第2讲第1章绪论(二)

河北科技师范学院大专课程

操作系统第2讲主讲人：曾晓宁第一章绪论二、单道批处理（系统监控程序时期）晶体管计算机（1955~1965），操作系统的雏形，监控程序干预下的多道批处理系统。单道批处理系统的工作过程：用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入（以脱机方式）到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，监控程序调入另一道作业，直到这一批作业全部完成。

将作业组织成批，并一次将该批作业的所有描述信息和作业内容输入计算机，计算机将按照作业进入的先后顺序依次自动执行，在一个批次范围内用户不得对程序的运行进行任何干预；批处理脱机批处理图1.7脱机批处理系统

操作员的一部分工作被监督程序替代，监督程序模拟操作员的工作：将磁带机上的程序调入存储器，安排程序运行，将运行结果输出到磁带机上，然后安排下一个程序的运行，如此周而复始直到这一批程序全部处理完毕。单道批处理阶段的特点自动性：专职操作员，程序员不在现场，磁带上的一批作业会自动地逐个作业依次运行，作业间不需要人的干预；顺序性：按进入内存的先后执行；单道性：内存中只保持一道作业运行；仅当该程序完成或发生异常时，才调入其后继程序进入内存执行。实例20世纪50年代GeneralMotors研究室在IBM701计算机上实现了第一个操作系统就是单道批处理系统。对单道批处理阶段的评价(1)作业转换时间大大减小，系统运行效果提高；(2)存在I/O慢造成的CPU空闲等待时间（单道）；(3)程序员（和非编程用户）无法同计算机交互；三、多道批处理系统集成电路时代（1965~1980），操作系统发展史上革命性变革。多道程序设计技术：在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。多道批处理系统的工作过程用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁盘）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，管理程序从这一批中选几道作业调入内存（由作业调度程序按一定策略选择），让它们进入内存运行。当一些作业完成时，管理程序调入另一些程序，直到这一批作业全部完成。

多道程序工作过程图单道和多道程序工作过程比较CPU和设备利用率多道运行的特点1、多路性：每次允许多个用户程序进入内存，它们轮流交替地使用CPU。某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。2、共享性：整个系统资源被进入内存的多个程序共享使用。3、无序性：多个作业完成的顺序与它们进入内存的顺序可能不一致。4、封闭性：在一批作业处理过程中，用户不得干预系统的工作。即便是某个程序执行中出现一个很小的错误，也只能等到这一批作业全部处理完毕后，才能进行修改。5、调度性：作业从被提交给系统开始直至完成，需要经过以下两次调度：

作业调度：按一定的作业调度算法，从外存的后备作业队列中，选择若干个作业调入内存；进程调度：按一定的进程调度算法，从已在的内存作业中选择一个作业，将处理机分配给它，使之执行。多道批处理系统的优点资源利用率高。资源指CPU及内存、I/O设备。（多道程序驻留内存；CPU不再空闲等待I/O)系统吞吐量大。系统吞吐量指系统在单位时间完成的总工作量。由于：CPU和其它资源保持“忙碌”状态；仅当作业完成时或运行不下去时才进行作业切换，系统开销小。平均周转时间长；（指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。）缺乏交互能力(为了提高计算机的利用率，多道批处理系统不允许用户的干预。)多道批处理系统的缺点实例为IBM360机设计的IBMDOS是一个典型的多道批处理系统；问题：用户无法干预并不等于用户不想干预，这就给管理程序提出了更高的要求：既要尽可能高的提高主机的利用率，又要使用户能够方便地干预程序的运行。四、分时系统1、应用需求推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展产生的主要动力是用户的需要：人机交互、共享主机、便于用户上机。2、基本思想所谓分时系统就是采用了分时技术的操作系统。分时技术就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各用户使用。每一用户分得一个时间片，用完这个时间片后操作系统将处理机分给另一用户，如此循环，每一用户可以周期性地获得CPU使用权，这样每一用户都有一种独占CPU的感觉。时间片 时间片是程序一次运行的最小时间单元。在划分时间片的时候，要根据系统的总体设计框架来考虑：通常说来，在一个时间片内，至少应该能够一个程序原子过程（原子过程在运行期间不可中断）的一次执行；用户要求的响应时间越短，系统一次容纳的用户数目越多，时间片就必然越短。多用户

