操作系統(tǒng)課件第1章 操作系統(tǒng)引論

●實踐性強（從實踐總結(jié)出原理）●涉及面廣（并行程序，性能問題，結(jié)構(gòu)問題，軟件工程等）●錯綜復(fù)雜、縱橫交叉

操作系統(tǒng)課程特點●認(rèn)真聽講，按時完成作業(yè)

●研讀教材、參考書，全面掌握其內(nèi)容

●善于思考，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題要努力尋求問題的答案注意學(xué)習(xí)方法第一章操作系統(tǒng)引論●操作系統(tǒng)的定義--------------操作系統(tǒng)是什么？●操作系統(tǒng)的形成--------------為什么要操作系統(tǒng)？●操作系統(tǒng)的特征--------------操作系統(tǒng)怎么樣？●操作系統(tǒng)的功能--------------操作系統(tǒng)能干什么？●操作系統(tǒng)的分類--------------操作系統(tǒng)有哪些？本章要點●操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)--------------操作系統(tǒng)新發(fā)展？資源管理的觀點用戶的觀點●操作系統(tǒng)是控制和管理計算機的軟、硬件資源，合理地組織計算機的工作流程，以及方便用戶的程序集合。本質(zhì)312●操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件系統(tǒng)的第一次擴充。機器擴充的觀點1.1操作系統(tǒng)的定義用戶的觀點●操作系統(tǒng)的地位：緊貼硬件（裸機）之上，所有其他軟件之下。1946年第一代計算機上沒有操作系統(tǒng)1958年第二代計算機上有了監(jiān)控系統(tǒng)1964年第三代計算機上操作系統(tǒng)得到極大發(fā)展1974年第四代計算機操作系統(tǒng)向多元化方向發(fā)展

Development1.2操作系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展

在第一代計算機上沒有操作系統(tǒng)，對計算機的操作完全是人工操作方式，這種人工操作方式有兩個缺點：●用戶完全獨占計算機。也就是說，計算機的全部資源只供一個用戶使用。●計算機等待人工操作。當(dāng)用戶操作時計算機要等待，CPU空閑。人工操作監(jiān)控系統(tǒng)●第二代計算機主要用于科學(xué)和工程計算，程序大多用FORTRAN語言書寫，該語言適用于作數(shù)值運算，當(dāng)時主機上用的控制程序稱之為監(jiān)控程序（Monitor），其功能相對比較簡單，監(jiān)控程序是操作系統(tǒng)的雛形。●

單道批處理系統(tǒng)（SimpleBatchSystem）是將所有的作業(yè)用一臺相對比較便宜的計算機（如IBM1401）輸入到磁帶上，此計算機稱為輸入/輸出機，實施數(shù)值運算、速度較快的計算機稱為主機（如IBM7094）。大批的作業(yè)在輸入/輸出機的控制下輸入到磁帶后，用一個特殊的程序來控制作業(yè)的讀入和運行，這個特殊的程序叫作業(yè)控制語言（JCL，JobControlLanguage）書寫，它能控制程序的運行，如圖所示。

●矛盾的觀點矛盾的觀點

●用操作員——不分工（第一代）-->有分工（第二代）

●減少人干預(yù)——手工操作-->早期的批處理●作業(yè)控制卡●作業(yè)控制語言JCL●FORTRAN語言產(chǎn)生（第二代）

●用多個操作員——產(chǎn)生分時系統(tǒng)（第三代）

●多臺外設(shè)----產(chǎn)生多道程序設(shè)計（第三代）

●提高外設(shè)速度●硬件----產(chǎn)生通道、中斷（第三代）

●軟件用緩沖區(qū)(Buffer)產(chǎn)生脫機輸入/輸出技術(shù)主機與外設(shè)速度的不匹配——Vcpu~Vp計算機與人速度的不匹配——Vcomputer~Vpersom啟示！■操作系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展是計算機內(nèi)部矛盾產(chǎn)生和發(fā)展的結(jié)果。速度的矛盾脫機輸入/輸出技術(shù)●程序和數(shù)據(jù)的輸入都不是在主機的控制之下，而是在一臺專門作輸入/輸出的計算機的控制之下進行，或者說，輸入/輸出工作是在脫離主機的情況之下進行的，故稱為脫機輸入/輸出（OffLineI/O），如圖所示。單道程序運行情況多道程序運行情況多道程序設(shè)計●隨著大規(guī)模集成電路（在每平方厘米的芯片上集成數(shù)千個晶體管）的發(fā)展，計算機向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。●個人計算機的時代到來了?！駛€人計算機連接成了網(wǎng)絡(luò)。因此運行其上的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)就開始崛起。多元化發(fā)展1.3操作系統(tǒng)的特征也稱隨機性，是指系統(tǒng)中各種事件的發(fā)生順序是不確定的。不確定并發(fā)兩個或兩個以上的事物在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生共享系統(tǒng)中的軟、硬件資源在其上的供多個程序共同享用

