操作系统12操作系统形成和发展

第一章操作系统概论1.2操作系统的开展和构成

1.2.1

人工操作阶段1.2.2

管理程序阶段1.2.3

多道程序设计与操作系统的构成1.2.4操作系统的分类50年代至今，操作系统阅历了从简单到复杂，从低级到高级的开展过程。人工操作方式管理程序阶段多道程序系统管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程序系统以后，现代操作系统才真正构成和开展。1.2操作系统的开展和构成

什么推进着os的开展？计算机硬件晋级和新硬件的出现提供新的效力、方便运用提高计算机资源利用率更正软件错误计算机体系构造的开展：单处置系统、多处置系统、分布式系统、计算机网络1.2操作系统的开展和构成

人工操作方式〔1946-50年代中期〕，没有OS用户：即是程序员，又是操作员1.2.1人工操作阶段编程言语：机器言语、汇编言语输入输出〔Input/output〕：纸带或卡片人工操作阶段的缺陷用户上机独占全机资源，呵斥资源利用率不高，系统效率低下。手工操作多，浪费处置机时间，也极易发生过失。数据的输入，程序的执行、结果的输出均联机进展，从上机到下机的时间拉得非常长。人工操作速度和计算机速度构成突出的矛盾1.2.2管理程序阶段50年代末-60年代中，为理处理人工干涉的问题，必需缩短建立作业〔即用户的一个计算义务〕和人工操作的时间。人们首先提出从一个作业转到下一个作业的自动转换方式，从而出现了早期的批处置方式〔单道批处置〕。完成作业自动转换任务的程序叫做“监视程序〞〔又称“批处置程序〞、“管理程序〞〕。早期的批处置分为联机批处置和脱机批处置两种类型

1.2.3多道程序设计与操作系统构成引入：单道批处置系统中，恣意时辰只允许一道作业在内存中运转，资源利用率低。为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，构成了多道批处置系统。

1.2.3多道程序设计与操作系统构成多道：是指允许多个程序同时存在于内存中，按照某种原那么分配处置机，逐个执行这些程序。批处置：用户提交的作业首先存放在外存，并排列成一个队列。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假设干个作业装入内存执行。从宏观上看是并行的从微观上看是串行的单道与多道程序系统对比单道程序系统用户程序监视程序I/O操作I/O中断恳求启动I/O

I/O完成终了中断I/O中断恳求启动I/OI/O完成终了中断t1t2t3t4t5t6t7t8程序A程序B程序C程序D调度程序程序AI/O恳求程序BI/O恳求程序CI/O恳求程序DI/O恳求程序AI/O完成程序BI/O完成程序A再次被调度程序CI/O完成t多道程序系统〔P19)单道算题运转时处置器的运用效率

例1：求解某个数据问题，要求从输入机〔运转速度6400个字符/s〕输入500个字符，经处置〔费时52ms〕之后，将结果〔假定为2000个字符〕存储到磁带机上〔磁带机的运转速度为105个字符/s〕，然后，再读取500个字符进展处置，直至一切的数据处置终了为止。

1.2.3多道程序设计与操作系统构成〔P19)单道算题运转时处置器的运用效率

78输入机处置器磁带机130150228280300378430450时间

1.2.3多道程序设计与操作系统构成

1.2.3多道程序设计与操作系统构成两道算题运转时处置器的运用效率例2：计算机同时接纳两道计算题，接纳上述例题时，还接纳另一道计算题。从另一台磁带机上输入2000个字符，经42ms处置之后，从行式打印机〔运转速度为0行/min〕上输出两行。

78输入机处置器磁带机1130150228280300378430450时间磁带机2打印机P1P2P1P2P2P1

1.2.3多道程序设计与操作系统构成两道算题运转时处置器的运用效率

课堂练习1

课堂练习2多道程序设计的效果采用多道程序设计提高了效率，即增长了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延伸了计算时间。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呼应时间为代价的。

