《操作系统》详解课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,今日提纲,简要回顾上节课,1.3 操作系统的种类,实时操作系统,网络操作系统,操作系统的结构设计,1,复习,计算机发展历史,操作系统历史,操作系统的种类,2,复习,操作系统发展第一阶段：手工操作(45-55),CPU和输入输出之间利用效率低,操作系统第二阶段：,单道批处理系统(55-65),单路性 独占性 自动性 封闭性,操作系统第三阶段：多道批处理系统（65-75）,多路性 共享性 自动性 封闭性,分时系统(70年代至今),多路性 交互性 “独占性” 及时性,3,实时操作系统,实时：是指能,及时响应随机发生,的外部事件,、并对事件做出快速处理的能力。,外部事件：是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种服务请求（随机）。,实时操作系统,：是能对来自外部的请求和信号在限定的时间范围内做出及时响应的一种操作系统。,1.3 操作系统的种类,4,实时操作系统的分类,实时系统按其使用方式不同可以分为两类：,实时控制系统,(特定时间触发某个事件,),用于控制飞机飞行、导弹发射以及冶炼轧钢等生产过程,实时信息处理系统,(保持数据的同步),用于飞机订票、银行业务部门,1.3 操作系统的种类,5,实时控制系统,实时控制,指微型计算机在实时过程控制和提供环境监督中的应用。,过程控制,是指从传感器获得输入的数字或模拟信息进行分析处理后，激发一个活动信号，从而改变可控过程，以达到控制的目的。,1.3 操作系统的种类,6,实时控制系统例子：化学生产反应堆控制,传感装置,A,B,C,反应堆,阀门,阀门,计算机系统,记录仪,图 例：,控制信号,测量信号,1.3 操作系统的种类,7,实时系统的特点,高及时性：,对外部事件信号的接收、分析处理、以及给出反馈信号进行控制，都必须在严格的时间限度内完成。否则可能会引起爆炸、火灾等事故，给人身安全和国家财产造成无法挽回的损失。,高可靠性：,无论是实时控制系统还是实时信息处理系统，都必须有高可靠性。,1.3 操作系统的种类,8,网络操作系统,计算机网络：,是指把地理上分散的、具有独立功能的多个计算机和终端设备，经通信线路加以连接，达到数据通信和资源共享目的的计算机系统。,网络操作系统：,在网络范围内，用于管理网络通信和共享资源，协调各计算机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效方便的网络接口的程序集合。,1.3 操作系统的种类,9,网络操作系统的基本功能,网络通信：,为通信双方建立和拆除通信信路，实施数据传输，对传输过程中的数据进行检查和校正。,资源管理：,采用统一、有效的策略，协调诸用户对共享资源的使用，使得用户使用远地资源如同使用本地资源似的。,1.3 操作系统的种类,10,网络操作系统的基本功能,向用户提供多项网络服务：,电子邮件服务：,它为各用户间发送与接收信息，提供快捷、简便、廉价的现代化通信手段；,远程登录服务：,它使一台计算机能登录到另一台计算机上，使自己的计算机就像一台与远程计算机直接相连的终端一样进行工作，获取与共享所需要的各种信息；,文件传输服务：,他允许用户把自己的计算机连接到远程计算机上，查看那里有哪些文件，然后将所需文件从远程计算机复制到本地计算机，或将本地计算机中的文件复制到远程计算机中。,1.3 操作系统的种类,11,网络操作系统的基本功能,提供网络接口：,向网络用户提供统一的网络使用接口，以便用户能方便地上网，方便地使用共享资源，方便地获得网络提供的各种服务。,1.3 操作系统的种类,12,计算机网络系统的特点,自治性：,在网络中的每台计算机都有自己的内存储器、I/O设备，安装有自己的操作系统，因此具有很强的自治性，能独立承担分配给它的任务。,分散性：,系统中的计算机分布在不同的地域，有各自的任务。,互联性：,网络中分散的计算机及各种资源，通过通信线路实现物理上的连接，进行信息传输和资源共享。,统一性：,网络中的诸计算机，使用统一的网络命令。,1.3 操作系统的种类,13,实例：一波三折的微软Windows操作系统,1983年10月，PC机竞争厂家的图形界面相关产品上市,面对市场压力，比尔.盖茨在,1983年11月10日宣布推出,Windows操作系统,然而宣布容易，交货就不简单了，Windows交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄,Windows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,直到1985年11月20日,，Windows 1.0才正式上市,不过几年之后，Windows终于创造了销售成绩最佳的历史记录,1.3 操作系统的种类,14,Windows的历史记录,1987年12月，Windows 20正式供货。,1990年5月22日，微软推出Windows 3.0 ，该版本对内存管理、图形界面做了重大改进，使图形界面更加美观并支持虚拟内存 。,1992年4月，推出了,略加改进的,Windows 3.1。