●互斥共享——某時間內(nèi)只允許一個進程訪問，該進程訪問完了，別人才可訪問。如：打印機

●同時訪問——某時間段內(nèi)，允許多個進程同時訪問。如：磁盤。虛擬通過某種技術(shù)手段把一個物理上的實體，變成多個邏輯上的對應(yīng)物1.4操作系統(tǒng)的功能創(chuàng)意存儲管理制作圖片進程管理制作動畫設(shè)備管理制作聲音文件管理編制程序用戶接口顯示器鍵盤CD-ROM外存儲器音響設(shè)備鼠標(biāo)內(nèi)存儲器中央處理器●對處理機的分配和運行實施有效管理?！裨诙嗟莱绦颦h(huán)境下，處理機的分配和運行以進程為單位，因此對處理機的管理即對進程的管理?！?/p>

任務(wù)●進程控制●進程同步●進程通信●進程調(diào)度●

功能制作圖片進程管理●方便用戶使用內(nèi)存●提高內(nèi)存的利用率●從邏輯上擴充內(nèi)存●

任務(wù)●內(nèi)存分配●地址映射●內(nèi)存保護●內(nèi)存擴充●

功能創(chuàng)意存儲管理制作動畫設(shè)備管理●完成用戶程序請求的I/O操作，為用戶程序分配I/O設(shè)備●提高外部設(shè)備的利用●盡可能地提高輸入/輸出的速度●方便用戶使用外部設(shè)備●

任務(wù)●設(shè)備分配●設(shè)備控制●設(shè)備無關(guān)性●

功能●大量的信息以文件的形式放在外存，對信息的管理也就是對文件的管理

●

任務(wù)制作聲音●文件存儲空間的管理●目錄管理●文件的讀、寫管理●文件的存取控制●

功能文件管理編制程序操作系統(tǒng)接口●聯(lián)機命令接口●脫機命令接口●圖形用戶界面（命令接口的改版）●

命令接口●

程序接口●也稱系統(tǒng)調(diào)用1.5操作系統(tǒng)類型成熟的發(fā)展中的●批處理系統(tǒng)●分時系統(tǒng)●實時系統(tǒng)●微機操作系統(tǒng)●多處理機操作系統(tǒng)

●網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

●分布式操作系統(tǒng)DevelopingDeveloped●嵌入式操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)單道●內(nèi)存中僅放一道作業(yè)●作業(yè)的完成順序與進駐內(nèi)存的順序相關(guān)多道●內(nèi)存中放多道作業(yè)●作業(yè)的完成順序與進駐內(nèi)存的順序無嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系●資源利用率高●系統(tǒng)吞吐量大●

優(yōu)點●平均周轉(zhuǎn)時間長●無交互能力●

缺點批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點IBM的DOS/VSE實例類型●簡單分時系統(tǒng)●具有前后臺的分時系統(tǒng)●多道分時系統(tǒng)

特征●多路性●獨立性●交互性●及時性分時系統(tǒng)

允許多個終端用戶同時使用計算機，在這樣的系統(tǒng)中，用戶感覺不到其他用戶的存在，好象獨占計算機一樣。OS/360Multics實例類型●閉環(huán)——實時控制系統(tǒng)●開環(huán)——實時信息處理系統(tǒng)特殊要求●高可靠性●過載保護●對截止時間的要求

對外部輸入的信息，實時系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)處理完畢并作出反應(yīng)。實時系統(tǒng)QNXVxWorksRTLinux實例●CP/M操作系統(tǒng)●MS-DOS

操作系統(tǒng)●OS/2

操作系統(tǒng)●

Windows

操作系統(tǒng)●UNIX及類UNIX

操作系統(tǒng)●Solaris ●SVR4●SCOOpenServer●SCOUnixWare7●

Xenix

●Linux●

MacOSX操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)●增加系統(tǒng)吞吐量●節(jié)省投資

●提高系統(tǒng)可靠性●

引入原因●非對稱多處理模式——主-從模式●對稱多處理模式——獨立管理模式●

多處理機OS類型多處理機操作系統(tǒng)●客戶/服務(wù)器模式——Client/server●對等模式——PeertoPeer●網(wǎng)絡(luò)OS模式●網(wǎng)絡(luò)通信●資源共享管理●網(wǎng)絡(luò)服務(wù)●

