操作系統(tǒng)形成發(fā)展

1主要內(nèi)容：一、人工操作階段二、管理程序階段三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成四、操作系統(tǒng)的發(fā)展動力五、操作系統(tǒng)的分類1.2 操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2

第一代計算機：從計算機誕生到50年代中期的計算機。

1.計算機的應用模式

人工控制和使用計算機的過程大致如下：（1）人工把源程序用穿孔機穿制在卡片或紙帶上；(與現(xiàn)在對比)（2）將準備好的匯編解釋程序或編譯系統(tǒng)裝入計算機；（3）匯編程序或編譯系統(tǒng)讀入人工裝在輸入機上的穿孔卡片或穿孔帶上的源程序；一、人工操作階段（無操作系統(tǒng)）(1)3（4）執(zhí)行匯編過程或編譯過程，產(chǎn)生目標程序，并輸出到目標卡片迭或紙帶；（5）通過引導程序把裝在輸入機上的目標程序讀入計算機；（6）啟動目標程序執(zhí)行，從輸入機上讀入人工裝好的數(shù)據(jù)卡片或數(shù)據(jù)帶上的數(shù)據(jù)；

(7）產(chǎn)生計算結(jié)果，執(zhí)行結(jié)果從打印機上或卡片機上輸出。

一、人工操作階段（無操作系統(tǒng)）(2)42.嚴重缺點（1）用戶上機獨占全機資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下。

（2）手工操作多，浪費處理機時間，也極易發(fā)生差錯。

（3）數(shù)據(jù)的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機進行，從上機到下機的時間拉得非常長。

隨著計算機硬件速度的不斷提高，程序的實際運行時間顯著減少，人工操作時間卻變化不大，導致人機矛盾不斷突出，CPU與慢速I/O設備之間的矛盾也日益突出，這些現(xiàn)象表明計算機的使用方式急需改變。

一、人工操作階段（無操作系統(tǒng)）(3)51.計算機的應用模式早期批處理系統(tǒng)借助于作業(yè)控制語言而不再是開關(guān)和按鈕來控制作業(yè)的執(zhí)行過程，實現(xiàn)了從計算機的手工操作方式到脫機操作方式的轉(zhuǎn)變。用戶上機時需要向操作員提交程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)控制卡，操作員收集到一批作業(yè)后一起把它們放到卡片機上輸入計算機。計算機上則運行一個駐留在內(nèi)存的管理程序，以對作業(yè)進行自動控制和成批處理，自動進行作業(yè)轉(zhuǎn)換減少了系統(tǒng)空閑時間和手工操作時間。二、管理程序階段(1)6其工作流程如下：操作員集中一批用戶提交的作業(yè)，由管理程序?qū)⑦@批作業(yè)從紙帶或卡片機輸入到磁帶上，每當一批作業(yè)輸入完成后，管理程序自動把磁帶上的第一個作業(yè)裝入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給作業(yè)。當該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把控制權(quán)交回管理程序，管理程序再調(diào)入磁帶上的第二個作業(yè)到內(nèi)存執(zhí)行，如此重復，直到磁帶上的作業(yè)全部做完。二、管理程序階段(2)7管理程序內(nèi)存組織：

中斷處理設備驅(qū)動作業(yè)定序命令和JCL語言解釋器用戶程序區(qū)

其最主要的特點是實現(xiàn)作業(yè)到作業(yè)的自動轉(zhuǎn)換，讓計算機盡可能地連續(xù)運轉(zhuǎn)，克服人工操作機器等人的缺點。二、管理程序階段(3)82. 脫機I/O技術(shù)在計算機系統(tǒng)中同時設置一臺主機和一臺輔機，輔機僅與I/O設備打交道，不與主機連接。輸入設備上的作業(yè)通過輔機輸?shù)酱艓?，稱為脫機輸入；主機負責從磁帶上把作業(yè)讀入內(nèi)存執(zhí)行，作業(yè)完成后，主機負責把結(jié)果輸出到磁帶上，稱為脫機輸出；然后，由輔機把磁帶上的結(jié)果信息在打印機上打印輸出。I/O工作脫離了主機，輔機和主機可以并行工作。

二、管理程序階段(4)91.多道程序設計的概念

多道程序設計是指允許多個程序同時進入一個計算機系統(tǒng)的主存儲器并啟動進行交替計算的方法。也即計算機內(nèi)存中同時存放了多道程序，它們都處于開始和結(jié)束點之間。 從宏觀上看，多道程序并發(fā)運行，它們都處于運行過程中，但都未運行結(jié)束。 從微觀上看，多道程序的執(zhí)行是串行的，各道程序輪流占用CPU，交替地執(zhí)行。三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(1)10

