1、第一章操作系统引论 第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 第一章操作系统引论 教学目的：教学目的：n掌握操作系统的定义及其基本特性、主掌握操作系统的定义及其基本特性、主要功能要功能 n了解操作系统的发展历史和几种类型的了解操作系统的发展历史和几种类型的操作系统操作系统教学难重点：教学难重点：n操作系统的定义操作系统的定义 n
2、操作系统的基本特征操作系统的基本特征nOS结构设计结构设计第一章操作系统引论 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用计算机系统由硬计算机系统由硬件和软件组成件和软件组成第一章操作系统引论 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标 第一章操作系统引论 计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统系统调用系统调用，命令，图标，窗口，命令，图标，窗口应用程序及实用程序应用程序及实用程序系统设计者程序员用户1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（用作为用户与计算机硬件系统之间的接口（用户观点）户观点）第一章
3、操作系统引论 (1)(1)命令方式。命令方式。这是指由这是指由OSOS提供了一组联机命令提供了一组联机命令(语语言言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。机系统。(2)(2)系统调用方式。系统调用方式。OSOS提供了一组系统调用，用户可提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。机。(3)(3)图形、窗口方式。图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。来操纵计算机系统和运行自己的程序。第一章操作系
4、统引论 第一章操作系统引论 3第一章操作系统引论 洋葱头似的扩充洋葱头似的扩充 裸机裸机作作系系操操统统其其他他应应用用软软件件用用户户应应用用程程序序序序程程第一章操作系统引论 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力 第一章操作系统引论 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统（第一代计算机）（第一代计算机）第一章操作系统引论 机器机器 作业在机器上作业在机器上 人工操人工操 操作时间与机器操作时间与机器速度速度 计算所需时间计算所需时间 作时间作时间 有效运行时间之比有效运行时间之比1万次万次/秒秒 1
5、小时小时 3分钟分钟 1 ：20 60万次万次/秒秒 1分钟分钟 3分钟分钟 3 ：11.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 第一章操作系统引论 输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备第一章操作系统引论 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统（第二代计算机）第二代计算机）第一章操作系统引论 还有下一还有下一个作业？个作业？把下一个作业把下一个作业的源程序转换的源程序转换为目标程序为目标程序源程序源程序有错吗？有错吗？装配目标程序装配目标程序运行目标程序运行目标程序开始开始是是否否停止停止是是否否图图 1-4 单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程 第一章操作系统引论
6、 1.2.3 多道批处理系统（多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）（第三代计算机）（第三代计算机）第一章操作系统引论 图15用户程序用户程序监督程序监督程序(a)单道程序运行情况单道程序运行情况I/O操作操作I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8表示获得表示获得CPUCPU第一章操作系统引论 图15程序程序A调度程序调度程序I/O请求请求(b)四道程序运行情况四道程序运行情况程序程序B程序程序C程序程序DI/O
