手工操作階段(此階段無操作系統(tǒng))

 用戶在計算機(jī)上算題的所有工作都要人工干預(yù),如程序的裝入、運(yùn)行、結(jié)果的輸出等。隨著計算機(jī)硬件的發(fā)展,人機(jī)矛盾(速度和資源利用)越來越大,必須尋求新的解決辦法。

 手工操作階段有兩個突出的缺點(diǎn):

 a.用戶獨(dú)占全機(jī)。不會出現(xiàn)因資源已被其他用戶占用而等待的現(xiàn)象,但資源利用率低。

 b.CPU等待手工操作,CPU的利用不充分。

 唯一的解決辦法就是用高速的機(jī)器代替相對較慢的手工操作來對作業(yè)進(jìn)行控制。

 批處理階段(操作系統(tǒng)開始出現(xiàn))

 為了解決人機(jī)矛盾及CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾,出現(xiàn)了批處理系統(tǒng)。它按發(fā)展歷程又分為單道批處理系統(tǒng)、多道批處理系統(tǒng)(多道程序設(shè)計技術(shù)出現(xiàn)以后)。

 1) 單道批處理系統(tǒng)

 系統(tǒng)對作業(yè)的處理是成批進(jìn)行的,但內(nèi)存中始終保持一道作業(yè)。該系統(tǒng)是在解決人機(jī)矛盾和CPU與I/O設(shè)備速率不匹配的矛盾中形成的。單道批處理系統(tǒng)的主要特征如下:

 a.自動性。在順利的情況下,在磁帶上的一批作業(yè)能自動地逐個依次運(yùn)行,而無需人工干預(yù)。 '

 b.順序性。磁帶上的各道作業(yè)是順序地進(jìn)入內(nèi)存,各道作業(yè)的完成順序與它們進(jìn)入內(nèi)存的順序,在正常情況下應(yīng)完全相同,亦即先調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)先完成。

 c.單道性。內(nèi)存中僅有一道程序運(yùn)行,即監(jiān)督程序每次從磁帶上只調(diào)入一道程序進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行,當(dāng)該程序完成或發(fā)生異常情況時,才換入其后繼程序進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行。

 此時面臨的問題是:每次主機(jī)內(nèi)存中僅存放一道作業(yè),每當(dāng)它運(yùn)行期間(注意這里是“運(yùn)行時”,并不是“完成后”)發(fā)出輸入/輸出請求后,高速的CPU便處于等待低速的I/O完成狀態(tài)。為了進(jìn)一步提高資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量,引入了多道程序技術(shù)。

 2) 多道批處理系統(tǒng)

 多道程序設(shè)計技術(shù)允許多個程序同時進(jìn)入內(nèi)存并運(yùn)行。即同時把多個程序放入內(nèi)存,并允許它們交替在CPU中運(yùn)行,它們共享系統(tǒng)中的各種硬、軟件資源。當(dāng)一道程序因I/O請求而暫停運(yùn)行時,CPU便立即轉(zhuǎn)去運(yùn)行另一道程序。它沒有用某些機(jī)制提高某一技術(shù)方面的瓶頸問題,而是讓系統(tǒng)的各個組成部分都盡量去“忙”,花費(fèi)很少時間去切換任務(wù),達(dá)到了系統(tǒng)各部件之間的并行工作,使其整體在單位時間內(nèi)的效率翻倍。

 多道程序設(shè)計的特點(diǎn)有:

 多道:計算機(jī)內(nèi)存中同時存放多道相互獨(dú)立的程序。

 宏觀上并行:同時進(jìn)入系統(tǒng)的多道程序都處于運(yùn)行過程中,即它們先后開始了各自的運(yùn)行,但都未運(yùn)行完畢。

 微觀上串行:內(nèi)存中的多道程序輪流占有CPU,交替執(zhí)行。

 多道程序設(shè)計技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要解決下列問題:

 如何分配處理器。

 多道程序的內(nèi)存分配問題。

 I/O設(shè)備如何分配。

 如何組織和存放大量的程序和數(shù)據(jù),以便于用戶使用和保證其安全性與一致性。

 在批處理系統(tǒng)中釆用多道程序設(shè)計技術(shù),就形成了多道批處理操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)把用戶提交的作業(yè)成批地送入計算機(jī)內(nèi)存,然后由作業(yè)調(diào)度程序自動地選擇作業(yè)運(yùn)行。

 優(yōu)點(diǎn)是資源利用率高,多道程序共享計算機(jī)資源,從而使各種資源得到充分利用;系統(tǒng)吞吐量大,CPU和其他資源保持“忙碌”狀態(tài)。缺點(diǎn)是用戶響應(yīng)的時間較長。不提供人機(jī)交互能力,用戶既不能了解自己程序的運(yùn)行情況,也不能控制計算機(jī)。

 分時操作系統(tǒng)

