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1、第一章第一章 操作系统概论操作系统概论1.2 1.2 操作系统的发展和形成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 50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，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。从低级到高级的发展过程。人工操作方式人工操作方式管理程序阶段管理程序阶段多道程序系统多道程序系统 管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程序系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。序系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。1.2 1.2 操作系统
2、的发展和形成操作系统的发展和形成什么推动着什么推动着os的发展？的发展？计算机硬件升级和新硬件的出现计算机硬件升级和新硬件的出现提供新的服务、方便使用提供新的服务、方便使用提高计算机资源利用率提高计算机资源利用率更正软件错误更正软件错误计算机体系结构的发展：单处理系统、多处理计算机体系结构的发展：单处理系统、多处理系统、分布式系统、计算机网络系统、分布式系统、计算机网络1.2 1.2 操作系统的发展和形成操作系统的发展和形成人工操作方式（人工操作方式（1946-50年代中期），没有年代中期），没有OS 用户：即是程序员，又是操作员用户：即是程序员，又是操作员1.2.1 1.2.1 人工操作阶段
3、人工操作阶段 编程语言：机器语言、汇编语言编程语言：机器语言、汇编语言 输入输出（输入输出（Input/output）：纸带或卡片）：纸带或卡片人工操作阶段的缺点人工操作阶段的缺点v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。v手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错。v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。人工操作速度和计算机速度形成突出的矛盾人工操作速度和计算机速度形成突出的矛盾1.2.21.2.2管理程序阶段管理程序阶段v5050年代末年代末-60-60年代中，为了解决人工干预的问年代中，为了解决人工干预的问题，必须缩短建立作业（即用户
4、的一个计算任题，必须缩短建立作业（即用户的一个计算任务）和人工操作的时间。人们首先提出从一个务）和人工操作的时间。人们首先提出从一个作业转到下一个作业的自动转换方式，从而出作业转到下一个作业的自动转换方式，从而出现了早期的批处理方式（单道批处理）。现了早期的批处理方式（单道批处理）。v完成作业自动转换工作的程序叫做完成作业自动转换工作的程序叫做“监督程序监督程序”（又称（又称“批处理程序批处理程序”、“管理程序管理程序”）。）。v早期的批处理分为联机批处理和脱机批处理两早期的批处理分为联机批处理和脱机批处理两种类型种类型 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统
5、形成引入：引入：v单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在内存中运行，资源利用率低。内存中运行，资源利用率低。v为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了多道批处理系统。多道批处理系统。 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成v多道：是指允许多个程序同时存在于内存中，按多道：是指允许多个程序同时存在于内存中，按 照某种原则分配处理机，逐个执行这些程照某种原则分配处理机，逐个执行这些程 序。序。 v批处理：用户提交的作业首先存放在外存，并排批处理：用户提交的作业首先存放在外
6、存，并排 列成一个队列。然后，由作业调度程序按列成一个队列。然后，由作业调度程序按 照一定的算法从该队列中一次选取一个或照一定的算法从该队列中一次选取一个或 若干个作业装入内存执行。若干个作业装入内存执行。v从宏观上看是并行的从宏观上看是并行的v从微观上看是串行的从微观上看是串行的单道与多道程序系统对比单道与多道程序系统对比v 单道程序系统单道程序系统用户程序用户程序监督程序监督程序I/O 操作操作I/O中断请求中断请求启动启动I/O I/O完成完成结束中断结束中断I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8 程序程序 A 程序程序 B 程
7、序程序 C 程序程序 D调度程序调度程序程序程序AI/O请求请求程序程序B I/O请求请求程序程序C I/O请求请求程序程序D I/O请求请求程序程序A I/O完成完成程序程序B I/O完成完成程序程序A再次被调度再次被调度程序程序C I/O完成完成t多道程序系统多道程序系统（P19)单道算题运行时处理器的使用效率单道算题运行时处理器的使用效率v例例1：求解某个数据问题，要求从输入机（运转速：求解某个数据问题，要求从输入机（运转速度度6400个字符个字符/s）输入）输入500个字符，经处理（费时个字符，经处理（费时52ms）之后，将结果（假定为）之后，将结果（假定为2000个字符）存个字符）存
8、储到磁带机上（磁带机的运转速度为储到磁带机上（磁带机的运转速度为105个字符个字符/s ），然后，再读取），然后，再读取500个字符进行处理，直至个字符进行处理，直至所有的数据处理完毕为止。所有的数据处理完毕为止。 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成（P19)单道算题运行时处理器的使用效率单道算题运行时处理器的使用效率7878输入机输入机处理器处理器磁带机磁带机130130 150150228228280280 300300378378430430 450450时时 间间 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成 1
