操作系統(tǒng)概論-chap1-12-操作系統(tǒng)形成和發(fā)展課件

1.2操作系統(tǒng)形成和發(fā)展

1.2.1人工操作階段

1.2.2

執(zhí)行程序階段

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成

1.2.4操作系統(tǒng)分類1.2操作系統(tǒng)形成和發(fā)展

1.2.1人工操作階段50年代至今，操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單到復雜，從低級到高級的發(fā)展過程。人工操作階段管理程序階段（執(zhí)行系統(tǒng)階段）多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成

管理程序是操作系統(tǒng)的雛形，在出現(xiàn)多道程序系統(tǒng)以后，現(xiàn)代操作系統(tǒng)才真正形成和發(fā)展。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展和形成

50年代至今，操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單到復雜，從低什么推動著os的發(fā)展？計算機硬件升級和新硬件的出現(xiàn)提供新的服務(wù)、方便使用提高計算機資源利用率更正軟件錯誤計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：單處理系統(tǒng)、多處理系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展和形成

什么推動著os的發(fā)展？計算機硬件升級和新硬件的出現(xiàn)1.2操人工操作方式（1946-50年代中期），沒有OS用戶：即是程序員，又是操作員1.2.1人工操作階段編程語言：機器語言、匯編語言輸入輸出（Input/output）：紙帶或卡片人工操作方式（1946-50年代中期），沒有OS用戶：人工操作階段的缺點用戶上機獨占全機資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下。手工操作多，浪費處理機時間，也極易發(fā)生差錯。數(shù)據(jù)的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機進行，從上機到下機的時間拉得非常長。人工操作速度和計算機速度形成突出的矛盾人工操作階段的缺點用戶上機獨占全機資源，造成資源利用率不高，1.2.2管理程序階段（執(zhí)行系統(tǒng)階段）為了解決人工干預(yù)的問題，縮短建立作業(yè)和人工操作的時間。人們首先提出從一個作業(yè)轉(zhuǎn)到下一個作業(yè)的自動轉(zhuǎn)換方式，從而出現(xiàn)了早期的批處理方式（單道批處理）。完成作業(yè)自動轉(zhuǎn)換工作的程序叫做“監(jiān)督程序”（又稱“批處理程序”、“管理程序”）。早期的批處理分為聯(lián)機批處理和脫機批處理兩種類型1.2.2管理程序階段（執(zhí)行系統(tǒng)階段）為了解決人工干預(yù)的問題

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成引入：單道批處理系統(tǒng)中，任意時刻只允許一道作業(yè)在內(nèi)存中運行，資源利用率低。為了提高系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，形成了多道批處理系統(tǒng)。

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成引入：

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成多道：是指允許多個程序同時存在于內(nèi)存中，按照某種原則分配處理機，逐個執(zhí)行這些程序。批處理：用戶提交的作業(yè)首先存放在外存，并排列成一個隊列。然后，由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法從該隊列中一次選取一個或若干個作業(yè)裝入內(nèi)存執(zhí)行。從宏觀上看是并行的從微觀上看是串行的

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成多道：是指允許多個程單道與多道程序系統(tǒng)對比單道程序系統(tǒng)用戶程序監(jiān)督程序I/O操作I/O中斷請求啟動I/O

I/O完成結(jié)束中斷I/O中斷請求啟動I/OI/O完成結(jié)束中斷t1t2t3t4t5t6t7t8

程序A

程序B

程序C

程序D調(diào)度程序程序AI/O請求程序BI/O請求程序CI/O請求程序DI/O請求程序AI/O完成程序BI/O完成程序A再次被調(diào)度程序CI/O完成t多道程序系統(tǒng)單道與多道程序系統(tǒng)對比單道程序系統(tǒng)用戶程序I/O中斷請求啟動單道算題運行時處理器的使用效率例1：求解某個數(shù)據(jù)問題，要求從輸入機（運轉(zhuǎn)速度6400個字符/s）輸入500個字符，經(jīng)處理（費時52ms）之后，將結(jié)果（假定為2000個字符）存儲到磁帶機上（磁帶機的運轉(zhuǎn)速度為105個字符/s），然后，再讀取500個字符進行處理，直至所有的數(shù)據(jù)處理完畢為止。

