通用系统，这一代操作系统是多模式系统，即一个系统同时支持批处理、分时处理、实时处理和多重处理。5 第四代（第四代（7070年代中年代中 ）网络操作系统和分布式操作系）网络操作系统和分布式操作系统统n网络操作系统实现在计算机网络上进行信息交换、资源共享和互操作等功能。n分布式操作系统将地域上分散的各系统互连成一个具有整体功能的系统，并可将一个任务分布地在各系统上运行，实现分布式处理。16操作系统研发的过程操作系统研发的过程w第一个历史阶段：大型主机时代，操作系统作为硬件的组成部分之一，由硬件开发第一个历史阶段：大型主机时代，操作系统作为硬件的组成部分之一，由硬件开发商自己设计；商自己设计；w第二个历史阶段：个人电脑或小型主机时代，软件与硬件齐头并进，其间又经历了第二个历史阶段：个人电脑或小型主机时代，软件与硬件齐头并进，其间又经历了两个阶段：基于命令行的两个阶段：基于命令行的DOS操作系统和基于窗口图形界面的操作系统和基于窗口图形界面的Windows操作系统。操作系统。w 第三个历史阶段：第三个历史阶段：WEB时代。微软公司的时代。微软公司的NET技术与技术与SUN公司的公司的SUN ONE平台。平台。n“开发下一代的互联网操作系统开发下一代的互联网操作系统”课题列入国家课题列入国家863“十五十五”计划中的基础软件计划中的基础软件平台研发重点项目平台研发重点项目n2003年以首席科学家陈榕为首的北京科泰世纪科技有限公司开发年以首席科学家陈榕为首的北京科泰世纪科技有限公司开发“和欣和欣”操作操作系统系统1.0的产品。的产品。n2003年年1月月11日，以汪成为院士为主任、中国工程院副院长邬贺铨院士为副主日，以汪成为院士为主任、中国工程院副院长邬贺铨院士为副主任组成的鉴定委员会，所作的一项技术成果鉴定表明：继我国去年任组成的鉴定委员会，所作的一项技术成果鉴定表明：继我国去年“龙芯龙芯”通通用用CPU研制成功，标志着我国作为研制成功，标志着我国作为IT硬件技术核心的硬件技术核心的CPU研制取得了关键的群研制取得了关键的群体性突破；而今，体性突破；而今，和欣和欣操作系统这一面向未来互联网技术发展的核心软件操作系统这一面向未来互联网技术发展的核心软件的开发成功，则意味着我国基础软件研究开发实现群体突破也有了良好开端。的开发成功，则意味着我国基础软件研究开发实现群体突破也有了良好开端。和欣和欣操作系统是一个具有我国自主知识产权的操作系统，其体系结构和实操作系统是一个具有我国自主知识产权的操作系统，其体系结构和实施技术有创新性，在嵌入式操作系统达到了国内领先，国际先进水平。施技术有创新性，在嵌入式操作系统达到了国内领先，国际先进水平。171.串行处理串行处理（无操作系统）无操作系统）w特点特点n机器在控制台上运行，控制台由机器在控制台上运行，控制台由显示灯显示灯(display lights)、触发器、触发器（toggle switches）、输入设备和）、输入设备和打印机构成。打印机构成。n用机器代码编写的程序通过输入用机器代码编写的程序通过输入设备载入计算机；显示灯指示出设备载入计算机；显示灯指示出程序的执行情况；程序输出结果程序的执行情况；程序输出结果在打印机上显示在打印机上显示n程序员直接与计算机硬件打交道。程序员直接与计算机硬件打交道。n计算机系统以计算机系统以串行串行方式工作。方式工作。用户必须顺序用户必须顺序访问计算机访问计算机18两个主要问题两个主要问题w调度调度(Schedule time)n假设用户预订假设用户预订3小时的工作时间，结果只用了小时的工作时间，结果只用了30分钟就完成了工作，剩下的分钟就完成了工作，剩下的2小时小时30分钟机器不分钟机器不能分配给其他程序使用。存在大量的时间浪费问能分配给其他程序使用。存在大量的时间浪费问题。题。n如果用户程序通过预订的时间还没有完成工作，如果用户程序通过预订的时间还没有完成工作，程序将被无条件终止程序将被无条件终止w准备时间准备时间n包括在内存中加载编译器和源程序、保存编包括在内存中加载编译器和源程序、保存编译好的程序（目标程序）、加载目标程序和译好的程序（目标程序）、加载目标程序和公用函数并链接在一块。公用函数并链接在一块。n在这期间出现错误，只能重新开始在这期间出现错误，只能重新开始192.批处理系统批处理系统（Batch System）简单批处理系统简单批处理系统w目标：目标：为了解决人工操作（无操作系统）严重降低了计算机资源利用率的问题，即解决CPU等待人工操作和高速CPU与低速I/O间矛盾等问题。n脱机输入输出技术脱机输入输出技术：该技术利用一台外围机，脱离主机先将低速输入设备（如纸带机）的数据，输入到较高速大容量的输入设备（如磁带）上。