1.2.1人工操作階段‘50s1.2.2管理程序階段1.2.3多道程序設計與操作系統的形成‘60s1.2.4操作系統的發展與分類

1.2 操作系統的形成和發展第一代計算機：從計算機誕生到50年代中期的計算機1.2.1人工操作階段（無操作系統）人工操作階段(續)人工控制和使用計算機的過程大致如下：（1）人工把源程序用穿孔機穿制在卡片或紙帶上；（2）將準備好的匯編解釋程序或編譯系統裝入計算機；（3）匯編程序或編譯系統讀入人工裝在輸入機上的穿孔卡片或穿孔帶上的源程序；（4）執行匯編過程或編譯過程，產生目標程序，并輸出到目標卡片或紙帶；（5）通過引導程序把裝在輸入機上的目標程序讀入計算機；（6）啟動目標程序執行，從輸入機上讀入人工裝好的數據卡片或數據帶上的數據；(7）產生計算結果，執行結果從打印機上或卡片機上輸出。嚴重缺點（1）用戶上機獨占全機資源，造成資源利用率不高，系統效率低下（比較：PC機也是用戶獨占全機資源）（2）手工操作多，浪費處理機時間，也極易發生差錯（3）數據的輸入，程序的執行、結果的輸出均聯機進行，從上機到下機的時間拉得非常長

人工操作階段（續）人工操作階段（續）隨著計算機硬件速度的不斷提高程序的實際運行時間顯著減少，人工操作時間卻變化不大，導致人機矛盾不斷突出CPU與慢速I/O設備之間的矛盾也日益突出這些現象表明計算機的使用方式急需改變管理程序又叫監控程序1.聯機I/O技術2.脫機I/O技術1.2.2管理程序階段自動化：“裝入－編譯－連接－執行－輸出”過程聯機I/O技術工作流程如下：步1：在操作員的操作下，由管理程序將這批作業從紙帶或卡片機輸入到磁帶上步2：管理程序自動把磁帶上的第一個作業裝入內存，并執行作業步3：當上一個作業執行后，管理程序再調入磁帶上的下一個作業到內存執行，直到所有作業執行完畢工作流程如下：在計算機系統中同時設置一臺主機和一臺輔機輔機僅與I/O設備打交道，不與主機連接輸入設備上的作業通過輔機輸到磁帶上，稱為脫機輸入主機負責從磁帶上把作業讀入內存執行，作業完成后，主機負責把結果輸出到磁帶上，稱為脫機輸出然后，由輔機把磁帶上的結果信息在打印機上打印輸出I/O工作脫離了主機，輔機和主機可以并行工作脫機I/O技術管理程序階段(續)管理程序Monitor的主要功能:自動控制和處理作業流（JCL）提供一套操作命令提供設備驅動和I/O控制功能提供庫程序和程序裝配功能提供簡單的文件管理功能管理程序內存組織：

中斷處理設備驅動作業定序命令和JCL語言解釋器用戶程序區

其最主要的特點是實現作業到作業的自動轉換，讓計算機盡可能地連續運轉，克服人工操作機器等人的缺點管理程序階段(續)LoloadCcompileLilinkEexecuteOoutputP1LoCLiEOP2LoCLiEOP1LoCLiEOP2LoCLiEP1LoCLiEOP2LoCLiEOO1.多道程序設計的概念多道程序設計是指允許多個程序同時進入主存儲器并交替計算的方法。也即計算機內存中同時存放了多道程序，它們都處于開始和結束點之間