1.2.3多道程序设计与操作系统构成在多道程序设计中，值得留意的是道数的多少。外表上看，似乎道数越多那么效率越高，但是道数的详细数目往往遭到系统资源数目、内存容量、用户呼应时间等限制。程序等待I/O操作的时间占其运转时间的比例为p，当主存中有n道程序时，一切程序都等待I/O的概率是pn，那么，CPU利用率=1-pnn称多道程序的道数或度数可见CPU的利用率是n的函数

1.2.3多道程序设计与操作系统构成

1.2.3多道程序设计与操作系统构成进程平均有80%的时间在I/O。假设计算机主存容量为1MB，操作系统的运转占用200KB，其他主存允许4道程序共享。添加1MB主存后，多道程序可添加到9道。在添加1MB主存后，多道程序可添加到14道。引入多道程序设计的优点是：提高了CPU的利用率；提高了主存和I/O设备的利用率；改良了系统的吞吐率；充分发扬了系统的并行性。其主要缺陷是:作业周转时间延伸

1.2.3多道程序设计与操作系统构成多道程序设计系统与多重处置系统多重处置系统是指配置了多个物理CPU，能真正同时执行多道程序的系统。要有效地运用多重处置系统，必需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置系统支持。

1.2.3多道程序设计与操作系统构成多道程序设计与操作系统构成

实现多道程序设计必需处理三个问题：存储维护与程序浮动；处置器的管理和调度；系统资源的管理和调度。

在多道程序设计环境中，主存为多道程序所共享，因此，硬件必需提供相应的设备，使得主存中各道程序只能访问本人的区域，以防止相互关扰。当某道程序发生错误时，不致影响其他程序，更不会影响系统程序，这就是存储维护。由于各道程序不是独占全机，程序员在编制程序时无法知道程序在主存中确实切地址，甚至在运转过程中，程序也能够随时改动位置，因此要求程序可以根据需求从一个主存区挪动到另一个区，而不影响其正确执行，这成为存储维护，或地址重定位。1.2.4操作系统的开展与分类三种根本的操作系统类型：1批处置操作系统2分时操作系统3实时操作系统批处置操作系统批处置操作系统〔BatchOS〕批处置系统中，用户的作业分批提交并处置，即系统将作业成批地输入系统并暂存在外存中，组成后备作业队列，每次按一定的调度原那么从后备作业中选择一个或多个装入主存进展处置，作业完成后退出。这些操作由系统自动实现，大大缩短了两个作业之间的转接时间，在系统中构成了一个自动转接的作业流，当一批作业运转终了，输出结果后，系统便接纳下一批作业。批处置操作系统在批处置系统中，用户不能直接干涉作业的运转过程，而是将其对作业的控制意图在作业提交之前用作业控制言语编制成作业阐明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运转时的资源恳求，或是对能够产生的运转错误的相应处置等。作业阐明书或作业控制卡在提交作业时，与程序和数据一同提交给系统，由作业控制程序或命令解释程序解释执行，并且提供相应的效力。批处置操作系统性能目的：吞吐量单道批处置：磁带上有一批作业，但内存中只需一个作业，它占用系统的一切资源。多道批处置：磁带/磁盘上有一批作业，内存中同时存在多个作业，它们共享系统的各种资源。批处置操作系统在引入多道程序设计技术后，批处置系统具有以下的特征：多道性：在内存中同时驻留多道程序，它们并发执行，以提高系统的资源利用率和系统的吞吐量。无序性：作业的执行顺序与作业进入系统的先后顺序没有严厉的对应关系。调度性：作业从提交到运转完成需求经过两次调度，即作业调度和进程调度。批处置操作系统优点：成批处置作业，多道程序运转，资源利用率高，吞吐量大。缺陷：平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开场，直到作业完成并退出系统为止所阅历的时间。在批处置系统中，由于作业需求排队来依次进展处置，因此作业的周转时间较长。无交互才干。