w典型代表：用于IBM7090/7094的IBSYS人机矛盾人机矛盾20磁带机磁带机输出磁带输出磁带卡片卡片简单批处理系统简单批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带卡卡片片阅阅读读机机打打印印机机21批处理技术批处理技术w它利用磁带容量较大的特点，先将一批作业按序以脱机方式输入到磁带上。w主机在监控程序监控程序控制下，根据卡片机读入控制作业操作信息，逐个从磁带上读入作业到内存，调入汇编编释程序将源程序翻译成目标代码，连接装配后执行，结果输出打印。w执行完毕后再调入下一个作业，系统就这样自动地一个一个作业地进行处理，直至完成。w早期单道批处理系统解决了作业自动转换，从而减少作业建立和人工操作时间。22监控程序（监控程序（Monitors）控制作业执行顺序的软件。控制作业执行顺序的软件。w用户不再需要直接与硬件打交道用户不再需要直接与硬件打交道w所有作业按序组织成一批，并放在输入设备上，所有作业按序组织成一批，并放在输入设备上，供监控程序调度供监控程序调度w监控程序自动地开始加载作业监控程序自动地开始加载作业w每个程序结束后返回到监控程序，由监控程序每个程序结束后返回到监控程序，由监控程序自动加载下一个作业自动加载下一个作业23两个角度两个角度w监控程序角度监控程序角度n控制事件的顺序控制事件的顺序n每次从输入设备上读取一个作业每次从输入设备上读取一个作业n作业读入后，监控程序把控制权交给作业，作业读入后，监控程序把控制权交给作业，以便于作业执行以便于作业执行n当作业完成后，通过分支指令将控制权又交当作业完成后，通过分支指令将控制权又交还给监控程序还给监控程序24w处理器角度处理器角度n处理器首先执行主存中所存储的监控程序的指令处理器首先执行主存中所存储的监控程序的指令n根据监控程序指令功能读取作业并存储到主存中根据监控程序指令功能读取作业并存储到主存中n作业读入后，监控程序执行分支指令，使处理器下作业读入后，监控程序执行分支指令，使处理器下一条指令从用户程序的开始处继续执行（控制权交一条指令从用户程序的开始处继续执行（控制权交给用户程序）（给用户程序）（如何实现？如何实现？）n处理器执行用户程序的指令，直到遇到结束指令或处理器执行用户程序的指令，直到遇到结束指令或错误条件错误条件n处理器从监控程序中取下一条指令（控制权交还给处理器从监控程序中取下一条指令（控制权交还给监控程序）监控程序）两个角度两个角度25基本控制卡片基本控制卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱是现代作业控制语言和命令解释器的先驱26硬件功能支持硬件功能支持w依赖于处理器可以从内存不同地方取指令的能依赖于处理器可以从内存不同地方取指令的能力。力。w存储器保护存储器保护（Memory protection）n用户程序不能访问包含监控程序的内存区域用户程序不能访问包含监控程序的内存区域w计时器计时器（Timer）n避免一个作业独占系统避免一个作业独占系统w特权指令特权指令（Privileged instructions）n只能由监控程序执行的指令只能由监控程序执行的指令n用户模式用户模式/系统模式系统模式w中断中断27单道程序系统利用率单道程序系统利用率计算机 96%的时间用于等待 I/O设备完成文件数据传送28多道程序设计多道程序设计(Multiprogramming)w内存空间同时容纳两个或多个用户程序，当一内存空间同时容纳两个或多个用户程序，当一个用户程序需要等待个用户程序需要等待I/O设备时，处理器可以分设备时，处理器可以分配给另一个用户程序执行配给另一个用户程序执行2930现代多道批处理系统现代多道批处理系统w目标目标：为了进一步提高资源利用率，在硬件采用通道和中断技术支持并行操作的情况下，引入了多道程序设计技术，由此引入多道批处理系统。w多道程序设计技术：多道程序设计技术：它是在计算机内存同时存放几道相互独立的程序，这几道程序都处于运行过程中，它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。多道程序在宏观上并多道程序在宏观上并行执行，而在微观上多道程序在某个部件上（如行执行，而在微观上多道程序在某个部件上（如CPUCPU、I/OI/O）是串行的，即多道程序轮流地使用部件，交替是串行的，即多道程序轮流地使用部件，交替执行。执行。31两道批处理系统运行图（两道批处理系统运行图（一个一个CPUCPU和二个和二个I IO O设备：磁：磁盘和磁和磁带）32两道两道批处理系统运行图说明：批处理系统运行图说明：1.1.