1.2.3多道程序設計與操作系統的形成多道程序設計的概念(續)從宏觀上看，多道程序并發運行，它們都處于運行過程中，但都未運行結束從微觀上看，多道程序的執行是串行的，各道程序輪流占用CPU，交替地執行多道程序設計的概念(續)多道程序設計技術的硬件基礎中斷通道技術引入多道程序設計技術的根本目的是提高CPU的利用率，充分發揮計算機系統部件的并行性，一些應用問題也只有靠多道程序設計技術才能有效解決2.多道程序設計技術提高資源利用率和系統吞吐量的原理例子，計算某個數據處理問題P1，要求從輸入機上輸入500個字符(花78ms)，經CPU處理52ms后，將結果2000個字符存到磁帶上(花20ms)，重復進行，直至輸入數據全部處理完畢多道程序設計與操作系統的形成(續)多道程序設計技術提高資源利用率和系統吞吐量的原理(續)單道算題運行時處理器的使用效率分析：78輸入機處理器磁帶機時間5220785220785220此時處理機的利用率為：52/（78+52+20）≈35%為提高效率，讓計算機同時接受兩道算題，當第一道程序在等待外圍設備的時候，讓第二道程序運行，降低CPU空等時間，處理器的利用率顯然可以有所提高例如，在計算P1的同時，計算機還接受了另一算題P2：從另一臺磁帶機2上輸入2000個字符（花20ms），經42ms的處理后，從行式打印機上輸出兩行(約花88ms)

多道程序設計技術提高資源利用率和系統吞吐量的原理(續)此時處理機的利用率為：（52+42）/（78+52+20）≈63%7852P1P242207852P1P24220輸入機處理器磁帶機1時間磁帶機2打印機7852P1P24220208820882088多道程序設計技術提高資源利用率和系統吞吐量的原理(續)兩道算題運行時處理器的使用效率分析：

3.多道程序設計的利弊1)優點：提高了CPU的利用率提高了內存和I/O設備的利用率提高了系統的吞吐率充分發揮了系統的并行性多道程序設計與操作系統的形成(續)多道程序設計的利弊(續)2)缺點：對每道程序來說，卻延長了計算時間延長了作業周轉時間多道程序設計技術提高資源利用率和系統吞吐量是以犧牲用戶的響應時間為代價的無交互能力多道程序設計的利弊(續)例如，甲、乙兩道程序，獨占計算機單道運行時每道花一個小時，若此時處理器利用率為30％，粗略地說，甲(或乙)程序執行時所需要的處理器時間為：1小時×30％＝18分鐘假定按多道程序設計方法運行，處理器的利用率達50％，提供36分鐘的CPU時間，約要運行72分鐘。加上系統開銷，若共花80分鐘單道運行時，甲、乙依次執行完需120分鐘因而，采用多道程序設計方法后可以提高效率：(120—80)／120≈33％甲、乙兩道程序，如果單道運行，它花60分鐘就可得到結果，多道運行時，卻要花80分鐘才有結果，延長了20分鐘，即延長了33％的時間：(80-60)/60=33%多道程序設計的利弊(續)多道程序設計與操作系統的形成(續)4.多道程序設計的道數問題多道程序設計的道數多少不是任意的并不是道數越多，效率就越高內存儲器的容量和用戶的響應時間等因素也影響多道程序道數的多寡多道程序設計的道數問題(續)假如一道程序等待I/O操作的時間占其運行時間的比例為p，當內存中有n道程序時，所有程序都等待I/O的概率是pn，那么，

CPU利用率=1-pnn稱多道程序的道數或度數，可見CPU的利用率是n的函數多道程序設計的道數問題(續)若計算機有1MB內存，操作系統占200KB，其余空間允許4道用戶程序共享，每個占用200KB，如果進程平均花費80%的時間等待I/O操作。則(忽略操作系統開銷時)：