在作业提交后，用户不能与本人的作业进展交互，不便于对作业的控制。为什么要有分时操作系统?批处置用户不能干涉本人程序的运转，无法得知程序的运转情况，不利于程序调试和排错。70年代中期出现，“分时〞是为了满足用户交互和及时呼应的要求分时操作系统性能目的：呼应时间“分时〞：把CPU时间分割成时间片，每个用户依次轮番运用时间片。分时操作系统多个用户经过终端与主机交互。他们的作业按照时间片TimeSlice轮转运转，时间片完成时产生时钟中断。在分时系统中每一个事件得到的分时时间单位叫做时间片。分时操作系统所谓“分时〞，就是多个用户对系统资源进展时间上的分享。在分时操作系统中，一个计算机系统与假设干台本地或远程终端相连，每个用户可以在所运用的终端上以人—时机话的交互方式运用计算机。微观上，每个用户作业轮番运转一个时间片；宏观上，多个用户同时任务，共享系统资源。分时操作系统实现分时系统，其中，最关键的问题是如何运用户能与本人的作业进展交互，即当用户在本人的终端上键入命令时，系统应能及时接纳并及时处置该命令，再将结果前往给用户。以后，用户可继续键入下一条命令，此即人—机交互。应强调指出，即使有多个用户同时经过本人的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接纳并处置：⑴及时接纳；⑵及时处置。分时操作系统分时系统普通分为单道分时系统、具有“前台〞和“后台〞的分时系统及多道分时系统。单道分时系统在内存中只驻留一道作业，其他作业那么存放在外存中。具有前后台的分时系统中，内存被固定划分为“前台区〞和“后台区〞两部分，前台去存放批处置作业，仅当前台调进、调出时，或前台无作业可运转时，才运转后台的作业，从而充分提高CPU的利用率多道分时系统可在内存中同时存放多道作业。作业在内存中的占用量较少，作业切换在内存中进展。分时操作系统同时性在一台主机上衔接了假设干个用户终端。从宏观上看，多个用户在同时任务，但从微观上看，各终端程序却是在按时间片依次轮番运用CPU。同时性提高了系统资源利用率。分时系统的特征同时性、独立性、及时性、交互性分时操作系统独立性每个用户各占一台终端，彼此独立操作，互不干扰。就像整个系统由他本人独占一样。及时性终端用户的恳求能在允许的时间范围内得到呼应，这个时间通常被规定为2到3秒。交互性用户从键盘输入命令，恳求系统效力或控制造业的运转；系统能及时呼应命令并显示结果。分时与批处置操作系统的区别目的不同顺应作业的性质不同资源运用率不同作业控制方式不同分时系统为交互式作业提供了快速呼应效力，但还不能满足某些对呼应时间要求非常严厉的义务需求。例如：实时控制：如炼钢/炼油等工业自动控制系统、火炮自动控制、飞机自动驾驶、导弹制导等。实时信息处置：如飞机订票、情报检索等。实时操作系统实时系统(Real-TimeOS)的定义实时系统那么是指计算机可以及时呼应外部事件的恳求，在规定的短时间内完成对该事件的处置，并控制一切实时设备和实时义务协调一致地运转。三种典型的实时系统:过程控制系统(消费过程控制)信息查询系统(情报检索)事务处置系统(银行业务，订票)实时操作系统同时性。实时系统也会遇到多个用户同时访问的问题。独立性。在实时控制系统中，信息的采集和对象的控制都是彼此互不干扰的；在实时信息处置系统中，每个终端用户在向系统提出信息查询和效力恳求时也都是彼此独立，互不干扰的。及时性。实时系统对及时性的要求比分时系统要高。实时系统的及时性那么是以控制对象所能接受的延迟时间来确定的，能够是秒级，也能够是毫秒级，甚至是微秒级。实时操作系统特征交互性。实时系统大都是具有特殊用途的公用系统，它仅允许操作人员访问系统中某些特定的公用效力程序，因此，实时系统的交互才干比分时系统要差。高可靠性。实时系统和分时系统相比，对可靠性的要求会更高，缘由是实时系统中的任何过失都能够带来宏大的经济损失、甚至无法预料的灾难性后果。实时操作系统特征实时操作系统实时操作系统〔RealTimeOS)处置流程：•

