1、1.2 1.2 操作系统形成和发展操作系统形成和发展 1.2.1 人工操作阶段 1.2.2执行程序阶段 1.2.3多道程序设计与操作系统形成 1.2.4 操作系统分类 50年代至今，操作系统经历了从简单到年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。复杂，从低级到高级的发展过程。人工操作阶段人工操作阶段管理程序阶段（执行系统阶段）管理程序阶段（执行系统阶段）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 管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程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。序系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。1.2 1
2、.2 操作系统的发展和形成操作系统的发展和形成什么推动着什么推动着os的发展？的发展？计算机硬件升级和新硬件的出现计算机硬件升级和新硬件的出现提供新的服务、方便使用提供新的服务、方便使用提高计算机资源利用率提高计算机资源利用率更正软件错误更正软件错误计算机体系结构的发展：单处理系统、多处理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、计算机网络系统、分布式系统、计算机网络1.2 1.2 操作系统的发展和形成操作系统的发展和形成人工操作方式（人工操作方式（1946-50年代中期），没有年代中期），没有OS 用户：即是程序员，又是操作员用户：即是程序员，又是操作员1.2.1 1.2.1
3、 人工操作阶段人工操作阶段 编程语言：机器语言、汇编语言编程语言：机器语言、汇编语言 输入输出（输入输出（Input/output）：纸带或卡片）：纸带或卡片人工操作阶段的缺点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人工操作速度和计算机速度形成突出的矛盾1.2.21.2.2管理程序阶段（执行系统阶段）管理程序阶段（执行系统阶段）u为了解决人工干预的问题，缩短建立作业和人工操作为了解决人工干预的问题，缩短
4、建立作业和人工操作的时间。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自动转换方式，从而出现了早期的批处理方式（，从而出现了早期的批处理方式（单道单道批处理批处理）。）。u完成作业自动转换工作的程序叫做完成作业自动转换工作的程序叫做“监督程序监督程序”（又（又称称“批处理程序批处理程序”、“管理程序管理程序”）。）。u早期的批处理分为早期的批处理分为联机批处理联机批处理和和脱机批处理脱机批处理两种类型两种类型 1.2.3 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引入：引入：单道批处理系统单道批处理系统中，任意时刻只允许
5、一道中，任意时刻只允许一道作业在内存中运行，资源利用率低。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，为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了形成了多道批处理系统多道批处理系统。1.2.3 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多道多道：是指允许：是指允许多个程序同时存在多个程序同时存在于内存于内存中，按照中，按照某种原则分配处理机某种原则分配处理机，逐个执行，逐个执行这些程序。这些程序。批处理批处理：用户提交的作业首先：用户提交的作业首先存放在外存存放在外存，并排列成一个并排列成一个队列队列。然后，由。然后，由作业调度作业调度程程序按照一定
6、的算法从该队列中一次选取一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。个或若干个作业装入内存执行。从从宏观宏观上看是上看是并行并行的的从从微观微观上看是上看是串行串行的的单道与多道程序系统对比单道与多道程序系统对比单道程序系统单道程序系统用户程序用户程序监督程序监督程序I/O 操作操作I/O中断请求中断请求启动启动I/O I/O完成完成结束中断结束中断I/O中断请求中断请求启动启动I/O I/O完成完成结束中断结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8 程序程序 A 程序程序 B 程序程序 C 程序程序 D调度程序调度程序程序程序AI/O请求请求程序程序B I/O请求请求程序
7、程序C I/O请求请求程序程序D I/O请求请求程序程序A I/O完成完成程序程序B I/O完成完成程序程序A再次被调度再次被调度程序程序C I/O完成完成t多道程序系统多道程序系统单道算题运行时处理器的使用效率单道算题运行时处理器的使用效率u例例1：求解某个数据问题，要求从输入机（运转速：求解某个数据问题，要求从输入机（运转速度度6400个字符个字符/s）输入）输入500个字符，经处理（费时个字符，经处理（费时52ms）之后，将结果（假定为）之后，将结果（假定为2000个字符）存个字符）存储到磁带机上（磁带机的运转速度为储到磁带机上（磁带机的运转速度为105个字符个字符/s），然后，再读取）
