【计算机操作系统】操作系统的诞生

一、手工操作阶段

第一代计算机并没有操作系统，也没有任何软件，用户直接用 机器语言和符号语言编制程序，并在上机时独占全部计算机资源。那时构成计算机的主要元件是电子管，计算机的运算速度只有几千次 / 秒，速度很慢。那时的用户既是程序员又是操作员，上机完全是手工操作。

操作员先把装有程序和数据的 纸带（或卡片）装上输入机，接着通知输入设备接受卡片，输入的程序放在 存储器的某个具体位置，紧接着通知运算器 运行程序并处理数据。计算完毕，通知输出设备打印机输出结果。用户取走并卸下 纸带（或卡片）。

第二个程序上机，依次执行上述过程。操作员通过控制台的各种开关来指挥以上各个部分的运行。这个时期只有操作员才能实现对计算机的控制。

存在的几个突出问题：

    （1）用户独占全机。一台计算机的所有资源都归一个用户独占，造成 资源浪费。

    （2）用户必须熟悉计算机的各个部分细节。用户既是操作员又是程序员，要求用户要熟悉计算机内部的每个细节，操作员是非常专业的，只有他们才能对计算机实行控制。

    （3）等待人工操作。操作员的手动速度永远无法与计算机的速度相比，当用户进行装卸纸带（或卡片）等手工操作时，机器是空闲的，降低了 CPU 的使用效率。

二、脱机输入/输出阶段

输入/输出操作在 主机控制下进行则称为 联机输入 / 输出。采用脱机输入 / 输出 技术后，低速I/O 设备上数据的输入 / 输出都在外围机的控制下进行，而 CPU只与高速的磁带机打交道，从而有效地减少了 CPU 等待慢速设备输入 / 输出的时间。

（1）脱机输入技术

为 解决低速输入设备与 CPU 速度不匹配的问题，可以将用户程序和数据在一台外围机（又称卫星机）的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当 CPU需要这些程序和数据时，再 直接从磁带机高速输入到内存，从而大大加快了输入的速度，减少了 CPU 等待输入的时间。

（2）脱机输出技术

当程序运行完毕或告一段落，CPU 需要输出时，只需 高速地把结果送到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。

三、单道批处理阶段

20世纪50年代早期，为了尽量 减少计算机运行中的人工干预，提高CPU的利用率，人们设想使用户程序在运行完成后 自动过渡到另一个用户程序，实现程序运行的自动化。这不仅可以克服手工操作的缺点，实现了作业自动过渡，还改善了主机、CPU 和输入 / 输出设备的使用情况，提高了计算机系统的 处理能力。

早期批处理系统中，操作员把用户提交的若干个作业，有选择的合成一批，按先后次序通过输入设备（纸带输入机或读卡机）读入内存缓冲区，再存到磁带上。然后在监督程序的监督下从磁带读入一个作业，通过 汇编程序和编译程序，将一个用户作业翻译成 目标代码，开始处理。处理完后又 读入下一个作业，直至处理完磁带上的所有作业。由于系统对作业的处理都是分批进行的，且内存中始终只保持一个作业，故称为 单道批处理。

工作过程描述：

    ① 操作员将收到的一批作业信息存入 辅助存储器中等待处理。

    ② 单道批处理操作系统从辅助存储器中依次选择作业，按其作业说明书的规定自动控制它的运行，并将运行结果存入辅助存储器。

    ③ 操作员将该批作业的运行结果打印输出，并分发给用户。

问题：

当系统内只有一道程序工作时，计算机系统的各部件不一定能 并行操作，它们的效能没有得到充分发挥。

特点：

    ① 单路性：每次只允许一个用户程序进入内存。

    ② 独占性：整个系统资源被进入内存的一个程序独占使用，因此资源利用率不高。

    ③ 自动性：作业一个一个地自动接受处理，期间任何用户不得对系统的工作进行干预。由于没有了作业上、下机时用户手工操作耗费的时间，提高了系统的 吞吐量。

    ④ 封闭性：在一批作业处理过程中，用户不得干预系统的工作。即便是某个程序执行中出现一个很小的错误，也只能等到这一批作业全部处理完毕后，才能进行修改，这给用户带来不便。

四、多道批处理阶段

不管是脱机处理，还是早期批处理，它们都是 单道顺序的执行过程，即一个用户程序执行完毕，才允许启动另一个用户程序。这种系统经常出现资源使用不充分和不均衡的现象，影响了系统的效率。

于是人们想到在内存中驻留几道程序，当一个程序因某种原因不能执行而暂停时，能将另一道程序投入运行，使硬件资源得到充分利用。于是出现了 多道程序技术。

多道程序设计技术 是指 在内存中驻留多个作业，外存中存放的作业形成等待队列。当某作业处理结束或因某种原因不能运行时，系统根据一定的调度原则从外存中调入几个作业进入内存，让它们 交替进行，使得处理机充分利用。

