操作系统：操作系统发展历史与现状
1.2 操作系统的发展历史
- 单道批处理时代(50年代)
- 多道批处理，分时，实时系统时代(60年代初)
- 多方式系统时代(60-70年代)
- PC操作系统、网络系统和多机系统时代(70年代后)
史前年代：
- 计算机刚问世，除硬件和应用软件外，几乎没有中间层软件，没有操作系统
- 用户独占机器，有操作系统员操作机器
1.2.1 监督程序(50年代单道批处理时代)
基本思想：系统有一套常驻内存的监督程序。操作员把若干作业合成一批，安装在输入设备上，启动监督程序，然后由监督程序依次顺序启动这批作业，以单道方式运行。（任何时刻在内存当中只可能是一道作业，执行完一道再执行下一道）
引入概念
作业：用户的一次上机行为。
作业步：作业的执行步骤（编译、装配、运行）。
作业控制语言：用于说明作业如何执行的语言。
作业控制说明书：用作业控制语言编写的作业执行程序。
普通指令：用户程序监督程序都可包含的指令，如算术、逻辑运算指令等。
特权指令：只有监督程序才可包含的指令。如启动外设指令等。
方式/态：指处理机能否执行特权指令的状态。在核心方式(态)下，除能执行普通之另外还能执行特权指令。在用户方式(态)下只能执行普通指令。
系统调用(广义指令)：由监督程序提供给用户调用的系统功能。
TRAP机制：硬件支持进入监督程序的机制。如执行trap指令实现系统调用(与转子指令类比)
trap指令与转子指令不同：
①trap指令转到规定的地址运行(转子指令例如调用函数，随便转到一个地址运行)
②处理机的态从用户态变成核心态，从而启动IO等等
系统空间：监督程序所占内存(0—K)。
用户空间：供用户程序使用的内存 (K+1—N)
存储保护：限制用户程序访问系统空间。硬件提供一个界地址寄存器(存临界地址K)，每次访问内存时，如果处理机在用户态下，则判断访问是否越界。
定时器中断：为处理作业超时引入。在规定时间间隔到时，系统暂停当前程序之运行，去进行时间相关的处理，如看作业是否已超过其运行期限。
早期批处理系统中的监督程序工作流程：
1、判输入设备上是否有待输入作业，没有则等待
2、从设备上输入一道作业
3、控制作业运行
- 取作业说明书中的一条语句，解释执行，如果是”作业终止“语句，则删除该作业，转上1
- 如果是一条执行性语句，则在主存中建立相应程序运行环境，传递好参数，转去执行该程序(变到用户态执行)
- 在用户态程序运行过程中，如发生中断事件(如系统调用/定时器中断)立即转监督程序，待中断事件处理结束后，用户态程序继续执行
- 用户态程序结束后，转下1
监督程序功能：输入用户作业，解释执行作业控制说明书，提供系统调用。
监督程序与操作系统的区别：监督程序不具并发机制。监督程序只是缺省了作业步和作业转换的人工开销。
1.2.2 专用操作系统(60年代初多道批处理，分时，实时系统时代)
- 多道批处理系统
- 分时系统
- 实时系统
一、多道批处理系统
引入：源于外设的智能化和磁盘的出现。
目的：让计算机各部件并行运行。
特点：在单道批处理系统的基础上引入缓存机制，SPOOLing技术，多道程序设计技术。
1、输入输出缓冲
利用缓冲技术，使针对一个缓冲区的数据处理和针对另一个缓冲区的I/O并行运行。(外设足够智能与之匹配)
2、SPOOLing技术
基础：
- I/O中断：由I/O部件操作完成后通知处理机去运行相应的处理程序。
- 通道：能够自主控制外设与主存并行交换数据的I/O装置(控制器)(外围控制机)。
- 磁盘：随机存取的存储设备
SPOOLing的基本思想：用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备，即主机从磁盘选取作业运行，结果也存在磁盘中。相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输。利用通道和中断机制，作业的输入输出与作业在处理机上的运行并行。
① SPOOLing的含义是什么？试述SPOOLing系统的特点、功能以及控制过程。
SPOOLing是外部设备联机并行操作，它是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息的一种技术，通常称为"假脱机技术"。 SPOOLing是在通道技术和多道程序设计基础上产生的，它由主机和相应的通道共同承担作业的输入输出工作，利用磁盘作为后援存储器，实现外围设备同时联机操作。 SPOOLing系统由专门负责I/O的常驻内存的进程以及输入井、输出井组成；它将独占设备改造为共享设备，实现了虚拟设备功能。
② SPOOLing技术如何使一台打印机虚拟成多台打印机？
将一台独享打印机改造为可供多个用户共享的打印机，是应用SPOOLing技术的典型实例。具体做法是：系统对于用户的打印输出，但并不真正把打印机分配给该用户进程，而是先在输出井中申请一个空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中；然后为用户申请并填写请求打印表，将该表挂到请求打印队列上。若打印机空闲，输出程序从请求打印队首取表，将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再进行打印，直到打印队列为空。
3、多道程序设计
基本思想：内存同时保持多道程序(作业)，处理机(单处理机)以交替的方式(并发)处理多道程序。宏观上看，已有多道程序开始运行且尚未结束；微观上看，某一时刻处理机只运行某道作业。
现场保护/恢复：指处理机从一个作业向另一个作业切换时进行的程序运行用寄存器值的保护/恢复。
多道批处理开始引入操作系统的基本特征：
并发：在单处理机情况下指多道程序分时占用处理及运行。
共享：指并发运行程序对系统的软硬资源的空分与时分使用。
二、分时系统
目的：实现计算机各部件并行运行+用户与自己作业交互
基础：终端设备(键盘与显示器)出现。
交互式系统：操作系统提供终端命令语言及语言解释器，用户通过终端命令指导作业运行。
分时系统：交互式系统与多道程序设计结合的产物。
分时系统的特点：并发性；共享性；交互性(分时系统独有)；独立性(用户自认为仅自己使用计算机，其实是多个用户使用计算机)
三、实时系统
实时系统：能满足要求快速响应作业运行的多道程序设计系统
实时系统主要性能指标和功能：
- 时钟分辨度：有更高的时钟中断频度，可更精确计时，更快进行作业调度。
- 多级中断机制。保证要求快速响应中断的及时处理。
- 作业分级，保证实时作业无条件优先运行。
1.2.3 多方式系统时代(60—70年代)
多种方式操作系统：同时具有批处理，分时，实时功能的系统
1.2.4 并行与分布式操作系统及发展(80—)
网络及分布式操作系统：支持互联网和分布处理的系统
多机操作系统：支持共享内存多处理机SMP(对称多处理) 系统
Windows操作系统：支持友好用户界面的系统
1.3 主要操作系统
- Windows系列
- UNIX系列：SVR4，BSD，Solaris，AIX，HP_UX
- 自由软件Linux和freeBSD