全面认识计算机操作系统（二）

一、操作系统的诞生

相关概念：

    ① 作业：指用户程序及其所需数据和相关操作命令的集合。

    ② 系统吞吐量：单位时间内完成的总工作量。

    ③ 平均周转时间长：从昨夜被提交到系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。

    ④ 单道程序：主存储器中只存放一个程序。当该程序发生某种条件等待时，CPU暂停当前程序的运行，处于 空闲状态。

    ⑤ 批处理：将作业组织成批，依次将该批作业的所有信息全部输入计算机，计算机按照作业 进入的先后顺序依次 自动执行。

    ⑥ 时间片：一段很短的时间（e.g. 30ms）。

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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（如几百毫秒） 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。

6. 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。

二、现代操作系统的新功能

1. 系统安全

（1）认证技术。

（2）密码技术。

（3）访问控制技术。

（4）反病毒技才。

2. 网络的功能和服务

3. 支持多媒体

三、传统的操作系统结构

1. 无结构操作系统

在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在 功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。此时的 OS 是为数众多的一组过程的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构，因此，这种 OS 是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。

此时程序设计的技巧，只是如何编制紧凑的程序，以便于有效地利用内存、对GOTO语句的使用不加任何限制，所设计出的操作系统既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构。这一方面会使所编制出的程序错误很多，给调试工作带来很多困难；另一方面也使程序难以阅读和理解，增加了维护人员的负担。

2. 模块化OS结构

模块化程序设计技术，是最早（20世纪60年代）出现的一种程序设计技术。该技术是基于 “分解”和 “模块化” 原则 来控制大型软件的复杂度的。为使 OS 具有较清晰的结构，OS 不再是由众多的过程直接构成，而是将 OS 按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。每个模块具有某方面的管理功能，如进程管理模块、存储器管理模块、I/O 设备管理模块和文件管理模块等，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接口实现交互。

然后再进一步将各模块细分为若干个具有一定管理功能的 子模块，如把进程管理模块又分为进程控制、进程同步、进程通信和进程调度等子模块，同样也要规定各子模块之间的接口。若子模块较大时，再进一步将它细分。

模块化OS的优点：

    ① 提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。

    ② 增强了OS的可适应性。

    ③ 加速了OS的开发过程。

模块化结构设计的缺点：

① 在开始设计OS时，对模块的划分及对接口的规定并不精确，而且还可能存在错误，因而很难保证按此规定所设计出的模块会完全正确，这将使在把这些模块装配成 OS 时发生困难。

② 从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别。由于管理上的差异，又会使模块间存在着复杂的依赖关系使 OS 结构变得不清晰。

3. 分层式OS结构

从改进设计方式上说，应使我们的每一步设计都是建立在可靠的基础上。

我们可以从物理机器开始，在其上面先添加一层具有一定功能的软件 A1，由于 A1 是建立在完全确定 的物理机器上的，在经过精心设计和几乎是穷尽无遗的测试后，可以认为 A1 是正确的；然后再在 A1 上添加一层新软件 A2，……，如此一层一层地自底向上增添软件层，每一层都实现若干功能，最后总能构成一个能满足需要的 OS。

分层式结构设计的基本原则是：每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务，这样可使系统的调试和验证都变得容易，这样，一旦发现Ai出现错误时，通常该错误只会局限于Ai，因为它与所有其高层的软件无关，而Ai层以下的各层软件，又都经过仔细的调试。

分层结构的优点：

① 易保证系统的正确性。

② 易扩充和易维护性

分层结构的缺点：

系统效率降低。

四、面向对象的程序设计技术(Object-Orientated Programming)

面向对象技术是 20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是 基于 “抽象”和“隐蔽” 原则来控制大型软件的复杂度的。

所谓对象，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象，而把其中的具体事物称为对象的实例。OS 中的各类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念，相应地，便有进程对象线程对象、存储器对象等。

面向对象技术的优点：

    ① 可修改性和可扩充性。由于隐蔽了表示实体的数据和操作，因而可以改变对象的表示而不会影响其它部分，从而可以方便地改变老的对象和增加新的对象。

    ② 继承性。继承性是面向对象技术所具有的重要特性。继承性是指子对象可以继承父对象的属性，这样，在创建一个新的对象时，便可减少大量的时空开销。

    ③ 正确性和可靠性。由于对象是构成操作系统的基本单元，可以独立地对它进行测试，这样，比较易于保证其正确性和可靠性，从而比较容易保证整个系统的正确性和可靠性。