操作系统讲义 02 第一章 操作系统教程概论(1.2操作系统的形成和发展)学习资料

1.2.1人工操作阶段‘50s1.2.2管理程序阶段1.2.3多道程序设计与操作系统的形成‘60s1.2.4操作系统的发展与分类

1.2 操作系统的形成和发展第一代计算机：从计算机诞生到50年代中期的计算机1.2.1人工操作阶段（无操作系统）人工操作阶段(续)人工控制和使用计算机的过程大致如下：（1）人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上；（2）将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机；（3）汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡片或穿孔带上的源程序；（4）执行汇编过程或编译过程，产生目标程序，并输出到目标卡片或纸带；（5）通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机；（6）启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的数据卡片或数据带上的数据；(7）产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上输出。严重缺点（1）用户上机独占全机资源，造成资源利用率不高，系统效率低下（比较：PC机也是用户独占全机资源）（2）手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错（3）数据的输入，程序的执行、结果的输出均联机进行，从上机到下机的时间拉得非常长

人工操作阶段（续）人工操作阶段（续）随着计算机硬件速度的不断提高程序的实际运行时间显著减少，人工操作时间却变化不大，导致人机矛盾不断突出CPU与慢速I/O设备之间的矛盾也日益突出这些现象表明计算机的使用方式急需改变管理程序又叫监控程序1.联机I/O技术2.脱机I/O技术1.2.2管理程序阶段自动化：“装入－编译－连接－执行－输出”过程联机I/O技术工作流程如下：步1：在操作员的操作下，由管理程序将这批作业从纸带或卡片机输入到磁带上步2：管理程序自动把磁带上的第一个作业装入内存，并执行作业步3：当上一个作业执行后，管理程序再调入磁带上的下一个作业到内存执行，直到所有作业执行完毕工作流程如下：在计算机系统中同时设置一台主机和一台辅机辅机仅与I/O设备打交道，不与主机连接输入设备上的作业通过辅机输到磁带上，称为脱机输入主机负责从磁带上把作业读入内存执行，作业完成后，主机负责把结果输出到磁带上，称为脱机输出然后，由辅机把磁带上的结果信息在打印机上打印输出I/O工作脱离了主机，辅机和主机可以并行工作脱机I/O技术管理程序阶段(续)管理程序Monitor的主要功能:自动控制和处理作业流（JCL）提供一套操作命令提供设备驱动和I/O控制功能提供库程序和程序装配功能提供简单的文件管理功能管理程序内存组织：

中断处理设备驱动作业定序命令和JCL语言解释器用户程序区

其最主要的特点是实现作业到作业的自动转换，让计算机尽可能地连续运转，克服人工操作机器等人的缺点管理程序阶段(续)LoloadCcompileLilinkEexecuteOoutputP1LoCLiEOP2LoCLiEOP1LoCLiEOP2LoCLiEP1LoCLiEOP2LoCLiEOO1.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主存储器并交替计算的方法。也即计算机内存中同时存放了多道程序，它们都处于开始和结束点之间

1.2.3多道程序设计与操作系统的形成多道程序设计的概念(续)从宏观上看，多道程序并发运行，它们都处于运行过程中，但都未运行结束从微观上看，多道程序的执行是串行的，各道程序轮流占用CPU，交替地执行多道程序设计的概念(续)多道程序设计技术的硬件基础中断通道技术引入多道程序设计技术的根本目的是提高CPU的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性，一些应用问题也只有靠多道程序设计技术才能有效解决2.多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐量的原理例子，计算某个数据处理问题P1，要求从输入机上输入500个字符(花78ms)，经CPU处理52ms后，将结果2000个字符存到磁带上(花20ms)，重复进行，直至输入数据全部处理完毕多道程序设计与操作系统的形成(续)多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐量的原理(续)单道算题运行时处理器的使用效率分析：78输入机处理器磁带机时间5220785220785220此时处理机的利用率为：52/（78+52+20）≈35%为提高效率，让计算机同时接受两道算题，当第一道程序在等待外围设备的时候，让第二道程序运行，降低CPU空等时间，处理器的利用率显然可以有所提高例如，在计算P1的同时，计算机还接受了另一算题P2：从另一台磁带机2上输入2000个字符（花20ms），经42ms的处理后，从行式打印机上输出两行(约花88ms)