,1995年推出了Windows95，它可以独立运行而无需DOS支持。,Windows ME，Windows 98，Windows 2000，Windows XP,个人计算机采用Windows占90以上，微软公司成了垄断PC行业的同义词,1.3 操作系统的种类,15,基于微内核的Mach操作系统,RIG 操作系统（Rochester大学，1975年开发）设计者之一Richard Rashid 移居到CMU后，在DARPA支持下，1984年开始了Mach的开发,希望Mach能与UNIX兼容，运行线程，更好的进程通信机制，支持多处理机及好的虚拟存储系统。,Mach第一个版本是1986年为VAX 11/784四CPU多处理机发布,1988年的Mach 2.5版包含了大量的BSD UNIX的代码，1989年Mach内核中就去掉了所有的BSD UNIX的代码，剩下了一个纯的Mach微内核，这就是Mach 3.0版本,1.3 操作系统的种类,16,Mach中采用了许多当代操作系统使用的技术, 微内核、线程、进程间消息传递和面向对象的设计方法等等,在Mach的基础上，有不少用于微处理器、多处理器以及超级计算机的操作系统和实时嵌入式操作系统陆续设计和开发出来，如OSF/1，DCE Unix, NeXT等等,基于微内核的Mach操作系统,1.3 操作系统的种类,17,IBM大型计算机操作系统OS/390,90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,三十年的改进，IBM S/390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,支持UNIX 95标准，UNIX应用程序可在IBM OS/390上运行，同时还可继续运行S/390应用程序，包括S/370上开发的应用程序,OS/390包括TCP/IP的多种通信协议，具有高网络安全性,1.3 操作系统的种类,18,IBM大型计算机操作系统OS/390,OS/390采用面向对象程序设计、并行处理、分布式处理以及客户机/服务器技术，具有较强的互操作性、可移植性与可扩展性,由于历史渊源，OS/390有不同的系统运行方式:,S/370本机模式，支持原先在S/370运行的程序,ESA/390模式，支持到10个240M处理器内存和256个通道,ESA/390 LPAR模式，系统可分成最多十个部分，每个部分有自己的CPU，存储器和通道，且分别运行不同的操作系统，如S/370, ESA/370 和ESA/390等,1.3 操作系统的种类,19,在PC机时代，人们曾经估计大型计算机会衰亡。,IBM S/390是大型计算机复活的一个典型。,那么，在21世纪的Internet和后PC的时代，大型机还会有什么演化，只有让时间来说明,1.3 操作系统的种类,20,嵌入式操作系统的代表VxWorks,VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。,VxWorks良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。,VxWorks支持各种工业标准，包括POSIX, ANSI C和TCP/IP网络协议。,VxWorks运行系统的核心是一高效率的微内核,支持各种实时功能，包括快速多任务处理，中断支持，抢占式和轮转式调度。微内核设计减轻了系统负载并可快速响应外部事件,1.3 操作系统的种类,21,嵌入式操作系统的代表VxWorks,VxWorks以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。,在美国的 F-16、FA-18 战斗机、B-2 隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。,VxWorks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份额,1.3 操作系统的种类,22,Internet时代与Linux,1990年秋天，Linus,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，Linus买了台PC机，开发了第一个程序，程序包括两个进程，向屏幕上写字母，然后用定时器来切换进程,Linus需要终端仿真程序来存取Usenet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、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,Linux就以这样极其古怪但也极其自然式问世,1.3 操作系统的种类,23,Internet时代与Linux,Hello everybody out there using minix-Im doing a (free) operating system,在1991年的八月,，网络上出现了一篇以此为开篇话语的帖子，这是Linus 为自己写的类似minix，可运行在386上的操作系统,寻找志同道合的合作伙伴。,1991年10月5日，Linus 在新闻组发布了大约有一万行代码的Linux v0.01版本。