多道程序設計技術(shù)的硬件基礎(chǔ)是中斷和通道技術(shù)。 引入多道程序設計技術(shù)的根本目的是提高CPU的利用率，充分發(fā)揮計算機系統(tǒng)部件的并行性，一些應用問題也只有靠多道程序設計技術(shù)才能有效解決。

三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(2)112.多道程序設計技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量的原理

例如計算某個數(shù)據(jù)處理問題P1，要求從輸入機上輸入500個字符(花78ms)，經(jīng)CPU處理52ms后，將結(jié)果2000個字符存到磁帶上(花20ms)，重復進行，直至輸入數(shù)據(jù)全部處理完畢。單道算題運行時處理器的使用效率分析：

78輸入機處理器磁帶機時間5220785220785220三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(3)12此時處理機的利用率為：52/（78+52+20）≈35%為提高效率，讓計算機同時接受兩道算題，當?shù)谝坏莱绦蛟诘却鈬O備的時候，讓第二道程序運行，降低CPU空等時間，處理器的利用率顯然可以有所提高。 例如，在計算P1的同時，計算機還接受了另一算題P2：從另一臺磁帶機2上輸入2000個字符（花20ms），經(jīng)42ms的處理后，從行式打印機上輸出兩行(約花88ms)。

兩道算題運行時處理器的使用效率分析：

三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(4)13此時處理機的利用率為：（52+42）/（78+52+20）≈63%7852P1P242207852P1P24220輸入機處理器磁帶機1時間磁帶機2打印機7852P1P24220208820882088三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(5)143.多道程序設計的利弊

1)采用多道程序設計提高了CPU、內(nèi)存和I/O設備的利用率，改進了系統(tǒng)的吞吐率，發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性，提高了效率，增加了單位時間的算題量。

2)對每道程序來說，卻延長了計算時間，延長了作業(yè)周轉(zhuǎn)時間。多道程序設計技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量是以犧牲用戶的響應時間為代價的。

三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(6)15例如，甲、乙兩道程序，獨占計算機單道運行時每道花一個小時，若此時處理器利用率為30％，粗略地說，甲(或乙)程序執(zhí)行時所需要的處理器時間為：

1小時×30％＝18分鐘

假定按多道程序設計方法運行，處理器的利用率達50％，提供36分鐘的CPU時間，約要運行72分鐘。加上系統(tǒng)開銷，若共花80分鐘。

三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(7)16

單道運行時，甲、乙依次執(zhí)行完需120分鐘。因而；采用多道程序設計方法后可以提高效率：

(120—80)／120≈33％

甲、乙兩道程序，如果單道運行，它花60分鐘就可得到結(jié)果，多道運行時，卻要花80分鐘才有結(jié)果，延長了20分鐘，即延長了33％的時間。

(80-60)/60=33%三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(8)174.多道程序設計的道數(shù)問題多道程序設計的道數(shù)多少不是任意的。

?并不是道數(shù)越多，效率就越高。

?內(nèi)存儲器的容量和用戶的響應時間等因素也影響多道程序道數(shù)的多寡。三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(9)185.多道程序設計系統(tǒng)與多重處理系統(tǒng) 多重處理系統(tǒng)是指配置了多個物理CPU，能真正同時執(zhí)行多道程序的系統(tǒng)。要有效地使用多重處理系統(tǒng)，必須采用多道程序設計技術(shù)；反過來，多道程序設計不一定要求有多重處理系統(tǒng)支持。6.實現(xiàn)多道程序設計必須妥善地解決三個問題?存儲保護與程序浮動；?處理器的管理和調(diào)度；?系統(tǒng)資源的管理和調(diào)度。三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(10)197.操作系統(tǒng)的形成 隨著磁盤的問世，相繼出現(xiàn)了多道批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)，這標志著操作系統(tǒng)正式形成。三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(11)20操作系統(tǒng)資源管理水平和操作自動化程度進一步提高，表現(xiàn)在：實現(xiàn)了計算機操作過程自動化。資源管理水平有了提高。提供虛存管理功能。支持分時操作。文件管理功能有改進。多道程序設計趨于完善。三、多道程序設計與操作系統(tǒng)的形成(12)21操作系統(tǒng)的發(fā)展動力主要有以下五個方面：

器件快速更新?lián)Q代。高檔的硬件需要相應的操作系統(tǒng)才能充分挖掘其潛力。

計算機體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展。內(nèi)存管理支撐硬件由分頁、分段機制代替了界寄存器，圖形終端代替字符終端，中斷、通道設施的引入，單處理機改進為多處理機系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡的出現(xiàn)和發(fā)展，信息家電的發(fā)展等都是計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