多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐量的原理(续)此时处理机的利用率为：（52+42）/（78+52+20）≈63%7852P1P242207852P1P24220输入机处理器磁带机1时间磁带机2打印机7852P1P24220208820882088多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐量的原理(续)两道算题运行时处理器的使用效率分析：

3.多道程序设计的利弊1)优点：提高了CPU的利用率提高了内存和I/O设备的利用率提高了系统的吞吐率充分发挥了系统的并行性多道程序设计与操作系统的形成(续)多道程序设计的利弊(续)2)缺点：对每道程序来说，却延长了计算时间延长了作业周转时间多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐量是以牺牲用户的响应时间为代价的无交互能力多道程序设计的利弊(续)例如，甲、乙两道程序，独占计算机单道运行时每道花一个小时，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：1小时×30％＝18分钟假定按多道程序设计方法运行，处理器的利用率达50％，提供36分钟的CPU时间，约要运行72分钟。加上系统开销，若共花80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可以提高效率：(120—80)／120≈33％甲、乙两道程序，如果单道运行，它花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%多道程序设计的利弊(续)多道程序设计与操作系统的形成(续)4.多道程序设计的道数问题多道程序设计的道数多少不是任意的并不是道数越多，效率就越高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多道程序设计的道数问题(续)假如一道程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p，当内存中有n道程序时，所有程序都等待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的函数多道程序设计的道数问题(续)若计算机有1MB内存，操作系统占200KB，其余空间允许4道用户程序共享，每个占用200KB，如果进程平均花费80%的时间等待I/O操作。则(忽略操作系统开销时)：

CPU利用率=1-(0.8)4=59%

当增加1MB内存后，多道程序可从4道增加到9道，因而，CPU的利用率=1-(0.8)9=87%，第二个1MB内存提高了28%的系统吞吐量。增加第三个1MB内存后，多道程序可从9道增加到14道，只将CPU的利用率从87%提高到96%，吞吐量仅提高了10%。5.多道程序设计系统与多重处理系统多重处理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使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持。多道程序设计与操作系统的形成(续)多道程序设计与操作系统的形成(续)6.实现多道程序设计必须妥善地解决三个问题存储保护、程序浮动和内存扩充处理器的管理和调度系统资源的管理和调度7.操作系统的形成 随着磁盘的问世，相继出现了多道批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统，这标志着操作系统正式形成多道程序设计与操作系统的形成(续)操作系统的形成(续)操作系统资源管理水平和操作自动化程度进一步提高，表现在：实现了计算机操作过程自动化资源管理水平有了提高提供虚存管理功能支持分时操作文件管理功能有改进多道程序设计趋于完善1.2.4操作系统的发展与分类操作系统的发展动力操作系统的分类操作系统的发展动力操作系统的发展动力主要有以下五个方面：器件快速更新换代计算机体系结构不断发展内存管理支撑硬件由分页、分段机制代替了界寄存器图形终端代替字符终端中断、通道设施的引入单处理机改进为多处理机系统计算机网络的出现和发展信息家电的发展等都是计算机体系结构的发展提高计算机系统资源利用率的需要让用户使用计算机越来越方便的需要批处理系统发展为分时系统字符用户界面发展为图形用户界面满足用户新要求，提供给用户新服务操作系统的分类批处理系统分时操作系统实时操作系统微机操作系统并行操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统按照功能、特点和使用方式可以将操作系统分为三种基本类型：批处理操作系统分时操作系统实时操作系统

基本类型操作系统批处理操作系统批处理系统的定义批处理操作系统（BatchOperatingSystem）：用户把要计算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，操作员集中一批作业，输入到计算机中。然后，由操作系统来调度和控制作业的执行。这种批量化处理作业方式的操作系统称为批处理操作系统批处理系统的主要特征（优缺点）用户脱机工作成批处理作业单/多个程序运行

Batch如今多指“非交互”式计算，如.sh,.bat文件等定义

分时操作系统（TimeSharingOperatingSystem）：允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统称分时操作系统实现思想 在一台主机上连接有多个终端，每个用户在各自的终端上以问答方式控制程序运行，主机中央处理器轮流为每个终端用户服务一段很短的时间，这段时间称为一个时间片，若一个终端用户的程序在一个时间片内未执行完，则挂起等待再次分到时间片时继续运行。每个用户感到自己好象独占一台计算机分时操作系统