網(wǎng)絡(luò)OS功能網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)●網(wǎng)絡(luò)管理●互操作能力●多機合作●健壯性●透明性●共享性●

分布式OS特點分布式操作系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)是由若干個計算機經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連接而成的，這些計算機既可以獨立工作，又能協(xié)同工作?？蓪崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的資源管理，任務(wù)動態(tài)分配，并能并行地運行分布式程序?！穹植际郊軜?gòu)首次用于終端操作系統(tǒng)，實現(xiàn)跨終端無縫協(xié)同體驗?！翊_定時延引擎和高性能進程間通信（Inter-ProcessCommunication，IPC）技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)流暢?！窕谖?nèi)核架構(gòu)重塑終端設(shè)備可信安全?！聒櫭刹僮飨到y(tǒng)通過統(tǒng)一集成開發(fā)環(huán)境（

IDE）支撐一次開發(fā)，多端部署，實現(xiàn)跨終端生態(tài)共享?！?/p>

華為鴻蒙操作系統(tǒng)技術(shù)特性華為鴻蒙操作系統(tǒng)

華為鴻蒙（英語：HarmonyOS，開發(fā)代號：Ark）是基于微內(nèi)核的全場景分布式操作系統(tǒng)?！袂度胧接嬎銠C，顧名思義即將計算機嵌入到其他設(shè)備上，這些設(shè)備無處不在，大到汽車發(fā)動機、機器人，小到電視機、微波爐、移動電話。運行在其上的操作系統(tǒng)比較簡單，只實現(xiàn)所要求的控制功能?！袂度胧较到y(tǒng)

計算機發(fā)展的趨勢之一是體積越來越小，掌上電腦和嵌入式系統(tǒng)隨機出現(xiàn)。掌上電腦也稱PDA

嵌入式操作系統(tǒng)●單核系統(tǒng)單處理器是目前多數(shù)操作系統(tǒng)采用的硬件，其特點是CPU只有一個，并且一次性只能執(zhí)行一個包括用戶進程的通用指令集。在單處理器系統(tǒng)中，配置鍵盤、磁盤以及圖像控制器等多種專用處理器以及一些類似實現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)移動的I/O處理器（控制器）。在一些特殊的情況下，專用處理器是集成到硬件的，作為計算機的底層組件，操作系統(tǒng)不能直接與此類處理器進行通信，但是可以自主完成任務(wù)，需要注意的是此類專用處理器雖然可以獨立完成任務(wù)，但是并不能將他們作為單獨的處理器，成為多處理器系統(tǒng)，我們界定單處理器的標(biāo)準(zhǔn)只有一個通用的CPU。后續(xù)本書介紹的操作系統(tǒng)也主要是單核系統(tǒng)為主?！穸嗪讼到y(tǒng)多核處理器是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內(nèi)核)，此時處理器能支持系統(tǒng)總線上的多個處理器，由總線控制器提供所有總線控制信號和命令信號。多處理器系統(tǒng)也稱為多核系統(tǒng)，隨著計算量的快速增大，傳統(tǒng)的單處理器系統(tǒng)已不能滿足需求，多處理系統(tǒng)開始在計算領(lǐng)域嶄露頭角并且逐漸主導(dǎo)計算領(lǐng)域。多核系統(tǒng)在硬件上表現(xiàn)為兩個或多個緊密通信的CPU，共享總線、適中、外設(shè)與內(nèi)存等。多核系統(tǒng)的特點主要有三點：吞吐量大，規(guī)模經(jīng)濟以及較強的可靠性。多核系統(tǒng)的容錯能力突出，能夠容忍單個部件錯誤，并且仍然繼續(xù)運行?！穸嗪讼到y(tǒng)●AMP模式非對稱處理（AMP)的每個CPU內(nèi)核運行一個獨立的操作系統(tǒng)或者同一操作系統(tǒng)的獨立實例，即每個處理器都有各自特定的任務(wù)。在AMP處理模式下，系統(tǒng)中的處理器分為兩大類:一類是主處理器，負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)，并且向其他處理器分配規(guī)定的任務(wù)；另一類是從處理器，負(fù)責(zé)完成主處理器分配的任務(wù)。兩類服務(wù)器地位和功能不同，是主從關(guān)系，主處理器調(diào)度從處理器，并安排工作。AMP在包編譯前就要決定部署在哪個核上，每個核上跑的軟件可以不同。包可以帶操作系統(tǒng)也可以不帶，主要用于實時性要求很高的系統(tǒng)，一般以用于RPU系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的中斷，錯誤等?！馎MP模式AMP模式的主要特點是各個操作系統(tǒng)擁有自己專用的內(nèi)存，并且相互之間通過訪問受限的共享內(nèi)存進行通信。AMP模式的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)系統(tǒng)資源的分配必須離不開用戶的參與。在應(yīng)用方面，AMP模式的應(yīng)用比較少，商用操作系統(tǒng)中僅有WindRiver公司的VxWorks提供AMP模式的配置?！馭MP模式SMP模式的操作系統(tǒng)構(gòu)架是多核處理器技術(shù)的一種變體，能夠同時管理所有CPU內(nèi)核，且應(yīng)用并不綁定某一個內(nèi)核由一個操作系統(tǒng)實例控制所有處理器。不同于AMP模式中，SMP模式系統(tǒng)中所有CPU具有相同的地位，并且運行同一個操作系統(tǒng)，共享系統(tǒng)內(nèi)存和外設(shè)資源。相對于AMP模式，SMP模式的操作系統(tǒng)具有可共享內(nèi)存、較高的性能和功耗比、以及易實現(xiàn)負(fù)載均衡等優(yōu)點，更能發(fā)揮發(fā)揮多核處理器的硬件優(yōu)勢?！馭MP硬件平臺●BMP模式BMP和SMP類似，也是一個OS管理所有內(nèi)核，但是不同的是BMP模式中，開發(fā)者可以指定將某個任務(wù)僅在某個指定內(nèi)核上執(zhí)行而在BMP模式下每個應(yīng)用被鎖定于某個指定的核心。BMP能夠滿足強實時、