提高計算機系統(tǒng)資源利用率的需要。

讓用戶使用計算機越來越方便的需要。批處理系統(tǒng)發(fā)展為分時系統(tǒng)，字符用戶界面發(fā)展為圖形用戶界面。

滿足用戶新要求，提供給用戶新服務。

四、操作系統(tǒng)的發(fā)展動力22操作系統(tǒng)可分為三種基本類型：

批處理操作系統(tǒng)

(1)工作機制（模式）及定義

批處理操作系統(tǒng)（BatchOperatingSystem）：用戶把要計算的應用問題編成程序，連同數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書一起交給操作員，操作員集中一批作業(yè)，輸入到計算機中。然后，由操作系統(tǒng)來調(diào)度和控制作業(yè)的執(zhí)行。這種批量化處理作業(yè)方式的操作系統(tǒng)稱為批處理操作系統(tǒng)（BatchOperatingSystem）。

五、操作系統(tǒng)的分類(1)23(2)批處理系統(tǒng)的主要特征（優(yōu)缺點）用戶脫機工作：用戶提交作業(yè)后直至獲得結(jié)果之前不再和計算機及他的作業(yè)交互，不利于調(diào)試和修改程序。成批處理作業(yè)多道程序運行作業(yè)周轉(zhuǎn)時間長五、操作系統(tǒng)的分類(2)24分時操作系統(tǒng)

(1)定義 分時操作系統(tǒng)（TimeSharingOperatingSystem）：允許多個聯(lián)機用戶同時使用一臺計算機系統(tǒng)進行計算的操作系統(tǒng)稱分時操作系統(tǒng)(TimeSharingOperatingSystem)

五、操作系統(tǒng)的分類(3)25(2)實現(xiàn)思想 在一臺主機上連接有多個終端，每個用戶在各自的終端上以問答方式控制程序運行，主機中央處理器輪流為每個終端用戶服務一段很短的時間，這段時間稱為一個時間片，若一個終端用戶的程序在一個時間片內(nèi)未執(zhí)行完，則掛起等待再次分到時間片時繼續(xù)運行。每個用戶感到自己好象獨占一臺計算機。五、操作系統(tǒng)的分類(4)26(3)主要特性同時性：若干個終端用戶同時聯(lián)機使用計算機。獨立性：每個用戶感到自己好象獨占一臺計算機。及時性：交互性：人機交互，聯(lián)機工作，方便調(diào)試、修改程序。五、操作系統(tǒng)的分類(5)27(4)分時操作系統(tǒng)和批處理操作系統(tǒng)的異同點分時操作系統(tǒng)和批處理操作系統(tǒng)都基于多道程序設計技術(shù)。不同之處：目標不同：批處理系統(tǒng)以提高資源利用率和作業(yè)吞吐量為目標；分時系統(tǒng)以滿足多個聯(lián)機用戶的立即型命令的快速響應為目標。適應作業(yè)的性質(zhì)不同：批處理系統(tǒng)適應已經(jīng)調(diào)試好的大型作業(yè)；分時系統(tǒng)適應正在調(diào)試的小作業(yè)。五、操作系統(tǒng)的分類(6)28資源使用率不同作業(yè)控制方式不同：批處理由用戶預先提交作業(yè)控制說明書脫機工作；分時系統(tǒng)由聯(lián)機用戶從鍵盤輸入操作命令直接對作業(yè)的運行過程進行控制。五、操作系統(tǒng)的分類(7)29(5)時間片長度的選取 時間片長度應根據(jù)機器速度、用戶的多少、響應的要求、系統(tǒng)的開銷等因素綜合考慮合理選取。 時間片設得太短會導致過多的進程切換，減少實際運行用戶程序的時間比，從而降低CPU的利用率；時間片設得太長會使小的交互型請求的響應時間變長。(6)前后臺作業(yè)的含義解釋 前臺作業(yè)一般是交互型作業(yè)，用戶需要頻繁地與作業(yè)進行交互；后臺作業(yè)一般為批處理型作業(yè)，運行時間長，且不需要用戶頻繁與之交互。五、操作系統(tǒng)的分類(8)303.實時操作系統(tǒng)