8、，然后，再读取500个字符进行处理，直至个字符进行处理，直至所有的数据处理完毕为止。所有的数据处理完毕为止。1.2.3 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 多道程序设计举例多道程序设计举例(1)单道算题运行时处理器的使用效率单道算题运行时处理器的使用效率7878输入机输入机处理器处理器磁带机磁带机130130 150150228228280280 300300378378430430 450450时时 间间 1.2.3 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两道算题运行时处理器的使用效率两道算题运行时处理器的使用效率v例例2：计算机同时接
9、收两道计算题，接收上述例题：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时，还接收另一道计算题。从另一台磁带机上输入入2000个字符，经个字符，经42ms处理之后，从行式打印处理之后，从行式打印机（运行速度为机（运行速度为1350行行/min）上输出两行。）上输出两行。多道程序设计举例多道程序设计举例(2)(2)两道算题运行时处理器的使用效率两道算题运行时处理器的使用效率7878输入机输入机处理器处理器磁带机磁带机1 1130130150150228228280280300300378378430430450450时时 间间磁带机磁带机2 2打印机打印机P甲
10、P乙P甲P乙多道程序设计的效果多道程序设计的效果(1)(1)52/52/（7878十十5252十十2020）35%35%（52+4252+42）/150 63/150 63 课堂练习课堂练习1 1 课堂练习课堂练习2 2 多道程序设计的效果多道程序设计的效果(2)(2)采用多道程序设计提高了系统效率，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 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v在多道程序设计中，值得注意的是道数的多少。v表面上看，似乎道数越多则效率越高，但是道
11、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。cpucpu利用率是主存中多道程序道数的函数利用率是主存中多道程序道数的函数多道程序设计的道数问题多道程序设计的道数问题u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-pnun称多道程序的道数或度数u可见CPU的利用率是n的函数多道提高效率的例子多道提高效率的例子 假设计算机有1MB主存，操作系统占用200KB，其余空间允许四道程序共享。若80%时间用于I/O等待，则忽略操作系统开销时，CPU利用率=1-(0.8)4=59%。当增加1MB主存后，多道
12、程序可从四道增加到九道，CPU利用率=1-(0.8)9=87%，第二个1MB主存可增加五道程序，能提高47%的CPU利用率。多道程序设计多道程序设计的优点与缺点的优点与缺点提高了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。缺点是:作业周转时间延长。2.2.多道程序设计系统与多重处理系统多道程序设计系统与多重处理系统 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 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多
13、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。操作
14、系统的形成操作系统的形成(2)操作系统资源管理水平和操作自动化程度进一步提高，表现在:1.实现了计算机操作过程自动化。2.资源管理水平有了提高。3.提供虚存管理功能。4.支持分时操作。5.文件管理功能有改进。6.多道程序设计趋于完善。1.2.41.2.4操作系统发展与分类操作系统发展与分类 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 何谓“批”?作业流与批处理;何谓批处理操作系统（Batch OS）;批处理操作系统IBM DOS/VS、DOS/VSE 批处理系统的主要特征：用户脱机工作 成批处理作业 多道程序运行 作业周转时间长
15、 分时操作系统分时操作系统 为什么要有分时操作系统?何谓分时操作系统（Time Sharing Operating System）;分时操作系统CTSS、TSS、Multics、UNIX 分时系统的特征：同时性独立性及时性交互性分时与批处理操作系统的区别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 实时操作系统实时操作系统(1)何谓实时操作系统何谓实时操作系统?三种典型的实时系统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)。实时操作系统实时操作系统(2)(2)实时操作系统（Real Time O
16、S)处理流程：数据采集 加工处理：操作控制：反馈处理：说明说明 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。操作系统进一步发展操作系统进一步发展 操作系统发展的主要动力：1 器件快速更新换代。2 计算机体系结构不断发展。3 提高系统资源利用率的需要。4 让用户使用计算机越来越方便的需要。5 满足用户新要求，提供给用户新服务。各种操作系统各种操作系统 微机操作系统。网络操作系统。并行操作系统。分布式操作系统。嵌入式操作系统。多核操作系统。云操作系统。微机操作系统微机操作系统 随着