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成單道算題運行時處理器的使用效率例1：求解某個數(shù)據(jù)問題，要求從

多道程序設(shè)計舉例(1)

單道算題運行時處理器的使用效率

78輸入機處理器磁帶機130150228280300378430450時間多道程序設(shè)計舉例(1)

單道算題運行時處理

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成兩道算題運行時處理器的使用效率例2：計算機同時接收兩道計算題，接收上述例題時，還接收另一道計算題。從另一臺磁帶機上輸入2000個字符，經(jīng)42ms處理之后，從行式打印機（運行速度為1350行/min）上輸出兩行。

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成兩道算題運行時處理器

多道程序設(shè)計舉例(2)

兩道算題運行時處理器的使用效率

78輸入機處理器磁帶機1130150228280300378430450時間磁帶機2打印機P甲P乙P甲P乙多道程序設(shè)計舉例(2)

兩道算題運行多道程序設(shè)計的效果(1)

52/（78十52十20）≈35%（52+42）/150≈63％多道程序設(shè)計的效果(1)

52/（78十52十20）≈3

課堂練習1

課堂練習1

課堂練習2

課堂練習2

多道程序設(shè)計的效果(2)采用多道程序設(shè)計提高了系統(tǒng)效率，即增長了單位時間的算題量，但對每道程序來說，卻延長了計算時間。多道程序設(shè)計技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐率是以犧牲用戶的響應(yīng)時間為代價的。多道程序設(shè)計的效果(2)采用多道程序設(shè)計提高了系統(tǒng)效率，即

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成在多道程序設(shè)計中，值得注意的是道數(shù)的多少。表面上看，似乎道數(shù)越多則效率越高，但是道數(shù)的具體數(shù)目往往受到系統(tǒng)資源數(shù)目、內(nèi)存容量、用戶響應(yīng)時間等限制。

1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成在多道程序設(shè)計中，值cpu利用率是主存中多道程序道數(shù)的函數(shù)cpu利用率是主存中多道程序道數(shù)的函數(shù)多道程序設(shè)計的道數(shù)問題

程序等待I/O操作的時間占其運行時間的比例為p，當主存中有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(shù)或度數(shù)

可見CPU的利用率是n的函數(shù)多道程序設(shè)計的道數(shù)問題

程序等待I/O操作的時間占其運行時間多道提高效率的例子假設(shè)計算機有1MB主存，操作系統(tǒng)占用200KB，其余空間允許四道程序共享。若80%時間用于I/O等待，則忽略操作系統(tǒng)開銷時，

CPU利用率=1-(0.8)4=59%。當增加1MB主存后，多道程序可從四道增加到九道，

CPU利用率=1-(0.8)9=87%，第二個1MB主存可增加五道程序，能提高47%的CPU利用率。多道提高效率的例子假設(shè)計算機有1MB主存，操作系統(tǒng)占用200多道程序設(shè)計的優(yōu)點與缺點提高了CPU的利用率;提高了主存和I/O設(shè)備的利用率;改進了系統(tǒng)的吞吐率;充分發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性。缺點是:作業(yè)周轉(zhuǎn)時間延長。多道程序設(shè)計的優(yōu)點與缺點提高了CPU的利用率;2.多道程序設(shè)計系統(tǒng)與多重處理系統(tǒng)

多重處理系統(tǒng)是指配置了多個物理CPU，能真正同時執(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)計技術(shù)；反過來，多道程序設(shè)計不一定要求有多重處理系統(tǒng)支持。1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成2.多道程序設(shè)計系統(tǒng)與多重處理系統(tǒng)多重處理系統(tǒng)是多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成

實現(xiàn)多道程序設(shè)計必須解決三個問題：存儲保護與程序浮動；處理器的管理和調(diào)度；系統(tǒng)資源的管理和調(diào)度。

在多道程序設(shè)計環(huán)境中，主存為多道程序所共享，因此，硬件必須提供相應(yīng)的設(shè)施，使得主存中各道程序只能訪問自己的區(qū)域，以避免相互干擾。當某道程序發(fā)生錯誤時，不致影響其他程序，更不會影響系統(tǒng)程序，這就是存儲保護。由于各道程序不是獨占全機，程序員在編制程序時無法知道程序在主存中的確切地址，甚至在運行過程中，程序也可能隨時改變位置，因此要求程序能夠根據(jù)需要從一個主存區(qū)移動到另一個區(qū)，而不影響其正確執(zhí)行，這成為存儲保護，或地址重定位。多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成

