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1、第一章 操作系统引论河北师范大学 软件学院 任铄第一章 操作系统引论目的及要求了解操作系统的目标、作用和模型了解操作系统的发展过程初步了解和领会操作系统的特征和服务领会和掌握操作系统的功能第一章 操作系统引论本章重点批处理操作系统分时操作系统操作系统的特征、功能本章难点多道程序设计的基本概念多道批处理系统的特征1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统（OS）的定义Windows；Unix；Linux；Dos各种命令：dir copy del format 启动、结束用户程序系统调用：例如INT指令UNIX 等提供多任务、多用户环境结论：结论：os为你完成所有“硬件相关、应用无关”的工作，以给你
2、方便、效率、安全你用过哪些OS？OS能做什么？不做天气预报不做房屋设计不是编译程序 总之总之，OS不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序.OS是直接控制和管理计算机硬件、软件资源，合理地对各类作业进行调度，以方便用户使用的程序集合OS不能做什么？OS是什么？1.1 操作系统的目标和作用二、OS在计算机中的地位 紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）应用用户应用开发人员操作系统开发人员计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统系统工具系统工具应用软件应用软件裸机操作系统应用软件操作系统功能示意图1.1 操作系统的目标和作用三、OS的目标方便性有效性可扩充性开放性1.1 操作
3、系统的目标和作用四、OS的作用作为用户和计算机间的接口作为计算机系统资源的管理者用户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件文件管理设备管理存储器管理处理机管理计算机计算机硬件硬件软件软件CPU内存内存外设外设实现了对计算机资源的抽象1.1 操作系统的目标和作用五、推动OS发展的主要动力1、不断提高计算机资源的利用率2、方便用户3、元器件的不断更新换代4、计算机体系结构的不断发展1.2 OS的发展过程v无OSvOS分类1.2 OS的发展过程v无OS一、人工操作方式1946-50年代中：电子管时代，计算机速度慢，无操作系统，集中计算，计算机资源昂贵；工作方式：用户：既是程序员又是操作
4、员；用户是专业人员；输入输出：纸带或卡片；缺点：用户独占全机，CPU等待人工操作二、脱机I/O方式磁盘输入设备外围机主机输出设备外围机优点：1、减少了CPU的空闲时间2、提高了I/O速度OS分类v批处理系统（Batch Processing System)v分时系统 (Time-Sharing System)v实时系统 (Real-Time System)一、批处理系统v批处理系统设计目标：提高系统资源的使用效率；提高作业吞吐量原理：用户使用系统提供的作业控制语言（JCL）来描述自己对作业运行的控制意图，并将这些控制信息连同作业一起提交给计算机。由OS去控制、调度各作业的运行并输出结果。由于作
5、业进入系统后用户不再干预，从而提高了效率。单道批处理系统；多道批处理系统例：讨论单道系统的工作情况 对用户作业的处理 首先输入用户的程序和数据 Input 然后进行计算 Caculate 最后打印计算结果 Print 即有三个顺序执行的操作 I：输入操作 C：计算操作 P：输出操作P2C2 I2P1C1 I11、单道批处理系统 I2 I3C3C2P1P2C1P3 I1 I4C4P42、多道批处理系统v多道程序运行，系统性能的改善是明显的。将多道程序设计技术应用于批处理系统，就形成多道批处理系统。v优点：资源利用率高、系统吞吐量大v缺点：平均周转时间长、无交互能力批处理系统二、分时系统(Time
6、-Sharing System)v目标：主要动力：用户的需求主要动力：用户的需求对用户的请求及时响应；尽量提高系统资源的利用率v原理：一台计算机连接多个终端，用户通过各自的终端把作业送入计算机；计算机又通过终端向各个用户报告其作业的运行情况。计算机能分时轮流地为各终端用户服务，并能及时地对用户服务请求予以响应。v分时系统基本特征：1、多路性2、独立性3、及时性4、交互性三、实时系统(Real-Time System)v目标：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在规定的时间内对其进行处理。v分类：1、实时控制系统要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，以尽快实施响应控制。如：工