(1)定義 實時操作系統(tǒng)（RealTimeOperatingSystem）指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結(jié)果又能在規(guī)定時間內(nèi)來控制監(jiān)控的生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。五、操作系統(tǒng)的分類(9)31(2)三種典型的實時系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)：如生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、導彈制導系統(tǒng)、飛機自動駕駛系統(tǒng)、火炮自動控制系統(tǒng)。信息查詢系統(tǒng)：計算機同時從成百上千的終端接受服務請求和提問，并在短時間內(nèi)作出回答和響應。如情報檢索系統(tǒng)事務處理系統(tǒng)：計算機不僅要對終端用戶及時作出響應，還要頻繁更新系統(tǒng)中的文件或數(shù)據(jù)庫。如銀行業(yè)務系統(tǒng)五、操作系統(tǒng)的分類(10)32(3)實時控制操作系統(tǒng)通常由四部分組成數(shù)據(jù)采集：加工處理：操作控制：反饋處理：(4)分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)的主要區(qū)別 兩者設計目標不同，分時操作系統(tǒng)為用戶提供一個通用的交互型開發(fā)運行環(huán)境，實時操作系統(tǒng)通常為特殊用途提供專用系統(tǒng)。五、操作系統(tǒng)的分類(11)33(5)通用操作系統(tǒng)的概念

如果一個操作系統(tǒng)兼有批處理、分時和實時處理的全部或兩種功能，則該操作系統(tǒng)稱為通用操作系統(tǒng)。五、操作系統(tǒng)的分類(12)344.微機操作系統(tǒng)

單用戶單任務操作系統(tǒng)類：CP/M、CDOS（Cromemco磁盤操作系統(tǒng)）、MDOS（Motorola磁盤操作系統(tǒng)）、早期的MS-DOS（Microsoft磁盤操作系統(tǒng)）。單用戶多任務和分時操作系統(tǒng)類：MP/M、XENIX、后期MS-DOS新一代微機操作系統(tǒng)具有以下功能：GUI、多用戶和多任務、虛擬存儲管理、網(wǎng)絡通信支持、數(shù)據(jù)庫支持、多媒體支持、應用編程支持API。如Windows、OS2、MACOS、Linux。五、操作系統(tǒng)的分類(13)355.并行操作系統(tǒng)

改進計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加同一時間間隔內(nèi)的操作數(shù)量，進一步提高計算機的處理能力。 已經(jīng)開發(fā)出的并行計算機有：陣列處理機、流水線處理機、多處理機。五、操作系統(tǒng)的分類(14)36

發(fā)揮并行計算機需要有并行算法、并行語言等軟件的配合，更需要并行操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)和保證。目前已經(jīng)研究出來的并行操作系統(tǒng)有：V-Kernel，美國Stanford大學Meglos,美國Bell實驗室。MACH，美國卡內(nèi)基梅隆大學。6.網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

為了使網(wǎng)絡中的計算機能方便地傳送信息和共享網(wǎng)絡資源而加到網(wǎng)絡中的計算機上的操作系統(tǒng)稱網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem）。五、操作系統(tǒng)的分類(15)37網(wǎng)絡操作系統(tǒng)應該具有的功能：1）網(wǎng)絡通信2）資源管理3）網(wǎng)絡管理4）網(wǎng)絡服務

三大主流網(wǎng)絡操作系統(tǒng)：UNIX、Netware、WindowsNT。UNIX是唯一能跨多種平臺的操作系統(tǒng)；WindowsNT工作在微機和工作站上；Netware主要面向微機。 支持客戶機/服務器（C/S）結(jié)構(gòu)的微機網(wǎng)絡操作系統(tǒng)：Netware、UNIXware、WindowsNT、LANManager、LANServer等。五、操作系統(tǒng)的分類(16)387.分布式操作系統(tǒng)

分布式計算機系統(tǒng)由多臺分散的計算機經(jīng)互連網(wǎng)絡連接而成,滿足條件：系統(tǒng)中任意兩臺計算機可以通過系統(tǒng)的安全通信機制來交換信息。系統(tǒng)中的資源為所有用戶共享，用戶只要考慮系統(tǒng)中是否有所需資源，而無需考慮資源在哪臺計算機上。 在分布式計算機系統(tǒng)中，管理和控制計算機的任務分散到多臺計算機上，由多臺計算機協(xié)同完成。 用于管理分布式計算機系統(tǒng)的操作系統(tǒng)稱為分布式操作系統(tǒng)。五、操作系統(tǒng)的分類(17)39分布式操作系統(tǒng)與單機集中式操作系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：資源管理：在分布式系統(tǒng)中，同一類資源往往有多個資源管理程序。進程通信：分布式操作系統(tǒng)中必須有通信規(guī)程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：分布式系統(tǒng)往往有若干相對獨立部分，各部分分布于各臺計算機上，每一部分在另外的計算機上往往有一個副本。五、操作系統(tǒng)的分類(18)40已經(jīng)研制出來的分布式操作系統(tǒng)有：Cm*(美國卡內(nèi)基梅隆大學)，X樹系統(tǒng)(美國加州大學伯克利分校)，Arachne(美國威斯康星大學)，Chorus(法國國家信息與自動化研究所)，Plan9(美國Bell實驗室)，Amoeba(荷蘭自由大學)