第一章计算机系统概述

操作系统的发展与分类

OS的发展与分类

手工操作阶段
批处理阶段
单道批处理系统
多道批处理系统（操作系统开始出现）

分时操作系统
实时操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
个人计算机操作系统

【注】要重点关注和理解各类操作系统主要想解决的是什么问题，各自的优缺点。

（一）手工操作阶段

在这个阶段，操作系统还并没有诞生。程序员写程序，还是要写到纸带上的。可以看到，纸带上有小孔，有孔的地方代表1，没孔的地方代表0。程序员通过在纸带上打孔的方式写好自己的程序，然后把这个程序放到纸带机上。然后计算机从纸带机当中读取我们要运行的程序，等运行结束以后，又把程序运行的结果输出到纸带机上，之后再由程序员取走程序运行的结果。

但是，用手工操作的方式，存在一个很明显的问题。

程序员用手工的方式把纸带装到纸带机，或者从纸带机上取下带有程序运行结果的纸带的过程，是非常慢的。

此外，计算机对纸带机上的纸带进行读取的过程，也需要花费不少的时间。

但是，计算机对已经读好的程序进行处理的过程，是非常快的。

手工操作阶段存在的主要缺点就是：

用户独占全机。第一个程序员在没有使用计算机处理程序并取走结果之前，第二个程序员是无法使用计算机的，所以当一个用户使用计算机的时候，他就是独占地使用。

由于手工操作是一个很慢的过程，但是计算机的计算又是个很快的过程，这样的人机速度矛盾会导致资源的利用率极低，特别是计算机CPU的利用率极低（由上图即可观之）。在那个年代计算机的造价还是很昂贵的，使得计算机这样昂贵的资源大量的时间处于空闲状态，显然是一种很不经济、很低效的方式。

为了解决手工操作存在的问题，人们引入了单道批处理系统。

（二）批处理阶段——单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出。

各个程序员都可以把自己的程序依次放到纸带机上，会有一个叫“外围机”这样专门的机器，控制着把这些纸带机里的程序先放到磁带上。之后，计算机可以直接从磁带里读写这些数据。而计算机对磁带的读写速度，比纸带机快很多。

此时计算机当中会有一个监督程序的程序，自动地控制着对磁带的输入、输出。

引入这种脱机输入输出技术后，我们读取一个作业所花费时间的比例就小了许多，就可以让CPU有更高比例的时间处于计算、处于忙碌的状态。在一定程度上缓解了人机速度矛盾。

但是资源利用率虽然相比于手工操作有所提高，但依然是很低的。内存中同一时刻还是只能有一道程序运行，只有当这个程序运行结束并且输出完成之后，才可以继续读入第二个程序，各个程序之间是串行地执行的。这种方式依然会使CPU有大量的时间是在空闲等待的状态，资源利用率依然的很低的。

为了解决这一问题，人们就发明了多道批处理系统。在这一阶段，操作系统就真正诞生了。

（三）批处理阶段——多道批处理系统

每次往内存中读入多道程序。
操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。

首先，第一个作业的数据会从磁带输入到计算机当中，输入结束之后，就可以开始对这个程序的计算工作；

但是，当CPU在计算第一个作业的时候，其实输入设备是处于空闲状态的，因此，CPU计算第一个作业的时候，其实可以让输入设备同时把第二个作业也读入内存；

紧接着，第一个作业计算完成，第一个作业就可以通过输出设备，把计算结果输出到磁带上；

而第一个作业在输出的时候，其实只是输出设备在忙碌，在这时，CPU已经空闲了，所以在这个时间段可以让CPU为第二个作业服务，开始计算第二个作业；

同时，在这个时候，输入设备其实又开始空闲了，因此又可以同时开始读入第三个作业……

总之，在引入多道程序技术之后，多道程序可以并发地执行，共享计算机当中的资源（输入设备、输出设备、CPU等）。CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，资源利用率大幅度提升，系统吞吐量增大。

不过，多道批处理系统并没有提供人机交互的功能，当一个用户把自己的作业提交了之后，接下来用户就只能干等着计算机把自己的作业处理完成。也就是说，在多道批处理系统中，用户是无法调试自己的程序的，也不可能在程序运行的过程中输入一些参数。

为了实现人机交互的功能，人们又发明了分时操作系统。