分时系统是多用户同时使用的操作系统，用户通过不同的终端同时连接到主机，主机分时地对用户终端程序进行反应，要求产生的结果是：每一个用户都感觉自己在独立地在使用着计算机，用户的行为并不会相互影响。

图1-4分时系统工作过程示意图3、分时系统要解决的关键问题及时接收：及时接收用户的命令或数据，解决办法是配置多路卡；作用是使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据。是及时处理：及时处理用户命令。应该使所有的用户作业都直接进入内存；在很短的时间内使每个作业都运行一次。4、分时系统的特征多路性：允许同一主机联接多台终端。系统按分时原则为每个用户服务，宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源，而微观上，则是每个用户作业轮流运行一个时间片。独立性：每一用户独占一个终端。各自独立操作，互不干扰。因此，用户会感觉到是他自己在独占主机。及时性：用户请求能及时响应。此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常小于2~3秒。交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。用户可以请求系统提供多方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。实例20世纪60年代初，麻省理工学院研制同了第一个分时系统CTSS（CompatibleTime-SharingSystem)；现今优秀的分时系统首推UNIX。虽然分时系统具有及时性，但其响应时间只是在一个平常用户认可的范围内，可是有许多特殊的领域对计算机的响应要求更为严格。这已经超出了分时系统的服务范围，需要选择新的系统来对计算机进行管理。五、实时系统计算机应用范围日益扩大，比如在控制飞机飞行、导弹发射以及冶炼轧钢等生产过程中采用了实时控制系统，在飞机订票、银行业务中采用了实时信息处理系统，它们都打破了只把计算机用于科学计算和数据处理等方面的格局。1、应用需求实时控制把计算机用于生产过程的控制，系统要求能采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理；

实时控制系统的主要特点：与被控制过程的变化速度相比，其反应速度要足够快；工作安全可靠，即使系统硬件发生故障，系统也能安全运行；操作人员使用系统也简单、方便。（生产过程的自动控制、导弹的制导系统）实时信息处理：用于对信息进行实时处理的系统；计算机根据从远程终端上发来的服务请求，对信息进行检索和处理，并在很短的时间内为用户作出正确的回答。典型的实时信息处理系统有：飞机订票系统、情报检索系统等。所谓“实时”，是指能够及时响应随机发生的外部事件、并对事件做出快速处理的一种能力。而“外部事件”，是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种服务请求。实时操作系统就是能对来自外部的请求和信号在限定的时间范围内做出及时响应并控制所有实时任务协调一致的运行的操作系统。2、什么是实时系统下图所示是一个用计算机系统控制化学生产反应的例子。A、B两种原料通过阀门进入反应堆。反应堆中的各种传感装置周期性地把所测得的温度、压力、浓度等测量信号传送给计算机系统。计算机中的实时操作系统及时接收这些信号，并调用指定的处理程序对这些数据进行分析，然后给出反馈信号，控制两种原料A、B的流量，确保反应堆中的诸原料参数维持在正常范围之内。若参数超过极限允许值，就立即发出报警，甚至关闭反应堆，以免发生事故。响应及时立即响应要求从事件发生到计算机做出反应之间的时间非常短，通常在微秒数量级范围。不同的系统其反应时间的要求也不同，这种反应时间必须保证被控制设备能够做出正确的动作，任何时间延迟都会导致系统的错误。3、实时系统的主要特征高可靠性保证系统高可靠性的方法；容错能力（如故障自动复位）和冗余备份（双机）；可将同样的数据重复保存在不同的存储位置上，以保证存储的数据在意外情况发生时还能够被恢复。可采用主处理机和后备处理机处理同样的事件，如果主处理机发生意外，则启用后备处理机的处理结果。交互性：实时系统的工作方式使得交互性受到限制。人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。几种操作系统的比较多道批处理系统分时系统实时系统CPU时间分配内存响应时间特殊要求面向用户群作业运行时独占时间段分时事件发生时立即分配同时存放多批作业同时存放多道程序存放预置的事件处理程序运行期间不响应及时响应立即响应极大的资源利用率公平面向多用户高可靠性委托用户定向用户普通用户批处理、分时、实时系统是三种基本的操作系统类型。综合其中任意两个系统功能的操作系统称为通用系统。六、单用户操作系统单用户操作系统面对单一用户，所有资源均提供给单一用户使用，用户对系统有绝对的控制权。单用户操作系统是从早期的系统监控程序发展起来的，进而成为系统管理程序，再进一步发展为独立的操作系统。它是针对一台机器、一个用户的操作系统。多数微机操作系统都是单用户操作系统，如Windows、MS-DOS等；是随着微型机的发展而生的，不追求系统资源的利用率，不讲资源的共享，也不要求系统支持实时响应，而是强调个人的特点，注重使用的方便。分类单用户单任务OS：内存中一道程序；单用户多任务OS：可以同时运行多个程序。七、网络操作系统计算机网络是指将地理一分散的具有独立功能的计算机系统和外围设备，通过各种媒体和通信手段，按不同的拓朴结构连接起来的集合体。提供网络通信和资源共享功能的操作系统就称为网络操作系统。网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机地联合起来，使用户可以突破地理条件的限制，方便地相互通信以及共享各种资源等；网络操作系统四个基本功能网络通信：为通信双方建立和拆除通信通路，实施数据传输，对传输过程中的数据进行检查和校正。资源管理：采用统一、有效的策略，协调诸用户对共享资源的使用，用户使用远地资源如同使用本地资源一样。提供网络服务：向用户提供多项网络服务，比如电子函件服务，比如远程登录服务，再比如文件传输服务，提供网络接口：向网络用户提供统一的网络使用接口，以便用户能方便地上网，使用共享资源，获得网络提供的各种服务。实例流行的网络操作系统有Windows2000、UNIX、Ｌinux等。八、分布式操作系统在以往的系统中，其处理和控制功能都高度集中在一台主机上，所有的任务都由主机处理，这样的系统称为集中式处理系统。所谓分布式系统，是指由多个分散的处理单元为协同完成任务而经网络的连接而形成的系统。在分布式处理系统中，系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上。系统中的所有任务可以动态地分配到各个处理单元中去。分布式操作系统与网络操作系统的比较分布性：在分布式系统中只有一个分布式操作系统，而在网络系统中各个结点可以有不同的网络操作系统；并行性：分布式系统中可以将一个或多个任务动态分配到不同的单元上，在网络系统中每个用户的一个或多个任务通常都在本地处理。透明性：分布式系统具有透明性，如用户要访问某文件，他只需要知道文件名，无需知道文件在哪个站点。对网络系统来说，用户要访问一个文件时要知道文件名及位置。