實現(xiàn)多道程序設(shè)計必須解決三操作系統(tǒng)的形成(2)

操作系統(tǒng)資源管理水平和操作自動化程度進一步提高，表現(xiàn)在:

1.實現(xiàn)了計算機操作過程自動化。

2.資源管理水平有了提高。

3.提供虛存管理功能。

4.支持分時操作。

5.文件管理功能有改進。

6.多道程序設(shè)計趨于完善。操作系統(tǒng)的形成(2)操作系統(tǒng)資源管理水平和操作自動化程1.2.4操作系統(tǒng)發(fā)展與分類

三種基本的操作系統(tǒng)類型：

1.批處理操作系統(tǒng)。

2.分時操作系統(tǒng)。

3.實時操作系統(tǒng)。1.2.4操作系統(tǒng)發(fā)展與分類三種基本的操作系統(tǒng)類型：批處理操作系統(tǒng)何謂“批”?作業(yè)流與批處理;何謂批處理操作系統(tǒng)（BatchOS）;批處理操作系統(tǒng)IBMDOS/VS、DOS/VSE批處理系統(tǒng)的主要特征：用戶脫機工作成批處理作業(yè)多道程序運行作業(yè)周轉(zhuǎn)時間長

批處理操作系統(tǒng)何謂“批”?作業(yè)流與批處理;分時操作系統(tǒng)為什么要有分時操作系統(tǒng)?何謂分時操作系統(tǒng)（TimeSharingOperatingSystem）;分時操作系統(tǒng)CTSS、TSS、Multics、UNIX分時系統(tǒng)的特征：同時性獨立性及時性交互性分時操作系統(tǒng)為什么要有分時操作系統(tǒng)?分時與批處理操作系統(tǒng)的區(qū)別目標不同適應(yīng)作業(yè)的性質(zhì)不同資源使用率不同作業(yè)控制方式不同分時與批處理操作系統(tǒng)的區(qū)別目標不同實時操作系統(tǒng)(1)何謂實時操作系統(tǒng)?三種典型的實時系統(tǒng):過程控制系統(tǒng)(生產(chǎn)過程控制)。信息查詢系統(tǒng)(情報檢索)。事務(wù)處理系統(tǒng)(銀行業(yè)務(wù))。實時操作系統(tǒng)(1)何謂實時操作系統(tǒng)?實時操作系統(tǒng)(2)實時操作系統(tǒng)（RealTimeOS)處理流程：

?

數(shù)據(jù)采集

?

加工處理：

?

操作控制：

?

反饋處理：實時操作系統(tǒng)(2)實時操作系統(tǒng)（RealTimeOS)說明以上介紹的批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)是三種基本的操作系統(tǒng)類型。需要說明的是，一個實際的操作系統(tǒng)，可能兼有三者或其中兩者的功能，這樣的操作系統(tǒng)成為通用操作系統(tǒng)。說明以上介紹的批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)是三種基本的操作操作系統(tǒng)進一步發(fā)展

操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力：

1器件快速更新?lián)Q代。

2計算機體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展。

3提高系統(tǒng)資源利用率的需要。

4讓用戶使用計算機越來越方便的需要。

5滿足用戶新要求，提供給用戶新服務(wù)。

操作系統(tǒng)進一步發(fā)展

操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力：各種操作系統(tǒng)