7、业控制；导弹发射；飞机飞行2、实时信息系统要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。如：订票系统；股票交易系统v实时系统基本特征：1、快速的响应时间2、有限的交互能力3、高可靠性OS分类多路性独立性及时性交互性可靠性批处理系统无无差(天,时)差一般分时系统多终端服务有好(分,秒)好可靠实时系统多路采集、多路控制有最好(ms,s)一般高度可靠三种基本操作系统的比较：1.3 操作系统的基本特性并发(Concurrence)并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。指系统中的资源供内存中的多道程序所共同使用。互斥共享方式：同时访问方式：例 打印机例
8、 磁盘分类共享共享(Sharing)虚拟虚拟(Virtual)技术技术指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。例，分时系统将一机虚拟为多机。异步性异步性(Asynchronism)：系统中并发执行的多道程序“走走停停”，以不可预知的速度向前推进由于共享资源由于共享资源1.4 操作系统的主要功能处理机管理功能存储器管理功能设备管理功能文件管理功能用户接口OSOS功能功能1.5 OS结构设计v操作系统的结构设计经历了以下几代：传统的操作系统结构v无结构操作系统v模块化OS结构v分层式OS结构现代操作系统结构微内核的OS结构一、无结构操作系统vOS是由众多的过程直接构成，各过程之间可相
9、互调用，但OS内部不存在任何结构，所以这种OS是无结构的，又称为整体系统结构。v缺点 既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构；程序错误多，调试难、阅读理解难、维护难。二、模块化操作系统结构vOS是采用“模块化程序设计”技术，按其功能划分为若干个独立的模块，管理相应的功能，同时规定好各模块之间的接口，以实现其交互，对较大模块又可按子功能进一步细分下去。v优点v提高了OS设计的正确性、可理解性v容易扩充和维护v加速了OS的开发过程v缺点v 模块及接口划分较困难v从功能上划分模块，未区别共享资源和独占资源v由于管理的差异，使OS结构变得不够清晰三、分层式操作系统结构v分层式OS结构是对模块化结构的一种改进
10、，它按分层式结构设计的基本原则，将OS 划分为若干个层次，每一层都只能使用其底层所提供的功能和服务，从硬件开始，在其上面一层一层地自底向上增添相应功能的软件，这种OS结构称为分层式OS结构。v特点：每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰调试和验证更容易，正确性更高缺点：系统效率降低了。四、微内核的OS结构v微内核技术的主要思想微内核技术的主要思想 在OS内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务分离出去，由工作在用户态下的进程来实现，形成所谓“客户/服务器”模式。客户进程可通过内核向服务器进程发送请求，以获取OS的服务。微内核的OS结构v特点小而精练系统的灵活性和可扩充性好系统的可靠性高适
11、用于分布式系统例，例，例，例，windows 2000/XPwindows 2000/XP、UNIXUNIX、嵌入式、嵌入式、嵌入式、嵌入式OSOSWindows NTWindows NT体系结构体系结构体系结构体系结构传统的传统的传统的传统的UNIXUNIX结构结构结构结构现代现代现代现代UNIXUNIX结构结构结构结构1.6 常见的OSMS DOSMS Windows UNIXLinux手持系统（handheld system）嵌入式操作系统(Embedded OS）一、MS DOSIBM PC,CPU 8088/8086,BIOS，单用户单任务，简单分层结构，16位vMS DOS的历史D
12、OS用过的名字包括QDOS、86-DOS、MS-DOS和PC-DOS；1981年8月：PC-DOS 1.0：第一个DOS版本；1982年6月：PC-DOS 1.1：IBM PC，支持软盘的个人操作系统；1983年3月：DOS2.0：PC XT，支持硬盘和目录的层次结构；1984年8月：DOS3.0：PC AT(Intel 80286 CPU)；1987年4月：DOS3.3：提供对IBM PS/2的支持（如3.5软驱）；1988年8月：DOS4.0：支持大于32M的硬盘；1991年6月：DOS5.0：改进对扩展内存的支持；1993年3月：MS-DOS6.0：支持磁盘压缩；1994年5月：MS-D
13、OS6.22：提供新的磁盘压缩方法；1995年8月：MS-DOS7.0：作为Windows95的一部分；二、MS WindowsCPU:80286,80386,80486,Pentium,单用户或多用户多任务（分时系统），单用户或多用户多任务（分时系统），16位位/16和和32位混合位混合/32位位vWindows的历史1983年11月：Microsoft宣布Windows第一个版本；以字符为基础的窗口系统1985年11月：Windows1.0；1990年5月：Windows 3.0（成功版本），16位OS，借鉴Apple Macintosh给出友好的用户界面；1992年10月：Windows