在计算机内存同时存放几道程序在计算机内存同时存放几道程序(程序程序A A、B B和监和监督程序督程序)2.2.系统各系统各部件（如部件（如CPUCPU、IOAIOA、IOBIOB）支持并行工作，支持并行工作，在某个时刻在某个时刻各各部件可运行不同的程序。部件可运行不同的程序。3.3.多道程序多道程序(程序程序A A、B B和监督程序和监督程序)在某个部件上在某个部件上（如（如CPUCPU、I/OAI/OA、I/OBI/OB）是串行工作。是串行工作。4.4.在多道程序中，监督程序在多道程序中，监督程序(操作系统操作系统)是控制中心，是控制中心，程序要使用某个部件（程序要使用某个部件（CPUCPU、I/OAI/OA、I/OBI/OB），），必须必须由监督程序调度和分配（根据一定的算法）。由监督程序调度和分配（根据一定的算法）。33示例（示例（250M可用内存，一个磁盘，一个可用内存，一个磁盘，一个终端和一台打印机，同时提交三个用户终端和一台打印机，同时提交三个用户程序）程序）34单道和多道情况下利用率对比35多道程序设计技术的好处和特征多道程序设计技术的好处和特征好处：好处：（1）提高内存和）提高内存和I/O设备的利用率；设备的利用率；（2）提高的利用率；）提高的利用率；（3）增加系统吞吐量。）增加系统吞吐量。特征：特征：（1）多道性）多道性 宏观上并发宏观上并发 微观上串行微观上串行（2）无序性）无序性（3）调度性）调度性(作业调度作业调度 进程调度进程调度)36多道程序批处理系统硬件支持多道程序批处理系统硬件支持wI/O中断中断和和DMA技术技术w内存管理内存管理技术以管理同时驻留在主存中技术以管理同时驻留在主存中的用户程序的用户程序w调度算法调度算法决定到底将处理器或决定到底将处理器或I/O设备分设备分配给哪个进程使用配给哪个进程使用37w目标目标：分时系统的形成和发展的动力是用分时系统的形成和发展的动力是用户的需要户的需要。n用户希望自己能直接控制程序的运行，及时进行人机交互，以便能方便地修改程序的错误。n用户希望一台计算机能为多台用户共享，解决当时（六十年代）计算机昂贵而缺少的矛盾，方便用户上机。3.分时系统分时系统(Time-Sharing Systems)38 第第一一个个分分时时系系统统（CTSSCTSS）由由MITMIT的的Fernando Fernando CorbatoCorbato等等19611961年年在在一一改改装装的的IBM IBM 7090/947090/94机机上上开开发发成成功功（有有3232个交互式用户）个交互式用户）约翰约翰麦卡锡麦卡锡John McCarthyJohn McCarthy(1927.9.4-2011.10.24)(1927.9.4-2011.10.24)分时概念的创始人分时概念的创始人19711971年的图灵奖获得者年的图灵奖获得者费尔南多考巴脱Fernando Fernando CorbatoCorbato实现分时系统的功臣实现分时系统的功臣 19901990年的图灵奖获得者年的图灵奖获得者 分时系统分时系统 39分时系统实现原理实现原理w在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，它同时允许许多用户通过终端以交互方式使用计算机并共享主机中的资源。w所谓分时分时是指多个用户分时共享使用同一台计算机，也就是说把计算机的系统资源（尤其是把计算机的系统资源（尤其是CPUCPU时间）时间）进行时间上分割，即将整个工作时间分成一个个的进行时间上分割，即将整个工作时间分成一个个的时间片，每个时间片分给一个用户使用，这样时间片，每个时间片分给一个用户使用，这样将将CPUCPU工作时间分别提供给多个用户使用，每个用户工作时间分别提供给多个用户使用，每个用户依次地轮流使用一个时间片。依次地轮流使用一个时间片。40主机主机终终端端41分时系统的实现分时系统的实现采用采用调进调出调进调出的单道分时系统的单道分时系统 在单道分时系统内存中只驻留一道程序，其余程序都在外存上。每当内存中一个程序运行一个时间片后，便调至外存（称为调出）。再从外存中选一个程序装入内存（称为调进）并运行一个时间片，依此方法使所有的作业都能在一规定的时间内轮流运行一个时间片，这样便能使所有的用户都能与自己的作业交互。在多个作业的轮流运行过程中，每个作业往往可能频繁地调进调出多次，开销大，故系统的性能较差。