操作系統(tǒng)引論2

1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.1

人工操作階段1.2.2脫機(jī)輸入/出階段1.2.3

管理程序階段1.2.4

多道程序設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)的形成1.2.5操作系統(tǒng)的分類(lèi)和發(fā)展1.2.1人工操作階段(1)

算題過(guò)程(1)步1人工按源程序用穿孔機(jī)穿制在卡片或紙帶上；步2將紙帶裝入紙帶輸入機(jī)或?qū)⒖ㄆb入卡片輸入機(jī)；步3將準(zhǔn)備好的匯編解釋程序或編譯系統(tǒng)裝入計(jì)算機(jī)；人工操作階段(2)

算題過(guò)程(2)步4啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行，匯編程序或編譯系統(tǒng)讀入人工裝在輸入機(jī)上的穿孔卡或穿孔帶上的程序；

步5執(zhí)行匯編過(guò)程或編譯過(guò)程，產(chǎn)生目標(biāo)程序；人工操作階段(3)

算題過(guò)程(3)

步6啟動(dòng)目標(biāo)程序執(zhí)行，從紙帶輸入機(jī)（或卡片輸入機(jī)）上讀入人工裝好的數(shù)據(jù)卡(或帶)中的數(shù)據(jù)；步7產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果，執(zhí)行結(jié)果從打印機(jī)上或卡片機(jī)上輸出。人工操作階段(4)嚴(yán)重缺點(diǎn)：用戶(hù)上機(jī)獨(dú)占全機(jī)資源，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源的利用率不高，系統(tǒng)效率低下；

手工操作多，極易發(fā)生差錯(cuò)；程序和數(shù)據(jù)的輸入以及結(jié)果的輸出都是聯(lián)機(jī)進(jìn)行，使得CPU空閑較多。1.2.2脫機(jī)輸入/輸出方式(1)用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)的輸入/輸出，都是在脫離主機(jī)的情況下完成的，它的實(shí)現(xiàn)方式如下：脫機(jī)輸入/輸出方式（2）紙帶紙帶機(jī)磁帶A外圍機(jī)控制下輸入磁帶A主機(jī)磁帶B運(yùn)行磁帶B相應(yīng)輸出設(shè)備外圍機(jī)控制下輸出

優(yōu)點(diǎn)：脫機(jī)輸入/輸出方式（3）2）提高了I/O速度程序和數(shù)據(jù)的輸入/輸出都在脫離主機(jī)的情況下進(jìn)行，不占用主機(jī)時(shí)間，有效減少了CPU的空閑時(shí)間CPU的I/O工作直接跟高速的磁帶或磁盤(pán)打交道，而不是跟低速的卡片機(jī)或紙帶機(jī)直接打交道，緩解了CPU與I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾1）減少了CPU的空閑時(shí)間缺點(diǎn)：計(jì)算機(jī)主機(jī)每次只能運(yùn)行一個(gè)作業(yè)，運(yùn)行完一個(gè)作業(yè)而要運(yùn)行下一個(gè)作業(yè)時(shí)，又需要人工的干預(yù)。即將已裝好程序和數(shù)據(jù)的又一個(gè)磁帶或磁盤(pán)再連到主機(jī)上，再啟動(dòng)主機(jī)運(yùn)行。脫機(jī)輸入/輸出方式（4）

聯(lián)想：

能否讓同一用戶(hù)的若干個(gè)作業(yè)能在主機(jī)中連續(xù)、自動(dòng)地運(yùn)行？1.2.3管理程序階段(1)工作流程如下：若干個(gè)作業(yè)組織成一批磁帶主機(jī)(帶管理程序)脫機(jī)方式輸出作業(yè)0作業(yè)1作業(yè)2…管理程序階段(2)優(yōu)點(diǎn)：

自動(dòng)地控制和處理作業(yè)流缺點(diǎn)：

單道性為了提高計(jì)算機(jī)資源的利用率，在20世紀(jì)60年代中、后期產(chǎn)生了多道程序設(shè)計(jì)的思想，即讓多個(gè)程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)部處于并發(fā)運(yùn)行的狀態(tài)。管理程序階段(3)管理程序階段(4)

為了解決多道程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)部能協(xié)調(diào)、同步、正確地運(yùn)行所面臨的一系列復(fù)雜問(wèn)題，就產(chǎn)生了一系列解決這些問(wèn)題的程序，久而久之，在這些程序的基礎(chǔ)上就產(chǎn)生了真正的操作系統(tǒng)。