通道，实质是一台功能单一、结构简单的 I/O 处理机，它独立于 CPU，并 直接控制外部设备与主机之间的信息传送。当需要进行 I/O 时，CPU 启动通道，之后 CPU 继续执行其他程序，通道就可以独立工作。

通道执行通道程序，完成 外部设备的启动、关闭以及信息传输 等操作；在传送规定的数据后，它才向 CPU 发出一次中断请求，CPU 终止正在运行的程序，进行中断处理，处理完后，返回中断点继续工作。

这种处理方式在单处理机系统中，从微观上来看只能 交替运行，而宏观上可以认为它们是并行的。将多道程序技术引入批处理系统就形成了一个 多道批处理系统。

上图中，用户程序 A 首先在处理机上运行，当它需要输入数据时，系统为它启动输入机进行输入工作，并调度 用户程序 B 开始运行。当程序 B 请求输出时，系统又启动相应的外部设备进行工作。当程序 A 的 I/O 处理结束时，程序 B 仍在CPU上运行，则程序 A 等待，直到程序 B 计算结束请求输出时，才转入程序 A 的执行。

工作过程描述：

    ① 操作员将收到的一批作业信息存入 辅助存储器 中等待处理。

    ② 多道批处理操作系统 中的 作业调度程序从辅助存储器里的该批作业中选出若干合适的作业装入内存，使它们不断地 轮流占用 CPU 来执行，使用各自所需的外部设备。若内存中有作业运行结束，再从辅助存储器的后备作业中选择对象装入内存执行。

    ③ 操作员将该批作业的运行结果打印输出，分发给用户。

特点：

    ① 多道性：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。

    ② 并行性：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们都开始运行，但都未运行完毕。从而有效地提高了资源利用率和系统的 吞吐量。

    ③ 串行性：从微观上看，主存中的多道程序轮流或分时地占有处理机，交替执行。

    ④ 无序性：多道程序执行的先后顺序与它们进入内存的时间无严格的对应性，也许先进入内存的程序后完成，而后进入内存的程序先完成。

现代计算机上的批处理系统，多为多道批处理系统。

五、分时技术产生

20世纪60年代中期，主机速度的不断提高，使 一台计算机同时为多个终端用户服务成为可能。采用分时技术，使每个终端用户在自己的终端设备上都以联机方式使用计算机，好像自己独占机器一样。

分时技术，就是把处理机时间划分成很短的时间片 轮流地分配给各个用户程序使用，如果某个用户程序在分配的时间片用完之前还未完成计算，该程序就暂停执行，等待下一轮继续计算，此时处理机让给另一个用户程序使用。这样，每个用户的各次要求都能得到快速响应，给每个用户的印象是独占一台计算机。

特点：

    ① 多路性：在一台主机上连接多个用户终端。从宏观上看，多个用户同时工作，共享系统的资源；从微观上看，各终端程序是轮流使用一个 时间片的。多路性提高了系统资源的 整体利用率。

    ② 交互性：用户在终端上能随时通过键盘与计算机进行 “ 会话 ” ，从而获得系统的 各种服务，并控制作业程序的运行。交互性使用户能随时掌握自己作业程序的执行情况，为用户调试、修改以及控制程序的执行提供了极大的便利。

    ③ 独立性：每个用户在自己的终端上独立操作，互不干扰，感觉不到其他用户的存在，就如同自己 “ 独占 ” 该系统似的。

    ④ 及时性：用户程序轮流执行 CPU 的一个 时间片，但由于计算机的 高速处理能力，能保证在较短和可容忍的时间内，响应和处理用户请求。

六、实时系统产生

其主要特征，是将时间作为关键参数，它必须对所接受的某些信号做出 “ 及时 ” 或 “ 实时 ”的反应。由此得知，实时系统是指 系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有事实任务协调一致地运行。

实时系统的 响应时间是由被控对象的要求决定的，一般要求秒级、毫秒级、微秒级甚至更快的响应时间。

类型：

    ① 工业（武器）控制系统。

    ② 信息查询系统。

    ③ 多媒体系统。

    ④ 嵌入式系统。

特点：

① 实时性：分时系统的 “ 及时性 ” ，是一种 在用户可以容忍的时间内响应用户请求的时间性能。对于实时系统而言，这种及时性应该表现为更高，对外部事件信号的接收、分析处理以及给出反馈信号进行控制，都必须在 严格的时间限度内 完成。因此，这时的及时性称为 “ 实时性 ” 。

② 可靠性：无论是实时控制系统还是实时信息处理系统，都必须有 高度的可靠性。例如对于后者，计算机在接收到远程终端发来的服务请求后，系统应该根据用户提出的问题，对信息进行检索和处理，并在有限的时间内做出正确的回答。