42兼容分时系统（兼容分时系统（Compatible Time-Sharing System，CTSS）w由由MIT 研发的第一个分时系统研发的第一个分时系统 控制权分配给用户时，该用户的程序和数据控制权分配给用户时，该用户的程序和数据被载入；被载入；系统每隔系统每隔0.2秒产生时钟中断；秒产生时钟中断；中断使操作系统重获控制权，并将处理器分中断使操作系统重获控制权，并将处理器分配给另一个用户；配给另一个用户；原用户程序和数据被写出到磁盘；原用户程序和数据被写出到磁盘；为简化设计，用户程序总是被加载到相同的为简化设计，用户程序总是被加载到相同的内存单元中。内存单元中。JOB1:15000JOB2:20000JOB3:5000JOB4:1000043基于多道程序设计的多道分时系统基于多道程序设计的多道分时系统w现代计算机采用大容量内存并采用内存与磁盘对换现代计算机采用大容量内存并采用内存与磁盘对换技术扩充内存，现代分时系统引入多道程序设计技技术扩充内存，现代分时系统引入多道程序设计技术，在内存中存放多道作业排成一个队列，依次轮术，在内存中存放多道作业排成一个队列，依次轮流地获得一个时间片来运行。流地获得一个时间片来运行。w由于由于切换切换作业就在内存，不要花费大量时间用于调作业就在内存，不要花费大量时间用于调进调出，故多道分时系统具有较好的系统性能。作进调出，故多道分时系统具有较好的系统性能。作业调度算法也不限于时间片不变，次序不变的简单业调度算法也不限于时间片不变，次序不变的简单轮转。象轮转。象UNIXUNIX操作系统对系统中各进程采用可抢占操作系统对系统中各进程采用可抢占的动态优先级调度算法，它也实现了各作业分时共的动态优先级调度算法，它也实现了各作业分时共享计算机，但时间片大小和轮转次序都在变化。享计算机，但时间片大小和轮转次序都在变化。w批处理系统和分时系统都是多道程序系统，是属于批处理系统和分时系统都是多道程序系统，是属于处理用户作业的系统。系统本身没有要完成的作业，处理用户作业的系统。系统本身没有要完成的作业，它只是起着管理调度系统资源，向用户提供服务的它只是起着管理调度系统资源，向用户提供服务的作用，这类系统可以说是作用，这类系统可以说是“通用系统通用系统”。44分时系统的重要指标分时系统的重要指标响应时间响应时间w 响应时间响应时间是分时系统的重要指标，它是用户发出是分时系统的重要指标，它是用户发出终端命令到系统开始作出响应的时间间隔终端命令到系统开始作出响应的时间间隔。系统的响应时间主要是根据用户所能接受的等待时间确定的。w假设分时系统中用户数为n，每个用户的运行时间片为q，则系统的响应时间为Tnq。每个用户分到的时间片q由二部分组成，用于进程切换时间W和用于真正处理时间S。nT n qnq S+W 45w分时系统中时间片q的选择是一个复杂而关键的任务。n时间片过大，造成响应时间不变时用户数减少，或造成用户数不变响应时间过长；n时间片过小，在一个时间片内切换开销相对增加，一个进程相对要花费更多的时间片才能运行结束，一个进程在系统中的周转时间大大增长。n最佳的时间片值应既能使分时用户得到好的响应时间，同时又要使在一个时间片内切换开销相对较小可忽略。wUNIX系统是典型的分时系统，UNIX系统是一个多用户，多任务操作系统。464.实时系统实时系统（Real-Time Systems）w目标目标：为了提高系统的响应时间，对随机发生的外部事件作出及时响应并对其进行处理。w分类分类实时控制系统实时控制系统 此类实时控制系统主要用于生产过程的自动控制，实验数据自动采集，武器的控制、包括火炮自动控制、飞机自动驾驶、导弹的制导系统。实时信息处理系统实时信息处理系统 这类系统主要用于实时信息处理，象飞机订票系统、情报检索系统。47实时系统实时系统特征特征快速的响应时间快速的响应时间 实时系统是为了提高系统响应时间而设计的操作系统，特别是实时控制系统，对外部事件的响应要十分及时迅速。实时系统的响应时间是由控制对象所能接受的时延确定的。外部事件往往以中断方式通知系统，系统有较强的中断处理能力，实时系统的设计也以“事件驱动”方式来设计。48有限的交互能力有限的交互能力 批处理系统和分时系统是“通用系统”，实时系统一般是专用系统，它为专门的应用而设计，系统本身就包含有控制某实时过程和处理实时信息的专用应用程序。实时系统（如实时信息处息系统）它能提供人机交互方式，但用户只能访问系统中某些特定的专用服务程序，不能象分时系统一般向终端用户提供多方面服务。高可靠性高可靠性 批处理系统和分时系统虽也要求系统可靠，相比之下，实时系统则要求系统高度可靠。因此实时系统中往都采用双机系统，多级容错措施来保证系统和数据的安全。实时系统实时系统特征特征495.微机操作系统微机操作系统（Desktop Systems）配置在微机上的OS称为微机操作系统。