第二讲操作系统的发展

1、共共28页页 第第8页页College of Technology and Engineering http:/ 1.2 OS的发展历史的发展历史College of Technology and Engineering http:/ 第第15页页推动推动OS发展的主要动力发展的主要动力u不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率 推动了批处理系统的产生推动了批处理系统的产生u方便用户方便用户 如允许人机交互的分时系统的产生如允许人机交互的分时系统的产生u器件的不断更新换代。器件的不断更新换代。计算机的发展推动计算机的发展推动OSOS的发的发展。展。u计算机体系结构的不断发展计算机体系结

2、构的不断发展。 如：单如：单CPUCPU到多到多CPU CPU 单处理机单处理机OSOS到多处理机到多处理机OSOS 计算机网络的出现计算机网络的出现 网络操作系统网络操作系统 1.2 OS的发展历史的发展历史College of Technology and Engineering http:/ 第第15页页计算机发展的计算机发展的4 4个时代：个时代：l电子管时代电子管时代l晶体管时代晶体管时代l集成电路时代集成电路时代l大规模集成电路时代大规模集成电路时代OS发展的发展的4 4个时代：个时代：l单道批处理时代单道批处理时代(50年代年代)l多道批处理多道批处理,分时分时,实时实时系统时代

3、系统时代(60年代初年代初)l多方式系统时代多方式系统时代(60-70年代年代)l并行与分布式系统时代并行与分布式系统时代(70年代后年代后) 计算机刚问世计算机刚问世, , 没有操作系统没有操作系统, ,人们采用人们采用手手工操作工操作方式使用计算机。方式使用计算机。 方法方法： 手工操作阶段手工操作阶段将程序和数据以将程序和数据以穿孔穿孔方方式记录在纸带（或卡片）式记录在纸带（或卡片）上；再将纸带（或卡片）上；再将纸带（或卡片）装入输入设备；装入输入设备；在控制台启动输入设备在控制台启动输入设备将纸带（或卡片、磁带）将纸带（或卡片、磁带）信息输入到内存；信息输入到内存；通过控制台开关启动程

4、通过控制台开关启动程序运行；序运行；最后在打印机等输出设最后在打印机等输出设备上取得运行结果。备上取得运行结果。 主机主机输入设备输入设备磁带磁带输出设备输出设备 特点：特点： 操作和编程完全由手工进行，且编程只能用机操作和编程完全由手工进行，且编程只能用机器语言（二进制代码）；器语言（二进制代码）； 单个用户单个用户独占独占计算机资源，计算机资源，CPUCPU等待人工操作，等待人工操作，资源利用率及效率低。资源利用率及效率低。 两个矛盾：两个矛盾： 随着随着CPU速度的大幅提高，出现了两个矛盾：速度的大幅提高，出现了两个矛盾： CPU与与I/O设备之间速度不匹配的矛盾；设备之间速度不匹配的矛

5、盾； 手工操作的低速与手工操作的低速与CPU的高速之间的矛盾，即的高速之间的矛盾，即“人机矛盾人机矛盾”； 解决方法：解决方法： 脱机输入脱机输入/输出技术输出技术 监督程序（单道批处理系统）监督程序（单道批处理系统） 手工操作阶段手工操作阶段 脱机输入脱机输入/ /输出输出（off-line I/O）技术技术 引入引入：为了解决为了解决CPU与与I/O设备间速度不匹配的设备间速度不匹配的问题，减少问题，减少CPU空闲等待空闲等待I/O的时间的时间 定义定义：脱离主机控制下：脱离主机控制下I/O的方式，的方式，I/O设备不设备不直接连接在主机上。相反，在主机控制下进行直接连接在主机上。相反，在

6、主机控制下进行I/O的方式，称为联机输入的方式，称为联机输入/输出（输出（On-line I/O）。）。 基本思想基本思想： 以磁带作辅存，以速度较快的磁带机代替等慢以磁带作辅存，以速度较快的磁带机代替等慢速设备与主机相连进行信息的输入速设备与主机相连进行信息的输入/输出。输出。 手工操作阶段手工操作阶段 l 脱机输入技术：脱机输入技术：系统中配置一台外围机（又称卫星系统中配置一台外围机（又称卫星机），用户程序和数据可在外围机的控制下预先从机），用户程序和数据可在外围机的控制下预先从低速输入设备上输入到磁带上，当低速输入设备上输入到磁带上，当CPUCPU需要这些程需要这些程序和数据时，再从磁带

7、上通过磁带机高速输入；序和数据时，再从磁带上通过磁带机高速输入；l 脱机输出技术：脱机输出技术：类似的，当类似的，当CPUCPU需要输出时，可由需要输出时，可由CPUCPU通过磁带机高速的把数据输出到磁带上，然后通过磁带机高速的把数据输出到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的数据由打印机等慢在外围机的控制下，把磁带上的数据由打印机等慢速输出设备输出速输出设备输出 如如P9图图1-4 手工操作阶段手工操作阶段 手工操作阶段手工操作阶段图图1 脱机脱机I/O示意图示意图College of Technology and Engineering http:/ 第第14页页 1.2.1监督程序（监

