操作系统概论

计算机系统由硬件和软件两部分组成。硬件指计算机的各个部件,包括:存储器、处理器、输入/输出设备及电源、机箱等。软件是指存在计算机系统中或外存储器中的程序及数据的集合。

计算机软件分为系统软件和应用软件。

系统软件是计算机厂商为了便于用户使用计算机而驻存在计算机硬件(如硬盘和软盘)内的系统支持程序。主要的系统软件包括:操作系统、编译和解释程序、汇编程序、连接装入程序、编辑程序和设备驱动程序等。

应用软件是用户为了专门的应用目的,向计算机厂商或其他软件商购买的或者自己开发的解决某一类问题的软件。典型的有:数据库管理软件、图像处理软件、各种办公软件和杀毒软件等。

其中操作系统是一种首要的、最基本的、最重要的系统,也是最庞大、最复杂的系统软件。

操作系统发展史

1.1 什么是操作系统

通常把操作系统定义为用以控制和管理计算机系统资源,方便用户使用的程序和数据结构的集合。

(1)系统观点——计算机资源管理

在计算机系统中,CPU是计算机硬件的核心,是计算机系统的心脏;操作系统则是计算机软件的核心,是计算机系统的大脑,是整个系统的控制中心,是计算机或智能控制和管理系统中首要的、最重要的、最复杂的系统软件。

计算机系统内运行的程序无时无刻地争夺计算机有限的资源,操作系统的作用在于组织和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,在用户和程序之间分配系统资源,使之协调一致、高效地完成各种复杂的任务。

(2)用户观点——用户使用计算机的界面

通过操作系统,计算机能提供更多、质量更高的服务。安装不同的操作系统,呈现在用户面前将会是完全不同的两类“虚拟”计算机,因此操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。用户一般通过以下方式获得计算机系统提供的服务。

①命令方式:通过键盘输入有关命令直接使用计算机,以获得计算机所能提供的服务,也可以将若干命令集中在一个文件中,以批处理的方式连续运行命令,获得多种服务。

②系统调用:用户可在应用程序中调用操作系统向用户提供的服务程序,以获得系统服务。

③图形界面:用户可以在窗口环境中通过鼠标、按键、菜单和对话框等方式操纵计算机。

(3)软件观点——程序和数据结构的集合

操作系统是直接与硬件相邻的第一层软件,是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的。在计算机中的所有软件中,操作系统起到了核心和控制的作用,其它软件的运行都要依赖他的支持。操作系统是在系统中永久运行的超级程序。

手工操作(无操作系统)

1946年第一台计算机诞生–20世纪50年代中期,还未出现操作系统,计算机工作采用手工操作方式。

手工操作
程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带(或卡片)装入输入机,然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存,接着通过控制台开关启动程序针对数据运行;计算完毕,打印机输出计算结果;用户取走结果并卸下纸带(或卡片)后,才让下一个用户上机。

图片 1

 

手工操作方式两个特点:
(1)用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象,但资源的利用率低。
(2)CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。


20世纪50年代后期,出现人机矛盾:手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾,手工操作方式已严重损害了系统资源的利用率(使资源利用率降为百分之几,甚至更低),不能容忍。唯一的解决办法:只有摆脱人的手工操作,实现作业的自动过渡。这样就出现了成批处理。

 

1.2 操作系统的发展

批处理系统

批处理系统:加载在计算机上的一个系统软件,在它的控制下,计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业(这作业包括程序、数据和命令)。

联机批处理系统
首先出现的是联机批处理系统,即作业的输入/输出由CPU来处理。
主机与输入机之间增加一个存储设备——磁带,在运行于主机上的监督程序的自动控制下,计算机可自动完成:成批地把输入机上的用户作业读入磁带,依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行并把计算结果向输出机输出。完成了上一批作业后,监督程序又从输入机上输入另一批作业,保存在磁带上,并按上述步骤重复处理。

图片 2

 

监督程序不停地处理各个作业,从而实现了作业到作业的自动转接,减少了作业建立时间和手工操作时间,有效克服了人机矛盾,提高了计算机的利用率。

但是,在作业输入和结果输出时,主机的高速CPU仍处于空闲状态,等待慢速的输入/输出设备完成工作:
主机处于“忙等”状态。

 

脱机批处理系统
为克服与缓解高速主机与慢速外设的矛盾,提高CPU的利用率,又引入了脱机批处理系统,即输入/输出脱离主机控制。
这种方式的显著特征是:增加一台不与主机直接相连而专门用于与输入/输出设备打交道的卫星机。
其功能是:
(1)从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。
(2)从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。