CPU利用率=1-(0.8)4=59%

當增加1MB內存后，多道程序可從4道增加到9道，因而，CPU的利用率=1-(0.8)9=87%，第二個1MB內存提高了28%的系統吞吐量。增加第三個1MB內存后，多道程序可從9道增加到14道，只將CPU的利用率從87%提高到96%，吞吐量僅提高了10%。5.多道程序設計系統與多重處理系統多重處理系統是指配置了多個物理CPU，能真正同時執行多道程序的系統要有效地使用多重處理系統，必須采用多道程序設計技術多道程序設計不一定要求有多重處理系統支持。多道程序設計與操作系統的形成(續)多道程序設計與操作系統的形成(續)6.實現多道程序設計必須妥善地解決三個問題存儲保護、程序浮動和內存擴充處理器的管理和調度系統資源的管理和調度7.操作系統的形成 隨著磁盤的問世，相繼出現了多道批處理操作系統、分時操作系統和實時操作系統，這標志著操作系統正式形成多道程序設計與操作系統的形成(續)操作系統的形成(續)操作系統資源管理水平和操作自動化程度進一步提高，表現在：實現了計算機操作過程自動化資源管理水平有了提高提供虛存管理功能支持分時操作文件管理功能有改進多道程序設計趨于完善1.2.4操作系統的發展與分類操作系統的發展動力操作系統的分類操作系統的發展動力操作系統的發展動力主要有以下五個方面：器件快速更新換代計算機體系結構不斷發展內存管理支撐硬件由分頁、分段機制代替了界寄存器圖形終端代替字符終端中斷、通道設施的引入單處理機改進為多處理機系統計算機網絡的出現和發展信息家電的發展等都是計算機體系結構的發展提高計算機系統資源利用率的需要讓用戶使用計算機越來越方便的需要批處理系統發展為分時系統字符用戶界面發展為圖形用戶界面滿足用戶新要求，提供給用戶新服務操作系統的分類批處理系統分時操作系統實時操作系統微機操作系統并行操作系統網絡操作系統分布式操作系統嵌入式操作系統按照功能、特點和使用方式可以將操作系統分為三種基本類型：批處理操作系統分時操作系統實時操作系統

基本類型操作系統批處理操作系統批處理系統的定義批處理操作系統（BatchOperatingSystem）：用戶把要計算的應用問題編成程序，連同數據和作業說明書一起交給操作員，操作員集中一批作業，輸入到計算機中。然后，由操作系統來調度和控制作業的執行。這種批量化處理作業方式的操作系統稱為批處理操作系統批處理系統的主要特征（優缺點）用戶脫機工作成批處理作業單/多個程序運行

Batch如今多指“非交互”式計算，如.sh,.bat文件等定義

分時操作系統（TimeSharingOperatingSystem）：允許多個聯機用戶同時使用一臺計算機系統進行計算的操作系統稱分時操作系統實現思想 在一臺主機上連接有多個終端，每個用戶在各自的終端上以問答方式控制程序運行，主機中央處理器輪流為每個終端用戶服務一段很短的時間，這段時間稱為一個時間片，若一個終端用戶的程序在一個時間片內未執行完，則掛起等待再次分到時間片時繼續運行。每個用戶感到自己好象獨占一臺計算機分時操作系統

主要特性同時性：若干個終端用戶同時聯機使用計算機獨立性：每個用戶感到自己好象獨占一臺計算機及時性：用戶發出的命令能夠很快被主機響應交互性：人機交互，聯機工作，方便調試、修改程序分時操作系統(續)分時操作系統(續)分時操作系統和批處理操作系統的異同點相同之處：分時操作系統和批處理操作系統都基于多道程序設計技術分時操作系統(續)不同之處：目標不同批處理系統以提高資源利用率和作業吞吐量為目標分時系統以滿足多個聯機用戶的立即型命令的快速響應為目標適應作業的性質不同批處理系統適應已經調試好的大型作業分時系統適應正在調試的小作業資源使用率不同作業控制方式不同批處理由用戶預先提交作業控制說明書脫機工作分時系統由聯機用戶從鍵盤輸入操作命令直接對作業的運行過程進行控制時間片長度的選取應根據時間片長度機器速度用戶的多少響應的要求系統的開銷時間片設得太短會導致過多的進程切換，減少實際運行用戶程序的時間比，從而降低CPU的利用率時間片設得太長會使小的交互型請求的響應時間變長分時操作系統(續)分時操作系統(續)前后臺作業的含義解釋前臺作業一般是交互型作業，用戶需要頻繁地與作業進行交互后臺作業一般為批處理型作業，運行時間長，且不需要用戶頻繁與之交互定義