常用的有MS-DOS、MS Windows、OS/2、SCO UNIX、Linux等。w单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统MS-DOSMS-DOS MS-DOS是Microsoft公司开发的首先在IBM-PC机上使用的微机OS，MS-DOS操作系统现成了事实上的16位微机单用户单任务操作系统的标准。w多任务操作系统多任务操作系统MS WindowsMS WindowsWindows98/2000/XP是Microsoft公司开发的一个图形用户界面的多任务、多线程、全32位的操作系统。50Windows操作系统系列操作系统系列wWindows 2000 系列：Windows 2000 professional、Windows 2000 Server、Windows 2000 Advanced Server和 Windows 2000 Datacenter Server。wWindows XP三个版本：Windows XP Home Edition有良好的数字媒体平台，适合家庭用户和游戏爱好者；Windows XP Professional 是为商业用户设计的，有高级别的可扩展性和可靠性；Windows XP 64-BitEdition可满足最高级别的专业技术工作站用户的需要。wWindows Server System：是一个全面、集成而且具有互操作能力的服务器基础结构，提供了一个公用体系结构，Windows Server System的基础是Windows Server 2003操作系统。51其他微机操作系统其他微机操作系统w多多用户用户多多任务操作系统任务操作系统SCO UNIXSCO UNIX SCO公司将运行于大、中、小型机上UNIX操作系统移植到微机上，UNIX是多用户多任务操作系统。wLinuxLinux Linux操作系统是一个遵循标准操作系统界面的标准免费操作系统，具有UNIX BSD和UNIX SYS 的扩展特性。它的版权所有者是芬兰籍的Linus B.Toroalds先生和其它开发人员。Linux可以在基于Intel处理器的个人计算机上运行，它可以将一台普通的个人电脑变成功能强劲的UNIX工作站。52Linux操作系统操作系统wLinux有一个基本内核，一些组织和厂商将内核与应用程序、文挡包装起来，再加上安装、设置和管理工具，就构成了直接供一般用户使用的套件。wLinux版本分为两部分：内核版本和发行套件版本。n内核版本指的是在Linus领导下开发的系统内核的版本号，目前最新内核版本号为V4.1.7（2015.9.14）。n发行套件常见的有Slackware、Red Hat Linux、Debian 等。Red Hat Linux具有支持多种硬件平台（如Intel、Sparc和Alpha平台），软件安装、配置、升级、维护简单，系统管理工具方便等优点，是初学者的最佳选择。536.网络操作系统网络操作系统（Network Operating System,NOSNetwork Operating System,NOS）w定义：定义：网络操作系统网络操作系统是使网络上各计算机能方便地是使网络上各计算机能方便地进行网络通信进行网络通信、有效地共享网络资源，为网络用户有效地共享网络资源，为网络用户提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。w功能功能:l高效、可靠的网络通信l对网络中共享资源（在LAN中有硬盘、打印机等）有效的管理l提供电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服务l网络安全管理l提供互操作能力54现代操作系统特点现代操作系统特点内装网络内装网络w现代操作系统已把网络功能包含到操作系统的内核中，作为操作系统核心功能的一个组成部分。微软公司的Windows 2000，AT&T公司的UNIX System V、Sun公司的SunOS、HP公司的HPOX、IBM公司的AIX、Linux等都已把TCPIP网络功能包含在内核中。wWindows 2000把网络功能作为该系统执行体的输入输出（IO）系统的一部分。NT的IO系统包含有五部分：输入输出（IO）管理程序、文件系统、缓冲存储管理系统、设备驱动程序、网络驱动程序。557.