这样,主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道,而是与速度相对较快的磁带机发生关系,有效缓解了主机与设备的矛盾。主机与卫星机可并行工作,二者分工明确,可以充分发挥主机的高速计算能力。

图片 3

 

脱机批处理系统:20世纪60年代应用十分广泛,它极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。IBM-7090/7094:配备的监督程序就是脱机批处理系统,是现代操作系统的原型。

不足:每次主机内存中仅存放一道作业,每当它运行期间发出输入/输出(I/O)请求后,高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态,致使CPU空闲。

为改善CPU的利用率,又引入了多道程序系统。

 

1.早期的计算机和人工操作方式

在早期的计算机系统中,每一次独立的运行都需要很多的人工干预,操作过程烦琐,占用机时多,也很容易产生错误,在一个程序的运行过程中要独占系统的全部硬件资源,设备利用率很低。

多道程序系统

多道程序设计技术

所谓多道程序设计技术,就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存,并允许它们交替在CPU中运行,它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时,CPU便立即转去运行另一道程序。

单道程序的运行过程:
在A程序计算时,I/O空闲,
A程序I/O操作时,CPU空闲(B程序也是同样);必须A工作完成后,B才能进入内存中开始工作,两者是串行的,全部完成共需时间=T1+T2。

图片 4

 

多道程序的运行过程:
将A、B两道程序同时存放在内存中,它们在系统的控制下,可相互穿插、交替地在CPU上运行:当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时,B程序就可占用CPU运行,这样
CPU不再空闲,而正进行A
I/O操作的I/O设备也不空闲,显然,CPU和I/O设备都处于“忙”状态,大大提高了资源的利用率,从而也提高了系统的效率,A、B全部完成所需时间<<T1+T2。

图片 5

 

 

多道程序设计技术不仅使CPU得到充分利用,同时改善I/O设备和内存的利用率,从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量(单位时间内处理作业(程序)的个数),最终提高了整个系统的效率。

单处理机系统中多道程序运行时的特点:
(1)多道:计算机内存中同时存放几道相互独立的程序;
(2)宏观上并行:同时进入系统的几道程序都处于运行过程中,即它们先后开始了各自的运行,但都未运行完毕;
(3)微观上串行:实际上,各道程序轮流地用CPU,并交替运行。

多道程序系统的出现,标志着操作系统渐趋成熟的阶段,先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、外部设备管理、文件系统管理等功能。

多道批处理系统
20世纪60年代中期,在前述的批处理系统中,引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统(简称:批处理系统)。
它有两个特点:
(1)多道:系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中,组成一个后备队列,系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行,运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现,从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。
(2)成批:在系统运行过程中,不允许用户与其作业发生交互作用,即:作业一旦进入系统,用户就不能直接干预其作业的运行。

 

批处理系统的追求目标:提高系统资源利用率和系统吞吐量,以及作业流程的自动化。

批处理系统的一个重要缺点:不提供人机交互能力,给用户使用计算机带来不便。
虽然用户独占全机资源,并且直接控制程序的运行,可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。

一种新的追求目标:既能保证计算机效率,又能方便用户使用计算机。
20世纪60年代中期,计算机技术和软件技术的发展使这种追求成为可能。

 

2.脱机输入/输出和批处理系统

(1)脱机输入/输出

为了解决人工干预与CPU速度不匹配的矛盾,提高计算机的使用效率,在计算机中配备了“监控程序”。用户的控制指令和操作步骤可以写在源程序前或专门的控制卡片上。“监控程序”先读入控制命命令,并按命令的指示一步一步自动执行,这就是“操作系统”的雏形。

为了解决慢速输入/输出设备与CPU速度的不匹配问题,可将用户打在卡片上或纸带上的程序和数据通过外围小计算机预先输入到磁带上,运行时再从磁带上高速读入内存,输出也同样通过磁带中转。这种方式就是“脱机输入/输出”。

(2)批处理系统

脱机输入/输出进一步提高了极端及的运行效率,但自前一个惩处运行结束到启动后一个程序运行这段时间内,程序员或操作员还需要进行很多的人工干预。批处理的基本思想是:操作员取来一批作业,将它们输入到磁带中,操作系统先从磁带上将第一个作业读入内存,启动它运行,并将运行结果输出到另一个磁带中,当第一个程序运行完毕,操作系统自动的从输入磁带上读入下一个作业,并予以运行和输出,直到整批作业全部处理完毕。

