第1章操作系统发展(2)

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 操作系统引论,操作系统是随着计算机硬件技术、软件技术的发展而发展的。,目标：充分地利用资源,更好的提供服务,1.2,操作系统的发展,控制台 一个用户,一次完成一个功能,（计算，,I/O，,用户操作三者串行）,程序通过穿孔机或卡片装入,用户在控制台前调试程序,硬件非常昂贵，没有操作系统,一,.,人工操作,一个用户独占计算机的全部资源, 资源利用率低,工作效率非常低。,每个用户都要自行编写涉及到硬件的源代码。工作量大, 难度高, 易出错, 需要大量人力和物力。,人机矛盾, 人低速与机器利用率。,CPU,与,I/O,设备速度不匹配的矛盾。,为了解决这两个矛盾出现了,脱机,I/O,方式,I/O,设备由外围机控制。,1. 单道批处理,用户把程序(卡片)交给系统管理员,他把一批作业以脱机方式输入到磁带上,常驻监督程序(,Moniter,),对这批作业一个接一个连续处理。,批处理过程：,重复进行,装入程序、运行、打印结果、撤出、,二,.,批处理,2. 多道程序批处理系统,在磁盘上多个作业等待运行排成“后备队列”。,多道程序, 内存中同时有,多个作业,。,-选择(,调度,)若干作业装入内存(,存储管理,)。,运行的作业遇到,I/ O,请求时, 切换(,调度,)至内,存中的另一个作业并运行之。,增加: 存储管理重定位保护,并发程序设计技术。,采用缓冲,DMA,中断处理,优点:,多道程序,共享资源,资源利用率高。,系统吞吐量大,资源保持忙,系统开销小。,缺点: 作业平均周转时间长,无交互能力。,单道：,用户程序,监督程序,I/O,操作,I/O,请求,启动,I/O,I/O,完成,I/O,请求,多道：,程序,A,程序,B,程序,C,调度程序,A:I/O,请求,A:I/O,B:I/O,请求,B:I/O,C:I/O,A:,完成,t,t,特征,多道性: 内存同时驻留多道程序允许并发执行。,无序性: 作业完成顺序与进入内存顺序五严格对应关系。,调度性: 作业从提交到完成经两次调度。,作业调度、进程调度。,硬件速度更快，人力较以前昂贵,分时系统的产生用户需要,交互:,所有用户看似独占全机,都能直接修改错,误,立即人-机交互,共享:,多个用户用便宜终端,共享一台计算机。,方便:,用户对自己的作业进行控制,调试方便。,分时系统,是,一台主机带多个终端,同时允许多个用户用终端,共享一台主机,每个用户都可以通过终端方便地以交互方式使用主机。,三,.,分时系统,实现方法,作业直接进入内存。,不允许某作业长期占用处理机, 将响应周期分为很短的时间片, 在该周期内每个作业轮流执行一次(占一个时间片)。每个作业可以及时接收用户的命令和数据, 并能及时得到处理。,- 易于使用,提高人的生产力,- 磁盘便宜,故可在线存放程序和数据,- 引入文件系统,使用户可存取数据,具有“前台”和“后台”的多道分时系统,内存中同时存放多道作业, 道数和位置都不固定, 某些称为“前台区”存放按时间片调度的前台作业流, 其余道为“后台区”存放批处理作业流。,只有当前台调进调出或前台无可运行的作业时才运行后台作业。,既有分时系统多台终端共享主机交互性好, 又有多道批处理系统资源利用率高的优点。,分时系统的特点,多路性:,一台主机同时联接多个终端,系统按分时的原则为每个用户服务, 共享资源。,独立性: 用户各占一个终端, 感觉像独占主机,及时性: 用户请求能在容许的响应周期内及时获得响应,响应周期通常在3秒以内。,交互性: 用户通过终端与系统进行广泛的人机对话, 以请求系统提供多方面的服务。,成功之例,：,AT&T,公司贝尔实验室的两个计算机迷,Dennis Ritchie,和,Ken Thompson,首先在,PDP-7,上实现了,UNIX,系统。,(这样他们可在一台无人使用的,DEC PDP-7,小型计算机上玩星际探险游戏）,Ken Thompson,和,Dennis Ritchie,1983,年图灵奖获得者,1999年4月 美国国家技术金奖,需要实时处理,实时控制：,生产过程控制, 武器控制, 宇航自动控制。,实时信息处理：,飞机订票系统, 情报检索系统, 期货、股票交易系统。,特征,实时系统除了与分时系统相似的特征外对系,统的,及时性和可靠性,要求更高。