8、督程序（ 单道批处理）单道批处理） 引入：引入：解决人机矛盾，用程序代替手工操作。解决人机矛盾，用程序代替手工操作。基本思想基本思想: :系统有一常驻内存的系统有一常驻内存的监督程序监督程序( (第一代操第一代操作系统作系统) )，管理作业的运行，完成作业的自动过渡。，管理作业的运行，完成作业的自动过渡。操作步骤：操作步骤：l操作员先将一批作业（卡）逐个以脱机输入方式操作员先将一批作业（卡）逐个以脱机输入方式输入到输入磁带上；输入到输入磁带上；l然后由监督程序依次顺序启动这批作业然后由监督程序依次顺序启动这批作业, ,以以单道单道（先把一道作业调入主存运行结束，将结果输出先把一道作业调入主存运

9、行结束，将结果输出到输出磁带之后；再把下一道作业调入主存启动到输出磁带之后；再把下一道作业调入主存启动运行运行）方式运行。方式运行。l当一批作业全部执行结束后，取下输入磁带和输当一批作业全部执行结束后，取下输入磁带和输出磁带，用前者录入下一批作业，将后者脱机输出磁带，用前者录入下一批作业，将后者脱机输出，结果一起交给用户。出，结果一起交给用户。College of Technology and Engineering http:/ 1.2.1监督程序（监督程序（ 单道批处理）单道批处理） 图图2 单道批处理系统中监督程序的处理流程单道批处理系统中监督程序的处理流程College of Tech

10、nology and Engineering http:/ 第第14页页 1.2.1监督程序（监督程序（ 单道批处理）单道批处理） l作业作业：用户的一次上机活动中要求计算机完成用户的一次上机活动中要求计算机完成的一串相关任务的集合。的一串相关任务的集合。l作业步作业步：作业的执行步骤。作业的执行步骤。l作业控制语言作业控制语言:用于说明作业如何执行的语言。用于说明作业如何执行的语言。l作业控制说明书作业控制说明书:用作业控制语言编写的作业执用作业控制语言编写的作业执行程序。行程序。思考：监督程序在控制一批作业运行时，思考：监督程序在控制一批作业运行时，如何知道不同作业相应的处理步骤，如何时如

11、何知道不同作业相应的处理步骤，如何时装入、何时编译、运行、何时结束？装入、何时编译、运行、何时结束？由用户由用户告知告知 1.2.1监督程序（监督程序（ 单道批处理）单道批处理）$END$END$RUN$RUN$LOAD$LOAD$FORTRAN$FORTRAN$JOB,JOBNAME=$JOB,JOBNAME=程序处理程序处理数据数据FORTRANFORTRAN程序语句程序语句典型的卡片作业举例典型的卡片作业举例 1.2.1监督程序（监督程序（ 单道批处理）单道批处理） 评价评价l 优点优点 解决了作业间自动转接问题，减少了机器解决了作业间自动转接问题，减少了机器时间的浪费，相对提高了时间的

12、浪费，相对提高了CPU的利用率。的利用率。l 缺点缺点 任一时刻只允许一道作业在内存运行，任一时刻只允许一道作业在内存运行，CPU与外设与外设串行串行工作，资源利用率低工作，资源利用率低; ; 交互性差交互性差，限制了使用的灵活性，限制了使用的灵活性; ;（作业由（作业由监督程序控制运行，用户无法实时控制，监督程序控制运行，用户无法实时控制，如果运行中途出现故障，也只能等到整批如果运行中途出现故障，也只能等到整批作业处理完系统停下来用户纠错后，再重作业处理完系统停下来用户纠错后，再重新运行）新运行） 1.2.2 专用专用OS 60年代第二代年代第二代OS 专用专用OS，包括多道批处理、，包括多

13、道批处理、分时、实时系统。分时、实时系统。一、多道批处理系统一、多道批处理系统1.引入：引入：为解决单道批处理系统中为解决单道批处理系统中CPU与外设与外设串行串行，资源利用率低的问题。资源利用率低的问题。并行并行2.实现实现“并行并行”的技术：的技术： 缓冲技术缓冲技术 SPOOLing技术技术 多道程序设计技术多道程序设计技术你能举例说明串行你能举例说明串行与并行的区别吗与并行的区别吗单道单道多道多道 1.2.2 专用专用OS一、多道批处理系统一、多道批处理系统u多道多道 允许多个程序（作业）同时存在于主存中，按允许多个程序（作业）同时存在于主存中，按照某种原则分派处理机，逐个执行这些程序

