朱青老师操作系统讲义第一讲

1计算机操作系统原理PrincipleofOperationSystem朱青信息学院计算机系，中国人民大学;数据工程与知识工程教育部重点实验室[e-mail]第一章操作系统概述•操作系统的基本概念•操作系统的特征•研究操作系统的几种观点•操作系统的技术发展过程•著名的操作系统•操作系统的分类•操作系统的功能Operatingsystem小型计算机，电子游戏和UNIX的成功•1969年，在贝尔退出MULTICS研制项目后，KenThompson和DennisM.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•到了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OperatingsystemUNIX•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Operatingsystem第四代大规模集成电路计算机（1980年-至今）CP/M操作系统•随着大规模集成电路发展，个人计算机时代到来了各种类型的个人计算机和软件层出不穷•1973年GaryKildall看到对个人计算机操作系统的需求,设计了CP/M操作系统(ControlProgram/MicroprocessororMicrocomputer)•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Operatingsystem微软MSDOS•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。要想快就是找现成系统配套，IBM公司洽谈CP/M操作系统不顺利，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Operatingsystem•IBM在1981年推出个人计算机，宣布了PC-DOS操作系统•版权合同：没有限制MS-DOS•随着IBMPC和MSDOS普及，CP/M逐渐走向下坡路•MSDOS有优良的文件系统但受到Intelx86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Windows95/98之下的7.0版，MSDOS历经了16个年头•迄今仍有MSDOS爱好者继续开发各种DOS软件产品•兼容机市场，Compaq与MicroChannelOperatingsystem拯救苹果公司的Macintosh(MACOS)•在推出IBMPC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，AppleIII型也遭到失败•分析家们：微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了Operatingsystem施乐PaloAlto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很多先进概念和技术的原型都首次出现在这里Operatingsystem•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PaloAlto研究中心内部，并同该思想库的研究人员交谈•苹果公司对PaloAlto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！Operatingsystem•对PaloAlto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IBMPC机的技术有多么糟糕，但他们卖得又是特别的好OperatingsystemMACOS、鼠标的新型个人计算机•1984年，人们看到一则广告：“Whatwasthat?”和对Macintosh的介绍,这是配有图形界面操作系统MACOS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Operatingsystem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，Windows1.0才正式上市OperatingsystemWindows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Windows3.1,1993年5月，发表WindowsNT•Windows95，WindowsCE，Windows98，Windows2000，WindowsXP,.net•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Operatingsystem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RichardRashid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VAX11/784四CPU多处理机发布•1988年的Mach2.5版包含了大量的BSDUNIX的代码•1989年，Mach内核中去掉了所有的BSDUNIX的代码，剩下了一个纯的Mach微内核，这就是Mach3.0版本，它是OSF发布的基础Operatingsystem•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，DCEUnix,NeXT等等OperatingsystemIBM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,IBMS/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•支持即UNIX95标准，UNIX应用程序可在IBMOS/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Operatingsystem•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/390LPAR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•IBMS/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Operatingsystem嵌入式操作系统的代表VxWorks•VxWorks支持各种工业标准，包括POSIX,ANSIC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Operatingsystem•VxWorks开发主机：Windows9x,WindowsNT,SunSolaris,SunOS,HP-UX等•支持目标微处理器：86,68k,PPC,CPU32,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OperatingsystemInternet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Operatingsystem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，PalmOS•数字影像领域，DigitaOperatingsystem研究中的新的操作系统•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•MITExokernel,该系统只有一个极小的核。系统抽象通过LibraryOperatingSystem完成•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。已有世界各地的约六十个大学和研究机构在使用•加州大学伯克利分校NOW集群操作系统，100台UltraSPARC-I处理机集群，排名于世界最快的200台超级计算机之内Operatingsystem加州大学伯克利分校Millennium项目•目的是在校园范围完成内一个“机群的机群(ClusterofClusters)”。在这个项目中，层次化的机群Millennium由五层构成，第一层，计算机工作站分布在十七个校园区内；第