 在操作系統(tǒng)中釆用分時技術(shù)就形成了分時系統(tǒng)。所謂分時技術(shù)就是把處理器的運(yùn)行時間分成很短的時間片,按時間片輪流把處理器分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。若某個作業(yè)在分配給它的時間片內(nèi)不能完成其計算,則該作業(yè)暫時停止運(yùn)行,把處理器讓給其他作業(yè)使用,等待下一輪再繼續(xù)運(yùn)行。由于計算機(jī)速度很快,作業(yè)運(yùn)行輪轉(zhuǎn)得很快,給每個用戶的感覺好像是自己獨(dú)占一臺計算機(jī)。

 分時操作系統(tǒng)是多個用戶通過終端同時共享一臺主機(jī),這些終端連接在主機(jī)上,用戶可以同時與主機(jī)進(jìn)行交互操作而互不干擾。所以,實(shí)現(xiàn)分時系統(tǒng)最關(guān)鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互,即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時,系統(tǒng)應(yīng)能及時接收并及時處理該命令,再將結(jié)果返回用戶。分時系統(tǒng)也是支持多道程序設(shè)計的系統(tǒng),但它不同于多道批處理系統(tǒng)。

 多道批處理是實(shí)現(xiàn)作業(yè)自動控制而無需人工干預(yù)的系統(tǒng),而分時系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的系統(tǒng),這使得分時系統(tǒng)具有與批處理系統(tǒng)不同的特征,其主要特征如下:

 同時性。同時性也稱多路性,指允許多個終端用戶同時使用一臺計算機(jī),即一臺計算機(jī)與若干臺終端相連接,終端上的這些用戶可以同時或基本同時使用計算機(jī)。

 交互性。用戶能夠方便地與系統(tǒng)進(jìn)行人-機(jī)對話,即用戶通過終端釆用人4^1對話的方式直接控制程序運(yùn)行,與同程序進(jìn)行交互。

 獨(dú)立性。系統(tǒng)中多個用戶可以彼此獨(dú)立地進(jìn)行操作,互不干擾,單個用戶感覺不到別人也在使用這臺計算機(jī),好像只有自己單獨(dú)使用這臺計算機(jī)一樣。

 及時性。用戶請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。分時系統(tǒng)釆用時間片輪轉(zhuǎn)方式使一臺計算機(jī)同時為多個終端服務(wù),使用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)的及時響應(yīng)感到滿意。

 雖然分時操作系統(tǒng)比較好地解決了人機(jī)交互問題,但是在一些應(yīng)用場合,需要系統(tǒng)能對外部的信息在規(guī)定的時間(比時間片的時間還短)內(nèi)作出處理(比如飛機(jī)訂票系統(tǒng)或?qū)�彈制�?dǎo)系統(tǒng))。因此,實(shí)時系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

 實(shí)時操作系統(tǒng)

 為了能在某個時間限制內(nèi)完成某些緊急任務(wù)而不需時間片排隊,誕生了實(shí)時操作系統(tǒng)。這里的時間限制可以分為兩種情況:如果某個動作必須絕對地在規(guī)定的時刻(或規(guī)定的時間范圍)發(fā)生,則稱為硬實(shí)時系統(tǒng)。例如,飛行器的飛行自動控制系統(tǒng),這類系統(tǒng)必須提供絕對保證,讓某個特定的動作在規(guī)定的時間內(nèi)完成。如果能夠接受偶爾違反時間規(guī)定,并且不會引起任何永久性的損害,則稱為軟實(shí)時系統(tǒng),如飛機(jī)訂票系統(tǒng)、銀行管理系統(tǒng)。

 在實(shí)時操作系統(tǒng)的控制下,計算機(jī)系統(tǒng)接收到外部信號后及時進(jìn)行處理,并且要在嚴(yán)格的時限內(nèi)處理完接收的事件。實(shí)時橾作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是及時性和可靠性。

 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式計算機(jī)系統(tǒng)

 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)把計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的各臺計算機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來,提供一種統(tǒng)一、經(jīng)濟(jì)而有效的使用各臺計算機(jī)的方法,實(shí)現(xiàn)各個計算機(jī)之間的互相傳送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中各種資源的共享以及各臺計算機(jī)之間的通信。

 分布式計算機(jī)系統(tǒng)是由多臺計算機(jī)組成并滿足下列條件的系統(tǒng):系統(tǒng)中任意兩臺計算機(jī)通過通信方式交換信息;系統(tǒng)中的每一臺計算機(jī)都具有同等的地位,即沒有主機(jī)也沒有從機(jī); 每臺計算機(jī)上的資源為所有用戶共享;系統(tǒng)中的任意若千臺計算機(jī)都可以構(gòu)成一個子系統(tǒng),并且還能重構(gòu);任何工作都可以分布在幾臺計算機(jī)上,由它們并行工作、協(xié)同完成。用于管理分布式計算機(jī)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)稱為分布式計算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是:分布性和并行性。分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)本質(zhì)上的不同之處在于分布式操作系統(tǒng)中,若干臺計算機(jī)相互協(xié)同完成同一任務(wù)。

 個人計算機(jī)操作系統(tǒng)

 個人計算機(jī)操作系統(tǒng)是目前使用最廣泛的操作系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于文字處理、電子表格、 游戲等。常見的有windows、Linux和Macintosh等,操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程如圖1-1所示。

 圖1-1 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

 此外還有嵌入式操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、多處理器操作系統(tǒng)等。