,到了1992年，大约有1000人在使用Linux，值得一提的是，他们基本上都属于真正意义上的hacker。,1993年，大约有100余名程序员参与了Linux内核代码编写/修改工作，其中核心组由5人组成，此时Linux 0.99的代码有大约有十万行，用户大约有10万左右。,1.3 操作系统的种类,24,Internet时代与Linux,1994年3月，Linux1.0发布，代码量17万行，当时是按照完全自由免费的协议发布，随后正式采用GPL协议。至此， Linux的代码开发进入良性循环。很多系统管理员开始在自己的操作系统环境中尝试linux，并将修改的代码提交给核心小组。由于拥有了丰富的操作系统平台，因而 Linux的代码中也充实了对不同硬件系统的支持，大大的提高了跨平台移植性。,1995年，此时的Linux 可在Intel、Digital 以及Sun SPARC处理器上运行了，用户量也超过了50万，相关介绍Linux的Linux Journal杂志也发行了超过10万册之多。,1.3 操作系统的种类,25,Internet时代与Linux,1996年6月，Linux 2.0内核发布，此内核有大约40万行代码，并可以支持多个处理器。此时的Linux 已经进入了实用阶段，全球大约有350万人使用。,1997年夏，大片泰坦尼克号在制作特效中使用的160台Alpha图形工作站中，有105台采用了Linux操作系统。,1.3 操作系统的种类,26,Internet时代与Linux,1998年是Linux迅猛发展的一年。1月，小红帽高级研发实验室成立，同年RedHat 5.0获得了InfoWorld的操作系统奖项。,4月Mozilla 代码发布，成为linux图形界面上的王牌浏览器。Redhat 宣布商业支持计划，网络了多名优秀技术人员开始商业运作。,王牌搜索引擎“Google”现身，采用的也是Linux服务器。,值得一提的是， Oracle 和Informix 两家数据库厂商明确表示不支持Linux，这个决定给予了Mysql数据库充分的发展机会。,同年10月，Intel和Netscape宣布小额投资红帽软件，这被业界视作Linux获得商业认同的信号。同月，微软在法国发布了反Linux公开信，这表明微软公司开始将Linux视作了一个对手来对待。,1.3 操作系统的种类,27,Internet时代与Linux,十二月，IBM发布了适用于Linux的文件系统AFS 3.5以及Jikes Java 编辑器和Secure Mailer及DB2测试版，IBM的此番行为，可以看作是与Linux羞答答地第一次亲密接触。,迫于Windows和Linux的压力，Sun逐渐开放了Java协议，并且在UltraSparc上支持Linux操作系统。,1998年可说是Linux与商业接触的一年。,1.3 操作系统的种类,28,Internet时代与Linux,1999年，IBM宣布与Redhat公司建立伙伴关系，以确保Redhat在IBM机器上正确运行。,三月，第一届 LinuxWorld 大会的召开，象征Linux时代的来临。IBM、Compaq和Novell宣布投资Redhat公司，以前一直对Linux持否定态度的Oracle公司也宣布投资。,五月，,SGI公司宣布向Linux移植其先进的XFS文件系统,。对于服务器来说，高效可靠的文件系统是不可或缺的，SGI的慷慨移植再一次帮助了Linux确立在服务器市场的专业性。,7月,IBM启动对Linux的支持服务和发布了Linux DB2,，从此结束了Linux得不到支持服务的历史，这可以视作Linux真正成为服务器操作系统一员的重要里程碑。,1.3 操作系统的种类,29,Internet时代与Linux,2000年，Linux在嵌入式行业的潜力逐渐被发掘出来,伴随着国际上的Linux热潮，,国内的联想和联邦推出了“幸福Linux家用版”，,同年7月,中科院与新华科技合作发展红旗Linux, 此举让更多的国内个人用户认识到了存在着Linux这个操作系统。,11月，Intel 与 Xteam合作，推出,基于Linux的网络专用服务器，,此举结束了在Linux单向顺应硬件商硬件开发驱动的历史。,2001年，8月红色代码爆发，引得许多站点纷纷从windows操作系统转向linux操作系统。,12月,Red Hat 为IBM s/390大型计算机提供了Linux解决方案。,1.3 操作系统的种类,30,Internet时代与Linux,2002年3月，内核开发者宣布新的Linux系统支持64位的计算机。,2003年1月，NEC宣布将在其手机中使用Linux操作系统，代表着Linux成功进军手机领域,2004年6月的统计报告显示在世界500强超级计算机系统中，使用Linux操作系统的已经占到了280席，抢占了原本属于各种Unix的份额。9月HP开始网罗Linux内核代码人员，以影响新版本的内核朝对HP有利的方式发展，而IBM则准备推出OpenPower服务器，仅运行Linux系统。