[計算機軟件及應(yīng)用]new-ch1-12操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展

1、1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展和形成,1.2.1  人工操作階段 1.2.2   管理程序階段 1.2.3   多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)的形成 1.2.4 操作系統(tǒng)的分類,1.2.1人工操作階段(1)算題過程,步1 人工把源程序用穿孔機穿制在卡片或紙帶上； 步2 將準備好的匯編解釋程序或編譯系統(tǒng)裝入計算機； 步3 匯編程序或編譯系統(tǒng)讀入

2、人工裝在輸入機上的穿孔卡或穿孔帶； 步4 執(zhí)行匯編過程或編譯過程，產(chǎn)生目標程序，并輸出目標卡片或紙帶上；,人工操作階段(2),步5 通過引導(dǎo)程序把裝在輸入機上的目標程序讀入計算機； 步6 啟動目標程序執(zhí)行，從輸入機上讀入人工裝好的數(shù)據(jù)卡或數(shù)據(jù)帶； 步7 產(chǎn)生計算結(jié)果，執(zhí)行結(jié)果從打印機上或卡片機上輸出。,人工操作階段(3),嚴重缺點：用戶上機獨占全機資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下。手工操作多，浪費處理機時間，

3、也極易發(fā)生差錯。數(shù)據(jù)的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機進行，從上機到下機的時間拉得非常長。,1.2.2管理程序階段(1),工作流程如下： 操作員集中一批用戶提交的作業(yè)，由管理程序?qū)⑦@批作業(yè)從紙帶或卡片機輸入到磁帶上，每當一批作業(yè)輸入完成后，管理程序自動把磁帶上的第一個作業(yè)裝入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給作業(yè)。當該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把控制權(quán)繳回管理程序，管理程序再調(diào)入磁帶上的第二個作業(yè)到內(nèi)存執(zhí)行,1.2.2管理程序階段(2),管理程

4、序內(nèi)存組織,1.2.2管理程序階段(3),管理程序Monitor的主要功能:自動控制和處理作業(yè)流 提供一套操作命令 提供設(shè)備驅(qū)動和I/O控制功能 提供庫程序和程序裝配功能 提供簡單的文件管理功能,管理程序階段(4) 程序算題過程,,1.2.3多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(1) 1. 多道程序設(shè)計的概念(1),多道程序設(shè)計是指允許多個程序同時進入一個計算機系統(tǒng)的主存儲器并啟動進行計算的方法。

5、從宏觀上看:并行的從微觀上看:串行的引入多道程序設(shè)計技術(shù)的根本目的:提高CPU的利用率，充分發(fā)揮計算機硬件的并行性。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(2),多道程序設(shè)計技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐率的原理： 例如計算某個數(shù)據(jù)處理問題，輸入500個字符(化78ms)，經(jīng)CPU處理52ms后，將結(jié)果2000個字符存到磁帶上(化20ms) ，重復(fù)進行，直至輸入數(shù)據(jù)全部處理完畢。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(3)單道算題運行時處理器的使

6、用效率,,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(4),為提高效率，讓計算機同時接受兩道算題，當?shù)谝坏莱绦蛟诘却鈬O(shè)備的時候，讓第二道程序運行，降低CPU空等時間，處理器的利用率顯然可以有所提高。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(5),例如，計算機還接受了另一算題：從另一臺磁帶機上輸入2000個字符，經(jīng)42毫秒的處理后，從行式打印機上輸出兩行(約化 88ms) 。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(6)兩道算題運行時處理器的使用效率,,多道程序設(shè)計與操作

7、系統(tǒng)形成(7),52 /（78十52十20）≈ 35%（52+42）/ 150 ≈ 63％,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(8),采用多道程序設(shè)計提高了效率，即增長了單位時間的算題量，但對每道程序來說，卻延長了計算時間。多道程序設(shè)計技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐率是以犧牲用戶的響應(yīng)時間為代價的。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(9),例如，甲、乙兩道程序，獨占計算機單道運行時每道花一個小時，若此時處理器利用率為30％，粗略地說，甲(或乙)程

8、序執(zhí)行時所需要的處理器時間為：1小時×30％＝18分鐘,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(10),假定按多道程序設(shè)計方法運行，處理器的利用率達50％，提供36分鐘的CPU時間，約要運行72分鐘。加上系統(tǒng)開銷，若共花80分鐘。單道運行時，甲、乙依次執(zhí)行完需120分鐘。因而；采用多道程序設(shè)計方法后可以提高效率： (120—80)／120≈33％,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(11),甲、乙兩道程序，如果單

