操作系统12操作系统形成和发展

LOGO第一章操作系统概论1.2操作系统的发展和形成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形成1.2.4操作系统的分类50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。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形成和发展。1.2操作系统的发展和形成什么推动着os的发展？计算机硬件升级和新硬件的出现提供新的服务、方便使用提高计算机资源利用率更正软件错误计算机体系结构的发展：单处理系统、多处理系统、分布式系统、计算机网络1.2操作系统的发展和形成人工操作方式（1946-50年代中期），没有OS用户：即是程序员，又是操作员1.2.1人工操作阶段编程语言：机器语言、汇编语言输入输出（Input/output）：纸带或卡片人工操作阶段的缺点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。手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错。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。人工操作速度和计算机速度形成突出的矛盾1.2.2管理程序阶段50年代末-60年代中，为了解决人工干预的问题，必须缩短建立作业（即用户的一个计算任务）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理方式（单道批处理）。完成作业自动转换工作的程序叫做“监督程序”（又称“批处理程序”、“管理程序”）。早期的批处理分为联机批处理和脱机批处理两种类型1.2.3多道程序设计与操作系统形成引入：单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在内存中运行，资源利用率低。为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了多道批处理系统。1.2.3多道程序设计与操作系统形成多道：是指允许多个程序同时存在于内存中，按照某种原则分配处理机，逐个执行这些程序。批处理：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若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督程序I/O操作I/O中断请求启动I/OI/O完成结束中断I/O中断请求启动I/OI/O完成结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8程序A程序B程序C程序D调度程序程序AI/O请求程序BI/O请求程序CI/O请求程序DI/O请求程序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)单道算题运行时处理器的使用效率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，经处理（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个字符进行处理，直至所有的数据处理完毕为止。1.2.3多道程序设计与操作系统形成（P19)单道算题运行时处理器的使用效率78输入机处理器磁带机130150228280300378430450时间1.2.3多道程序设计与操作系统形成1.2.3多道程序设计与操作系统形成两道算题运行时处理器的使用效率例2：计算机同时接收两道计算题，接收上述例题时，还接收另一道计算题。从另一台磁带机上输入2000个字符，经42ms处理之后，从行式打印机（运行速度为1350行/min）上输出两行。78输入机处理器磁带机1130150228280300378430450时间磁带机2打印机P1P2P1P2P2P11.2.3多道程序设计与操作系统形成两道算题运行时处理器的使用效率课堂练习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，却延长了计算时间。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响应时间为代价的。1.2.3多道程序设计与操作系统形成在多道程序设计中，值得注意的是道数的多少。表面上看，似乎道数越多则效率越高，但是道数的具体数目往往受到系统资源数目、内存容量、用户响应时间等限制。程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p，当主存中有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-pnn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形成1.2.3多道程序设计与操作系统形成进程平均有80%的时间在I/O。假设计算机主存容量为1MB，操作系统的运行占用200KB，其余主存允许4道程序共享。增加1MB主存后，多道程序可增加到9道。在增加1MB主存后，多道程序可增加到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；改进了系统的吞吐率；充分发挥了系统的并行性。其主要缺点是:作业周转时间延长1.2.3多道程序设计与操作系统形成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。1.2.3多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成实现多道程序设计必须解决三个问题：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，硬件必须提供相应的设施，使得主存中各道程序只能访问自己的区域，以避免相互干扰。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，这就是存储保护。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的确切地址，甚至在运行过程中，程序也可能随时改变位置，因此要求程序能够根据需要从一个主存区移动到另一个区，而不影响其正确执行，这成为存储保护，或地址重定位。1.2.4操作系统的发展与分类三种基本的操作系统类型：1批处理操作系统2分时操作系统3实时操作系统批处理操作系统批处理操作系统（BatchOS）批处理系统中，用户的作业分批提交并处理，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则从后备作业中选择一个或多个装入主存进行处理，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，在系统中形成了一个自动转接的作业流，当一批作业运行完毕，输出结果后，系统便接收下一批作业。批处理操作系统在批处理系统中，用户不能直接干预作业的运行过程，而是将其对作业的控制意图在作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运行时的资源请求，或是对可能产生的运行错误的相应处理等。作业说明书或作业控制卡在提交作业时，与程序和数据一起提交给系统，由作业控制程序或命令解释程序解释执行，并且提供相应的服务。批处理操作系统性能指标：吞吐量单道批处理：磁带上有一批作业，但内存中只有一个作业，它占用系统的所有资源。多道批处理：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。批处理操作系统在引入多道程序设计技术后，批处理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格的对应关系。调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。批处理操作系统优点：成批处理作业，多道程序运行，资源利用率高，吞吐量大。缺点：平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直到作业完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业需要排队来依次进行处理，因而作业的周转时间较长。无交互能力。在作业提交后，用户不能与自己的作业进行交互，不便于对作业的控制。为什么要有分时操作系统?批处理用户不能干预自己程序的运行，无法得知程序的运行情况，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响应的要求分时操作系统性能指标：响应时间“分时”：把CPU时间分割成时间片，每个用户依次轮流使用时间片。分时操作系统多个用户通过终端与主机交互。他们的作业按照时间片TimeSlice轮转运行，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行时间上的分享。在分时操作系统中，一个计算机系统与若干台本地或远程终端相连，每个用户可以在所使用的终端上以人—机会话的交互方式使用计算机。微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片；宏观上，多个用户同时工作，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使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。此后，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通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理：⑴及时接收；⑵及时处理。分时操作系统分时系统一般分为单道分时系统、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，其余作业则存放在外存中。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，前台去存放批处理作业，仅当前台调进、调出时，或前台无作业可运行时，才运行后台的作业，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行。分时操作系统同时性在一台主机上连接了若干个用户终端。从宏观上看，多个用户在同时工作，但从微观上看，各终端程序却是在按时间片依次轮流使用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。就像整个系统由他自己独占一样。及时性终端用户的请求能在允许的时间范围内得到响应，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，请求系统服务或控制作业的运行；系统能及时响应命令并显示结果。分时与批处理操作系统的区别目标不同适应作业的性质不同资源使用率不同作业控制方式不同分时系统为交互式作业提供了快速响应服务，但还不能满足某些对响应时间要求非常严格的任务需要。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。实时信息处理：如飞机订票、情报检索等。实时操作系统实时系统(Real-TimeOS)的定义实时系统则是指计算机能够及时响应外部事件的请求，在规定的短时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地运行。三种典型的实时系统:过程控制系统(生产过程控制)信息查询系统(情报检索)事务处理系统(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；在实时信息处理系统中，每个终端用户在向系统提出信息查询和服务请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。实时系统的及时性则是以控制对象所能接受的延迟时间来确定的，可能是秒级，也可能是毫秒级，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专用系统，它仅允许操作人员访问系统中某些特定的专用服务程序，因此，实时系统的交互能力比分时系统要差。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，原因是实时系统中的任何差错都可能带来巨大的经济损失、甚至无法预料的灾难性后果。实时操作系统特征说明以上介绍的批处理系统、分时系统和实时系统是三种基本的操作系统类型。需要说明的是，一个实际的操作系统，可能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。操作系统的进一步发展操作系统发展的主要