ch1-1.2操作系统形成和发展
操作系统发展历史
操作系统发展历史在当今数字化的时代，操作系统无疑是计算机系统中最为关键的组成部分之一。
它如同一位默默耕耘的幕后英雄，管理着计算机的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供了一个稳定、高效的工作环境。
让我们一同踏上操作系统的发展之旅，探寻其从无到有、从简单到复杂的演进历程。
早期的计算机并没有操作系统的概念。
那时，程序员需要直接与硬件打交道，通过手动设置开关和插拔线缆来输入指令和数据。
这种方式不仅效率低下，而且极易出错。
随着计算机技术的不断发展，人们逐渐意识到需要一种软件来管理计算机的资源，提高工作效率，于是操作系统的雏形应运而生。
20 世纪 50 年代，出现了第一代操作系统，被称为“单道批处理系统”。
在这个阶段，计算机的处理能力相对较弱，内存也非常有限。
操作系统的主要任务是将一批作业按照顺序依次处理，减少了人工干预的时间，提高了计算机的利用率。
然而，这种系统的缺点也很明显，它只能处理一个作业，当一个作业在进行输入输出操作时，中央处理器处于空闲状态，造成了资源的浪费。
为了解决单道批处理系统的问题，20 世纪 60 年代，“多道批处理系统”应运而生。
这种系统允许多个作业同时进入内存，由操作系统进行调度和管理。
当一个作业因等待输入输出而暂停时，中央处理器可以切换到其他作业继续执行，从而大大提高了计算机资源的利用率和系统的吞吐量。
但多道批处理系统缺乏交互性，用户提交作业后只能等待结果，无法实时了解作业的执行情况。
20 世纪 70 年代，随着计算机技术的进一步发展，“分时操作系统”开始崭露头角。
分时操作系统将中央处理器的时间划分成很短的时间片，轮流分配给各个终端用户，使得每个用户都能感觉到自己在独占计算机。
这种系统具有很强的交互性，用户可以通过终端实时地与计算机进行交互，极大地提高了用户的使用体验。
在分时操作系统的基础上，20 世纪 80 年代，“个人计算机操作系统”迅速崛起。
其中最具代表性的当属微软的 DOS 操作系统。
操作系统课件(1.2 操作系统的形成和发展)[23页]
![操作系统课件(1.2 操作系统的形成和发展)[23页]](https://img.taocdn.com/s3/m/b02431e2afaad1f34693daef5ef7ba0d4b736d52.png)
标志着现代操作 系统的正式形成
操作系统的形成
随着计算机网络和微型计算机组成的网络计算系统的 出现，出现了
网络操作系统 分布式操作系统
磁盘1
磁盘2
打印机
多道程序系统阶段
多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率 的原理：
结果比较
单道算题运行时处理器的使用效率 52 / (78+52+20)≈ 35%
两道算题运行时处理器的使用效率 (52+42) / 150 ≈ 63％
多道程序系统阶段
多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率 的原理：
✓ 系统引入通道、中断技术，输入、输出可在主机控 制下完成；
✓ 用户不能直接启动外设，用户的输入输出请求必须 通过系统去执行；
✓ 功能扩展的监督程序常驻内存，称为执行系统。
操
作
系
统本
的讲
形 成 和
内 容
发
展
1. 硬件的发展 2. 执行系统阶段 3. 多道程序系统阶段 4. 操作系统的形成
多道程序系统阶段 多道程序设计技术(multiprogramming)
➢ 采用多道程序设计提高了效率，即增长了单位时 间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算 时间；
➢ 多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率 是以牺牲用户的响应时间为代价的。
多道程序系统阶段
操作系统中引入多道程序设计的好处： ✓ 提高了CPU的利用率 ✓ 提高了内存和I/O设备的利用率 ✓ 改进了系统的吞吐率 ✓ 充分发挥了系统的并行性
操
作