由于系统作业是成批地进行处理,但内存中智能保持一个运行作业,故该类系统又称为单道批处理系统。

分时系统

由于CPU速度不断提高和采用分时技术,一台计算机可同时连接多个用户终端,而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机,好象自己独占机器一样。

分时技术:把处理机的运行时间分成很短的时间片,按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。

若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算,则该作业暂时中断,把处理机让给另一作业使用,等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快,作业运行轮转得很快,给每个用户的印象是,好象他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令,在充分的人机交互情况下,完成作业的运行。

具有上述特征的计算机系统称为分时系统,它允许多个用户同时联机使用计算机。

图片 6

 

特点:
(1)多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机;宏观上看是各用户并行工作。
(2)交互性。用户可根据系统对请求的响应结果,进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式,明显地有别于批处理系统,因而,分时系统又被称为交互式系统。
(3)独立性。用户之间可以相互独立操作,互不干扰。系统保证各用户程序运行的完整性,不会发生相互混淆或破坏现象。
(4)及时性。系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间,它是指:从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。

分时系统的主要目标:对用户响应的及时性,即不至于用户等待每一个命令的处理时间过长。

分时系统可以同时接纳数十个甚至上百个用户,由于内存空间有限,往往采用对换(又称交换)方式的存储方法。即将未“轮到”的作业放入磁盘,一旦“轮到”,再将其调入内存;而时间片用完后,又将作业存回磁盘(俗称“滚进”、“滚出“法),使同一存储区域轮流为多个用户服务。

多用户分时系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统。

 

3.缓冲、终端和DMA技术

(1)缓冲技术

脱机、批处理还没有完全解决CPU与外部设备速度匹配问题,无论你是从读卡机还是从磁带中读入,相对于CPU来说,读入数据的速度总是嫌慢,进一步的解决方法是采用缓冲技术。原理:将数据存放在一个特定的缓冲区,当CPU从缓冲区中得到了数据,在对它进行运算之前吗,再启动输入设备以输入下一个数据至缓冲区。这样CPU在记性运算时,外部设备的输入工作也在同时进行。同样输出也采用缓冲技术。采用带缓冲的输入/输出技术后,CPU与外部设备能做到并行操作,减少了互相等待的时间,极大提高了CPU与各种外部设备的使用效率。

(2)中断技术

具有缓冲的输入输出也带来了新的问题。一个问题时处理机要知道I/O设备什么时候已经完成了输入操作,以便处理数据并启动CIA一个I/O。如果考CPU反复地查询输入设备的状态,就会浪费很多CPU时间。中断技术的出现解决了这个难题

只要I/O设备一旦完成输入/输出操作,它就会自动向CPU发出中断信号,CPU收到中断信号后,就会暂停当前的处理工作,在做一些必要的现场保护、中断处理工作后,转图中断服务程序。中断服务程序读出缓冲区的数据,然后启动下一个IU/O操作。从中断服务程序返回后,操作系统恢复被中断的运算过程。

中断处理机构需要在系统栈啥保存中断返回地址,还要保护中断时的其它现场。在完成中断服务,中断程序要恢复原先的中断现场,取得断口地址,使计算机基础原先的处理工作。CPU在处理一个中断事务时,若果又收到一个优先级更高的中断请求,就会暂停当前的中断服务,转为处理更为紧迫的操作,这样就想成了中断的嵌套。

(3)DMA技术

对于慢速的I/O设备,CPU在执行有关并的中断服务程序后,还可利用剩下的大部分时间来执行其他的计算工作。但是对于磁带、磁盘或高速网络通信接口,CPU响应中断和处理数据所费的时间可以比数据到达的时间间隔更长。这样,即使处理机的时间全部用于处理中断和接收输入数据,也仍然会发生数据丢失的情况。

为了解决这个难题,产生了直接存储器存取(DMA)技术。一旦收到DMA发来的中断请求后,CPU在设置了缓冲区、指针和计数器后,DMA就可以不再需要CPU的干预,在内存和设备之间传送整块数据。这样,通过DMA每传送一个数据块仅需要一次中断处理,而不是像低速设备那样每出传送一个数据都需要一次中断处理。

实时系统

虽然多道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间,但却不能满足实时控制与实时信息处理两个应用领域的需求。于是就产生了实时系统,即系统能够及时响应随机发生的外部事件,并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。
实时系统在一个特定的应用中常作为一种控制设备来使用。