共享性：在分布式系统中，各站点的所有资源都可供全系统共享，在网络系统中一般仅有服务器上的部分资源可供全网共享健壮性：分布式系统有健壮性，对于多机合作和系统重构、容错能力有更高的要求，而网络操作系统的要求明显要低一些。九、嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？是指运行在嵌入式系统环境中，对嵌入式系统及其所有资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件。它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”。通常工作在反应快或对处理时间有较严格要求环境中。由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统。嵌入式操作系统的应用智能卡移动通信计算机外设机顶盒零售设备印刷机复印机互联网服务器电话交换设备补：通用操作系统上面介绍的批处理系统、分时系统和实时系统是操作系统的三种基本类型.如果一个系统兼有批处理、分时处理和实时三者，那就形成了通用操作系统。例如，把批处理与分时处理相结合，系统有分时用户时，系统及时对他们的请求作出响应，而当系统暂时没有分时用户或用户较少时，就可利用一些空闲的时间片去处理无需及时响应的批作业。类似地，也可把批处理与实时处理相结合，有实时请求时进行实时处理，没有实时请求时运行批作业。这都可提高系统资源的利用率。1.5实用操作系统介绍典型操作系统介绍

Windows操作系统

UNIX操作系统

Linux操作系统

DOS操作系统Windows操作系统是一个面向傻瓜用户的系统；发展方向是开发更亲切易用的界面，增加更多的用户功能，对用户的行为更宽容；包含了用于个人机的的多任务分时操作系统WindowsProfessional和用于网络的网络操作系统WindowsServer。Windows系列

Windows系列是一个图形窗口操作环境软件。它代替了DOS环境下的命令行操作方式，而代之以“对话”、“图标”、“菜单”等图形画面和符号的全新操作方式。它有如下特点。●丰富多采的图形操作界面，使PC机易于掌握和使用。