系 统
本
的讲
形内
成 和
容
发
展
1. 硬件的发展 2. 执行系统阶段 3. 多道程序系统阶段 4. 操作系统的形成
操作系统的历史与发展
操作系统的历史与发展引言：在计算机科学领域中，操作系统被认为是计算机程序与硬件系统之间的关键组成部分。
它可以管理计算机资源、提供用户接口、支持应用程序的运行等。
本文将介绍操作系统的历史与发展，从早期的简单操作系统到如今复杂的分布式系统，探讨操作系统在计算机领域中的重要性和不断发展的趋势。
1. 早期操作系统的诞生早期的计算机系统并没有现代意义上的操作系统。
早期计算机需要通过物理开关或打孔卡片来指示它们进行特定的操作。
随着计算机技术的发展，第一个真正意义上的操作系统诞生了。
1956年，MIT的约翰·麦卡锡教授推出了第一个可以自动加载和运行程序的操作系统——Dartmouth Timesharing System。
这标志着操作系统的诞生和发展进程的开始。
2. 批处理操作系统的兴起批处理操作系统是20世纪60年代和70年代计算机系统的主流。
这种操作系统允许用户将一系列作业提交给计算机，然后交由操作系统自动执行。
这为计算机的利用率提供了巨大的提升，因为用户不再需要手动操作计算机。
IBM的OS/360是当时最具影响力的批处理操作系统之一。
这也是操作系统发展中的重要里程碑之一。
3. 分时操作系统的出现分时操作系统是批处理操作系统的进一步发展，它允许多个用户同时与计算机进行交互。
这种操作系统使用时间分片技术，在每个用户之间轮流分配计算机处理时间。
这使得计算机可以同时为多个用户提供服务，大大提高了计算机的效率和可用性。
Unix是分时操作系统的典型代表，它的出现对操作系统的发展产生了深远的影响。
4. 图形用户界面的普及20世纪80年代末和90年代初，图形用户界面（GUI）的普及改变了操作系统的面貌。
Macintosh操作系统和Microsoft Windows操作系统成为当时最受欢迎的操作系统，它们为用户提供了直观、易用的界面。
通过鼠标和图标，用户可以轻松执行任务、操作文件等。
这种用户友好的界面成为后来操作系统设计的重要标准。
ch1-1.1操作系统的概观
1.1.2操作系统的资源管理技术
3）资源抽象（续）
使用资源抽象技术
实现一个设备驱动程序（隐蔽物理设备细节） 在定义一个标准化的软件接口（即系统调用） 应用程序就不必关心设备物理细节
1.1.2操作系统的资源管理技术 3）资源抽象（续）
资源抽象技术也可用于定义和构造多层软件 以磁盘设备为例
…
用户n
财务系统
航空订票
上网浏览
电子商务
…
科学计算
（应用程序） 编译程序 汇编程序 编辑程序
…
数据库
（支撑软件） 操作系统 计算机 硬件
计算机系统的层次结构
OS的地位
计算机系统的层次:
• 硬件层 • 操作系统层 • 支撑软件层 • 应用软件层
OS与支撑软件的主要区别： 1）控制与被控制的关系；2）OS提供接口和服务 3）提供共性功能 ； 4）OS实现资源管理
OS的作用之二
（2）OS为用户提供虚拟计算机
操作系统是紧靠硬件的第一层软件， 计算机上覆盖操作系统后，可扩展 基本功能，为用户提供一台功能显 著增强，使用更加方便，安全可靠 性好，效率明显提高的机器，称为 虚拟计算机，或操作系统虚机器 （Virtual Machine）。
OS的作用之三
OS作为计算机系统的资源管理者(1) 资源：能分配给用户使用的硬件和软件设 施总称为资源， 包括两类：硬件资源和信息资源。 • 硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设 备等； • 信息资源又分：程序和数据等。
实现虚处理器的技术
时分复用 调度切换
1.1.2操作系统的资源管理技术 （2）虚拟主存
虚拟主存让进程在获取和使用主存时感觉像拥有 整个计算机的主存 虚存避免了内存和磁盘之间来回复制进程地址空 间 对于程序员来说无需考虑物理主存的大小
操作系统的发展史
操作系统的发展史1. 引言操作系统是计算机系统中的核心软件之一，它负责管理计算机硬件和软件资源，提供可靠的环境供应用程序运行。