数据采集；•加工处置；•操作控制；•反响处置。阐明以上引见的批处置系统、分时系统和实时系统是三种根本的操作系统类型。需求阐明的是，一个实践的操作系统，能够兼有三者或其中两者的功能，这样的操作系统成为通用操作系统。操作系统的进一步开展

操作系统开展的主要动力：1、器件快速更新换代。2、计算体系构造不断开展。3、提高计算机系统资源利用率的需求。4、让用户运用计算机越来越方便的需求。5、满足用户新要求，提供应用户新效力。

操作系统的进一步开展操作系统的构成曾经有近五十年的历史，它经过20世纪60年代、70年代的大开展时期，到80年代已趋于成熟。但随着VLSI和计算机体系构造的开展，它也仍在开展之中，由此先后构成了：一、微机操作系统二、多处置机操作系统三、网络操作系统四、分布式操作系统五、嵌入式操作系统微机操作系统随着超大规模集成电路〔简称VLSI〕的开展而产生了微型计算机，配置在微型计算机上的操作系统称为微型计算机操作系统〔简称微机操作系统〕。微机操作系统微机操作系统按照处置机的字长可分成:8位16位32位64位等微机操作系统还可按OS处置的用户义务情况进展划分单用户单义务os：CP/M—ControlProgramMonitor，1975，8位规范MS-DOS，1981，16位的OS规范单用户多义务os：OS/2，1987，16—32位OSMSWindows(非效力器版本)，1990，32位多义务OS主流多用户多义务os：UNIXWin2000/NTLinux多处置机操作系统较早的计算机系统根本上都是单处置机系统，后来出现了多处置机系统MPS(MultiprocessorSystem)从计算机体系构造上来改善系统性能。多处置机系统的系统重构功能提高了系统的可靠性，即当其中任何一台处置机发生缺点时，系统能立刻将该处置机上所处置的义务迁移到其它的一个或多个处置机上去处置，整个系统仍能正常运转，仅使系统的性能略有降低。多处置机操作系统多处置机系统所配置的操作系统可以分为对称式和非对称式〔又称为主–从式〕。对称式是每个处置机上运转着同一操作系统的拷贝，这些拷贝可以与其它拷贝之间根据义务需求进展通讯。非对称式是指每个处置机执行特定的义务，由一台主处置机控制整个系统，其它处置机根据主处置机的指令完成指定的义务，主处置机和其它处置机之间具有主-从关系。目前大多数多处置机系统采用的是对称式操作系统。网络操作系统网络操作系统〔NetworkOperatingSystem〕一些具有独立处置才干的计算机在网络协议控制下实现通讯和相互协作的计算机复合系统是在计算机技术和通讯技术高度开展的根底上相互结合的产物。网络操作系统网络操作系统的方式客户/效力器C/S〔Client/Server〕方式效力器+客户集中控制、分布处置对等〔Peer-to-peer〕方式站点对等分布控制、分布处置网络通讯建立、撤除通讯链路传输、过失和流量控制资源管理管理协调资源的平安性和一致性共享资源有硬盘、打印机、文件、数据网络效力电子邮件效力、文件传输、存取和管理效力共享硬盘效力、共享打印效力网络管理——平安管理〔存取控制、容错、监测、统计〕互操作才干网络操作系统网络操作系统应该具有的功能：分布式操作系统分布式操作系统是指由多个分散的处置单元经互连网络的衔接而构成的，且可以实现分布处置的系统。其中，每个处置单元既具有高度的自治性，又相互协调，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配义务，并能并行地运转分布式程序。具备四项根本功能进程通讯资源共享并行计算网络管理操作系统分布性并行性透明性共享性强壮性网络操作系统分布处置，集中控制义务在本地计算机上运转操作透明，但需指明物理位置普通只能共享效力器上的资源控制集中于效力器，可靠性弱分布式操作系统