1.2.4多道程序設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)形成

多道程序設(shè)計(jì)的概念

多道程序設(shè)計(jì)是指允許多個(gè)程序同時(shí)進(jìn)入一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存儲(chǔ)器并啟動(dòng)運(yùn)行的方法。引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的根本目的：提高系統(tǒng)資源的利用率例如：讓計(jì)算機(jī)同時(shí)接受兩道程序當(dāng)?shù)谝坏莱绦蛟诘却鈬O(shè)備輸出結(jié)果的時(shí)候，讓第二道程序占用CPU運(yùn)行，從而減少CPU空等時(shí)間，處理器的利用率可以有所提高采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)提高了計(jì)算機(jī)工作的效率，即增加了單位時(shí)間的算題量，但對(duì)每道程序來(lái)說(shuō)，卻延長(zhǎng)了計(jì)算時(shí)間。？注意問(wèn)題11小時(shí)×30％＝18分鐘

例如，甲、乙兩道程序，獨(dú)占計(jì)算機(jī)單道運(yùn)行時(shí)每道花1個(gè)小時(shí)，若此時(shí)處理器利用率為30％，粗略地說(shuō)，甲(或乙)程序執(zhí)行時(shí)所需要的處理器時(shí)間為：假定按多道程序設(shè)計(jì)方法運(yùn)行，處理器的利用率達(dá)50％，即處理器使用時(shí)間總共為：36/0.5=72（分鐘）單道運(yùn)行時(shí)，甲、乙依次執(zhí)行完需120分鐘。因而采用多道程序設(shè)計(jì)方法后效率可以提高：由于OS調(diào)度要花費(fèi)處理器時(shí)間，所以實(shí)際花費(fèi)的時(shí)間可能還要長(zhǎng)些，例如80分鐘(120—80)／120≈33％甲、乙兩道程序，如果單道運(yùn)行，花60分鐘就可得到結(jié)果。多道運(yùn)行時(shí)，卻要花80分鐘才有結(jié)果，延長(zhǎng)了20分鐘，即延長(zhǎng)了33％的時(shí)間：（80-60）/60=33%多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐率是以犧牲用戶(hù)的響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)的多道程序設(shè)計(jì)時(shí)的程序選擇與程序道數(shù)多少不是任意的?要考慮資源的均衡使用?內(nèi)存儲(chǔ)器的容量和用戶(hù)的響應(yīng)時(shí)間等因素也影響多道程序道數(shù)的多寡

如兩道程序都要用打印機(jī)，若系統(tǒng)只有一臺(tái)，就算它們同時(shí)被接受進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存運(yùn)行，也未必能提高效率注意問(wèn)題2

多重處理系統(tǒng)是指配置了多個(gè)物理CPU，能真正實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻執(zhí)行多道程序的系統(tǒng)。要有效地使用多重處理系統(tǒng)，必須采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)；反過(guò)來(lái)，多道程序設(shè)計(jì)不一定要求有多重處理系統(tǒng)支持注意問(wèn)題3：多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)與多重處理系統(tǒng)

為了解決多道程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)部能協(xié)調(diào)、同步、正確地運(yùn)行所面臨的一系列復(fù)雜問(wèn)題，就產(chǎn)生了一系列解決這些問(wèn)題的程序，久而久之，在這些程序的基礎(chǔ)上就產(chǎn)生了真正的操作系統(tǒng)。1.2.5操作系統(tǒng)的分類(lèi)與發(fā)展

一、三種基本的操作系統(tǒng)類(lèi)型：

1

批處理操作系統(tǒng)

2

分時(shí)操作系統(tǒng)

3

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)二、操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展批處理操作系統(tǒng)(1)用戶(hù)把要處理的應(yīng)用問(wèn)題編成程序，連同數(shù)據(jù)和作業(yè)說(shuō)明書(shū)一起交給操作員；操作員集中一批用戶(hù)作業(yè)（程序、數(shù)據(jù)、作業(yè)說(shuō)明書(shū)），以脫機(jī)的方式輸入到計(jì)算機(jī)中，由操作系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)一調(diào)度和自動(dòng)控制作業(yè)的執(zhí)行。批處理操作系統(tǒng)（BatchOperatingSystem）：批量化處理作業(yè)批處理操作系統(tǒng)(2)批處理系統(tǒng)的主要特征：

?

成批、自動(dòng)地處理作業(yè)

?

多道程序并發(fā)運(yùn)行

?