主要特性同时性：若干个终端用户同时联机使用计算机独立性：每个用户感到自己好象独占一台计算机及时性：用户发出的命令能够很快被主机响应交互性：人机交互，联机工作，方便调试、修改程序分时操作系统(续)分时操作系统(续)分时操作系统和批处理操作系统的异同点相同之处：分时操作系统和批处理操作系统都基于多道程序设计技术分时操作系统(续)不同之处：目标不同批处理系统以提高资源利用率和作业吞吐量为目标分时系统以满足多个联机用户的立即型命令的快速响应为目标适应作业的性质不同批处理系统适应已经调试好的大型作业分时系统适应正在调试的小作业资源使用率不同作业控制方式不同批处理由用户预先提交作业控制说明书脱机工作分时系统由联机用户从键盘输入操作命令直接对作业的运行过程进行控制时间片长度的选取应根据时间片长度机器速度用户的多少响应的要求系统的开销时间片设得太短会导致过多的进程切换，减少实际运行用户程序的时间比，从而降低CPU的利用率时间片设得太长会使小的交互型请求的响应时间变长分时操作系统(续)分时操作系统(续)前后台作业的含义解释前台作业一般是交互型作业，用户需要频繁地与作业进行交互后台作业一般为批处理型作业，运行时间长，且不需要用户频繁与之交互定义

实时操作系统（RealTimeOperatingSystem）指当外界事件或数据产生时，能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来控制监控的生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。实时操作系统实时操作系统(续)三种典型的实时系统过程控制系统：如生产过程控制系统、导弹制导系统、飞机自动驾驶系统、火炮自动控制系统信息查询系统：计算机同时从成百上千的终端接受服务请求和提问，并在短时间内作出回答和响应。如情报检索系统事务处理系统：计算机不仅要对终端用户及时作出响应，还要频繁更新系统中的文件或数据库。如银行业务系统实时控制操作系统通常由四部分组成数据采集加工处理操作控制反馈处理实时操作系统(续)实时操作系统(续)分时操作系统和实时操作系统的主要区别

两者设计目标不同分时操作系统为用户提供一个通用的交互型开发运行环境实时操作系统通常为特殊用途提供专用系统通用操作系统如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时处理的全部或两种功能，则该操作系统称为通用操作系统

微机操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统不同环境、不同结构，但具备操作系统基本特征单用户单任务操作系统类CP/MCDOS（Cromemco磁盘操作系统）MDOS（Motorola磁盘操作系统）早期的MS-DOS（Microsoft磁盘操作系统）单用户多任务和分时操作系统类：MP/M、XENIX、后期MS-DOS新一代微机操作系统具有以下功能GUI、多用户和多任务、虚拟存储管理、网络通信支持、数据库支持、多媒体支持、应用编程支持API如WindowsOS2MacOSXLinux微机操作系统并行操作系统改进计算机系统结构，增加同一时间间隔内的操作数量，进一步提高计算机的处理能力已经开发出的并行计算机有阵列处理机流水线处理机多处理机发挥并行计算机需要有并行算法、并行语言等软件的配合，更需要并行操作系统作为基础和保证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

并行操作系统(续)网络操作系统定义：为了使网络中的计算机能方便地传送信息和共享网络资源而加到网络中的计算机上的操作系统称网络操作系统（NetworkOperatingSystem）网络操作系统应该具有的功能：网络通信资源管理网络管理网络服务网络操作系统(续)网络操作系统(续)三大主流网络操作系统UNIX：UNIX是唯一能跨多种平台的操作系统Netware：Netware主要面向微机WindowsNT：WindowsNT工作在微机和工作站上支持客户机/服务器（C/S）结构的微机网络操作系统：NetwareUNIXwareWindowsNTLANManagerLANServer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在分布式计算机系统中，管理和控制计算机的任务分散到多台计算机上，由多台计算机协同完成用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式操作系统分布式操作系统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(续)网络操作系统与分布式操作系统在概念上的主要区别：网络操作系统可以构架于不同的操作系统之上，也就是说它可以在不同的本机操作系统上，通过网络协议实现网络资源的统一配置，在大范围内构成网络操作系统在网络操作系统中并不要求对网络资源进行透明的访