分布式操作系统分布式操作系统（Distributed Operating Systems）w定义：定义：分布式操作系统分布式操作系统是能直接对分布式计算机系是能直接对分布式计算机系统中各类资源进行动态分配和管理，有效控制和统中各类资源进行动态分配和管理，有效控制和协调诸任务的并行执行，允许系统中的处理单元协调诸任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主、次之分，并向系统提供统一的、有效的接无主、次之分，并向系统提供统一的、有效的接口的软件集合口的软件集合。w基于两种环境:多处理器(CPU)系统或多计算机系统（集群）w是网络操作系统的更高级的形式，保持了网络操作系统的全部功能。56分布式操作系统与网络操作系统的区别分布式操作系统与网络操作系统的区别w分布性分布性 处理上的分布性是分布式操作系统的最基本特征。处理上的分布性是分布式操作系统的最基本特征。网络虽有分布处理的功能，但网络的控制功能，则大多集中在某个主机或服务器上，它的控制方式是集中的，分布式系统的处理分布是资源、功能、任务和控制都是分布的。w透明性透明性 分布操作系统负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输协调工作，并为用户提供一个统一的界面，标准的接口，用户通过这一界面实现所需要的操作和使用系统资源。分布式OS通常很好地隐藏系统内部的实现细节，如对象的物理位置、并发控制、系统故障等对用户都是透明的。57分布式操作系统与网络操作系统的区别分布式操作系统与网络操作系统的区别w统一性统一性 分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性，而网络系统一般是在各自操作系统基础上加上负责网络访问功能模块，网络各系统操作不一致。w健壮性健壮性 由于分布式系统的处理和控制功能是分布的，设备出现故障时，可通过容错技术实现系统重构，从而仍保持系统的正常运行，因而系统具有键壮性，即具有较好的可用性和可靠性。而网络系统其控制功能大多集中在主机和服务器中，使系统具有潜在的不可靠性。588.嵌入式操作系统嵌入式操作系统（Embedded Embedded OSOS)w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。通常在电器、电子和智能机械上，嵌入安装各种微处理器或微控制芯片。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”。w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。通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中。59嵌入式操作系统嵌入式操作系统w嵌入式操作系统具有高可靠性、实时性、占有资源少、嵌入式操作系统具有高可靠性、实时性、占有资源少、智能化能源管理、易于连接、低成本等优点。智能化能源管理、易于连接、低成本等优点。w嵌入式系统的应用非常广泛，如手机的通信控制、工业嵌入式系统的应用非常广泛，如手机的通信控制、工业监控、智能化生活空间监控、智能化生活空间(信息家电、智能大厦等等信息家电、智能大厦等等)、通、通信系统、导航系统等等。信系统、导航系统等等。n如汽车上的电子控制设备实际上是一个电脑网络，一辆现如汽车上的电子控制设备实际上是一个电脑网络，一辆现代化的轿车里面可能有数十个微处理器和相应的操作平台，代化的轿车里面可能有数十个微处理器和相应的操作平台，它们需要通信，需要监控汽车的运行等等。它们需要通信，需要监控汽车的运行等等。这就构成一个这就构成一个嵌入式系统，它包括任务处理、计算、网络互联、数据采嵌入式系统，它包括任务处理、计算、网络互联、数据采集、数据管理、智能控制、人机交互等诸多方面的技术集、数据管理、智能控制、人机交互等诸多方面的技术，而它需要一系列针对应用环境的操作平台来控制、协调各而它需要一系列针对应用环境的操作平台来控制、协调各种系统需求与服务，控制资源配置，这些平台共同构成了种系统需求与服务，控制资源配置，这些平台共同构成了这个嵌入式系统的操作系统。这个嵌入式系统的操作系统。