14、 For WorkGroups 3.1；1993年11月：Windows For WorkGroups 3.11；1995年8月：Windows 95：内置浏览器；1998年7月：Windows 98；2000年9月：Windows ME；1993年：Windows NT 3.1,32位OS，支持DOS和Windows应用程序；1994年4月：Windows NT 3.51；1996年8月：Windows NT 4.0；1999年12月：Windows 2000(Professional,Server,Advanced Server)，32位OS2001年10月：Windows XP2007年
15、1月：Windows Vista2009年10月:windows 7三、UNIX多用户多任务多用户多任务，16/32/64位,BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）v诞生1965年，麻省理工学院（MIT）、通用电子公司（GE）及AT&T的贝尔实验室联和开发了一个叫做Multics（多路复用信息与计算服务）的实验操作系统。1969年，AT&T贝尔实验室的肯.汤姆森（Ken Thompson）和丹尼斯.里奇（Dennis Ritchie）和其他的研究人员在DEC PDP-7上开发出最初的UNIX系统雏形UNICS（单道信息与计算服务），后来谐音拼写成UNIX。1970年，UNIX
16、被移植到PDP-11上，第一次得到实用。此时的系统全部用汇编语言写成。1971年，丹尼斯.里奇发明了语言。1973年，肯.汤姆森和丹尼斯.里奇用C语言对UNIX核心进行重写，使系统便于理解、修改和移植。三、UNIX 此后UNIX逐渐演变为两大分支：vAT&T的System V1983年，AT&T推出UNIX System VRelease 11984年，AT&T推出UNIX System VRelease 21987年，AT&T推出UNIX System VRelease 31990年，AT&T推出UNIX System VRelease 41992年，AT&T推出UNIX SVR 4.2v加
17、州大学伯克利分校的BSD（Berkeley Software Distribution）1975年,Berkeley发布 1BSD 1978年,Berkeley发布 2BSD1979年,Berkeley发布 3BSD1980年,Berkeley发布 4BSD1983年，Berkeley发布 4.1BSD1984年，Berkeley发布 4.2BSD1987年，Berkeley发布 4.3BSD 1993年，Berkeley发布 4.4BSD三、UNIXBellBell实验室实验室早期早期UNIXUNIX和和C C加州大学加州大学伯克利分校伯克利分校BSDBSDAT&TAT&TSystem VS
18、ystem VHP-UXHP-UXAIXAIXSolarisSolarisLinuxLinuxIRIXIRIX TRU64 TRU64 UNIXUNIXUnixUnixWareWareOpenOpenServerServer OpenBSD OpenBSD NetBSDNetBSD FreeBSDFreeBSD BSD/OSBSD/OS Mac OS X Mac OS X SVR4 1989IBMAIXSun Solaris第10版1988System III 1982System v 1983SvR2 1984SVR3 19871 BSD 19772 BSD 19783 BSD 19784.
19、0 BSD 19794.3 BSD 19864.4 BSD 1992第1版1969年第5版1973第6版1976第7版1978第8版1982第9版1986Bell LabsUNIX版本发展历史版本发展历史四、LinuxLinux的体系结构用户应用：文字处理工具、浏览器等用户应用程序系统服务：它是操作系统的一部分，但不是内核。包括窗口系统、命令解释程序、应用开发工具（编译器、系统库等）Linux内核：操作系统内核，完成资源管理功能。硬件控制：系统中的所有物理设备控制。User ApplicationsOS ServicesLinux KernelHardware Controllers五、手持系统（handheld system）v个人数字助理（Personal Digital Assistants,PDAs）v蜂窝电话（Cellular telephones）v存在的问题内存有限(32M 64M)低速处理器（只有个人计算机处理器速度的几分之一）屏幕小（5英寸3英寸）六、嵌入式操作系统(Embedded OS）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小结1、操作系统的发展过程 （单道、多道、分时、实时）2、操作系统的特征、功能3、操作系统的结构设计