高吞吐量業(yè)務(wù)需求，能夠結(jié)合SMP高級資源管理和AMP應(yīng)用控制的混合功能，具有透明資源管理功能。

同時讓開發(fā)者將業(yè)務(wù)線程綁定在指定的CPU核上，既滿足不同業(yè)務(wù)的性能需求，同時也互不干擾?！穸嗪讼到y(tǒng)發(fā)展技術(shù)路線面向可擴展多核操作系統(tǒng)集中在主要的三種技術(shù)路線：1）改進傳統(tǒng)宏內(nèi)核架構(gòu)，以適應(yīng)多核體系結(jié)構(gòu)2）基于功能分布思想3）借鑒分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布思想以及消息通信機制?！窦合到y(tǒng)集群系統(tǒng)是一組獨立的計算機（節(jié)點）的集合體，節(jié)點間通過高性能的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接，各節(jié)點除了作為一個單一的計算資源供交互式用戶使用外，還可以協(xié)同工作，并表示為一個單一的、集中地計算資源，供并行計算任務(wù)使用?；诩杭夹g(shù)，多臺PC或工作站的計算能力大幅提升，可以匹敵大型機，但是集群系統(tǒng)是一種造價低廉、易于構(gòu)建并且具有較好可擴放性的體系結(jié)構(gòu)。目前在很多領(lǐng)域，集群已經(jīng)開始取代大型機，成為一種新的計算基礎(chǔ)設(shè)施?！窦合到y(tǒng)集群系統(tǒng)，將多個CPU組合在一起，因此他本質(zhì)上也是一種紅多處理器系統(tǒng)。但是集群系統(tǒng)與前述的多處理系統(tǒng)又不同，表現(xiàn)為松耦合，即集群系統(tǒng)主要是由多個獨立節(jié)點或者多個獨立系統(tǒng)組成，而每個節(jié)點或者系統(tǒng)又可以看成是一個單處理器系統(tǒng)或者一個多核系統(tǒng)。集群系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)的一種，一個集群通常由一群處理器密集構(gòu)成，集群操作系統(tǒng)專門服務(wù)于這樣的集群?！窦合到y(tǒng)模式集群系統(tǒng)分為兩種模式：對稱模式與非對稱模式。非對稱模式指的是存在節(jié)點對，一個節(jié)點運行應(yīng)用程序，另外一個節(jié)點處于熱備份模式，一旦運行程序的節(jié)點發(fā)生故障，處于熱備份模式的節(jié)點能夠及時檢測到并且及時編程活動服務(wù)器。對稱模式指的是節(jié)點對的兩個主機都是主程序運行機，并且互相堅實，此種模式更加高效?！窦合到y(tǒng)特點（1）高可用性。集群系統(tǒng)具有高可用性，當(dāng)集群中一個或者多個系統(tǒng)出錯，集群中的其他系統(tǒng)