用戶(hù)不能與自己的作業(yè)交互?

作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)分時(shí)操作系統(tǒng)(1)

允許多個(gè)聯(lián)機(jī)用戶(hù)同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理的操作系統(tǒng)稱(chēng)分時(shí)操作系統(tǒng)（TimeSharingOperatingSystem）分時(shí)操作系統(tǒng)的控制

分時(shí)操作系統(tǒng)(2)分時(shí)操作系統(tǒng)具有以下特性：同時(shí)性：獨(dú)占性：及時(shí)性：交互性：分時(shí)操作系統(tǒng)(3)

三種具體的實(shí)現(xiàn)方式：1）單道分時(shí)系統(tǒng)

1962年，第一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)CTSS，運(yùn)行在IBM7094機(jī)上，支持32個(gè)交互式用戶(hù)同時(shí)工作。用戶(hù)外存內(nèi)存輸入作業(yè)0作業(yè)1…輪流某作業(yè)運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片

雖然實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，但作業(yè)在內(nèi)外存之間頻繁地調(diào)入、調(diào)出，CPU經(jīng)常處于空閑狀態(tài)，系統(tǒng)性能不好。分時(shí)操作系統(tǒng)(4)2）具有“前臺(tái)”和“后臺(tái)”的分時(shí)系統(tǒng)

內(nèi)存被固定地劃分為“前臺(tái)”和“后臺(tái)”兩部分，“前臺(tái)”存放按時(shí)間片“調(diào)進(jìn)”與“調(diào)出”的作業(yè)流，“后臺(tái)”存放批處理作業(yè)。僅當(dāng)前臺(tái)區(qū)已無(wú)作業(yè)調(diào)進(jìn)/出時(shí)，才運(yùn)行“后臺(tái)區(qū)”作業(yè)。好處：前臺(tái)區(qū)作業(yè)能與用戶(hù)及時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互，便于調(diào)試、修改，調(diào)好的程序轉(zhuǎn)向后臺(tái)區(qū)的批處理系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。對(duì)后臺(tái)區(qū)的作業(yè)如能按一定原則優(yōu)化組合后進(jìn)行作業(yè)調(diào)度，能提高系統(tǒng)效率。分時(shí)操作系統(tǒng)(5)3）多道分時(shí)系統(tǒng)

如果用戶(hù)的作業(yè)較小的話，內(nèi)存便可多裝入幾道作業(yè)，由系統(tǒng)將已具備運(yùn)行條件的作業(yè)排成一個(gè)隊(duì)列，使它們依次獲得一個(gè)時(shí)間片來(lái)運(yùn)行由于切換和運(yùn)行都在內(nèi)存，較為靈活方便，不必調(diào)入/調(diào)出，故具有較好的性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(1)RealTimeOperatingSystem：指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能迅速接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結(jié)果又能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)去控制相應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程或給出相應(yīng)的服務(wù)信息的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)兩種典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)(如化學(xué)反應(yīng)堆的控制)信息查詢(xún)系統(tǒng)(如飛機(jī)訂票系統(tǒng))

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)：1）許多實(shí)時(shí)系統(tǒng)是“專(zhuān)用系統(tǒng)”，它們?yōu)閷?zhuān)門(mén)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)；無(wú)論是批處理系統(tǒng)，還是分時(shí)系統(tǒng)，系統(tǒng)本身并沒(méi)有要完成的作業(yè)，只是起著管理調(diào)度系統(tǒng)資源，向用戶(hù)提供服務(wù)的作用——通用系統(tǒng)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(3)2）實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于控制實(shí)時(shí)過(guò)程，要求對(duì)外部事件的響應(yīng)十分迅速、及時(shí)，一般開(kāi)始至截止時(shí)間為秒級(jí)、毫秒級(jí)、微秒級(jí)等3）可靠性

批處理系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)雖然也要求系統(tǒng)可靠，但相比之下，實(shí)時(shí)系統(tǒng)則要求系統(tǒng)高度可靠，稍有差錯(cuò)就會(huì)造成巨大損失，往往都采用雙機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(4)