随着计算机科技的不断进步，操作系统也在不断发展和演进，经历了多个阶段和重要里程碑。
本文将带你回顾操作系统的发展史。
2. 手动操作时代在计算机产业起步之初，操作系统并不存在。
当时的计算机是巨大而笨重的机械设备，需要通过人工操作才能完成任务。
程序员需要直接操纵机器的控制台、打孔卡片或手动拨动开关来编写和执行程序。
这个时期的计算机没有真正的操作系统，所有的资源管理和任务调度都由人工完成。
3. 单道批处理系统20世纪50年代末，随着计算机技术的飞速发展，计算机开始进入商业应用领域。
人们对操作系统需求的增加使得单道批处理系统应运而生。
单道批处理系统允许用户将一批作业提交给操作系统，系统按照作业的顺序逐个执行，提高了计算机资源的利用率。
单道批处理系统最显著的特点是缺乏交互性，用户不能与计算机进行实时交互。
同时，由于没有多任务特性，一个作业的执行需要等待当前作业执行完毕，导致了较长的等待时间。
不过，单道批处理系统的出现为后来的操作系统提供了重要的基础。
4. 多道批处理系统和分时系统20世纪60年代，多道批处理系统和分时系统的出现彻底改变了操作系统的发展方向。
多道批处理系统允许多个作业同时在计算机上运行，计算机通过快速切换和分时调度来共享CPU和其他资源。
多道批处理系统极大地提高了计算机资源的利用率，但仍然缺乏交互性。
分时系统在多道批处理系统的基础上发展而来，它将计算机时间划分为很小的单位，称为时间片。
每个用户可以通过终端与计算机进行实时交互，享受到独占式的计算机资源。
分时系统的出现为计算机的交互操作奠定了基础，极大地方便了用户使用计算机。
5. 多任务操作系统20世纪70年代，多任务操作系统开始崭露头角。
多任务操作系统允许多个程序同时在计算机上运行，程序之间共享计算机的资源。
这种操作系统为用户提供了更高的并发性和更好的用户体验。
CH1操作系统概论
二、共享性
三、虚拟性
四、异步性
35
一、并发与并行
并发：Concurrence 是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 并行：Parallel 是指两个或多个事件在同一时刻发生。 单处理机系统中采用多道程序技术后，可以实现硬 件之间的并行操作和程序之间的并发执行。
36
多道程序并发执行示意图
程序A请求I/O 程序A 程序B请求I/O 程序B 程序C请求I/O C完成I/O C再次被调度 程序C 调度程序 时间轴t B完成I/O A完成I/O A再次被调度 A完成
微机操作系统、并行操作系统、分布式操作系统、网络操 作系统和嵌入式操作系统等相继产生。
操作系统的使用界面也从字符界面变成了图形界面。操作 系统的结构除了有序分层的模块化结构外，还出现了客户 /服务器加微内核结构等。 DOS、OS/2、Windows和Linux等是这一时期的典型代表。
19
1.3
操作系统的基本类型*
23
1．分时的概念与实现
分时：指若干并发程序对CPU时间的共享，通过系统
软件实现。 指多个用户分享使用同一台计算机。两个或多个事 件按时间划分轮流使用计算机系统中的某一资源。 实现分时的基本方法是设立一个时间分享单位——
时间片(time slice)。它是系统规定进程一次使用
处理机的最长时间。时间片的长短可以因不同系统 而异，通常100ms左右。
软件是由计算机硬件执行以完成一定任务的所有程序及 其数据 。
2.软件的分类
分为系统软件和应用软件 其中,系统软件由操作系统、程序设计语言、语言处理程 序、数据库管理系统、网络系统和常用服务系统等组成。 应用软件是指专门为某一应用目的而 的软件系统。 用系统软件编制
电脑操作系统的演化与发展
电脑操作系统的演化与发展随着现代科技的飞速发展，电脑已经成为我们日常生活中不可或缺的工具。
而电脑操作系统作为连接硬件和软件的桥梁，在电脑发展史上起到了至关重要的作用。
本文将从操作系统的起源开始，详细探讨电脑操作系统的演化与发展。
一、操作系统的起源计算机发明的初期，并没有操作系统的概念，各种计算机都仅仅是为了完成一些特定的任务。
直到上世纪50年代，由于计算机应用范围的扩大和复杂性的增加，科学家们开始思考如何更好地管理计算机资源。
于是，操作系统应运而生。
