非零基础自学计算机操作系统

第1章 操作系统概述

1.2 操作系统的历史

由于操作系统是直接建造于硬件层之上的，它的演变必然与计算机系统结构的演变有着密切的联系。

可以说，操作系统的发展与硬件系统结构的发展相互促进、相互影响。

一方面，为了方便而有效地使用硬件，促进了操作系统的产生；另一方面，为了利于构造操作系统，硬件也经历了不断改进的过程。

此外，由于操作系统可以为上层软件及用户提供友好的界面，它的演变必然会反映出上层软件及用户对于操作系统的使用要求。

1.2.1 操作系统的产生

计算机操作系统在从无到有的产生过程中经历了以下几个阶段。

1. 手动操作阶段【20世纪40年代】

   计算机诞生的初期并没有操作系统，人们采用手动操作的方式使用计算机，典型的作业(job)处理步骤如下：

   首先，将程序和数据通过手动操作记录在穿孔纸带上；

   然后，将程序穿孔纸带放到光电输入机上，并通过控制台开关启动光电输入机，将程序输入内存；

   继而再通过控制台开关启动程序由第一条指令开始执行；

   程序在运行过程中通常需要人工干预，如将穿孔纸带放到光电输入机上，出错时显示错误地址并修改指令等；

   最后在电传打印机上输出运行结果。

   显然，这种操作方式有如下两个缺点：

   • 用户在作业处理的整个过程中独享系统中的全部资源
   • 手工操作所需的时间很长。

   这种操作方式在计算机速度较慢的情况下是可以容忍的，但是当计算机速度大幅度提高之后，就会暴露出严重的缺点。

   例如，假设一个作业在速度为每秒1000次的机器上运行需要1h,手动操作所需要的时间为4min,则手动操作时间与程序运行时间之比为1：15。若计算机的速度提高到每秒600000次，同样的程序其运行时间只需6s,而手动操作时间不变，仍为4min,则手动操作时间与程序运行时间之比为40：1。也就是说，手动操作时间远远大于程序运行时间。

   因而，缩短手动操作时间在以晶体管为代表的第二代计算机出现后便成为亟待解决的问题。

   其他软件在此阶段所取得的成就主要是汇编语言和汇编系统的出现，这在一定程度上减轻了用户使用计算机的负担。

2. 批处理阶段【20世纪50年代】

   为了缩短手动操作的时间，人们自然会想到使作业到作业之间的过渡摆脱人为干预，实现自动化，如此便出现了批处理。批处理经历了两个阶段，即联机批处理阶段和脱机批处理阶段。

   【1】联机批处理

   早期的批处理是联机的。

   其工作原理如下：操作员将若干个作业合成一批，并将其卡片依次放到读卡机上，监督程序通过内存将这一批作业传送到磁带机上，输入完毕后监督程序开始处理这一批作业。

   它自动地将第一个作业读入内存，并对该作业的程序进行汇编或编译，然后将所产生的目标程序与所需要的例行子程序连接、装配在一起，继而执行该程序，计算完成之后输出结果。第一个作业处理完毕后立即开始处理第二个作业，如此往复，直到所有作业处理完毕。

   此时，监督程序将第二批作业由读卡机传送到磁带机上，并按上述步骤进行处理。这样，监督程序不间断地处理各个作业，实现了作业之间转换的自动化，大大地缩短了手动操作的时间。不过，联机批处理也有一个缺点，即作业由读卡机到磁带机的传输需要由处理器完成，由于设备的传输速度远远低于处理器的速度，在此传输过程中处理器仍然会浪费很多时间。

   联机批处理工作原理如下图所示。

   

   【2】脱机批处理

   为了克服联机批处理的缺点，引入了脱机批处理。它的思想是把输入输出操作交给一个功能较为单纯的卫星机去做，把主机从烦琐、耗时的输入输出操作中解脱出来，其基本原理如下图所示。

   

   待处理的作业由卫星机负责经读卡机传送到输入磁带上，一批作业输入完后操作员将磁带由卫星机卸下并安装到主机上，主机由输入磁带读入作业并加以处理，其结果送到输出磁带上，一批结果产生后操作员将输出磁带由主机卸下并安装到卫星机上，最后由卫星机负责将输出磁带上的结果送到打印机上输出。

   可见，脱机批处理减轻了主机的/O负担，使其能专注于计算任务的处理。其缺点是需要一个专门的卫星机，并且磁带装卸需要人工完成。批处理系统是操作系统的雏形。

   在此阶段，其他软件也有了相应的发展，如输入输出标准程序、高级语言编译程序、连接装配程序等。

3. 执行系统阶段【20世纪60年代初期】

   批处理较手动操作来说前进了一大步，但是它仍然存在一些缺点，如需要额外的卫星机、磁带机的装卸需要手动操作等。

   在20世纪60年代初期，硬件在两个方面取得了重要的进展。一是引入通道，二是出现通道中断主机功能，这是操作系统发展史上的重要事件，它推动操作系统进入执行系统阶段。

   通道又称I/O处理器，它具有自己的指令系统和运算控制部件，与处理器共享内存资源。

   通道可以受处理器的委托执行通道程序以完成输入输出操作，通道的输入输出操作可以同处理器的计算工作完全并行执行，并在输入输出操作完成时向处理器发出中断请求。这样，作业由读卡机到磁带机的传输以及结果由磁带机到打印机的传输均可由通道完成，这既非联机方式，也非脱机方式，称为“假脱机”(simultaneous peripheral operations on line,SPOOL)或“伪脱机”。通道取代了卫星机，也免去了手动装卸磁带的麻烦。

   执行系统阶段是操作系统的初级阶段，它为操作系统的最终形成奠定了基础。