二：操作系统发展历程

操作系统发展历程

手工操作阶段（此阶段无操作系统）

1. 用户在计算机上算题的所有工作都要人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。随着计算机硬件的发展，人机矛盾（速度和资源利用）越来越大，必须寻求新的解决办法。
2. 手工操作阶段有两个突出的缺点：

• ①用户独占全机，虽然不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源利用率低。
• ②CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。

批处理阶段（操作系统开始出现）

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，出现了批处理系统。按发展历程又分为单道批处理系统、多道批处理系统（多道程序设计技术出现以后）。

单道批处理系统

系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业。单道批处理系统是在解决人机矛盾及CPU和I/O设备速率不匹配的矛盾中形成的。单道批处理系统的主要特征如下：

1. 自动性。在顺利的情况下，磁带上的一批作业能自动地逐个运行，而无须人工干预。
2. 顺序性。磁带上的各道作业顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序在正常情况下应完全相同，亦即先调入内存的作业先完成
3. 单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。
4. 面临的问题：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它在运行期间（注意这里是“运行时”而不是“完成后”）发出输入/输出请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成的状态。 为了进一步提高资源的利用率和系统的吞吐量，引入了多道程序技术

多道批处理系统

1. 多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU中交替地运行，这些程序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。
2. 多道程序设计的特点是多道、宏观上并行、微观上串行。

• 多道。计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。
• 宏观上并行。同时进入系统的多道程序都处于运行过程中，即它们先后开始各自的运行,但都未运行完毕。
• 微观上串行。内存中的多道程序轮流占有CPU,交替执行。

2. 在批处理系统中采用多道程序设计技术就形成了多道批处理操作系统。该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行
3. 优点：资源利用率高，多道程序共享计算机资源，从而使各种资源得到充分利用；系统吞吐量大，CPU和其他资源保持“忙碌”状态。缺点：用户响应的时间较长；不提供人机交互能力， 用户既不能了解自己的程序的运行情况，又不能控制计算机。

分时操作系统

1. 所谓分时技术，是指把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器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，则该作业暂时停止运行， 把处理器让给其他作业使用，等待下一轮再继续运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得也很快，因此给每个用户的感觉就像是自己独占一台计算机
2. 分时系统也是支持多道程序设计的系统，但它不同于多道批处理系统。多道批处理是实现作业自动控制而无须人工干预的系统，而分时系统是实现人机交互的系统，这使得分时系统具有与批处理系统不同的特征。分时系统的主要特征如下：
   1. 同时性。同时性也称多路性，指允许多个终端用户同时使用一台计算机，即一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时或基本同时使用计算机。
   2. 交互性。用户能够方便地与系统进行人机对话，即用户通过终端采用人机对话的方式直接控制程序运行，与同程序进行交互。
   3. 独立性。系统中多个用户可以彼此独立地进行操作，互不干扰，单个用户感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己单独使用这台计算机一样。
   4. 及时性。用户请求能在很短时间内获得响应。分时系统采用时间片轮转方式使一台计算机同时为多个终端服务，使用户能够对系统的及时响应感到满意。

实时操作系统

1. 为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队，诞生了实时操作系统。这里的时间限制可以分为两种情况：若某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生，则称为硬实时系统，如飞行器的飞行自动控制系统，这类系统必须提供绝对保证，让某个特定的动作在规定的时间内完成。若能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害，则称为软实时系统，如飞机订票系统、银行管理系统。
2. 在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的时限内处理完接收的事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

网络操作系统和分布式计算机系统

1. 网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机地结合起来，提供一种统一、经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各台计算机之间数据的互相传送。网络操作系统最主要的特点是网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。
2. 分布式计算机系统是由多台计算机组成并满足下列条件的系统：系统中任意两台计算机通过通信方式交换信息；系统中的每台计算机都具有同等的地位，即没有主机也没有从机；每台计算机上的资源为所有用户共享；系统中的任意台计算机都可以构成一个子系统，并且还能重构；任何工作都可以分布在几台计算机上，由它们并行工作、协同完成。用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式计算机系统。该系统的主要特点是：分布性和并行性。分布式操作系统与网络操作系统的本质不同是，分布式操作系统中的若干计算机相互协同完成同一任务。

个人计算机操作系统

题目总结

1. 脱机技术用于解决独占设备问题。虚拟技术与交换技术以多道程序设计技术为前提。多道程序设计技术由于同时在主存中运行多个程序，在一个程序等待时，可以去执行其他程序，因此提高了系统资源的利用率。
2. 批处理系统中，作业执行时用户无法干预其运行，只能通过事先编制作业控制说明书来间接干预，缺少交互能力，也因此才有了分时操作系统的出现。
3. 多道程序的运行环境比单道程序的运行环境更加复杂。引入多道程序后，程序的执行就失去了封闭性和顺序性。程序执行因为共享资源及相互协同的原因产生了竞争，相互制约。
4. 操作系统的基本类型主要有批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。
5. 实时系统的进程调度，通常采用抢占式的优先级高者优先。实时系统必须能足够及时地处理某些紧急的外部事件，因此普遍用高优先级，并用“可抢占”来确保实时处理。
6. 采用优先级+非抢占式调度算法，既可让重要的作业/进程通过高优先级尽快获得系统响应，又可保证次要的作业/进程在非抢占式调度下不会迟迟得不到系统响应，这样有利于改善系统的响应时间。加大时间片会延迟系统响应时间；静态页式管理和代码可重入与系统响应时间无关。
7. 在分时操作系统中，响应时间是衡量一个分时系统的一项重要指标。响应时间是指用户提交请求到系统开始响应用户请求所需的时间。分时操作系统旨在为多个用户提供快速响应，因此响应时间是衡量分时系统性能的重要指标之一。
8. 实时操作系统的目的是在特定时间内完成特定任务，确保系统的及时响应和快速处理。因此，在设计实时操作系统时，重点考虑的是及时响应、快速处理、高安全性和高可靠性，而不是提高系统资源的利用率。
9. 用户程序中的输入，输出操作实际上是由操作系统完成。操作系统提供了一组用于输入和输出的系统调用，这些调用可以被用户程序调用以执行输入和输出操作。例如，在 UNIX 系统中，read 和 write 系统调用可用于执行文件读写操作。
10. 计算机系统中判别是否有中断事件发生应是在执行完一条指令后。中断是一种硬件机制，用于通知处理器有外部事件需要处理。当处理器执行完一条指令后，它会检查是否有中断事件发生。如果有中断事件发生，处理器会保存当前的执行状态，然后跳转到中断处理程序来处理中断。
11. 设计批处理多道系统时，首先要考虑的是系统效率和吞吐量。批处理多道系统旨在通过同时运行多个作业来提高系统效率和吞吐量。因此，在设计批处理多道系统时，应首先考虑如何最大化系统效率和吞吐量，以便在单位时间内完成尽可能多的作业。
12. 若当前进程因时间片用完而让出处理机时，该进程应转变为就绪 状态。当一个进程的时间片用完时，它会被操作系统调度程序从运行状态转换为就绪状态，等待下一次调度。在就绪状态下，进程已经准备好运行，但是还没有获得处理器资源。
13. 采用多道程序设计能减少处理器空闲时间。多道程序设计允许多个程序同时驻留在内存中并交替执行，从而在一个程序等待I/O操作完成时，处理器可以切换到另一个程序继续执行，减少了处理器的空闲时间。