9、道運行，它花60分鐘就可得到結(jié)果，多道運行時，卻要花80分鐘才有結(jié)果，延長了20分鐘，即延長了33％的時間。 (80-60)/60=33%,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(12)多道程序設(shè)計的道數(shù)問題(1),?多道程序設(shè)計的道數(shù)多少不是任意的 ?例如，兩道程序都要用打印機，若系統(tǒng)只有一臺，就算它們同時接受進入計算機內(nèi)存運行，未必能提高效率。 ?內(nèi)存儲器的容量和用戶的響應(yīng)時間等因素也影響多道程序道數(shù)

10、的多寡。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(13)多道程序設(shè)計的道數(shù)問題(2),假如一道程序等待I/O操作的時間占其運行時間的比例為p，當內(nèi)存中有n道程序時，所有程序都等待I/O的概率是pn，那么， CPU利用率=1-pn n稱多道程序的道數(shù)或度數(shù)，可見CPU的利用率是n的函數(shù)。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(14)CPU利用率的計算(1),若計算機有1MB內(nèi)存，操作系統(tǒng)占200KB，其余空間允許4道

11、用戶程序共享，每個占用200KB，如果進程平均花費80%的時間等待I/O操作。則(忽略操作系統(tǒng)開銷時)： CPU 利用率=1-(0.8)4=59%。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(15) CPU利用率的計算(2),當增加1MB內(nèi)存后，多道程序可從4道增加到9道，因而，CPU的利用率=1-(0.8)9=87%，第二個1MB內(nèi)存提高了47%的系統(tǒng)吞吐量。增加第三個1MB內(nèi)存只將CPU的利用率從87%提高到96%，吞吐量僅提高

12、了10%。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(16),操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計的好處: 一是提高了CPU的利用率， 二是提高了內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率， 三是改進了系統(tǒng)的吞吐率， 四是充分發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性。 其主要缺點是:作業(yè)周轉(zhuǎn)時間延長。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(17)多道程序設(shè)計系統(tǒng)與多重處理系統(tǒng),多重處理系統(tǒng)是指配置了多個物理CPU，能真正同時執(zhí)行多道程序的系統(tǒng)。要有效地使用多重處理系

13、統(tǒng)，必須采用多道程序設(shè)計技術(shù)；反過來，多道程序設(shè)計不一定要求有多重處理系統(tǒng)支持。,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(18),實現(xiàn)多道程序設(shè)計必須妥善地解決三個問題：存儲保護與程序浮動；處理器的管理和調(diào)度；系統(tǒng)資源的管理和調(diào)度。,,多道程序設(shè)計與操作系統(tǒng)形成(19),操作系統(tǒng)資源管理水平和操作自動化程度進一步提高，表現(xiàn)在: 1. 實現(xiàn)了計算機操作過程自動化。 2. 資源管理水平有了提高。 3.

14、 提供虛存管理功能。 4. 支持分時操作。 5.文件管理功能有改進。 6. 多道程序設(shè)計趨于完善。,1.2.4操作系統(tǒng)的發(fā)展與分類,三種基本的操作系統(tǒng)類型： 1 批處理操作系統(tǒng) 2 分時操作系統(tǒng) 3 實時操作系統(tǒng),1. 批處理操作系統(tǒng)(1),用戶把要計算的應(yīng)用問題編成程序，連同數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書一起交給操作員，操作員集中一批作業(yè)，輸入到計算機中。然后，由操作系統(tǒng)來調(diào)度和控

15、制作業(yè)的執(zhí)行。這種批量化處理作業(yè)方式的操作系統(tǒng)稱為批處理操作系統(tǒng)（Batch Operating System）。,批處理操作系統(tǒng)(2),批處理系統(tǒng)的主要特征： ?用戶脫機工作 ?成批處理作業(yè) ?多道程序運行 ?作業(yè)周轉(zhuǎn)時間長,2. 分時操作系統(tǒng)(1),允許多個聯(lián)機用戶同時使用一臺計算機系統(tǒng)進行計算的操作系統(tǒng)稱分時操作系統(tǒng) （Time Sharing Operating System）,分時操作系統(tǒng)(2)

16、分時操作系統(tǒng)具有以下特性,同時性：獨立性：及時性：交互性：,分時操作系統(tǒng)(3),分時操作系統(tǒng)和批處理操作系統(tǒng)存在下列不同點：目標不同 適應(yīng)作業(yè)的性質(zhì)不同 資源使用率不同 作業(yè)控制方式不同,分時操作系統(tǒng)(4),1962年第一個分時系統(tǒng)CTSS，運行在IBM 7094機上，支持32個交互式用戶同時工作。1965年IBM公布360機上的分時系統(tǒng)TSS/360，這是一個失敗的系統(tǒng)，由于太大太慢，沒有用戶愿意使用。,分時操作系統(tǒng)