二、单用户操作系统的崛起20世纪60年代，单用户操作系统迅速崛起，代表作为MIT研发的CTSS（Compatible Time-Sharing System，兼容分时系统）。
CTSS实现了多个终端同时连接到一台计算机，每个用户可以同时访问计算资源。
随着计算机性能的提升，分时操作系统的概念逐渐普及，例如Unix和Multics系统。
三、多用户操作系统的兴起20世纪70年代，计算机性能进一步提升，多用户操作系统应运而生。
这些系统允许多个用户同时访问计算机资源，IBM的VM/370和UNIX系统成为当时最主要的代表。
多用户操作系统的出现，进一步提升了计算机的利用率，加速了计算机的发展。
四、个人计算机时代的操作系统20世纪80年代，个人计算机开始普及，操作系统也因此迎来了新的发展机遇。
微软推出的MS-DOS操作系统成为最先在个人计算机上得到广泛应用的操作系统。
然而，MS-DOS的操作界面非常简陋，用户体验较差。
随着图形化界面的兴起，微软推出了Windows操作系统，彻底改变了个人计算机的面貌。
五、网络时代的操作系统进入21世纪，互联网的兴起给操作系统带来了新的挑战和机遇。
基于Unix的操作系统如Linux得到了广泛使用，成为服务器领域的首选操作系统。
同时，微软的Windows系统不断演进，推出了更加适应网络环境的Windows Server系列。
此外，苹果公司也推出了自家的操作系统Mac OS，用于支持其产品线。
ch1-1.2操作系统形成和发展
1.2.2管理程序阶段
1.早期联机批处理
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。
多道程序设计的效果
采用多道程序设计提高了效率，即增长 了单位时间的算题量，但对每道程序来说， 却延长了计算时间。 多道程序设计技术提高资源利用率和系 统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价 的。
1.2.3 多道程序设计与操作系统形成
在多道程序设计中，值得注意的是道数的 多少。 表面上看，似乎道数越多则效率越高，但 是道数的具体数目往往受到系统资源数目、 内存容量、用户响应时间等限制。
多道程序设计与操作系统形成
实现多道程序设计必须解决三个问题： 存储保护与程序浮动； 处理器的管理和调度； 系统资源的管理和调度。
1.2.4操作系统的发展与分类
三种基本的操作系统类型： 1 批处理操作系统 2 分时操作系统 3 实时操作系统
批处理操作系统
批处理操作系统（Batch OS） 性能指标：吞吐量
嵌入式操作系统
嵌入式OS具有通常操作系统的功能，包括： 与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能， 功能强大的还提供图形界面、通信协议、小 型浏览器等设施。
LOGO
第一章 操作系统概论
1.2 操作系统的发展和形成
1.2.1 人工操作阶段 1.2.2 管理程序阶段 1.2.3 多道程序设计与操作系统的形成 1.2.4 操作系统的分类
1.2 操作系统的发展和形成
50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂， 从低级到高级的发展过程。 人工操作方式 管理程序阶段
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嵌入式操作系统(1)
• 3C：计算机是贯穿社会信息化的核心技 术，网络和通信是社会信息化赖以存在 的基础设施，电子消费产品是人与社会 信息化的主要接口。 • 嵌入式(计算机)系统的应用环境带来了 对嵌入式系统软件 (embedded software) 的要求
嵌入式操作系统(2)
• 嵌入式OS指运行在嵌入式(计算机)环境中， 对整个系统及所有操作的各种部件、装置 等资源进行统一协调、处理、指挥和控制 的系统软件 • 嵌入式 OS 具有通常操作系统的功能，包 括：与硬件相关的底层软件、操作系统核 心功能，功能强大的还提供图形界面、通 信协议、小型浏览器等设施
网络操作系统