,1.3 操作系统的种类,31,Internet时代与Linux,Linux是爱好者们通过Internet协同开发出来的,如果没有Intenet 网，没有遍布全世界的无数计算机骇客的无私奉献，那么Linux最多只能发展到0.13(0.95)版的水平,1.3 操作系统的种类,32,操作系统领域中新的操作系统,有线电视机顶盒领域， PowerTV,移动通信领域，EPOC,掌上计算机领域，Palm OS,数字影像领域， Digita,1.3 操作系统的种类,33,国内操作系统的研制状况,60年代末至70年代初,杨芙清院士,主持,我国第一台百万次集成电路计算机操作系统,支持多道程序运行，在石油勘探领域成功应用,70年代中后期,杨芙清院士主持,我国第一个全部用高级语言书写的DJS240机操作系统DJS200/XT2,层次管程结构模型，PCM设计方法，活跃管程结构模式,1.3 操作系统的种类,34,国内操作系统的研制状况（续）,GX73多机实时操作系统（1978年）,国防科技大学，1980年装在“远望”-I 号航天测量船上，完成了向太平洋发射运载火箭、潜水艇水下发射的测控任务；完成了我国第一颗同步地球卫星的测控、定轨、控制任务,“银河”-1 YHOS巨型操作系统（1983年）国防科技大学，用于YH-1、YH-2超级计算机，用于我国的石油勘探、天气预报和核物理研究,COSIX v 1.X/2.0 国产UNIX类操作系统（国家八五、九五重点科技攻关成果，以中软为首，联合国内18个单位共同完成）,微内核结构，安全级别超过B1，中文界面,1.3 操作系统的种类,35,1996年，“银河麒麟”操作系统,由自主研发的基本内核层和基于FreeBSD（一种Unix操作系统）改造的系统服务层组成,目前,我国通过认证的安全等级最高的操作系统,1999年，嵌入式操作系统Hopen（女娲计划）,中科院软件研制中心推出“女娲计划”， 其中的嵌入式操作系统,Hopen可广泛用于机顶盒、袖珍电脑,、掌上电脑、PDA、DVD、Internet接入设备等。,Linux类操作系统,1.3 操作系统的种类,国内操作系统的研制状况（续）,36,思考和回顾,个人计算机的兴起，结束了IBM的霸主地位,Internet普及，Linux的成功，极大地推动了当代操作系统的研究发展活动,据不完全统计，当前在Internet上，有超过100个操作系统的项目在14个国家中进行着,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,1.3 操作系统的种类,37,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,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，无心插柳柳成荫,在Internet时代，新概念、新思想、新原理和新技术层出不穷,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呢！,思考和回顾（续1）,1.3 操作系统的种类,38,1.3 操作系统的种类,操作系统的结构设计,传统的操作系统结构,无结构操作系统,模块化结构,分层式OS结构,现代,操作系统,结构,客户/服务器模式(Client-Server Model),面向对象的程序设计技术,微内核技术,39,1.3 操作系统的种类,无结构操作系统,在早期开发操作系统时，设计者只是把他的,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，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构，,此时程序设计的技巧，只是如何编制紧凑的程序，以便于有效地利用内存、对GOTO语句的使用不加任何限制，所设计出的,操作系统既庞大又杂乱,。这一方面程序错误很多，给调试工作带来很多困难；另一方面程序难以阅读和理解，增加了维护负担。,40,1.3 操作系统的种类,模块化结构,模块化程序设计技术，是最早(20世纪60年代)出现的一种程序设计技术。该技术是,基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件,的复杂度的。为使OS具有较清晰的结构,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设备管理模块和文件管理模块等，并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,41,1.3 操作系统的种类,图 1-5 模块化操作系统结构,42,1.3 操作系统的种类,模块化OS的优点,提高了OS设计的正确性、 可理解性和可维护性。,增强了OS的可适应性。,加速了OS的开发过程。,模块化OS的缺点,在开始设计OS时，对,模块的划分及对接口的规定并不精确,， 而且还可能存在错误，因而很难保证按此规定所设计出的模块会完全正确， 这将使在把这些模块装配成OS时发生困难,从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别；由于管理上的差异，又会使,模块间存在着复杂的依赖关系使OS结构变得不清晰,。,43,1.3 操作系统的种类,分层式OS结构,基本思想,层次的设置,44,1.3 操作系统的种类,分层式结构,基本思想,从改进设计方式上说，应使,每一步设计都是建立在可靠的基础上,。