17、(5),1965年在美國國防部支持下，MIT、BELL和GE公司開發(fā)“公用計算服務(wù)系統(tǒng)”，支持波士頓地區(qū)分時用戶，這個系統(tǒng)就是MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service) 。它運行在GE635、GE645計算機上使用高級語言PL/1編程。,分時操作系統(tǒng)(6),MULTICS引入許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)概念雛形,如分時處理、遠程聯(lián)機、段頁式虛擬存儲器、文件系統(tǒng)、多級反饋調(diào)度、保護環(huán)

18、安全機制、多CPU管理，多種程序設(shè)計環(huán)境等，對后來操作系統(tǒng)設(shè)計有著極大影響,3.實時操作系統(tǒng)(1),有三種典型的實時系統(tǒng):過程控制系統(tǒng)(生產(chǎn)過程控制)、信息查詢系統(tǒng)(情報檢索)、事務(wù)處理系統(tǒng)(銀行業(yè)務(wù))。,實時操作系統(tǒng)(2),實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System)指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結(jié)果又能在規(guī)定時間內(nèi)來控制監(jiān)控的生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有

19、實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。,實時操作系統(tǒng)(3),實時控制操作系統(tǒng)通常由四部分組成： ?  數(shù)據(jù)采集： ? 加工處理： ? 操作控制： ? 反饋處理：,操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展,操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力： 1.器件快速更新?lián)Q代。 2.計算體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展。 3.提高計算機系統(tǒng)資源利用率的需要。 4.讓用戶使用計算機越來越方便的需要。 5.滿足用戶新要求，提供給用戶新服務(wù)。,微機操作

20、系統(tǒng)(1),新一代微機操作系統(tǒng)具有以下功能：GUI、多用戶和多任務(wù)、虛擬存儲管理、網(wǎng)絡(luò)通信支持、數(shù)據(jù)庫支持、多媒體支持、應(yīng)用編程支持API。,微機操作系統(tǒng)(2),具有以下特點： （1）開放性 （2）通用性 （3）高性能 （4）采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu),并行操作系統(tǒng)(1),計算機的應(yīng)用每前進一步都要求增加計算機的處理能力。為達到極高性能，除提高元器件速度外，必須改進計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這主要采用增加同一時間間隔內(nèi)的操

21、作數(shù)量，通過并行處理（Parallel processing）技術(shù)，研究并行計算機。,并行操作系統(tǒng)(2),目前已經(jīng)研究出來的并行操作系統(tǒng)有： ?V-Kernel，美國Stanford大學(xué) ?Meglos, 美國Bell實驗室。 ?MACH，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)。,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(1),為了使網(wǎng)絡(luò)中的計算機能方便地傳送信息和共享網(wǎng)絡(luò)資源而加到網(wǎng)絡(luò)中的計算機上的操作系統(tǒng)稱網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Network Operating System）。,

22、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) (2),網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能： 1）網(wǎng)絡(luò)通信 2）資源管理 3）網(wǎng)絡(luò)管理 4）網(wǎng)絡(luò)服務(wù),網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(3),下一代網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)能提供功能支撐： ? 位置透明性 ?  名空間透明性 ? 管理維護透明性 ?  安全權(quán)限透明性 ? 通信透明性,分布式操作系統(tǒng)(1),分布式計算機系統(tǒng)由多臺分散的計算機經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連接而成,滿足條件： ?系統(tǒng)

23、中任意兩臺計算機可以通過系統(tǒng)的安全通信機制來交換信息。 ?系統(tǒng)中的資源為所有用戶共享，用戶只要考慮系統(tǒng)中是否有所需資源，而無需考慮資源在哪臺計算機上。,分布式操作系統(tǒng)(2),?系統(tǒng)中的若干臺機器可互相協(xié)作完成同一個任務(wù)，即一個程度可以分布于幾臺計算機上并行運行，分布式系統(tǒng)是一種特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)。 ?系統(tǒng)中的一個結(jié)點出錯不影響其它結(jié)點運行、即具有較好的容錯性和健壯性。,分布式操作系統(tǒng)(3),分布式操作系統(tǒng)具備四項基本功能 (

