操作系统引论2

1.2操作系统的形成和发展1.2.1

人工操作阶段1.2.2脱机输入/出阶段1.2.3

管理程序阶段1.2.4

多道程序设计与操作系统的形成1.2.5操作系统的分类和发展1.2.1人工操作阶段(1)

算题过程(1)步1人工按源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上；步2将纸带装入纸带输入机或将卡片装入卡片输入机；步3将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机；人工操作阶段(2)

算题过程(2)步4启动计算机运行，汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡或穿孔带上的程序；

步5执行汇编过程或编译过程，产生目标程序；人工操作阶段(3)

算题过程(3)

步6启动目标程序执行，从纸带输入机（或卡片输入机）上读入人工装好的数据卡(或带)中的数据；步7产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上输出。人工操作阶段(4)严重缺点：用户上机独占全机资源，导致计算机资源的利用率不高，系统效率低下；

手工操作多，极易发生差错；程序和数据的输入以及结果的输出都是联机进行，使得CPU空闲较多。1.2.2脱机输入/输出方式(1)用户程序和数据的输入/输出，都是在脱离主机的情况下完成的，它的实现方式如下：脱机输入/输出方式（2）纸带纸带机磁带A外围机控制下输入磁带A主机磁带B运行磁带B相应输出设备外围机控制下输出

优点：脱机输入/输出方式（3）2）提高了I/O速度程序和数据的输入/输出都在脱离主机的情况下进行，不占用主机时间，有效减少了CPU的空闲时间CPU的I/O工作直接跟高速的磁带或磁盘打交道，而不是跟低速的卡片机或纸带机直接打交道，缓解了CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾1）减少了CPU的空闲时间缺点：计算机主机每次只能运行一个作业，运行完一个作业而要运行下一个作业时，又需要人工的干预。即将已装好程序和数据的又一个磁带或磁盘再连到主机上，再启动主机运行。脱机输入/输出方式（4）

联想：

能否让同一用户的若干个作业能在主机中连续、自动地运行？1.2.3管理程序阶段(1)工作流程如下：若干个作业组织成一批磁带主机(带管理程序)脱机方式输出作业0作业1作业2…管理程序阶段(2)优点：

自动地控制和处理作业流缺点：

单道性为了提高计算机资源的利用率，在20世纪60年代中、后期产生了多道程序设计的思想，即让多个程序在计算机内部处于并发运行的状态。管理程序阶段(3)管理程序阶段(4)

为了解决多道程序在计算机内部能协调、同步、正确地运行所面临的一系列复杂问题，就产生了一系列解决这些问题的程序，久而久之，在这些程序的基础上就产生了真正的操作系统。

1.2.4多道程序设计与操作系统形成

多道程序设计的概念

多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动运行的方法。引入多道程序设计技术的根本目的：提高系统资源的利用率例如：让计算机同时接受两道程序当第一道程序在等待外围设备输出结果的时候，让第二道程序占用CPU运行，从而减少CPU空等时间，处理器的利用率可以有所提高采用多道程序设计技术提高了计算机工作的效率，即增加了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算时间。？注意问题11小时×30％＝18分钟

例如，甲、乙两道程序，独占计算机单道运行时每道花1个小时，若此时处理器利用率为30％，粗略地说，甲(或乙)程序执行时所需要的处理器时间为：假定按多道程序设计方法运行，处理器的利用率达50％，即处理器使用时间总共为：36/0.5=72（分钟）单道运行时，甲、乙依次执行完需120分钟。因而采用多道程序设计方法后效率可以提高：由于OS调度要花费处理器时间，所以实际花费的时间可能还要长些，例如80分钟(120—80)／120≈33％甲、乙两道程序，如果单道运行，花60分钟就可得到结果。多道运行时，却要花80分钟才有结果，延长了20分钟，即延长了33％的时间：（80-60）/60=33%多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价的多道程序设计时的程序选择与程序道数多少不是任意的•要考虑资源的均衡使用•内存储器的容量和用户的响应时间等因素也影响多道程序道数的多寡

如两道程序都要用打印机，若系统只有一台，就算它们同时被接受进入计算机内存运行，也未必能提高效率注意问题2

多重处理系统是指配置了多个物理CPU，能真正实现同一时刻执行多道程序的系统。要有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术；反过来，多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持注意问题3：多道程序设计系统与多重处理系统

为了解决多道程序在计算机内部能协调、同步、正确地运行所面临的一系列复杂问题，就产生了一系列解决这些问题的程序，久而久之，在这些程序的基础上就产生了真正的操作系统。1.2.5操作系统的分类与发展

一、三种基本的操作系统类型：

1

批处理操作系统

2

分时操作系统

3

实时操作系统二、操作系统的进一步发展批处理操作系统(1)用户把要处理的应用问题编成程序，连同数据和作业说明书一起交给操作员；操作员集中一批用户作业（程序、数据、作业说明书），以脱机的方式输入到计算机中，由操作系统来统一调度和自动控制作业的执行。批处理操作系统（BatchOperatingSystem）：批量化处理作业批处理操作系统(2)批处理系统的主要特征：

•

成批、自动地处理作业

•

多道程序并发运行

•

用户不能与自己的作业交互•

作业周转时间长分时操作系统(1)

允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行处理的操作系统称分时操作系统（TimeSharingOperatingSystem）分时操作系统的控制

分时操作系统(2)分时操作系统具有以下特性：同时性：独占性：及时性：交互性：分时操作系统(3)