,四,.,实时系统,硬件非常便宜，人力昂贵,目标： 充分利用人和时间,个人计算雏形,CPU,便宜到可在每台终端上安装，功能强大有效, 成为大众的计算机,使,OS,回归简单,使用户再次与系统交互, 增强文件系统,五,.,回归简单,操作系统的历史:变化!,意味着技术总在改变,要适应、折衷权衡,随历史线索，介绍一些重要的操作系统,真空管时代(1946年-1955年),晶体管时代(1955年-1965年),集成电路时代(1965年-1980年),大规模集成电路时代(1980年-至今),六,.,历史上的操作系统,第一台数字计算机,英国数学家,Charles,Babbage,(1792-1871),设计,他投入了毕生精力,但却没能让它成功地运行起来,因为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,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,哈佛大学的,Howard Aiken,普林斯顿高等研究院的,John,Neuman,（,冯诺依曼）,宾夕法尼亚大学的,J.,Presper,Eckert,和,William,Mauchley,德国电话公司的,Konraad Zuse,以及其他一些人,都使用真空管成功地建造了运算机器,1.,真空管计算机时代,人工操作,ENIAC,计算机,数万个真空管, 占地100平方米,运算速度：5000次/每秒,用机器语言,无程序设计语言,更谈不上操作系统。,程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的插件板插到计算机里。然后,期盼着在接下来的时间中,几万个真空管不会烧断,从而可以计算自己的题目。,50年代早期,出现了穿孔卡片,程序写在卡片上然后读入计算机,但计算过程则依然如旧,50年代晶体管发明,计算机比较可靠，可成批地生产,用户可指望计算机长时间运行，完成一些工作,FORTRAN 1954,年提出，1956年设计完成,ALGOL 1958,年引入,COBOL 1959,年引入,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,2.,晶体管计算机时代,先用高级语言或汇编语言将程序写在纸上,然后穿孔成卡片, 再将卡片盒交给操作员,计算结果从打印机上输出,操作员到打印机上撕下运算结果送到输出室,程序员稍后可从取到结果,然后, 操作员从输入室的卡片盒中读入另一个任务,机时在走来走去时被浪费,批处理操作系统 - 现代操作系统雏型,为了增加主存和,I/O,设备之间的吞吐量,IBM7094,机引入了,I/O,处理机概念,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,IBM 1401,计算机, 将它们读到磁带上,另外用较昂贵的计算机, 如,IBM7094,来完成真正的计算,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,基本控制卡片,是现代作业控制语言和命令解释器的先驱,第二代计算机典型的操作系统,FMS（FORTRAN Monitor System，FORTRAN,监控系统）,IBMSYS（IBM,为7094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,60年代初期,计算机开始采用集成电路,多数厂商有几条完全不同的生产线, 生产不同型号的计算机。,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, 后来可能需要一台大的计算机,而且希望能在新计算机上执行原有的程序。,这样, 厂家和用户都需要软件在不同型号的计算机之间兼容。,3.,集成电路计算机时代,1964 年,IBM,宣布推出,System/360,计算机系统,第一个采用小规模集成电路的主流机型,试图一次性地解决上述问题,由于所有的计算,机都有相同的体,系结构和指令集,在理论上, 为一,型号编写的程序,可以在其他型号,机器上运行。,IBM System/360,操作系统, 庞大的软件怪兽,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,CPU,时间,数百万行汇编代码中有成千上万处错误,IBM,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,所以随着时间的流逝, 错误的数量大致保持不变,多道程序设计技术(,multiprogramming),在,IBM 7094,机上, 若当前作业因等待,I/O,而暂停，,CUP,只能踏步直至该,I/O,完成。,对于,CPU,操作密集的科学计算问题, 浪费时间少。,对于商业数据处理,I/O,等待时间常占80-90。,解决办法,将内存分几个部分, 每部分放不同的作业。,当一个作业等待,I/O,时,另一个作业可以使用,CPU,。,在主存中同时驻留多个作业需要硬件进行保护,以避免信息被窃取或攻击。,分时系统,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, 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间,问题的解决导致分时系统的出现,（,CTSS，Compatible Time Sharing System）,分时系统实际上是多道程序的一个变种,分时系统的思想于1959年在,MIT,提出。,每个用户有一个联机终端。