9、.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成两道算题运行时处理器的使用效率两道算题运行时处理器的使用效率v例例2：计算机同时接收两道计算题，接收上述例题：计算机同时接收两道计算题，接收上述例题时，还接收另一道计算题。从另一台磁带机上输时，还接收另一道计算题。从另一台磁带机上输入入2000个字符，经个字符，经42ms处理之后，从行式打印处理之后，从行式打印机（运行速度为机（运行速度为1350行行/min ）上输出两行。）上输出两行。7878输入机输入机处理器处理器磁带机磁带机1 11301301501502282282802803003003783784304304
10、50450时时 间间磁带机磁带机2 2打印机打印机P1P1P2P1P2P2P1 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成两道算题运行时处理器的使用效率两道算题运行时处理器的使用效率 课堂练习课堂练习1 1 课堂练习课堂练习2 2 多道程序设计的效果多道程序设计的效果v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。v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 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成v在多道程序设计中，值得注意的是道数的多少。v表面上
11、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。v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-pnvn称多道程序的道数或度数v可见CPU的利用率是n的函数 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成进程平均有80%的时间在I/O。假设计算机主存容量为1MB，操作系统的运行占用200KB，其余主存允许4道程序共享。增加1MB主存后，多道程序可增加到9道。
12、在增加1MB主存后，多道程序可增加到14道。引入多道程序设计的优点是：v提高了CPU的利用率；v提高了主存和I/O设备的利用率；v改进了系统的吞吐率；v充分发挥了系统的并行性。v其主要缺点是: 作业周转时间延长 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成多道程序设计系统与多重处理系统多道程序设计系统与多重处理系统 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。 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操
13、作系统形成多道程序设计与操作系统形成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：v存储保护与程序浮动；v处理器的管理和调度；v系统资源的管理和调度。 在多道程序设计环境中，主存为多道程序所共享，在多道程序设计环境中，主存为多道程序所共享，因此，硬件必须提供相应的设施，使得主存中各道程序因此，硬件必须提供相应的设施，使得主存中各道程序只能访问自己的区域，以避免相互干扰。当某道程序发只能访问自己的区域，以避免相互干扰。当某道程序发生错误时，不致影响其他程序，更不会影响系统程序，生错误时，不致影响其他程序，更不会影响系统程序，这就是这就是存储保护存储保护。由于各道程序不是独占全机，程
14、序员在编制程序时无法由于各道程序不是独占全机，程序员在编制程序时无法知道程序在主存中的确切地址，甚至在运行过程中，程知道程序在主存中的确切地址，甚至在运行过程中，程序也可能随时改变位置，因此要求程序能够根据需要从序也可能随时改变位置，因此要求程序能够根据需要从一个主存区移动到另一个区，而不影响其正确执行，这一个主存区移动到另一个区，而不影响其正确执行，这成为成为存储保护，或地址重定位存储保护，或地址重定位。1.2.41.2.4操作系统的发展与分类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批处理操作系统（Ba
15、tch OS）v批处理系统中，用户的作业分批提交并处理，即系统将作业成批地输入系统并暂存在外存中，组成后备作业队列，每次按一定的调度原则从后备作业中选择一个或多个装入主存进行处理，作业完成后退出。v这些操作由系统自动实现，大大缩短了两个作业之间的转接时间，在系统中形成了一个自动转接的作业流，当一批作业运行完毕，输出结果后，系统便接收下一批作业。批处理操作系统批处理操作系统v在批处理系统中，用户不能直接干预作业的运行过程，而是将其对作业的控制意图在作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运行时的资源请求，或是对可能产生的运行错误的相应处理等。v作业说明书或作
16、业控制卡在提交作业时，与程序和数据一起提交给系统，由作业控制程序或命令解释程序解释执行，并且提供相应的服务。批处理操作系统批处理操作系统v性能指标：吞吐量性能指标：吞吐量 单道批处理：磁带上有一批作业，但内存中只有一个作业，它占用系统的所有资源。 多道批处理：磁带/磁盘上有一批作业，内存中同时存在多个作业，它们共享系统的各种资源。 批处理操作系统批处理操作系统v在引入多道程序设计技术后，批处理系统在引入多道程序设计技术后，批处理系统具有以下的特征：具有以下的特征： 多道性：在内存中同时驻留多道程序，它们并发执行，以提高系统的资源利用率和系统的吞吐量。 无序性：作业的执行顺序与作业进入系统的先后顺序没有严格的对应关系。 调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。批处理操作系统批处理操作系统v优点：成批处理作业，多道程序运行，资优点：成批处理作业，多道程序运行，资源利用率高，吞吐量大。源利用率高，吞吐量大。v缺点：缺点： 平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直到作业完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业需要排队来依次进行处理，因