三种具体的实现方式：1）单道分时系统

1962年，第一个分时系统CTSS，运行在IBM7094机上，支持32个交互式用户同时工作。用户外存内存输入作业0作业1…轮流某作业运行一个时间片

虽然实现了人机交互，但作业在内外存之间频繁地调入、调出，CPU经常处于空闲状态，系统性能不好。分时操作系统(4)2）具有“前台”和“后台”的分时系统

内存被固定地划分为“前台”和“后台”两部分，“前台”存放按时间片“调进”与“调出”的作业流，“后台”存放批处理作业。仅当前台区已无作业调进/出时，才运行“后台区”作业。好处：前台区作业能与用户及时进行人机交互，便于调试、修改，调好的程序转向后台区的批处理系统自动运行。对后台区的作业如能按一定原则优化组合后进行作业调度，能提高系统效率。分时操作系统(5)3）多道分时系统

如果用户的作业较小的话，内存便可多装入几道作业，由系统将已具备运行条件的作业排成一个队列，使它们依次获得一个时间片来运行由于切换和运行都在内存，较为灵活方便，不必调入/调出，故具有较好的性能实时操作系统(1)RealTimeOperatingSystem：指当外界事件或数据产生时，能迅速接收并以足够快的速度予以处理，处理的结果又能在规定时间内去控制相应的生产过程或给出相应的服务信息的操作系统。实时操作系统(2)两种典型的实时系统过程控制系统(如化学反应堆的控制)信息查询系统(如飞机订票系统)

实时操作系统的特点：1）许多实时系统是“专用系统”，它们为专门的应用而设计；无论是批处理系统，还是分时系统，系统本身并没有要完成的作业，只是起着管理调度系统资源，向用户提供服务的作用——通用系统；实时操作系统(3)2）实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的响应十分迅速、及时，一般开始至截止时间为秒级、毫秒级、微秒级等3）可靠性

批处理系统与分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统高度可靠，稍有差错就会造成巨大损失，往往都采用双机系统实时操作系统(4)

实际的系统往往兼有多道批处理、分时和实时三者、或其中两者的功能二、操作系统的进一步发展微机操作系统(1)分类单用户单任务OS：如DOS单用户多任务OS：如Windows98、Windows2000多用户多任务OS：如Unix并行操作系统(1)计算机的应用每前进一步都要求增加计算机的处理能力。为达到极高性能，除提高元器件速度外，必须改进计算机系统结构，这主要采用增加处理机数量，通过并行处理（Parallelprocessing）技术来实现。为了发挥并行计算机的性能，需要有并行算法、并行语言等许多软件的配合，由此产生了并行操作系统。并行操作系统(2)

目前已经研究出来的并行操作系统有：

•V-Kernel，美国Stanford大学

•Meglos,美国Bell实验室

•MACH，美国卡内基梅隆大学网络操作系统(1)能够控制计算机在网络中方便地传送信息和共享资源，并能为网络用户提供各种所需服务的操作系统，称网络操作系统（NetworkOperatingSystem）。网络操作系统(2)1）网络通信

2）资源管理

3）网络管理：流量、性能

4）网络服务：邮件服务、文件传输分布式操作系统(1)

分布式计算机系统由多台分散的计算机经互连网络连接而成，满足条件：•系统中任意两台计算机可以通过系统的安全通信机制来交换信息；•系统中的资源为所有用户共享，用户只要考虑系统中是否有所需资源，而无需考虑资源在哪台计算机上；

分布式操作系统(2)•系统中的若干台机器可互相协作完成同一个任务，即一个程序可以分布于几台计算机上并行运行。系统中的一个结点出错不影响其它结点运行，即具有较好的容错性。分布式系统是一种特殊的计算机网络

分布式操作系统(3)1)进程通信：2)资源共享：3)并行计算：4)

网络管理：分布式操作系统(4)

已经研制出来的分布式操作系统有：Cm*(美国卡内基梅隆大学)，X树系统(美国加州大学伯克利分校)，Arachne(美国威斯康星大学)，Chorus(法国国家信息与自动化研究所)，Plan9(美国Bell实验室)，Amoeba(荷兰自由大学)，Guide(法国Bull研究中心)，Clouds(美国乔治亚理工学院)，CMDS(英国剑桥大学)。分布式操作系统(5)

分布式系统研究和开发的主要方向：•分布式系统结构：非共享/共享通路结构；•分布式操作系统：资源管理、同步机制、死锁检测与解除等等；•

分布式程序设计：语言开发；•分布式数据库：设计开发新的分布式数据库；•分布式应用：研究各种分布式并行算法，研究其在各个领域的应用；嵌入式操作系统什么是嵌入式操作系统?指运行在嵌入式(计算机)环境中，对整个系统及所有操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件。嵌入式操作系统具有通常操作系统的功能，包括：与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能（文件系统、存储管理、设备管理、进程管理、处理器管理和中断处理）、功能强大的还提供图形界面、通信协议、小型浏览器等设施。嵌入式(计算机)系统的硬件不再以物理上独立的装置或设备形式出现，而是大部分甚至全部都隐藏和嵌入到各种应用系统中，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统如：掌上PDA、电视机顶盒、手机、数字电视、微波炉、数字相机、空调、自动售货机、工业自动化仪表与医疗仪器等WindowsCE是微软开发的，用于通信、娱乐和移动式计算设备的操作系统(平台)，它是微软“维纳斯”计划的核心。CE是具有开放性的，32位多任务、多线程的嵌入式操作系统。

嵌入式操作系统有：PersonalJava是SUN