,在分时系统中, 假设20个用户登录, 其中17个在思考或谈论或喝咖啡, 则,CPU,可给那三个需要的作业轮流分配服务。,调试程序的用户常常只发出简短的命令, 而很少有长的费时命令。,所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务, 同时在,CPU,空闲时还能在后台运行大作业。,1961年, 第一个分时系统由,MIT,的,Fernando,Corbato,等在一改装的,IBM 7090/94,机上开发成功, 当时有32个交互式用户。,IBM 7090/94,计算机有32,K,内存,系统用5,K,用户用7,K,用户存储映象在内存和一台磁鼓之间切换。,1962年,Manchester,大学的,Atlas,计算机投入运行, 运行速度200,k FLOPS。,第一个有虚拟存储器(,virtual memory),和页面调度(,paging),的机器。,指令执行是管道式(,pipelined),的。,MULTICS,的灾难,1965年在,ARPA,的支持下,MIT、,贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种“公用计算服务系统”， 希望能够同时支持整个波士顿所有的分时用户。该系统称作,MULTICS (,MULTiplexed,Information and Computing Service )。,MULTICS,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。,高可靠的大型文件系统；大容量的用户信息共享；存储和构造层次化信息结构的能力。,MULTICS,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，1969年4月贝尔实验室退出，通用电气公司也退出了。 但最终，经过多年的努力，,MULTICS,成功地应用了。 运行,MULTICS,的计算机系统在九十年代中陆续被关闭。,MULTICS,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,UNIX,的成功有着巨大的影响,小型计算机,电子游戏和,UNIX,的成功,1969年,贝尔退出,MULTICS,研制项目后,Ken Thompson,和,Dennis M. Ritchie,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。,项目无着落，他们在一台无人用的,PDP-7,上,重新摆弄原先在,MULTICS,项目上设计的“空间旅行”游戏。,为了使游戏能够在,PDP-7,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、,shell,和汇编程序,1970年, 在一切完成后, 给新系统起了个同,MULTICS,发音相近的名字,UNIX。,随后,UNIX,用,C,语言全部重写, 自此,UNIX,诞生了。,UNIX,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广大用户的信赖。,促使,UNIX,系统成功的因素：,首先, 由于,UNIX,是用,C,语言编写, 因此它是可移植的，,UNIX,是世界上唯一能在笔记本计算机、,PC,机、工作站直至巨型机上运行的操作系统。,第二, 系统源代码非常有效, 系统容易适应特殊的需求。,最后, 也是最重要的一点, 它是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。,作业,1.,操作系统是如何从单道批处理，发展到多道批处理，再到分时系统的，随之出现了哪些技术。,2.,分时系统的出现让用户感受到了什么好处？典型的分时系统是什么？,3,操作系统是如何随硬件发展而发展的？,4. P33 10,11,微机操作系统：,随着大规模集成电路发展，个人计算机时代到来，各种类型的个人计算机和软件层出不穷。,CP/M,操作系统,1973年,Gary,Kildall,看到对个人计算机操作系统的需求设计了,CP/M,操作系统(,Control Program/Microprocessor or Microcomputer)。,CP/M,操作系统有较好的层次结构。它的,BIOS,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, 具有较好的可适应性和易学易用性。,到了1981年，,CP/M,操作系统成为世界上流行最广的8位操作系统之一。,4.,大规模集成电路计算机时代,微软,MS DOS,个人计算机的成功, 逼得,IBM,采取紧急战略行动, 决定要在1980年尽快生产出微型计算机, 以应付挑战。,但没有操作系统不行。要想快, 机遇落到了微软公司。,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机产品公司的,QDOS,操作系统的协议。