14、。照某种原则分派处理机，逐个执行这些程序。u批处理批处理 用户提交的作业首先存放在外存，并排成一个用户提交的作业首先存放在外存，并排成一个队列。然后，由作业调度程序按照一定的算法从队列。然后，由作业调度程序按照一定的算法从该队列中一次选取一个或若干个作业装入内存执该队列中一次选取一个或若干个作业装入内存执行。行。 1.2.2 专用专用OS一、多道批处理系统一、多道批处理系统u输入输入/输出缓冲技术输出缓冲技术 利用双缓冲技术利用双缓冲技术,使针对一个缓冲区的数据处理使针对一个缓冲区的数据处理(CPU)和针对另一个缓冲区的和针对另一个缓冲区的I/O并行运行。并行运行。 例例: :在主存中建立两个

15、长度相同的缓冲区：在主存中建立两个长度相同的缓冲区：B0B0、B1B1，当，当CPUCPU处理处理B0B0中记录的同时，可从磁盘将下一个记录读入中记录的同时，可从磁盘将下一个记录读入B1B1，使使CPUCPU与外设（如磁盘）并行。与外设（如磁盘）并行。B0B1磁盘磁盘缓冲区缓冲区CPU 1.2.2 专用专用OS一、多道批处理系统一、多道批处理系统uSPOOLing技术技术基础基础： I/O中断中断:由由I/O部件操作完成后通知处理机去部件操作完成后通知处理机去运行相应的处理程序。运行相应的处理程序。通道通道:能够自主控制外设与主存并行交换数据能够自主控制外设与主存并行交换数据的的I/O装置，也

16、称为专门的装置，也称为专门的I/O处理机。处理机。磁盘磁盘:随机存取的存储设备随机存取的存储设备* 1.2.2 专用专用OSSPOOLing的基本思想的基本思想: 用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备, ,即主机从磁即主机从磁盘选取作业运行盘选取作业运行, ,结果也存在磁盘中结果也存在磁盘中. .相应的通道则负责磁盘相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输与慢速外设的传输. .利用通道和中断机制利用通道和中断机制, ,作业的输入输出与作业的输入输出与作业在处理机上的运行可很好并行起来作业在处理机上的运行可很好并行起来. .* *SPOOLingSPOOLing系

17、统图示系统图示磁盘磁盘通 道通 道2主机主机通 道通 道1通 道通 道3卡片机卡片机打印机打印机 1.2.2 专用专用OS一、多道批处理系统一、多道批处理系统u多道程序设计技术多道程序设计技术基本思想基本思想: :内存同时保持多道程序内存同时保持多道程序( (作业作业),),处理机处理机( (单处理机单处理机) )以交替的方式同时处理多道程序。宏以交替的方式同时处理多道程序。宏观上看观上看, ,已有多道程序开始运行且尚未结束已有多道程序开始运行且尚未结束, ,微观微观上看上看, ,某一时刻处理机只运行某道作业。某一时刻处理机只运行某道作业。作业作业C I/O CPU I/O CPU I/O作业

18、作业B CPU I/O CPU I/O 作业作业A CPU I/O CPU I/O CPU 1.2.2 专用专用OS【例例】有两个程序有两个程序A和和B，A程序执行时所作的程序执行时所作的工作按次序需要的时间为：工作按次序需要的时间为：CPU计计10s，设备，设备1计计5s， CPU计计5s，设备，设备2计计10s， CPU计计10s。B程序程序执行时所作的工作按次序需要的时间为：设备执行时所作的工作按次序需要的时间为：设备1计计10s ，CPU计计10s，设备，设备2计计5s， CPU计计5s，设备，设备2计计10s。问在单道方式下（设先执行。问在单道方式下（设先执行A再执行再执行B）和多道

19、并发环境下执行和多道并发环境下执行A、B两个程序，两个程序，CPU的利的利用率各是多少？用率各是多少？CPU利用率利用率=占用占用CPU总时间总时间/运行时间运行时间 1.2.2 专用专用OS解解: :（1)在单道方式下，两个程序在单道方式下，两个程序 占用占用CPU时间时间=10+5+10+10+5=40s 运行时间运行时间=10+5+5+10+10+10+10+5+5+10=80s CPU利用率利用率=40/80=50% (2) 在多道方式下，由运行过程得，两程序在多道方式下，由运行过程得，两程序 占用占用CPU时间不变为时间不变为40s， 而运行时间为而运行时间为45s； CPU利用率利