24、1)進程通信： (2)資源共享： (3) 并行計算： (4) 網(wǎng)絡(luò)管理：,,分布式操作系統(tǒng)與單機集中式操作系統(tǒng)的主要區(qū)別在于: ?資源管理 ?進程通信： ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：,分布式操作系統(tǒng)(4),分布式操作系統(tǒng)(5),已經(jīng)研制出來的分布式操作系統(tǒng)有：Cm *(美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)) ，X樹系統(tǒng)(美國加州大學(xué)伯克利分校) ，Arachne(美國威斯康星大學(xué)) ，Chorus(法國國家信息與自動化研究所)

25、，Plan9(美國Bell實驗室) ，Amoeba(荷蘭自由大學(xué)) ，Guide(法國Bull研究中心) ，Clouds(美國喬治亞理工學(xué)院) ，CMDS(英國劍橋大學(xué)) 。,分布式操作系統(tǒng)(6),分布式系統(tǒng)研究和開發(fā)的主要方向: ?分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： ?分布式操作系統(tǒng)： ?分布式程序設(shè)計：   ?分布式數(shù)據(jù)庫： ?分布式應(yīng)用 ：,嵌入式操作系統(tǒng)(1),什么是嵌入式軟件?(1) ?3C：計算機是

26、貫穿社會信息化的核心技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)和通信是社會信息化賴以存在的基礎(chǔ)設(shè)施，電子消費產(chǎn)品是人與社會信息化的主要接口。,嵌入式操作系統(tǒng)(2),什么是嵌入式軟件?(2)? 3C合一的產(chǎn)物是信息電器；同時，計算機微型化和專業(yè)化趨勢把計算機技術(shù)滲透到各行各業(yè)，應(yīng)用到各個領(lǐng)域、嵌入到各種設(shè)備，開發(fā)出各種產(chǎn)品，奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。,嵌入式操作系統(tǒng)(3),什么是嵌入式軟件?(3) ?共同需求：計算機嵌入式應(yīng)用。嵌入式(計算機)系統(tǒng)硬件不再以物理上獨立

27、的裝置或設(shè)備形式出現(xiàn)，而是大部分甚至全部都隱藏和嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中。,嵌入式操作系統(tǒng)(4),什么是嵌入式軟件?(4) ?嵌入式(計算機)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境帶來了對嵌入式(計算機)系統(tǒng)的軟件、即嵌入式軟件(embedded software)的要求。 ?嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式軟件的基本支撐，形成了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個類別－嵌入式操作系統(tǒng)。,嵌入式操作系統(tǒng)(5),什么是嵌入式操作系統(tǒng)?指運行在嵌入式(計算機)環(huán)境中，對整個系統(tǒng)及所有操

28、作的各種部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。,嵌入式操作系統(tǒng)(6),嵌入式操作系統(tǒng)具有通常操作系統(tǒng)的功能，包括：與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)核心功能（文件系統(tǒng)、存儲管理、設(shè)備管理、進程管理、處理器管理和中斷處理）、功能強大的還提供圖形界面、通信協(xié)議、小型瀏覽器等設(shè)施。,嵌入式操作系統(tǒng)(7),嵌入式操作系統(tǒng) 硬件平臺的局限性、 應(yīng)用環(huán)境的多樣性、 開發(fā)手段的特殊性， 使它與一般操作系統(tǒng)有

29、很大不 同。,嵌入式操作系統(tǒng)(8),微型化：可定制： 實時性： 可靠性： 易移植性： 開發(fā)環(huán)境：,嵌入式操作系統(tǒng)(9),Windows CE是微軟開發(fā)的，用于通信、娛樂和移動式計算設(shè)備的操作系統(tǒng)(平臺) ，它是微軟“維納斯” 計劃的核心。CE是具有開放性的，32位多任務(wù)、多線程嵌入式操作系統(tǒng)。,嵌入式操作系統(tǒng)(10),Personal Java是SUN公司開發(fā)的用于家庭、辦公室和移動信息電器創(chuàng)建連網(wǎng)應(yīng)用的Java應(yīng)用環(huán)境，適

30、宜更新?lián)Q代快的信息電器的應(yīng)用開發(fā)。SUN公司又開發(fā)出專門用于信息電器應(yīng)用開發(fā)的實時操作系統(tǒng)Java OS for Consumers 和適用于存儲空間有限的專用實時嵌入式操作系統(tǒng)Embedded Java。,嵌入式操作系統(tǒng)(11),Hopen是由中科院凱思軟件集團開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)(又稱“女媧” ) ，Hopen是一個微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的多任務(wù)可搶占實時操作系統(tǒng)，核心程序約占10kb，用C語言編寫。,嵌入式操作系統(tǒng)(12),?特點：單用戶多