60嵌入式操作系统的应用嵌入式操作系统的应用智能卡智能卡移动通信移动通信计算机外设计算机外设机顶盒机顶盒零售设备零售设备印刷机印刷机复印机复印机互联网服务器互联网服务器电话交换设备电话交换设备612.3 操作系统发展的主要成就操作系统发展的主要成就w进程进程（Processes）w存储器管理存储器管理（Memory Management）w信息保护和安全信息保护和安全（Information protection and security）w调度和资源管理调度和资源管理（Scheduling and resource management）w系统结构系统结构（System structure）62多道程序设计的主要问题多道程序设计的主要问题w不正确的同步不正确的同步（Improper synchronization）n信号机制设计出错会导致两个进程之间没法信号机制设计出错会导致两个进程之间没法保证同步性保证同步性w失败的互斥失败的互斥（Failed mutual exclusion）w不确定的程序操作不确定的程序操作（Nondeterminate program operation）n程序的结果可能取决于多个程序的执行先后程序的结果可能取决于多个程序的执行先后顺序顺序w死锁死锁（Deadlocks）63进程进程w一段可执行的程序一段可执行的程序w计算机中正在运行的程序的一个实例计算机中正在运行的程序的一个实例w可以分配给处理器并由处理器执行的一个可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体实体w由一个顺序的执行线程、一个当前的状态由一个顺序的执行线程、一个当前的状态以及一组相关的系统资源所描述的活动单以及一组相关的系统资源所描述的活动单元元64进程进程包含三个部分：包含三个部分：n一段可执行的程序一段可执行的程序n程序所需的相关数据程序所需的相关数据n程序执行的上下文环境程序执行的上下文环境l操作系统用于管理和控制进程所需的操作系统用于管理和控制进程所需的所有数据（如所有数据（如PC,数据寄存器内容数据寄存器内容,进进程优先级程优先级,进程状态等）进程状态等）65进程进程进程表，由操作系统创建和维护基址寄存器和界限寄存器，限定了进程所占用的内存范围66内存管理内存管理w进程隔离进程隔离（Process isolation）：）：保证进程的独保证进程的独立性立性w自动分配和管理自动分配和管理（Automatic allocation and management）：）：根据需要动态地分配存储空间根据需要动态地分配存储空间w支持模块化程序设计支持模块化程序设计（Support of modular programming）：）：分段机制支持程序员动态地分段机制支持程序员动态地修改程序的模块大小修改程序的模块大小w保护和访问控制保护和访问控制（Protection and access control）：）：实现内存空间的保护和共享实现内存空间的保护和共享w长期存储长期存储（Long-term storage）：）：文件系统满文件系统满足数据断电后的长期保存足数据断电后的长期保存67虚拟内存虚拟内存w允许程序员从逻辑的角度访问存储器，而不需要允许程序员从逻辑的角度访问存储器，而不需要考虑物理内存上可用的空间数量和数据所存储的考虑物理内存上可用的空间数量和数据所存储的实际物理地址实际物理地址w程序员使用虚地址访问内存，通过地址映射机制程序员使用虚地址访问内存，通过地址映射机制（通常由硬件实现）将虚地址动态映射为内存中（通常由硬件实现）将虚地址动态映射为内存中的实地址的实地址w一个进程被分成若干个块（分页和分段），每一一个进程被分成若干个块（分页和分段），每一块都可以放置在内存中用户空间的任何地方块都可以放置在内存中用户空间的任何地方w进程执行时，只需要一部分块在内存中即可。当进程执行时，只需要一部分块在内存中即可。当访问的块不在内存中时，产生缺页访问的块不在内存中时，产生缺页(缺段缺段)中断，中断，将所要访问的块从磁盘调入内存将所要访问的块从磁盘调入内存68虚拟内存虚拟内存69虚拟内存地址映射虚拟内存地址映射地址映射机制地址映射机制存储分配策略存储分配策略70信息保护和安全信息保护和安全w可用性可用性(Availability)n确保系统正常可用确保系统正常可用w机密性机密性(Confidentiality)n确保用户不能访问未授权的数据确保用户不能访问未授权的数据w数据完整性数据完整性(Data integrity)n保护数据不被未授权修改保护数据不被未授权修改w认证认证(Authenticity)n用户身份的认证用户身份的认证n数据的合法性数据的合法性71调度和资源管理调度和资源管理w公平性公平性（Fairness）n平等、公平地访问资源平等、公平地访问资源w有差别的响应性有差别的响应性（Differential