操作系统的功能和定义

操作系统的功能

进程管理

• 进程控制
• 进程调度
• 进程通信

内存管理

• 内存分配
• 内存共享
• 内存保护
• 虚拟内存

设备管理

• 设备的分配和调度
• 设备无关性
• 设备传输控制
• 设备驱动

文件管理

• 存储空间管理
• 文件的操作
• 目录的操作
• 文件和目录的存取权限管理

操作系统的定义

• 提供用户接口，方便用户控制计算机；
• 负责为应用程序分配和调度软硬件资源，并控制与协调应用程序并发活动，帮助用户存取和保护信息。

操作系统的发展历史

计算机发展的四个典型阶段

• 电子管时代【1946-1955】
• 晶体管时代【1955-1965】
• 集成电路时代【1965-1980】
• 大规模集成电路时代【1980-至今】

操作系统发展的四个典型阶段

• 手工操作（无操作系统），50年代早期

  电子管时代【1946-1955】

  

  1. 结构特点

     • 硬件：电子管、接线面板(按钮/开关)

     • 程序：二进制程序，打孔：纸带和卡片

  2. 使用特点

     • 程序准备/启动/结束：手工处理，繁琐耗时

  3. 缺点

     • 效率低：CPU有效运行时间极低
     • 用户独占
     • 缺少交互

• 单道批处理系统 50年代

  晶体管时代【1955-1965】

  1955年，IBM推出第一台晶体管计算机：典型机型7094

  

  1. 工作特点

     • 管理员事先将多个作业输入到磁盘形成作业队列；

     • 操作系统依次自动处理队列中的每个作业

       装入-运行-撤出…

     • 程序的装入和撤出：自动完成，效率极高

     • 运行完毕，通知用户取结果

  2. 工作特点

     • 批量：作业队列
     • 自动：识别作业，装入和撤出
     • 单道：依次，串行

  3. 缺点

     • 外设与CPU交替空闲和忙碌，CPU和外设利用率低

• 多道批处理系统 60年代初

  1. 定义：在内存中存放多道程序，当某道程序因为某种原因（例执行I/O操作时）不能继续运行而放弃CPU时，操作系统便调度另一程序投入运行。这样可以使CPU尽量忙碌，提高系统效率。

     提高系统CPU利用率

     提高系统吞吐量

  2. 特点

     • 多道：内存同时存放多道程序
     • 并行：宏观上
     • 串行：微观上

  3. 缺点

     • 作业处理时间长；
     • 交互能力差；
     • 运行过程不确定；

  

• 分时系统 60年代中

  60年代硬件的两个重大进展

  • 中断技术

    CPU收到外部信号（中断信号）后，停止当前工作，转去处理该外部事件，处理完毕后回到原来工作的中断处（断点）继续原来的工作。

  • 通道技术

    专门处理外设与内存之间的数据传输的处理机。

分时技术与分时操作系统

分时技术

概念

• 主机以很短的“时间片”为单位，把CPU轮流分配给每个终端使用，直到全部作业被运行完。
• 由于时间片很短，在终端数量不多的情况下，每个终端都能很快重新获得CPU，使得每个终端都能得到及时响应。
  • 等待周期=时间片*终端数量

分时操作系统

分时操作系统的背景

• 事务性任务的涌现
  • 交互性高
  • 相应快速
• 要求支持多任务/多用户
• 多终端计算机

多终端计算机

• 高性能主机 + 多个终端

  • 主机：运算，CPU+内存

  • 终端：输入和显示

大型分时系统的实践： Multics项目

• 1962年由ARPA支持：有MIT、BELL和G.E参与
• 开发一种“公用计算服务系统”
• MULTiplexed Information and Computing Service
• 同时支持波士顿地区所有分时用户

UNIX

• 第一个实用化的分时操作系统

  • 第一个真正体现操作系统领域各种先进概念和技术的操作系统

• 革新和创造

  • 实现操作系统的可移植性

  • 实现了硬件无关性

  • 引进了“特殊文件”（Special File）的概念

    把外设看做文件，实现对外设统一管理

典型操作系统类型

操作系统的进一步发展（分时系统的衍化）

微机操作系统

• 背景

  随着大规模集成电路发展，进入个人计算机（PC机）时代。

• 1973年：CP/M操作系统

  Control Program/Microprocessor

  良好的层次结构：BIOS把操作系统和硬件分隔

  易学易用

• 苹果Mac OS和Macintosh（1976年）

  Mac OS 是运行Macintosh系列电脑上的操作系统。

  Mac OS 是首个配有图形界面和鼠标的操作系统。
  

• 微软的MS DOS（80年代）

  • 磁盘操作系统
  • 单用户单任务
  • MS DOS预装在IBM PC 上

• 微软Windows操作系统

  • 1985年11月，Windows1.0正式发布
  • 1992年04月，发布Windows3.1
  • 1993年05月，发布Windows NT
  • Windows 95、CE、98、2K、XP、Win7、Win8、Win10…

  Windows占有PC市场的巨大份额

多处理机操作系统

网络操作系统

• 普通操作系统+网络通信+网络服务

• UNIX/LINUX/WINDOW

• 功能

  • 透明存取
  • 存取控制
    

实时操作系统

• 产生背景
  • 实时任务：军事、工业控制、智能仪器等
  • 要求：某些任务要优先紧急处理
• 特点
  • 强调作业的完成时限
• 硬实时系统：时限要求严格
  • 火炮控制系统
  • 航空航天
  • 制导系统
  • 工业控制
  • 汽车电子系统
  • …
• 软实时系统：时限要求不是太严格，尽量快
  • 网络视频
  • 互动网游
  • 广播
  • 通讯
  • …

嵌入式操作系统

• 嵌入式操作系统≈实时操作系统

• 嵌入式系统

  软硬件可以裁剪，软硬件一体化的系统

• 典型嵌入式操作系统

  • Andriod
  • Linux
  • ucOS
  • ucLinux
  • vxWorks
  • WinCE