7、请求请求I/O请求请求I/O请求请求I/O完成完成I/O完成完成I/O完成完成A完成完成表示获得表示获得CPUCPUC再运行再运行第一章操作系统引论 (1)处理机管理问题。(2)内存管理问题。(3)I/O设备管理问题。(4)文件管理问题。(5)作业管理问题。第一章操作系统引论 1.2.4 分时系统分时系统 n 分时系统分时系统(Time-Sharing System)的产生的产生第一章操作系统引论 n 分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题“会话会话”n分时系统的特征分时系统的特征 第一章操作系统引论 n 所谓所谓“实时实时”，是表示，是表示“及时及时”，而，而实时系统实时系统(Re
8、al-(Real-Time System)Time System)是指系统能是指系统能及时及时(或即时或即时)响应外部事件的请求，响应外部事件的请求，在在规定的时间内规定的时间内（deadlinedeadline）完成对该事件的处理，并控制）完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。所有实时任务协调一致地运行。第一章操作系统引论 n响应时间：响应时间：指用户发出命令，到系统完成用户命令指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间。所需的时间。批处理操作系统批处理操作系统 没有没有分时操作系统分时操作系统 秒级秒级(一般情况）一般情况）实时操作系统实时操作系统 微秒级微秒级 甚至更小
9、（经典说法）甚至更小（经典说法）系统满足用户时限（系统满足用户时限（deadline)deadline)的要求的要求(现代）现代）第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 系统对外部的信号必须能及时响应，系统对外部的信号必须能及时响应，(在规定的时在规定的时间内（间内（deadlinedeadline）)；要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位；要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位；系统整体性强；系统整体性强；不要求很强的不要求很强的“会话会话”能力。能力。第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 1.2.6 1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展 第一章操作系统引论 第一章操作系统引
10、论 UNIX OS是美国电报电话公司的Bell实验室在19691970年期间开发的。现在最有影响的两个能运行在微机上的UNIX操作系统的变型是Solaris OS和Linux OS。第一章操作系统引论 Linux OS：Linux 是UNIX的一个重要变种，最初是由芬兰学生Linus Torvalds针对Intel 80386开发的。1991年在Internet网上发布第一个Linux版本，由于源代码公开，因此有很多人通过Internet与之合作，使Linux的性能迅速提高，其应用范围也日益扩大。相应地，源代码也急剧膨胀，此时它已是具有全面功能的UNIX系统，大量在UNIX上运行的软件(包括1
11、000多种实用工具软件和大量的网络软件)被移植到Linux上，而且可以在主要的微机上运行，如Intel 80 x86 Pentium等。第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 ：第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 空间换时间空间换时间时间换空间时间换空间第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 n 第一章操作系统引论
12、 第一章操作系统引论 n第一章操作系统引论 n第一章操作系统引论 n第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 内核内核。第一章操作系统引论 由于客户/服务器模式具有非常多的优点，故在单机微内核操作系统中几乎无一例外地都采用客户/服务器模式，将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现。例如用于提供对进程(线程)进行管理的进程(线程)服务器，提供虚拟存储器管理功能的虚拟存储器服务器，提供I/O设备管理的I/O设备管理服务器等，它们都是被作为进程被作为进程来实现的，运行在运行在用户用户态态，客户与服务器之间是借助微内核提供的消息传递机制消息