• 网络操作系统(Network Operating System) • 网络操作系统应该具有的功能： 1 网络通信 2 资源管理 3 网络管理 4 网络服务
分布式操作系统
• 分布式计算机系统由多台分散的计算机经 互连网络连接而成, 具备四项基本功能 1 进程通信 2 资源共享 3 并行计算 4 网络管理 • 分布式操作系统与单机集中式操作系统的 主要区别在于: 1. 资源管理 2. 进程通信： 3. 系统结构：
1.2 操作系统的发展和形成
1.2.1 人工操作阶段 1.2.2管理程序阶段 1.2.3 多道程序设计与操作系统 的形成 1.2.4 操作系统的分类
1.2.1 人工操作阶段
算题过程
• 人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上 • 将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机 • 汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿 孔卡或穿孔带 • 执行汇编过程或编译过程，产生目标程序，并输 出目标卡片迭或纸带 • 通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计 算机 • 启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的 数据卡或数据带 • 产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上 输出
1.2.4操作系统的发展与分类
7种基本的操作系统类型： 1 批处理操作系统 2 分时操作系统 3 实时操作系统 4 微机操作系统 5 网络操作系统 6 分布式操作系统 7 嵌入式操作系统 拥有前三个或者其中的两个的操作系统被 称为通用操作系统
批处理操作系统
• 何谓“批”?作业流与批处理 • 批处理操作系统（Batch OS） • 批处理系统的主要特征： –用户脱机工作 –成批处理作业 –多道程序运行 –作业周转时间长
2014-3-8 33
分时操作系统
• 为什么要有分时操作系统? • 分时操作系统 (Time Sharing Operating System) • 分时系统的特征 –同时性 –独立性 –及时性 –交互性
分时与批处理操作系统的区别
• 目标不同 • 适应作业的性质不同 • 资源使用率不同 • 作业控制方式不同
实时操作系统(1)
嵌入式操作系统特征
• 微型化： • 可定制： • 实时性： • 可靠性： • 易移植性： • 开发环境：
嵌入式操作系统实例(1)
• VxWorks是美国Wind River公司开发的嵌 入式实时操作系统，可靠性高、性能卓 越、界面友好，广泛地应用在通信、军 事、航空、航天等高精尖技术及实时性 要求极高的领域中，在美国的F-16、FA18战斗机、B-2隐形轰炸机、爱国者导弹， 和火星探测器 (97 年 4 月在火星表面登陆 ) 上使用。
• 中断与通道 • 多道程序设计是指允许多个程序同 时进入一个计算机系统的主存储器 并启动进行计算的方法 • 从宏观上看: • 从微观上看: • 引入多道程序设计技术的目的:
多道程序设计例(1)
单道算题运行时处理器的使用效率
P1= 78,52,20
78 130 150 228 280 300 378 430 450
微机操作系统
新一代微机操作系统
• 具有以下功能：GUI、多用户和多任 务、虚拟存储管理、网络通信支持、 数据库支持、多媒体支持、应用编程 支持API（应用程序编程接口）。 • 具有以下特点： (1)开放性 (2)通用性 (3)高性能
并行操作系统
• 计算机的应用每前进一步都要求增加 计算机的处理能力。为达到极高性能， 除提高元器件速度外，必须改进计算 机系统结构，这主要采用增加同一时 间间隔内的操作数量，通过并行处理 技术，研究并行计算机。
多道程序设计与操作系统形成
实现多道程序设计必须解决三 个问题： • 存储保护与程序浮动； • 处理器的管理和调度； • 系统资源的管理和调度。
