第一章.操作系统引论：1.2操作系统的发展过程

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在20世纪50年代中期，出现了第一个简单的批处理OS；60年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS也相继问世。20世纪70年代到90年代，是VLSI和计算机体系结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机OS、多处理机OS、多处理机OS和网络OS，并得到极为迅猛地发展。

1.2.1 未配置操作系统的计算机系统

1. 人工操作方式

早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带（或卡带），装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将纸带（或卡片）上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。仅当程序员运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机。

缺点：

1. 用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户所独占。
2. CPU等待人工操作。当用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。

2. 脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式

为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机I/O技术。该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。

优点：

1. 减少了CPU的空闲时间。装带、卸带，以及将数据从低速I/O设备送到高速磁带上（或反之）的操作，都是在脱机情况下由外围机完成的，并不占用主机时间，从而有效地减少了CPU的空闲时间。
2. 提高了I/O速度。当CPU在运行中需要输入数据时，是直接从高速的磁带上将数据输入到内存的，这便极大地提高了I/O速度，从而进一步减少了CPU的空闲时间。

1.2.2 单道批处理系统

1. 单道批处理系统的处理过程

为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序，在它的控制下，使这批作业能一个接一个的连续处理。

对于批处理我们可以有多种不同的理解：批处理可以是对多个程序一个接一个地处理，也可以是对一个程序中地不同命令一个接一个地处理。

处理过程：

首先由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行权交给该作业；当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。

2. 单道批处理系统的缺点

系统资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才能继续运行。又因I/O设备的低俗性，更使CPU的利用率显著降低。

如下图，在t₂ ~ t₃、t₆ ~ t₇时间间隔内CPU空闲：

1.2.3 多道批处理系统

1. 多道程序设计的基本概念

为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。

处理过程：

在多道批处理系统中，用户所提交的作业先存放在外存上，并排成一个队列，称为“后备队列”。然后由作业调度程序按一定的算法，从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。由于在内存中同时装有若干道程序，这样便可以在运行程序A时，利用其因I/O操作而暂停执行的CPU空档时间，再调度程序B运行，这样便可以保持CPU处于忙碌状态。

如下图为四道程序时的运行情况：

2. 多道批处理系统的优缺点

1. 资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替运行，以保持CPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提高内存的利用率；此外还可以提高I/O设备的利用率。
2. 系统吞吐量大。CPU和其他资源保持忙碌状态，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。
3. 平均周转时间长。由于作业要排队以此进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需要几个小时，甚至几天。
4. 无交互能力。用户一旦把作业交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互、修改和调试，程序极不方便。

3. 多道批处理系统需要解决的问题

1. 处理机争用问题。
2. 内存分配和保护问题。
3. I/O设备分配问题。
4. 文件组织和管理问题。
5. 作业管理问题。
6. 用户与系统的接口问题。

1.2.4 分时系统

1. 分时系统的引入

为了满足用户对人机交互的需求，形成了一种新型OS。

用户的需求体现在以下几个方面：

1. 人机交互
2. 共享主机

2. 分时系统实现中的关键问题

在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互的主要原因是：作业都先驻留在外存上，即使以后被调用内存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己的作业进行交互。

1. 即使接受
2. 及时处理

3. 分时系统的特征

1. 多路性。系统允许将多台终端同时连接到一台主机上，并按分时原则为每个用户服务。允许多个用户共享一台计算机。
2. 独立性。终端之间互不干扰。
3. 及时性。用户能够在很短的时间内得到响应。
4. 交互性。用户可以与系统进行人机对话。

1.2.5 实时系统

1. 实时系统的类型

1. 工业（武器）控制系统
2. 信息查询系统
3. 多媒体系统
4. 嵌入式系统

2. 实时任务的类型

1. 周期性实时任务和非周期性实时任务。是否按照周期循环执行的实时任务。
2. 硬实时任务和软实时任务。硬实时任务是指系统必须满足任务对截止时间的要求（例如用于工业和武器控制的实时系统），反之为软实时任务。

3. 实时系统与分时系统特征的比较

特征	分时系统	实时系统
多路性	按分时原则为多个终端用户服务	系统周期性的对多路信息进行采集或多多个对象进行控制
独立性	每个终端用户在与系统进行人机交互时，互不干扰	对信息的采集和对对象的控制彼此互不干扰
及时性	人能接收的等待时间	人能接收的等待时间、令人感到结果满意的时间、控制对象所要求的截止时间
交互性	系统能向终端用户提供数据处理、资源共享等服务	用户仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序
可靠性	要求系统可靠	要求系统高度可靠

1.2.6 微机操作系统的发展

1. 单用户单任务操作系统

1. CP/M
2. MS-DOS

2. 单用户多任务操作系统

只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。

3. 多用户多任务操作系统

允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可以进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量。

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参考资料：《计算机操作系统(第四版)》——汤小丹等