实时系统可分成两类:
(1)实时控制系统。当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时,要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据,及时地对飞机或导弹进行控制,或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时,也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据,然后控制相应的执行机构。
(2)实时信息处理系统。当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时,或当用于银行系统、情报检索系统时,都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。

实时操作系统的主要特点:
(1)及时响应。每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。
(2)高可靠性。需采取冗余措施,双机系统前后台工作,也包括必要的保密措施等。

 

操作系统发展图谱

图片 7

4.SPOOLING

使用缓冲技术可以提高CPU与外部设备工作的并行程度,如果CPU处理数据的速度比输入设备快得多,CPU总是要等待输入设备将数据送入缓冲区后才能读取和处理数据,输出也会发生类似的情况。开始时CPU能全速运行,但不久所有的系统缓冲区都会被塞满,此后CPU必须等待输出设备取走缓冲区中的数据,以便可以在其中存放新的输出结果。这种执行速度受到I/O设备限制的作业,成为受限于I/O的作业。另一方面,对于计算量很大的受限于CPU的作业,输入缓冲区经常
是满的,而输出缓冲区经常是空的。因此,缓冲技术虽然是有用的。但是在很多情况下作用并不明显。

磁盘系统的出现极大地改进了脱机输入输出的效果。磁带系统的问题时当CPU从磁带上读入数据时,读卡机等输入设备就不能在磁带的尾部写数据,所以慢速输入设备的数据不能通过磁带机白CPU联机的读入。磁盘设备消除了这个问题。磁盘的读写头很容易从磁盘中的一个区域移动到另一个区域,所以磁盘的读写位置能很快地从读卡机存入磁盘的区域移动到CPU需要读取的下一个记录的区域。

在磁盘系统中,读卡机等设备将数据写到磁盘中,卡片数据的映像记录存放在由操作系统的维护的一张表中。在一个作业执行期间需要请求读卡机输入数据时,实际读入的是存放在磁盘中对应记录向。类似的,当作业要将输出送至打印机是,该输出实际上是通过系统缓冲区写到磁盘中,在该作业运行结束后,才由操作系统自动打印存储在磁盘中的输出结果,这种由操作系统将磁盘模拟为输入/输出设备的处理方式称为SPOOLING(并行的外部设备操作联机)也称为“假脱机”。SPOOLING系统是以磁盘为几乎无限巨大的缓冲区来解决低速的I/O设备与高速CPU之间的速度匹配问题。

相比内存缓冲技术,SPOOLING技术还有其他优点:内存缓冲只能是作业的I/O与本身的计算工作重叠进行,SPOOLING能使多个作业的I/O与计算机重叠地进行。使用SPOOLING技术,计算机在执行一个作业时打印前面已完成了的计算任务的输出结果,还能读入尚未运行的作业,这样使得CPU和多台I/O设备能以很高速度进行并行地工作,提高系统的吞吐量。

SPOOLING还提供一种很重要的结构——缓冲池,操作系统可以根据系统当前的情况在这些作业中挑选下一个运行的作业,以提高CPU和外部设备的利用率。这样操作系统就能是一些CPU受限作业和I/O设备受限作业相搭配运行,以提高系统中各种设备的利用率。

5.多道程序设计 

脱机操作、缓冲和SPOOLING虽然能使CPU的计算与I/O设备的操作重叠地进行,却有一定的局限性,这些技术都不能使CPU和I/O设备时常保持忙碌状态。当一个作业必须等待I/O操作完成是(如从磁盘读入一个数据),CPU就不能执行下一步运算,往往只能空等。

作业调度使另一种新的计算基数——多道程序设计成为可能,能进一步提法哦CPU的利用率,使它几乎总有任务可执行,也能提高外部设备的利用率,使得多个作业的多种I/O操作可以并行运行。

在多道程序设计系统中,操作系统可以将多个作业存放在作业缓冲池中。在某一时刻,操作系统从缓冲池中挑选一个作业,并开始执行该作业。当执行中的作业因要等待用户键盘输入或等待其它设备I/O操作时,在多道程序设计中,操作胸膛呢过久可在缓冲池中挑选另一个作业,使其运行。当前一个作业结束了的等待状态后就可以再次获得CPU,继续运行下去。只要系统中总是存在可执行的作业,CPU就永远不会闲着。

多道程序设计技术都是相当复杂的,首先为了支持多道程序设计,要有足够大的内存,同时需要有比较复杂的存储和保护机构,同时还需要处理机调度机构,决定哪一个作业占用CPU,除此之外,还需要提供各种外部设备的调度和管理功能。

1.3现代操作系统的类型

相关文章