17、超大规模集成电路（简称VLSI）的发展而产生了微型计算机，配置在微型计算机上的操作系统称为微型计算机操作系统（简称微机操作系统）。微机操作系统微机操作系统v微机操作系统按照处理机的字长可分成:8位 16位 32位 64位等微机操作系统微机操作系统 还可按OS处理的用户任务情况进行划分 单用户单任务os：CP/MControl Program Monitor，1975，8位标准 MS-DOS，1981，16位的OS标准 单用户多任务os：OS/2，1987，1632位OS MS Windows(非服务器版本)，1990，32位多任务OS主流 多用户多任务os：UNIX Win2000/NT Li
18、nux多处理机操作系统多处理机操作系统 较早的计算机系统基本上都是单处理机系统，后来出现了多处理机系统MPS(Multiprocessor System)从计算机体系结构上来改善系统性能。多处理机系统的系统重构功能提高了系统的可靠性，即当其中任何一台处理机发生故障时，系统能立即将该处理机上所处理的任务迁移到其它的一个或多个处理机上去处理，整个系统仍能正常运行，仅使系统的性能略有降低。多处理机操作系统多处理机操作系统 多处理机系统所配置的操作系统可以分为对称式和非对称式（又称为主从式）。对称式是每个处理机上运行着同一操作系统的拷贝，这些拷贝可以与其它拷贝之间根据任务需要进行通信。非对称式是指每个
19、处理机执行特定的任务，由一台主处理机控制整个系统，其它处理机根据主处理机的指令完成指定的任务，主处理机和其它处理机之间具有主-从关系。目前大多数多处理机系统采用的是对称式操作系统。网络操作系统网络操作系统 网络操作系统（Network Operating System）一些具有独立处理能力的计算机在网络协议控制下实现通信和相互合作的计算机复合系统是在计算机技术和通信技术高度发展的基础上相互结合的产物。网络操作系统网络操作系统 网络操作系统的模式客户/服务器C/S（Client/Server）模式 服务器+客户 集中控制、分布处理对等（Peer-to-peer）模式 站点对等 分布控制、分布处理
20、 网络通信 建立、拆除通信链路 传输、差错和流量控制 资源管理 管理协调资源的安全性和一致性 共享资源有硬盘、打印机、文件、数据 网络服务 电子邮件服务、文件传输、存取和管理服务 共享硬盘服务、共享打印服务 网络管理安全管理（存取控制、容错、监测、统计）互操作能力网络操作系统网络操作系统网络操作系统应该具有的功能：分布式操作系统分布式操作系统分布式操作系统是指由多个分散的处理单元分布式操作系统是指由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的，且可以实现分经互连网络的连接而形成的，且可以实现分布处理的系统。布处理的系统。其中，每个处理单元既具有高度的自治性，其中，每个处理单元既具有高度的自治性，
21、又相互协调，能在系统范围内实现资源管理、又相互协调，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配任务，并能并行地运行分布式程动态地分配任务，并能并行地运行分布式程序。序。具备四项基本功能具备四项基本功能:进程通信 资源共享 并行计算 网络管理操作操作系统系统分布性分布性并行性并行性透明透明性性共享共享性性健壮性健壮性网络操网络操作系统作系统分布处理，分布处理，集中控制集中控制任务在本任务在本地计算机地计算机上运行上运行操作透明，操作透明，但需指明但需指明物理位置物理位置一般只一般只能共享能共享服务器服务器上的资上的资源源控制集中控制集中于服务器，于服务器，可靠性弱可靠性弱分布式分布式操作系操作系统统
22、分布处理，分布处理，分布控制分布控制多任务在多任务在多处理单多处理单元中并行元中并行执行执行操作透明，操作透明，而且物理而且物理位置透明位置透明各站点各站点资源可资源可供全系供全系统共享统共享容错能力容错能力强，可靠强，可靠性高性高分布式操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统 3C 3C（computer,communication,consumer electronics）计算机是贯穿社会信息化的核心技术，网络和通信是社会信息化赖以存在的基础设施，电子消费产品是人与社会信息化的主要接口。嵌入式嵌入式(计算机计算机)系统系统 运行在嵌入式智能芯片环境中，控制整个智能芯片以及它所操作
23、、控制的各种部件装置等资源。它们是一个设备、装置或系统（即嵌入式系统）中的核心部分。嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式操作系统EOS是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。嵌入式OS具有通常操作系统的功能，包括：与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能，功能强大的还提供图形界面、通信协议、小型浏览器等设施。基于或与Windows 兼容：Window CE、嵌入式Linux、EPOC 工业与通信(传统)类：VxWorks、pSOS、QNX、Neculeus、VRTX 单片机类：iRMX、CMX、C/OS 面向Internet 类：Palm OS、Visor、Hopen、PPSM嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统的分类：嵌入式操作系统的分类：嵌入式操作系统嵌入式操作系统特征特征 微型化 可定制性 一般需提供可添加或可裁剪的内核及其他功能，让用户按需配置。如调度算法、存储管理、设备驱程序。实时性 大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，要求嵌入式操作系统必须将实时性作为一个重要的指标来考虑。嵌入式操作系统嵌入式操作系统特征特征 低资源占有性 在保证其功能的前提下，尽可能减少系统对资源的占用。易移植性 应该能够支持多种国际主流微处理器等硬件平台，给用户硬件选择的灵活性。谢谢！