,当时西雅图公司并不知道,QDOS,将被转卖给,IBM ,否则历史将会怎样演变, 谁也无法知晓。,IBM,在1981年推出个人计算机, 宣布了,DOS,操作系统。,随着,IBM PC,和,MS DOS,普及,CP/M,逐渐走向下坡路,MS DOS,有优良的文件系统, 但受到,Intel x86,体系结构的限制; 缺乏以硬件为基础的存储保护机制。,它属于单用户单任务操作系统。,从1981的 1.0版到1998年在,Windows 95/98,之下的7.0版，,MS DOS,历经了16个年头。,迄今仍有,MS DOS,爱好者继续开发各种,DOS,软件产品。,拯救苹果公司的,Macintosh(MAC OS),在推出,IBM PC,机后，市场卷起一股龙卷风。,IBM,自己也没有料到产品会有如此巨大的成功。,IBM,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。,苹果公司推出,Lisa,机遭到失败,Apple III,型也遭到失败,分析家们认为，在微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了。,施乐,Palo Alto,研究中心-70年代的计算机研究思想库,世界上第一台个人计算机,Alto，1972,年在这里出现。,图形界面, 手持鼠标, 面向对象程序设计,微机网络，桌面出版和激光打印等等。,有先进概念和技术的原型都首次出现在这里。,1979年苹果公司允许施乐公司购买一百万股的苹果公司股票。,作为回报，施乐公司允许苹果公司的少数人员，包括乔布斯，在有限的时间内考察施乐公司,Palo Alto,研究中心内部，并同该思想库的研究人员交谈。,苹果公司对,Palo Alto,研究中心内的技术大感吃惊, 他们更吃惊的是, 施乐公司在拥有这些宝贵技术的同时竟然什么也没有做！,对,Palo Alto,研究中心这些科学家们而言，苹果公司的人是他们第一次遇到真正理解他们技术的人。,这些科学家们后来有的去了苹果公司，微软公司，有的最终创办了自己的公司。,在访问的基础上，苹果决定立即开发采用这些新技术的个人计算机。,苹果公司已看到,IBM PC,机的技术有多么糟糕，但他们卖得又是特别的好。,MAC OS、,鼠标的新型个人计算机,1984年，人们看到一则广告：“,What was that?”,和对,Macintosh,的介绍, 这是配有图形界面操作系统,MAC OS,和鼠标的新型个人计算机。,MAC,机一上市立即在市场上获得极大的成功。,当年比尔,.,盖茨都说，这是一台他的妈妈也能使用的计算机。,Macintosh,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。,正是,Mac,先进图形界面操作系统技术, 超前,PC,机若干年，造就了一批苹果的忠实追随者。,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。,直到1985年11月20日,Windows 1.0,才正式上市。,Windows,的历史记录,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。,不过几年之后，,Windows,终于创造了销售成绩最佳的历史记录。,1992年4月推出,Windows 3.1, 1993,年5月,Windows NT,Windows 95,Windows CE,Windows 98,Windows 2000,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。,基于微内核的,Mach,操作系统,1975年,Rochester,大学开发了,RIG,操作系统。,系统设计者之一,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，它是,OSF,发布的基础。,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。,大型计算机操作系统:,IBM 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。,包括,TCP/IP,的多种通信协议，具有高网络安全性。,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10个240,M,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。,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。,嵌入式操作系统的代表:,VxWorks,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。,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。