,从,物理机器开始,， 在其上面先添加一层具有一定功能的,软件A1, 经过精心设计和几乎是穷尽无遗的测试后，可以认为A1是正确的；然后再在A1上添加一层新,软件A2,，如此一层一层地自底向上增添软件层，最后总能构成一个能满足需要的OS。,每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务,，这样可使系统的调试和验证都变得容易,45,1.3 操作系统的种类,层次的设置,程序嵌套,运行频率,公用模块,用户接口,46,1.3 操作系统的种类,层次的设置,程序嵌套,通常,OS每个功能,的实现， 并非是只用一个程序便能完成的，而是要,经由若干个软件层才有可能完成,。因此在划分OS层次时，首先要考虑在实现OS 的每个功能时所形成的程序嵌套,例如，作业调度模块须调用进程控制模块；在为某作业创建一进程时，又须调用内存管理模块为新进程分配内存空间，可见，,进程控制模块应在内存管理模块之上； 而作业调度模块又应在更高层,。,47,1.3 操作系统的种类,层次的设置,运行频率,在分层结构中，各层次软件的运行速度是不同的，因为,A1层软件,能直接在物理机器上运行， 故它有,最高的运行速度,。,随着层次的增高，其相应软件的运行速度就随之下降，因而,A,n,层软件的运行速度最低,。,为了提高OS的运行效率，应该,将那些经常活跃的模块放在最接近硬件的A1层,，如时钟管理、进程调度，通常都放在A1层。,48,1.3 操作系统的种类,层次的设置,公用模块,应把供多种资源管程程序调用的,公用模块， 设置在最低层,，不然，会使比它低的层次模块由于无法调用它而须另外配置相应功能的模块。,例如，用于对信号量进行操作的原语Signal和Wait。,49,1.3 操作系统的种类,层次的设置,用户接口,为方便用户(程序)，OS向用户提供了“用户与OS的接口”,如命令接口、程序接口以及图形用户接口。,这些,接口应设置在OS的最高层,，直接提供给用户使用。,50,1.3 操作系统的种类,客户/服务器模式(Client-Server Model),为了提高OS的灵活性和可扩充性而,将OS划分为两部分，服务器(进程)和内核,服务器(进程)，都运行在用户态,。 当有一用户进程(现在称为客户进程)要求读文件的一个盘块时，该进程便向文件服务器(进程)发出一个请求；当服务器完成了该客户的请求后，便给该客户回送一个响应。,内核，用来处理客户和服务器之间的通信,，即由内核来接收客户的请求，再将该请求送至相应的服务器；同时它也接收服务器的应答， 并将此应答回送给请求客户。 此外，在内核中还应具有其它一些机构，用于实现与硬件紧密相关的和一些较基本的功能,51,1.3 操作系统的种类,客户/服务器模式(Client-Server Model),单机环境下的客户/服务器模式,52,1.3 操作系统的种类,客户/服务器模式的优点,提高了系统的灵活性和可扩充性。,提高了OS的可靠性。,可运行于分布式系统中。,53,1.3 操作系统的种类,面向对象的程序设计技术,面向对象技术是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。,所谓,对象,，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象，而把其中的具体事物称为对象的实例。,OS中的各,类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念,，相应地，便有进程对象线程对象、 存储器对象等。,54,1.3 操作系统的种类,一个对象的示意图,数据结构,过程1,过程2,过程3,55,1.3 操作系统的种类,面向对象的程序设计技术优点,可修改性和可扩充性,。由于隐蔽了表示实体的数据和操作，因而可以改变对象的表示而不会影响其它部分， 从而可以方便地改变老对象和增加新对象。,继承性。,继承性是面向对象技术所具有的重要特性。继承性是指子对象可以继承父对象的属性，这样，在创建一个新的对象时， 便可减少大量的时空开销。,正确性和可靠性。,由于对象是构成操作系统的基本单元，可以独立地对它进行测试，这样，比较易于保证其正确性和可靠性，从而比较容易保证整个系统的正确性和可靠性,56,1.3 操作系统的种类,微内核技术,所谓微内核技术,，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核。,与一般的OS(程序)不同， 它更小更精炼，它,不仅运行在核心态，而且开机后常驻内存,，它不会因内存紧张而被换出内存。,微内核,并非是一个完整的OS,， 而只是为构建通用OS提供一个重要基础。,由于在微内核OS结构中，通常都,采用了客户/服务器模式，,因此OS的大部分功能和服务，都是由若干服务器来提供的， 如文件服务器、作业服务器和网络服务器等。,57,1.3 操作系统的种类,微内核基本功能,硬件抽象层的软件层，将执行体、内核、硬件分离开来,微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能,，如进程管理、存储器管理、进程间通信、 低级I/O功能。,58,