微機操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。并行操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)。多核操作系統(tǒng)。云操作系統(tǒng)。各種操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)隨著超大規(guī)模集成電路（簡稱VLSI）的發(fā)展而產(chǎn)生了微型計算機，配置在微型計算機上的操作系統(tǒng)稱為微型計算機操作系統(tǒng)（簡稱微機操作系統(tǒng)）。微機操作系統(tǒng)隨著超大規(guī)模集成電路（簡稱VLS微機操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)按照處理機的字長可分成:8位16位32位64位等微機操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)按照處理機的字長可分成:微機操作系統(tǒng)還可按OS處理的用戶任務(wù)情況進行劃分單用戶單任務(wù)os：CP/M—ControlProgramMonitor，1975，8位標準MS-DOS，1981，16位的OS標準單用戶多任務(wù)os：OS/2，1987，16—32位OSMSWindows(非服務(wù)器版本)，1990，32位多任務(wù)OS主流多用戶多任務(wù)os：UNIXWin2000/NTLinux微機操作系統(tǒng)還可按OS處理的用戶任務(wù)情況進行劃分多處理機操作系統(tǒng)較早的計算機系統(tǒng)基本上都是單處理機系統(tǒng)，后來出現(xiàn)了多處理機系統(tǒng)MPS(MultiprocessorSystem)從計算機體系結(jié)構(gòu)上來改善系統(tǒng)性能。多處理機系統(tǒng)的系統(tǒng)重構(gòu)功能提高了系統(tǒng)的可靠性，即當其中任何一臺處理機發(fā)生故障時，系統(tǒng)能立即將該處理機上所處理的任務(wù)遷移到其它的一個或多個處理機上去處理，整個系統(tǒng)仍能正常運行，僅使系統(tǒng)的性能略有降低。多處理機操作系統(tǒng)較早的計算機系統(tǒng)基本上都是單處理機系統(tǒng)，后來多處理機操作系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)所配置的操作系統(tǒng)可以分為對稱式和非對稱式（又稱為主–從式）。對稱式是每個處理機上運行著同一操作系統(tǒng)的拷貝，這些拷貝可以與其它拷貝之間根據(jù)任務(wù)需要進行通信。非對稱式是指每個處理機執(zhí)行特定的任務(wù)，由一臺主處理機控制整個系統(tǒng)，其它處理機根據(jù)主處理機的指令完成指定的任務(wù)，主處理機和其它處理機之間具有主-從關(guān)系。目前大多數(shù)多處理機系統(tǒng)采用的是對稱式操作系統(tǒng)。多處理機操作系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)所配置的操作系統(tǒng)可以分為對稱式和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem）一些具有獨立處理能力的計算機在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制下實現(xiàn)通信和相互合作的計算機復合系統(tǒng)是在計算機技術(shù)和通信技術(shù)高度發(fā)展的基礎(chǔ)上相互結(jié)合的產(chǎn)物。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperating網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的模式客戶/服務(wù)器C/S（Client/Server）模式服務(wù)器+客戶集中控制、分布處理對等（Peer-to-peer）模式站點對等分布控制、分布處理網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的模式網(wǎng)絡(luò)通信建立、拆除通信鏈路傳輸、差錯和流量控制資源管理管理協(xié)調(diào)資源的安全性和一致性共享資源有硬盤、打印機、文件、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)電子郵件服務(wù)、文件傳輸、存取和管理服務(wù)共享硬盤服務(wù)、共享打印服務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理——安全管理（存取控制、容錯、監(jiān)測、統(tǒng)計）互操作能力網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能：網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能：分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)是指由多個分散的處理單元經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)的連接而形成的，且可以實現(xiàn)分布處理的系統(tǒng)。其中，每個處理單元既具有高度的自治性，又相互協(xié)調(diào)，能在系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源管理、動態(tài)地分配任務(wù)，并能并行地運行分布式程序。具備四項基本功能:進程通信資源共享并行計算網(wǎng)絡(luò)管理分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)是指由多個分散的處理單元經(jīng)互連網(wǎng)操作系統(tǒng)分布性并行性透明性共享性健壯性網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布處理，集中控制任務(wù)在本地計算機上運行操作透明，但需指明物理位置一般只能共享服務(wù)器上的資源控制集中于服務(wù)器，可靠性弱分布式操作系統(tǒng)分布處理，分布控制多任務(wù)在多處理單元中并行執(zhí)行操作透明，而且物理位置透明各站點資源可供全系統(tǒng)共享容錯能力強，可靠性高分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)分布性并行性透明性共享性健壯性網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布處理，嵌入式操作系統(tǒng)

3C（computer,communication,consumerelectronics）

計算機是貫穿社會信息化的核心技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)和通信是社會信息化賴以存在的基礎(chǔ)設(shè)施，電子消費產(chǎn)品是人與社會信息化的主要接口。嵌入