13、传递机制来实现信息交互的。图1-10示出了在单机环境下的客户/服务器模式。第一章操作系统引论 图1-10 在单机环境下的客户/服务器模式 客户进程客户进程进程服务器终端服务器文件服务器存储器服务器用户方式核心方式回答核心请求第一章操作系统引论 在现代操作系统的结构设计中，经常利用在现代操作系统的结构设计中，经常利用“机制与策略机制与策略分离分离”的原理来构造的原理来构造OSOS结构。结构。所谓机制，是指实现某一功能所谓机制，是指实现某一功能的具体执行机构。而策略，则是在机制的基础上，借助于某的具体执行机构。而策略，则是在机制的基础上，借助于某些参数和算法来实现该功能的优化些参数和算法来实现该功
14、能的优化，或达到不同的功能目标。，或达到不同的功能目标。通常，机制处于一个系统的基层，而策略则处于系统的高层。通常，机制处于一个系统的基层，而策略则处于系统的高层。在传统的在传统的OSOS中，将机制放在中，将机制放在OSOS的内核的较低层，把策略放在的内核的较低层，把策略放在内核的较高层次中。而在微内核操作系统中，通常将机制放内核的较高层次中。而在微内核操作系统中，通常将机制放在在OSOS的微内核中。正因为如此，才有可能将内核做得很小。的微内核中。正因为如此，才有可能将内核做得很小。第一章操作系统引论 操作系统是一个极其复杂的大型软件系统，我们不仅可操作系统是一个极其复杂的大型软件系统，我们不
15、仅可以通过结构设计来分解操作系统的复杂度，还可以基于面向以通过结构设计来分解操作系统的复杂度，还可以基于面向对象技术中的对象技术中的“抽象抽象”和和“隐蔽隐蔽”原则控制系统的复杂性，原则控制系统的复杂性，再进一步利用再进一步利用等概念来确保等概念来确保操作系统的操作系统的“正确性正确性”、“可靠性可靠性”、“易修改性易修改性”、“易易扩展性扩展性”等，并提高操作系统的设计速度。正因为面向对象等，并提高操作系统的设计速度。正因为面向对象技术能带来如此多的好处，故面向对象技术被广泛应用于现技术能带来如此多的好处，故面向对象技术被广泛应用于现代操作系统的设计中。代操作系统的设计中。第一章操作系统引论
16、 第一章操作系统引论 由于微内核由于微内核OSOS的许多功能是由相对独立的服务器软件来的许多功能是由相对独立的服务器软件来实现的，当开发了新的硬件和软件时，微内核实现的，当开发了新的硬件和软件时，微内核OSOS只须在相应只须在相应的服务器中的服务器中增加新增加新的功能，或再增加一个专门的服务器。与的功能，或再增加一个专门的服务器。与此同时，也必然改善系统的此同时，也必然改善系统的灵活性灵活性，不仅可在操作系统中增，不仅可在操作系统中增加新的功能，还可修改原有功能，以及删除已过时的功能，加新的功能，还可修改原有功能，以及删除已过时的功能，以形成一个更为精干有效的操作系统以形成一个更为精干有效的操
17、作系统。第一章操作系统引论 这一方面是由于微内核是出于精心设计和严格测试的，容易保证其正确性；另一方面是它提供了规范而精简的应用程序接口(API)，为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件。此外，由于所有服务器都是运行在用户态所有服务器都是运行在用户态，服务器与服务器之间采用的是消息传递通信机制，因此，当某个服务器出现错误时，不会影响内核，也不会影响其它服务器。第一章操作系统引论 随着硬件的快速发展，出现了各种各样的硬件平台，作为一个好的操作系统，必须具备可移植性，使其能较容易地运行在不同的计算机硬件平台上。在微内核结构的操作系统中，因而，把操作系统移植到另一个计算机硬件平台上所需作的修改
18、是比较小的。第一章操作系统引论 由于在微内核OS中，客户和服务器之间以及服务器和服务器之间的通信，是采用消息传递通信机制消息传递通信机制进行的，致使微内核OS能很好地支持分布式系统和网络系统。事实上，只要在分布式系统中赋予所有进程和服务器惟一的标识符，在微内核中再配置一张系统映射表(即进程和服务器的标识符与它们所驻留的机器之间的对应表)，在进行客户与服务器通信时，只需在所发送的消息中标上发送进程和接收进程的标识符，微内核便可利用系统映射表，将消息发往目标，而无论目标是驻留在哪台机器上。第一章操作系统引论 在设计微内核在设计微内核OSOS时，采用了面向对象的技术，其中的时，采用了面向对象的技术，
19、其中的“封装封装”，“继承继承”，“对象类对象类”和和“多态性多态性”，以及在对，以及在对象之间采用消息传递机制等，都十分有利于提高系统的象之间采用消息传递机制等，都十分有利于提高系统的“正正确性确性”、“可靠性可靠性”、“易修改性易修改性”、“易扩展性易扩展性”等，而等，而且还能显著地减少开发系统所付出的开销。且还能显著地减少开发系统所付出的开销。第一章操作系统引论 第一章操作系统引论 图1-11 在传统OS和微内核OS中的上下文切换 客户机应用客户机应用 OS内核文件服务器磁盘设备驱动器返回(a)在整体式内核文件操作中的上下文切换微内核(b)在微内核中等价操作的上下文切换第一章操作系统引论 第一章第一章 小结小结第一章操作系统引论 实验n1#机房n实验内容：熟悉Linux环境