●支持多任务运行，各任务之间即易于转换，又可方便地交换信息。

●提供了程序管理、文件管理、打印管理、控制面板等作方便的管理工具，可完成任务、文件、设备等的并行管理工作。●提供了多种方便实用的工具软件，包括：字处理程序，画图软件等一套桌面办公用具软件。UNIX概述多用户多任务分时操作系统目前主流操作系统之一跨越从PC到巨型机范围的唯一操作系统有许多变种与克隆它具有良好的安全性能，文件管理和设备管理独具特色，系统程序之间调用关系灵活，具有良好的可移植性，系统规模比较小。

UNIX发展简史产生：69年AT＆T公司贝尔实验室Thompson&Ritchie，PDP-7第二阶段（73-79）：免费扩散第三阶段（75－85）：商用版本的出现（77年）和三大主线的形成第四阶段（80年代后期）：两大阵营和标准化第五阶段（90年代至今）：共同面对外来竞争、两大阵营淡化UNIX的诞生最早是由美国电话与电报公司（AT&T）贝尔实验室（BellLab）的KenThompson和DennisRitchie两人在DEC的PDP-7机上开始设计的。从1962年至今，它不断地发展、演变并被广泛地应用于小型机、超级小型、大型机甚至超大型机，80年代以来又凭借其性能的完善和可移植性，在微型机上也日益流行起来。UNIX名扬计算机界，众多用户争先恐后地使用它。由于UNLX的巨大成功和它对计算机科学所作的贡献，两位主设计人曾获得国际计算机界的“诺贝尔奖”——ACM的图灵奖。第二阶段（73-79）免费扩散73年后，UNIX迅速以许可证形式免费传播到各大学。这些大学、研究机构对UNIX进行了深入研究、改进和移植。AT&T又将这些改进加入到UNIX。众多大学免费使用UNIX，使学生们熟悉了UNIX，他们毕业后将UNIX传播到各地。第三阶段（75－85）商用版本的出现（77年）和三大主线的形成UNIX的发展导致许多公司开发自己机器上UNIX增值商业版本。UNIX变种大量增加。这些变种围绕3条主线：由Bell实验室发布的UNIX研究版（V1到V10）；伯克利发布BSD；Bell发布的UNIXSystemIII和SystemV。BSD对UNIX的发展有重要影响，许多新技术是BSD率先引入的：TCP/IP，分页存储管理，快速文件系统等。第四阶段（80年代后期）两大阵营和标准化80年代后期，UNIX变种的增多导致了程序的不兼容性和不可移植，因此迫切需要标准化。87年AT&T同SUN合作将SystemV和SUNOS统一为一个系统。其它厂商（IBM、DEC、HP等）感到了威胁，于是联合起来在88年成立了开放软件基金会（OSF）。作为回应AT&T和SUN成立了UNIX国际（UI）。IEEE尝试将两大阵营统一起来，制定了POSIX标准。在标准化的过程中，各厂商总想加入一些特性来标榜自己的“产品特色和优势”，这使得标准化没有完全成功。第五阶段（90年代至今）共同面对外来竞争、两大阵营淡化80年代是UNIX蓬勃发展的十年，进入90年代，Windows的发展、Linux的出现，两大阵营的争斗很快淡化下来。UNIX系统有如下特点：内核的短小精悍，与核外程序的有机结合。

UNIX系统在结构上分成两大层：内核和核外程序，内核包括进程管理、存储管理、设备管理和文件管理。核外程序充分利用内核的支持，向用户提供大量的服务，甚至终端命令解释程序也放在核外程序层。●采用树形结构的文件系统。这样的文件组织方式不仅便于文件进行分类和查找，而且容易实现文件的保护和保密。●把设备如同文件一样看待。系统中所配置的每一种设备，包括磁盘、磁带、终端、打印机、通信线路等等，UNIX都有一个特殊文件与之一一对应。用户可使用普通的文件操作手段。对设备进行I/O操作。

●良好的可移植性。UNIX系统的全部系统使用程序以及内核程序的90%都是用C语言编写的。由于C语言编译程序有良好的可移植性，因此用C语言编制的UNIX系统也具有良好的可移植性。这不仅意味着UNIX系统易于从一种硬件系统移