多道程序设计与操作系统形成
操作系统资源管理水平和操作自动化 程度进一步提高，主要表现在:
1 提供虚存管理功能 2 支持分时操作 3 文件管理功能有改进 4 多道程序设计趋于完善
管理程序
F
管理 程序 阶段 (4) 程序 算题 过程
还有未处理 作业
S
结束
读Job卡登记 新作业 取下一个作 业步控制卡 End 作业卡
S
执行作业 步 作业步 正常结束
S F
回收资源 撤离作业 分析原因 作 相应处理 作业继续执行
F
转向某作业步
1.2.3多道程序设计与操作系统形成
1. 多道程序设计的概念
三种典型的实时系统: • 过程控制系统(生产过程控制) • 信息查询系统(情报检索) • 事务处理系统(银行业务)
实时操作系统(2)
• 实时操作系统(Real Time OS控制： • 反馈处理：
操作系统的进一步发展
操作系统发展的主要动力： 1 器件快速更新换代。 2 计算体系结构不断发展。 3 提高计算机系统资源利用率的需要。 4 让用户使用计算机越来越方便的需要。 5 满足用户新要求，提供给用户新服务。
人工操作阶段的缺点
• 用户上机独占全机资源，造成资源 利用率不高，系统效率低下 • 手工操作多，浪费处理机时间，也 极易发生差错 • 数据的输入，程序的执行、结果的 输出均联机进行，从上机到下机的 时间拉得非常长
1.2.2管理程序阶段(1)
工作流程如下： 操作员集中一批用户提交的作业， 由管理程序将作业从纸带或卡片机 输入到磁带上，每当一批作业输入 完成后，管理程序自动把磁带上的 第一个作业装入主存，并把控制权 交给作业。当该作业执行完成后， 作业又把控制权缴回管理程序，管 理程序再调入磁带上的第二个作业 到主存执行
时
间
输入机
处理器
磁带机
多道程序设计例(2)
两道算题运行时处理器的使用效率
78 P1= 78,52,20 130 150 228 P2= 20,42,88 280 300 378 430 450
时
间
输入机
P1 P2 P1
P2
处理器
磁带机1
磁带机2 打印机
多道程序设计的效果(1)
52 /（78十52十20）≈ 35% （52+42）/ 150 ≈ 63％
多道程序设计的效果(2)
• 采用多道程序设计提高了系统效率， 即增加了单位时间的算题量，但对每 道程序来说，通常会延长了计算时间。 • 多道程序设计技术提高资源利用率和 系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间 为代价的。
多道程序设计与操作系统形成 2多道程序设计的道数问题
• 程序等待I/O操作的时间占其运行时 间的比例为p，当主存中有n道程序时， 所有程序都等待I/O的概率是pn，那 么， CPU利用率=1-pn n称多道程序的道数或度数，可见 CPU的利用率是n的函数
管理程序阶段(2)
. 管理程序主存组织
中 断 处 理 设 备 驱 动 作 业 定 序 命令和JCL语言解释器
用 户 程 序 区
管理程序阶段(3)
管理程序的主要功能: • 自动控制和处理作业流 • 提供一套操作命令 • 提供设备驱动和I/O控制功能 • 提供库程序和程序装配功能 • 提供简单的文件管理功能
嵌入式操作系统实例(2)
• Windows CE是微软开发的，用于通信、娱 乐和移动式计算设备的操作系统(平台) ， 它是微软“维纳斯” 计划的核心。 CE 是 具有开放性的，32位多任务、多线程嵌入 式操作系统。 • Personal Java是SUN公司开发的用于家庭、 办公室和移动信息电器创建连网应用的 Java 应用环境，适宜更新换代快的信息电 器的应用开发。
多道程序设计与操作系统形成
多道程序设计的优点与缺点
• 提高了CPU的利用率 • 提高了主存和I/O设备的利用率 • 改进了系统的吞吐率 • 充分发挥了系统的并行性
• 其主要缺点是: 作业周转时间延长
多道程序设计与操作系统形成
3 多道程序设计系统与多重处理系统 多重处理系统是指配置了多个物理 CPU，能真正同时执行多道程序的 系统。要有效地使用多重处理系统， 必须采用多道程序设计技术；反过 来，多道程序设计不一定要求有多 重处理系统支持。