實時操作系統（RealTimeOperatingSystem）指當外界事件或數據產生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結果又能在規定時間內來控制監控的生產過程或對處理系統作出快速響應，并控制所有實時任務協調一致運行的操作系統。實時操作系統實時操作系統(續)三種典型的實時系統過程控制系統：如生產過程控制系統、導彈制導系統、飛機自動駕駛系統、火炮自動控制系統信息查詢系統：計算機同時從成百上千的終端接受服務請求和提問，并在短時間內作出回答和響應。如情報檢索系統事務處理系統：計算機不僅要對終端用戶及時作出響應，還要頻繁更新系統中的文件或數據庫。如銀行業務系統實時控制操作系統通常由四部分組成數據采集加工處理操作控制反饋處理實時操作系統(續)實時操作系統(續)分時操作系統和實時操作系統的主要區別

兩者設計目標不同分時操作系統為用戶提供一個通用的交互型開發運行環境實時操作系統通常為特殊用途提供專用系統通用操作系統如果一個操作系統兼有批處理、分時和實時處理的全部或兩種功能，則該操作系統稱為通用操作系統

微機操作系統網絡操作系統分布式操作系統嵌入式操作系統不同環境、不同結構，但具備操作系統基本特征單用戶單任務操作系統類CP/MCDOS（Cromemco磁盤操作系統）MDOS（Motorola磁盤操作系統）早期的MS-DOS（Microsoft磁盤操作系統）單用戶多任務和分時操作系統類：MP/M、XENIX、后期MS-DOS新一代微機操作系統具有以下功能GUI、多用戶和多任務、虛擬存儲管理、網絡通信支持、數據庫支持、多媒體支持、應用編程支持API如WindowsOS2MacOSXLinux微機操作系統并行操作系統改進計算機系統結構，增加同一時間間隔內的操作數量，進一步提高計算機的處理能力已經開發出的并行計算機有陣列處理機流水線處理機多處理機發揮并行計算機需要有并行算法、并行語言等軟件的配合，更需要并行操作系統作為基礎和保證目前已經研究出來的并行操作系統有：V-Kernel，美國Stanford大學Meglos,美國Bell實驗室MACH，美國卡內基梅隆大學

并行操作系統(續)網絡操作系統定義：為了使網絡中的計算機能方便地傳送信息和共享網絡資源而加到網絡中的計算機上的操作系統稱網絡操作系統（NetworkOperatingSystem）網絡操作系統應該具有的功能：網絡通信資源管理網絡管理網絡服務網絡操作系統(續)網絡操作系統(續)三大主流網絡操作系統UNIX：UNIX是唯一能跨多種平臺的操作系統Netware：Netware主要面向微機WindowsNT：WindowsNT工作在微機和工作站上支持客戶機/服務器（C/S）結構的微機網絡操作系統：NetwareUNIXwareWindowsNTLANManagerLANServer分布式計算機系統由多臺分散的計算機經互連網絡連接而成,滿足條件：系統中任意兩臺計算機可以通過系統的安全通信機制來交換信息；系統中的資源為所有用戶共享，用戶只要考慮系統中是否有所需資源，而無需考慮資源在哪臺計算機上在分布式計算機系統中，管理和控制計算機的任務分散到多臺計算機上，由多臺計算機協同完成用于管理分布式計算機系統的操作系統稱為分布式操作系統分布式操作系統已經研制出來的分布式操作系統有：Cm*(美國卡內基梅隆大學)X樹系統(美國加州大學伯克利分校)Arachne(美國威斯康星大學)Chorus(法國國家信息與自動化研究所)Plan9(美國Bell實驗室)Amoeba(荷蘭自由大學)

Guide(法國Bull研究中心)Clouds(美國喬治亞理工學院)CMDS(英國劍橋大學)

分布式操作系統(續)網絡操作系統與分布式操作系統在概念上的主要區別：網絡操作系統可以構架于不同的操作系統之上，也就是說它可以在不同的本機操作系統上，通過網絡協議實現網絡資源的統一配置，在大范圍內構成網絡操作系統在網絡操作系統中并不要求對網絡資源進行透明的訪