,从只需几千字节存储器的深嵌式产品设计到复杂高端实时系统设计，开发人员有八十多个选件并可构成上百个不同的配置。,VxWorks,开发主机：,Windows 9x,Windows NT, Sun Solaris, SunOS, HP-UX,等。,支持目标微处理器：86, 68,k, PPC, CPU 32, i960, SPARC,SPARCLite, SH,ColdFire, R3000, R4000, C16X, ARM, MIPS,等。,在“极地登陆者”号，“深空二号”和火星气候轨道器等登陆火星探测器上，就采用了,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。,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。,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,哈佛大学的,VINO，,使应用得以重用内核构件。,犹他州大学的,OSKit,，,提供构造操作系统所需的基础构件, 也提供高层次构件,OSKit,可用来构造新的,OS。,MIT,Exokernel,该系统只有一个极小的核。系统抽象通过,Library Operating System,完成,加州大学伯克利分校,NOW,集群操作系统, 100台,Ultra SPARC-I,处理机集群，排名于世界最快的200台超级计算机之内。,NASA,空间飞行中心(,GSFC),研制,Beowulf,项目开始于1994年, 用商业化的微型计算机，,Linux,和以太网等构造集群。世界各地约六十个大学和研究机构在使用。,5.,研究中的新的操作系统,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(150)操作系统的研制。,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。,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）。,COSIX v 1.X/2.0,国产类,UNIX,操作系统。,微内核结构，安全级别超过,B1，,中文界面。,嵌入式操作系统,Hopen,（,女娲计划）。,Linux,类操作系统。,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。,思考和回顾,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，无心插柳柳成行,未来操作系统的发展是否还会是这个模式?,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,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,1.3.,操作系统的分类,它是基于计算机网络的,是在各种计算机操作系统上,按网络体系结构协议标准开发的软件,包括网络管理,通信,安全,资源共享,和各种网络应用。,目标：是相互通信及资源共享,6.,网络操作系统,它基于两种环境:,多处理器(,CPU),系统或多计算机系统(网络), 是网络操,作系统更高级的形式, 保持了网络操作系统的全部功能,特征:,1.是一个统一的操作系统,2.资源进一步共享,3.透明性:,资源共享, 分布, 用户并不知道, 对用户是透明的,4.自治性:,分布式系统的多个主机处于平等地位,无主从关系,5.处理能力增强、速度更快、可靠性增强,7.,分布式操作系统,网络和分布式的区别,(1) 分布具有各个计算机间相互通讯，,无主从关系；网络有主从关系,(2) 分布式系统资源为所有用户共享；,而网络有限制地共享,(3) 分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务,什么是嵌入式系统？,在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统,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”,通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中,由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统,8.,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统，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,置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系,统软件,在嵌入式系统中的,OS，,称为嵌入式操作系统,典型嵌入式操作系统的特性,完成某一项或有限项功能；不是通用型的,在性能和实时性方面有严格的限制,能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素,占有资源少、易于连接,系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成,以便满足最终产品的设计要求,应用:,嵌入计算的各种应用特点,掌上电脑：,运算速度：100,KIPS,在大小上优化、支持手写、低能耗,工业设备：,运算速度：1,MIPS,安全优先，控制流程为主,军事装备,运算速度 ：1,GFLOPS,可靠性最重要,1.5.,现代操作系统的特征和功能,1.5.1,现代操作系统的基本特征,1. 并发,(,concurrence),计算机内存中同时存在多个程序, 宏观上这些程序是同时在执行的, 但在微观上任何时刻只有一个程序在执行。即微观上这些程序在,CPU,上轮流执行。,注意它和并行的区别, 并行是多个程序在不同的硬件上同时执行, 即在微观上这些程序也是真正的同时执行。,2. 共享,(,sharing),操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源(硬件和软件)。两种资源共享方式:,互斥共享方式和同时访问方式,3.虚拟,(,Virtual),把一个物理实体,“,虚拟”为多个逻辑体，如：,虚拟处理机、虚拟内存、虚拟设备和虚拟信道。,4. 异步性,(,asynchronism,),多个进程并发执行时, 各进程都是以走走停停的方式运行, 运行顺序无法预测, 即进程以异步方式运行。,因此, 操作系统必须随时对以不可预测的次序随机发生的事件进行响应。,1.5.2,现代操作系统的功能,1. 处理机管理,进程控制、进程同步、进程通信、进程调度,2. 内存管理,内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充,3. 设备管理,设备分配,缓冲管理,设备驱动,设备独立性,虚拟设备,4. 文件管理,存储空间管理、目录管理、读写管理、文件保护,5. 用户接口,命令接口、程序接口、图形接口、多媒体接口,1.6,操作系统的结构设计,操作系统是大型系统软件, 其结构已经历了四代,无结构模块化结构分层式结构微内核结构。,现代,操作系统的,开发,必须用软件工程的原理和方法来进行。软件工程是指系统的、规范的和可定量的方法来开发和维护软件，避免编程的随意性，以保证软件的质量和易维护性。,1.,无结构,操作系统(整体系统,结构,),设计者把注意力放在如何编制多功能、紧凑、高效的程序，整个程序是一个整体，程序内的各过程之间可以任意互相调用，程序的流程不加限制可任意转向，致使程序缺乏清晰的结构，错误较多难以阅读和理解，给维护工作造成极大的不便。,2. 模块化操作系统,结构,按功能将,操作系统分解为若干个相对独立的模块，各模块之间通过规定的接口实现交互，进一步再细分为子模块，并可再细分。,操作系统,进程管理,存储器管理,文件管理,进程控制,内存分配,进程调度,内存保护,3.分层式操作系统结构,1）有序分层,硬件之上为,A,1,层, 在,A,1,层基础上添加,A,2,层, 。每层只调用低层所提供的功能, 与高层软件无关。调试时从第,A,i,到高层逐层仔细调试保证功能正确, 这样当发现,A,i,出错时, 该错误局限于,A,i,层。,2）层次设置,被调用的模块应放在低层,使用频率高的应放在低层,公用模块应放,A,1,低层,用户接口应放在最高层,4.微内核操作系统结构,微内核结构是90年代发展起来的。如:,Mach OS,Windows NT。,微内核结构采用了 客户/服务器模式、,面向对象技术和微内核技术。,1) 客户/服务器模式(,Client-Server Model),将操作系统分为两部分,大部分功能由相对独立的各服务器来实现,它们都运行在用户态; 当用户进程(客户进程)要求服务时, 向相应的服务器发出请求, 服务器完成请求后回送一个应答; 另一部分是内核, 用来处理客户和服务器之间的通信, 即处理请求和应答。,客户进程 客户进程 进程服务器 内存服务器 文件服务器,请求,内核,应答,2) 面向对象技术,对象是指具有相同属性、服从相同规则的一类事物的抽象, 其中的具体事物称为对象的实例; 将数据结构和定义在其上的一组操作封装起来表示某个对象。这样数据结构中的数据对外都是隐蔽的, 必须通过封装其内的操作(函数,),对它们访问。优点是：,可修改性和可扩充性,继承性,正确性和可靠性,数据结构,函数1,函数2,函数3,3) 微内核技术,精心设计能实现,OS,核心功能的精练的小型内核, 称之为微内核,它不仅运行在用户态而且常驻内存; 在微内核结构中通常采用客户/服务器模式, 其大部分功能都由若干服务器来提供; 它的微内核通常提供最基本的功能:,进程管理,存储器管理,进程通信,低级,I/O,处理,作业,P33 13, 14,15,18,24,