1.2操作系统的形成和发展

主要内容：人工操作阶段管理程序阶段多道程序设计与操作系统的形成操作系统的分类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.计算机的应用模式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，并输出到目标卡片迭或纸带；（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。一、人工操作阶段（无操作系统）(1)2.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。（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。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。一、人工操作阶段（无操作系统）(2)1.计算机的应用模式早期批处理系统借助于作业控制语言而不再是开关和按钮来控制作业的执行过程，实现了从计算机的手工操作方式到脱机操作方式的转变。用户上机时需要向操作员提交程序、数据和作业控制卡，操作员收集到一批作业后一起把它们放到卡片机上输入计算机。计算机上则运行一个驻留在内存的管理程序，以对作业进行自动控制和成批处理，自动进行作业转换减少了系统空闲时间和手工操作时间。其工作流程如下：操作员集中一批用户提交的作业，由管理程序将这批作业从纸带或卡片机输入到磁带上，每当一批作业输入完成后，管理程序自动把磁带上的第一个作业装入内存，并把控制权交给作业。当该作业执行完成后，作业又把控制权交回管理程序，管理程序再调入磁带上的第二个作业到内存执行，如此重复，直到磁带上的作业全部做完。二、管理程序阶段(1)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。二、管理程序阶段(2)1.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进行交替计算的方法。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。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。多道程序设计技术的硬件基础是中断和通道技术。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。三、多道程序设计与操作系统的形成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如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。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)。两道算题运行时处理器的使用效率分析：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7852P1P242202088208820883.多道程序设计的利弊1)采用多道程序设计提高了CPU、内存和I/O设备的利用率，改进了系统的吞吐率，发挥了系统的并行性，提高了效率，增加了单位时间的算题量。2)对每道程序来说，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。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%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。三、多道程序设计与操作系统的形成(6)CPU利用率计算：假定一道程序运行中的CPU空闲时间的比例为p，则：单道程序执行，CPU利用率为：1－p；两道程序并发，CPU利用率为：1-p2n道程序并发，CPU利用率为：1－pn内存容量的影响增加内存可以增加并发执行的程序的数目，但是增加幅度随着数目增多而减小；内存本身的成本会抵消由于CPU利用率提高而节约的CPU时间成本。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；反过来，多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持。6.实现多道程序设计必须妥善地解决三个问题•存储保护与程序浮动；•处理器的管理和调度；•系统资源(外围设备)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（六十年代中期）。有了操作系统，计算机资源管理水平和操作自动化程度进一步提高，表现在：提供存储管理、文件管理、设备管理功能。支持分时操作。多道程序设计趋于完善。操作系统可分为三种基本类型：1.批处理操作系统(1)工作机制（模式）及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（BatchOperatingSystem）。(2)批处理系统的主要特征（优缺点）•用户脱机工作：用户提交作业后直至获得结果之前不再和计算机及他的作业交互，不利于调试和修改程序。•成批处理作业五、操作系统的分类(1)•多道程序运行•作业周转时间长2.分时操作系统(1)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(TimeSharingOperatingSystem)(2)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。五、操作系统的分类(2)(3)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：•交互性：人机交互，联机工作，方便调试、修改程序。(4)分时操作系统和批处理操作系统的异同点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。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。五、操作系统的分类(3)•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。(5)时间片长度的选取时间片长度应根据机器速度、用户的多少、响应的要求、系统的开销等因素综合考虑合理选取。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。(6)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。五、操作系统的分类(4)3.实时操作系统(1)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。(2)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。如银行业务系统五、操作系统的分类(5)(3)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：(4)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。(5)通用操作系统的概念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。五、操作系统的分类(6)4.微机操作系统•单用户单任务操作系统类：CP/M、CDOS（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Windows、OS2、MACOS、Linux。5.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。五、操作系统的分类(7)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。6.网络操作系统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）。五、操作系统的分类(8)网络操作系统应该具有的功能：1）网络通信2）资源管理3）网络管理4）网络服务三大主流网络操作系统：UNIX、Netware、WindowsNT。UNIX是唯一能跨多种平台的操作系统；WindowsNT工作在微机和工作站上；Netware主要面向微机。支持客户机/服务器（C/S）结构的微机网络操作系统：Netware、UNIXware、WindowsNT、LANManager、LANServer等。五、操作系统的分