1.2 操作系统发展

1. Operating system development 操作系统发展

• OS从无到有、从简单到复杂、完善
• OS 随着计算机硬件技术的发展而发展
• 为满足不同的需求，出现了多种类型的OS

发展动力：“需求推动发展”

• 资源利用角度
  为了提高计算机资源利用率和系统性能, 从单道到多道、集中到分布、从专用到泛在等
• 用户角度
  方便用户，人机交互
• 技术角度
  物理器件发展, CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存、光器件等，以及计算机体系结构的不断发展：单处理机、多处理机、多核、计算机网络

OS的发展和计算机硬件技术、体系结构相关

第一代 (1946年-1955年)： 真空管时代，无操作系统
第二代 (1955年-1965年)： 晶体管时代，批处理系统
第三代 (1965年-1980年)： 集成电路时代，多道程序设计
第四代 (1980年 - 至今)： 大规模和超大规模集成电路时代，分时系统。现代计算机正向着巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几个方面发展。

Development and Types of OS

No operating system 无操作系统
Simple Batch Systems 简单批处理系统
Multiprogramming Batched Systems 多道程序批处理系统
Time-Sharing Systems 分时系统
Real -Time Systems 实时系统
Embedded SystemS 嵌入式系统
Parallel Systems 并行系统
Distributed Systems 分布式系统

操作系统的发展过程
1、手工操作

手工操作时代

世界第一台计算机ENIAC计算机

运算速度：1000次/每秒, 数万个真空管, 占地100平方米。

• 没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统。
• 程序员提前预约一段时间，然后到机房将他的插件板（真空管）插到计算机里。
• 期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断，从而可以计算自己的题目。

工作方式：

• 工作方式：人工操作方式，用户是计算机专业人员
• 编程语言：机器语言
• I/O：纸带或卡片

缺点：

• 用户独占全机，独占系统的全部硬件资源，设备利用率很低
• CPU等待用户：手工装入/卸取纸带或卡片

早期计算机系统

50年代早期，出现了穿孔卡片，程序写在卡片上然后读入计算机，但计算过程则依然如旧

穿孔卡片

主要矛盾

• 人机矛盾：人工操作方式与机器利用率的矛盾
• CPU与I/O之速度不匹配的矛盾

提高效率的途径

• 批处理
• 脱机I/O

1.脱机I/O方式

I/O工作在外围机/卫星机的控制下完成，或者说是在脱离主机的情况下进行。使用磁带作为输入/输出的中介，这种具体的输入/输出不需要在主计算机上进行的方式称“脱机输入/输出”

脱机I/O方式

2. 单道批处理系统(simple batch processing)

50年代末 ~ 60年代中（晶体管）
把一批作业以脱机输入方式输入到磁带/磁鼓，利用磁带或磁盘把任务分类编成作业顺序执行，每批作业由专门监督程序（Monitor）自动依次处理

• 批处理系统解决了高速计算机的运算、处理能力与人工干预之间的速度矛盾，实现了作业自动过渡。

  
  
  早期批处理系统

单道批处理系统特征

运行特征

• 顺序性
  磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各作业的完成顺序与他们进入内存的顺序相同
• 单道性
  内存中仅有一道程序运行
• 自动性
  当一个程序执行完成之后，监督程序（Monitor）会自动运行下一个程序

优点

• 减少了CPU的空闲时间，提高了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。

缺点

• 会造成CPU和I/O设备使用忙闲不均．

3. 多道程序批处理系统(Multiprogrammed Batch Systems)

• 多道程序设计
  60年代中 ~ 70年代中（集成电路）
• 多道
  内存中同时存放几个作业，使之都处于执行的开始点和结束点之间多个作业共享CPU、内存、外设等资源
• 目的
  利用多道批处理提高资源的利用率

60年代通道和中断技术的出现

• 解决了输入输出等待计算的问题

通道

• 是一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。

中断

• 指主机接到外界的信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一外来事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。

什么是多道

• Several jobs are kept in main memory at the same time, and the CPU is multiplexed among them.
  在内存中同时有多个作业，CPU在其中切换

• As long as there is always at least one job to execute, the CPU is never idle.
  只要系统中总是存在可执行的作业，CPU就永远不会因无事可干而闲着。

• Multiprogramming increases CPU utilization by organizing jobs such that the CPU always has one to execute.
  多道通过组织作业使得CPU总在执行其中一个作业，从而提高了CPU的利用率

运行特征

• 多道性
  内存中同时驻留多道程序并发执行，从而有效地提高了资源利用率和系统吞吐量
• 无序性
  作业的完成顺序与它进入内存的顺序之间无严格的对应关系
• 调度性
  作业调度、进程调度

优缺点

优点

• 资源利用率高:CPU,内存,I/O设备
• 系统吞吐量大

缺点

• 无交互能力，用户响应时间长
• 作业平均周转时间长

多道程序对OS特点的要求(OS Features Needed for Multiprogramming)

• 存储管理(Memory management)
  – the system must allocate thememory to several jobs. 系统必须为若干作业分派空间
• CPU调度(CPU scheduling)
  the system must choose amongseveral jobs ready to run. 系统必须在就绪作业中挑选
• 资源竞争和共享(Resource competition and sharing)
• 设备分配(Allocation of devices)
• 系统提供I/O程序(I/O routine supplied by the system)
• 文件管理(File management)