實(shí)際的系統(tǒng)往往兼有多道批處理、分時(shí)和實(shí)時(shí)三者、或其中兩者的功能二、操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展微機(jī)操作系統(tǒng)(1)分類(lèi)單用戶(hù)單任務(wù)OS：如DOS單用戶(hù)多任務(wù)OS：如Windows98、Windows2000多用戶(hù)多任務(wù)OS：如Unix并行操作系統(tǒng)(1)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用每前進(jìn)一步都要求增加計(jì)算機(jī)的處理能力。為達(dá)到極高性能，除提高元器件速度外，必須改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這主要采用增加處理機(jī)數(shù)量，通過(guò)并行處理（Parallelprocessing）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了發(fā)揮并行計(jì)算機(jī)的性能，需要有并行算法、并行語(yǔ)言等許多軟件的配合，由此產(chǎn)生了并行操作系統(tǒng)。并行操作系統(tǒng)(2)

目前已經(jīng)研究出來(lái)的并行操作系統(tǒng)有：

?V-Kernel，美國(guó)Stanford大學(xué)

?Meglos,美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室

?MACH，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(1)能夠控制計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中方便地傳送信息和共享資源，并能為網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)提供各種所需服務(wù)的操作系統(tǒng)，稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem）。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(2)1）網(wǎng)絡(luò)通信

2）資源管理

3）網(wǎng)絡(luò)管理：流量、性能

4）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：郵件服務(wù)、文件傳輸分布式操作系統(tǒng)(1)

分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由多臺(tái)分散的計(jì)算機(jī)經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連接而成，滿足條件：?系統(tǒng)中任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)可以通過(guò)系統(tǒng)的安全通信機(jī)制來(lái)交換信息；?系統(tǒng)中的資源為所有用戶(hù)共享，用戶(hù)只要考慮系統(tǒng)中是否有所需資源，而無(wú)需考慮資源在哪臺(tái)計(jì)算機(jī)上；

分布式操作系統(tǒng)(2)?系統(tǒng)中的若干臺(tái)機(jī)器可互相協(xié)作完成同一個(gè)任務(wù)，即一個(gè)程序可以分布于幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上并行運(yùn)行。系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)出錯(cuò)不影響其它結(jié)點(diǎn)運(yùn)行，即具有較好的容錯(cuò)性。分布式系統(tǒng)是一種特殊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

分布式操作系統(tǒng)(3)1)進(jìn)程通信：2)資源共享：3)并行計(jì)算：4)

網(wǎng)絡(luò)管理：分布式操作系統(tǒng)(4)

已經(jīng)研制出來(lái)的分布式操作系統(tǒng)有：Cm*(美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué))，X樹(shù)系統(tǒng)(美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校)，Arachne(美國(guó)威斯康星大學(xué))，Chorus(法國(guó)國(guó)家信息與自動(dòng)化研究所)，Plan9(美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室)，Amoeba(荷蘭自由大學(xué))，Guide(法國(guó)Bull研究中心)，Clouds(美國(guó)喬治亞理工學(xué)院)，CMDS(英國(guó)劍橋大學(xué))。分布式操作系統(tǒng)(5)

分布式系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)的主要方向：?分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：非共享/共享通路結(jié)構(gòu)；?分布式操作系統(tǒng)：資源管理、同步機(jī)制、死鎖檢測(cè)與解除等等；?

分布式程序設(shè)計(jì)：語(yǔ)言開(kāi)發(fā)；?分布式數(shù)據(jù)庫(kù)：設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)；?分布式應(yīng)用：研究各種分布式并行算法，研究其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用；嵌入式操作系統(tǒng)什么是嵌入式操作系統(tǒng)?指運(yùn)行在嵌入式(計(jì)算機(jī))環(huán)境中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及所有操作的各種部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)具有通常操作系統(tǒng)的功能，包括：與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)核心功能（文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、進(jìn)程管理、處理器管理和中斷處理）、功能強(qiáng)大的還提供圖形界面、通信協(xié)議、小型瀏覽器等設(shè)施。嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng)的硬件不再以物理上獨(dú)立的裝置或設(shè)備形式出現(xiàn)，而是大部分甚至全部都隱藏和嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般由：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶(hù)的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)如：掌上PDA、電視機(jī)頂盒、手機(jī)、數(shù)字電視、微波爐、數(shù)字相機(jī)、空調(diào)、自動(dòng)售貨機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫(yī)療儀器等WindowsCE是微軟開(kāi)發(fā)的，用于通信、娛樂(lè)和移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備的操作系統(tǒng)(平臺(tái))，它是微軟“維納斯”計(jì)劃的核心。CE是具有開(kāi)放性的，32位多任務(wù)、多線程的嵌入式操作系統(tǒng)。

嵌入式操作系統(tǒng)有：PersonalJava是SUN