20、用率=40/45=89% 1.2.2 专用专用OS二、分时系统二、分时系统u终端设备终端设备:键盘与显示器键盘与显示器u交互式系统交互式系统:用户通过自己的终端向系统发出命令，用户通过自己的终端向系统发出命令，请求完成某项工作，而系统则分析从终端设备发来的请求完成某项工作，而系统则分析从终端设备发来的命令，完成用户提出的请求，然后用户再根据系统提命令，完成用户提出的请求，然后用户再根据系统提供的运行结果，向系统提出下一步请求，这样重复上供的运行结果，向系统提出下一步请求，这样重复上述交互会话过程，直到用户完成全部工作为止。述交互会话过程，直到用户完成全部工作为止。u分时系统分时系统:交互式系统

21、与多道程序设计结合的产物交互式系统与多道程序设计结合的产物,在一台主机上连接了多个终端，同时允许在一台主机上连接了多个终端，同时允许 每个用户每个用户通过自己的终端，以通过自己的终端，以交互方式交互方式使用计算机，共享主机使用计算机，共享主机中的资源。中的资源。 1.2.2 专用专用OS二、分时系统二、分时系统u主要技术主要技术-分时技术：分时技术：把处理器的运行时间分成把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各个很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各个终端用户作业使用。终端用户作业使用。u分时系统特点分时系统特点:l并行性：并行性：能协调多用户同时使用，多道程序同时

22、运行能协调多用户同时使用，多道程序同时运行l共享性：共享性：各终端用户共享使用资源各终端用户共享使用资源l交互性：交互性：人与计算机系统以对话方式进行工作人与计算机系统以对话方式进行工作l独占性：独占性：每个用户各占一个终端，系统可使用户有一每个用户各占一个终端，系统可使用户有一种自己独占使用计算机的感觉。种自己独占使用计算机的感觉。 1.2.2 专用专用OS三、实时系统三、实时系统u引入引入: :随着计算机应用于随着计算机应用于实时控制实时控制和和实时信息处理实时信息处理领域而发展起来的一种领域而发展起来的一种OS u实时系统实时系统: :能满足要求快速响应作业运行的多道程能满足要求快速响应

23、作业运行的多道程序设计系统序设计系统 。特点特点：响应及时、可靠性高：响应及时、可靠性高u实时系统主要性能指标和功能实时系统主要性能指标和功能: : 时钟分辨度时钟分辨度: :有更高的时钟中断频度有更高的时钟中断频度,可更精确计时可更精确计时,更快进行处理机调度。更快进行处理机调度。多级中断机制：多级中断机制：保证要求快速响应中断的及时处理。保证要求快速响应中断的及时处理。支持实时作业调度：支持实时作业调度：保证实时作业无条件剥夺非实时保证实时作业无条件剥夺非实时作业运行。作业运行。 实时系统实时系统 u实时系统的常见类型实时系统的常见类型 (1)(1) 工业（武器）控制系统。工业（武器）控制

24、系统。(2) (2) 信息查询系统。信息查询系统。( (3 3) ) 多媒体系统。多媒体系统。( (4 4) ) 嵌入式系统。嵌入式系统。 1.2.3多方式系统时代多方式系统时代(60-70年代年代)1.引入：引入：通用计算机的出现要求有与它相适应的通用计算机的出现要求有与它相适应的“通用通用”OS； 2.概念：概念：所谓多方式所谓多方式OS，指同时具有批处理，指同时具有批处理,分分时时,实时功能的系统；实时功能的系统；3.典型代表：典型代表：UNIX，我们平时使用的均为通用，我们平时使用的均为通用OS 1.2.4 并行与分布式并行与分布式OS1.引入引入： 人们使用计算机的高要求及计算机网络

25、的出现，人们使用计算机的高要求及计算机网络的出现，使人们提出了使人们提出了“分布式分布式OS”的理想境界，在研究中，的理想境界，在研究中，网络网络OS及及“多机多机OS”随之派生。随之派生。 2.分布式分布式OS：支持网络和分布处理的系统支持网络和分布处理的系统 3.多机操作系统多机操作系统:支持共享内存多处理机的系统支持共享内存多处理机的系统 u 微机微机OS的发展的发展1.定义：定义：配置在微型机上的操作系统称为微机配置在微型机上的操作系统称为微机OS。2.分类：分类：按字长分：按字长分：8位、位、16位、位、32位、位、64位微机位微机OS按运行方式分：按运行方式分： 单用户单任务单用户

26、单任务OS 代表：代表：CP/M、MS-DOS 单用户多任务单用户多任务 OS 代表：代表：Windows 多用户多任务多用户多任务OS 代表：代表：UNIX、Linux1.3主要操作系统介绍主要操作系统介绍 1.3主要操作系统介绍主要操作系统介绍Windows 1.0Windows 1.0（19851985）Windows 2.0Windows 2.0（19871987）Windows 3.0Windows 3.0（19901990）Windows 95Windows 95（19951995）Windows 3.xWindows 3.xWindowsMeWindowsMe（20002000）Windows 98Windows 98（19981998）WindowsXPWindowsXP（20012001）WindowsNT3.1(