responsiveness）n根据进程的不同优先级差别对待根据进程的不同优先级差别对待w有效性有效性（Efficiency）n最大化吞吐量最大化吞吐量n最小化响应时间最小化响应时间n尽可能容纳更多的用户尽可能容纳更多的用户72系统结构系统结构w层次化、模块化的组织和开发操作系统层次化、模块化的组织和开发操作系统w每一层都实现一组特定的子功能（模块）每一层都实现一组特定的子功能（模块）w最低层直接跟硬件打交道，最高层则面向用户，最低层直接跟硬件打交道，最高层则面向用户，为用户提供操作系统的操作界面为用户提供操作系统的操作界面w底层通过接口给上一层提供服务底层通过接口给上一层提供服务w模块内的修改不会影响到其他模块的功能实现模块内的修改不会影响到其他模块的功能实现（只要接口不变）（只要接口不变）732.4 现代操作系统的特征现代操作系统的特征w微内核结构微内核结构（Microkernel architecture）n只给内核分配一些最基本的功能，如进程通信、基本调只给内核分配一些最基本的功能，如进程通信、基本调度等度等n其他操作系统服务以用户进程的方式运行其他操作系统服务以用户进程的方式运行w多线程多线程（Multithreading）n将进程划分成可以同时运行的多个线程将进程划分成可以同时运行的多个线程l可分派的工作单元可分派的工作单元l顺序执行，可以被中断顺序执行，可以被中断w对称多处理（对称多处理（Symmetric multiprocessing，SMP）n多个处理器，共享相同的主存和多个处理器，共享相同的主存和I/O设备设备n所有处理器执行相同的功能所有处理器执行相同的功能w分布式操作系统分布式操作系统w面向对象设计面向对象设计74多道程序设计和多处理多道程序设计和多处理75作业作业题题书上习题书上习题2.12.1选选1 1.操作系统是一种A，在操作系统中采用多道程序设计方式能提高CPU和外部设备的B。一般来说，为了实现多道程序设计，计算机需要有C。A:(1)通用软件；(2)系统软件；(3)应用软件；(4)软件包。B:(1)利用效率；(2)可靠性；(3)稳定性；(4)兼容性。C：(1)更大的内存；(2)更快的外部设备；(3)更快的CPU；(4)更先进的终端；选选2 2.分时系统中，为使多个用户能够同时与系统交互，最关键的问题是A，当用户数目为100时，为保证响应不超过2秒；此时的时间片最大应为B。A：(1)计算机具有足够的运行速度；(2)内存容量应足够大；(3)系统能及时地接收多个用户输入；(4)能快速进行内外存对换。B：(1)10ms；(2)20ms；(3)50ms；(4)100ms；(5)200ms。76选选3 3.在设计分时操作系统时，首先要考虑的是A；在设计实时操作系统时，首先要考虑的是B；在设计批处理系统时，首先要考虑的是C。A、B、C：(1)灵活性和可适应性；(2)交互性和响应时间；(3)周转时间和系统吞吐量；(4)实时性和可靠性。选选4.4.为了提高计算机的处理机和外部设备的利用率，把多个程序同时放入主存储器，在宏观上并行运行是A；多个用户在终端设备上的交互方式输入、排错和控制其程序的运行是B；由多个计算机组成的一个系统，这些计算机之间可以通信来交换信息，互相之间无主次之分，它们共享系统资源，程序由系统中的全部或部分计算机协同执行，管理上述计算机系统的操作系统是C；有一类操作系统的系统响应时间的重要性超过系统资源的利用率，它被广泛地应用于卫星控制、导弹发射、飞机飞行控制、飞机订票业务等领域是D。A-E:分时OS 实时OS 批处理系统 网络OS 分布式OS 单用户OS 多重程序设计 多道程序设计 并发程序设计7778 读卡机读卡机外围机外围机磁带磁带主机主机磁带磁带打印机打印机 纸带机纸带机系统带系统带脱机输入输出技术脱机输入输出技术返回返回79无操作系统下的软盘I/O操作 磁盘控制器：磁盘控制器：PD765PD765，进行软盘，进行软盘I/OI/O操作。操作。PD765PD765有有1616条条命命令令，命命令令数数据据长长度度从从1 1到到9 9字字节节不不等等，其其中中包包括括：读读写写数数据据、移移动动磁磁头头臂臂、格格式式化化磁磁道道、初初始始化化、检检测测磁磁盘盘状状态态、复复位位、校校准控制器和设备等。准控制器和设备等。最最基基本本的的命命令令是是读读数数据据和和写写数数据据。它它们们都都需需要要1313个个参参数数，所所有有这这1313个个参参数数被被封封装装在在9 9个个字字节节中中。参参数数信信息息有有：要要读读取取的的磁磁盘盘块块地地址址、每每条条磁磁道道的的扇扇区区数数、物物理理介介质质的的数数据据记记录录格格式式、扇扇区区间间隙隙、以以及及对对已已删删除除数数据地址标识的处理方法等。据地址标识的处理方法等。当当磁磁盘盘操操作作结结束束时时，控控制制器器芯芯片片返返回回2323个个状状态态及及出出错错信信息息，它它们们被被封装在封装在7 7个字节中。个字节中。程序员还要注意步进电机的开关状态。程序员还要注意步进电机的开关状态。返回返回8081