[計算機軟件及應用]new-ch1-12操作系統的形成和發(fā)展

1、1.2 操作系統的發(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   多道程序設計與操作系統的形成 1.2.4 操作系統的分類,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裝入計算機； 步3 匯編程序或編譯系統讀入

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據卡或數據帶； 步7 產生計算結果，執(zhí)行結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。數據的輸入，程序的執(zhí)行、結果的輸出均聯機進行，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)，由管理程序將這批作業(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)裝入內存，并把控制權交給作業(yè)。當該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把控制權繳回管理程序，管理程序再調入磁帶上的第二個作業(yè)到內存執(zhí)行,1.2.2管理程序階段(2),管理程

4、序內存組織,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 提供設備驅動和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多道程序設計與操作系統形成(1) 1. 多道程序設計的概念(1),多道程序設計是指允許多個程序同時進入一個計算機系統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計技術的根本目的:提高CPU的利用率，充分發(fā)揮計算機硬件的并行性。,多道程序設計與操作系統形成(2),多道程序設計技術提高資源利用率和系統吞吐率的原理： 例如計算某個數據處理問題，輸入500個字符(化78ms)，經CPU處理52ms后，將結果2000個字符存到磁帶上(化20ms) ，重復進行，直至輸入數據全部處理完畢。,多道程序設計與操作系統形成(3)單道算題運行時處理器的使

6、用效率,,多道程序設計與操作系統形成(4),為提高效率，讓計算機同時接受兩道算題，當第一道程序在等待外圍設備的時候，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。,多道程序設計與操作系統形成(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) 。,多道程序設計與操作系統形成(6)兩道算題運行時處理器的使用效率,,多道程序設計與操作

7、系統形成(7),52 /（78十52十20）≈ 35%（52+42）/ 150 ≈ 63％,多道程序設計與操作系統形成(8),采用多道程序設計提高了效率，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。多道程序設計技術提高資源利用率和系統吞吐率是以犧牲用戶的響應時間為代價的。,多道程序設計與操作系統形成(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,多道程序設計與操作系統形成(10),假定按多道程序設計方法運行，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；采用多道程序設計方法后可以提高效率： (120—80)／120≈33％,多道程序設計與操作系統形成(11),甲、乙兩道程序，如果單

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

10、的多寡。,多道程序設計與操作系統形成(13)多道程序設計的道數問題(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稱多道程序的道數或度數，可見CPU的利用率是n的函數。,多道程序設計與操作系統形成(14)CPU利用率的計算(1),若計算機有1MB內存，操作系統占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(忽略操作系統開銷時)： CPU 利用率=1-(0.8)4=59%。,多道程序設計與操作系統形成(15) CPU利用率的計算(2),當增加1MB內存后，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內存提高了47%的系統吞吐量。增加第三個1MB內存只將CPU的利用率從87%提高到96%，吞吐量僅提高

12、了10%。,多道程序設計與操作系統形成(16),操作系統中引入多道程序設計的好處: 一是提高了CPU的利用率， 二是提高了內存和I/O設備的利用率， 三是改進了系統的吞吐率， 四是充分發(fā)揮了系統的并行性。 其主要缺點是:作業(yè)周轉時間延長。,多道程序設計與操作系統形成(17)多道程序設計系統與多重處理系統,多重處理系統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。要有效地使用多重處理系

13、統，必須采用多道程序設計技術；反過來，多道程序設計不一定要求有多重處理系統支持。,多道程序設計與操作系統形成(18),實現多道程序設計必須妥善地解決三個問題：存儲保護與程序浮動；處理器的管理和調度；系統資源的管理和調度。,,多道程序設計與操作系統形成(19),操作系統資源管理水平和操作自動化程度進一步提高，表現在: 1. 實現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. 多道程序設計趨于完善。,1.2.4操作系統的發(fā)展與分類,三種基本的操作系統類型： 1 批處理操作系統 2 分時操作系統 3 實時操作系統,1. 批處理操作系統(1),用戶把要計算的應用問題編成程序，連同數據和作業(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，由操作系統來調度和控

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

16、分時操作系統具有以下特性,同時性：獨立性：及時性：交互性：,分時操作系統(3),分時操作系統和批處理操作系統存在下列不同點：目標不同 適應作業(yè)的性質不同 資源使用率不同 作業(yè)控制方式不同,分時操作系統(4),1962年第一個分時系統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TSS/360，這是一個失敗的系統，由于太大太慢，沒有用戶愿意使用。,分時操作系統

17、(5),1965年在美國國防部支持下，MIT、BELL和GE公司開發(fā)“公用計算服務系統”，支持波士頓地區(qū)分時用戶，這個系統就是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(6),MULTICS引入許多現代操作系統概念雛形,如分時處理、遠程聯機、段頁式虛擬存儲器、文件系統、多級反饋調度、保護環(huán)

18、安全機制、多CPU管理，多種程序設計環(huán)境等，對后來操作系統設計有著極大影響,3.實時操作系統(1),有三種典型的實時系統:過程控制系統(生產過程控制)、信息查詢系統(情報檢索)、事務處理系統(銀行業(yè)務)。,實時操作系統(2),實時操作系統（Real Time Operating System)指當外界事件或數據產生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結果又能在規(guī)定時間內來控制監(jiān)控的生產過程或對處理系統作出快速響應，并控制所有

19、實時任務協調一致運行的操作系統。,實時操作系統(3),實時控制操作系統通常由四部分組成： ?  數據采集： ? 加工處理： ? 操作控制： ? 反饋處理：,操作系統的進一步發(fā)展,操作系統發(fā)展的主要動力： 1.器件快速更新換代。 2.計算體系結構不斷發(fā)展。 3.提高計算機系統資源利用率的需要。 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。,微機操作

20、系統(1),新一代微機操作系統具有以下功能：GUI、多用戶和多任務、虛擬存儲管理、網絡通信支持、數據庫支持、多媒體支持、應用編程支持API。,微機操作系統(2),具有以下特點： （1）開放性 （2）通用性 （3）高性能 （4）采用微內核結構,并行操作系統(1),計算機的應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結構，這主要采用增加同一時間間隔內的操

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

22、網絡操作系統 (2),網絡操作系統應該具有的功能： 1）網絡通信 2）資源管理 3）網絡管理 4）網絡服務,網絡操作系統(3),下一代網絡操作系統應能提供功能支撐： ? 位置透明性 ?  名空間透明性 ? 管理維護透明性 ?  安全權限透明性 ? 通信透明性,分布式操作系統(1),分布式計算機系統由多臺分散的計算機經互連網絡連接而成,滿足條件： ?系統

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

24、1)進程通信： (2)資源共享： (3) 并行計算： (4) 網絡管理：,,分布式操作系統與單機集中式操作系統的主要區(qū)別在于: ?資源管理 ?進程通信： ?系統結構：,分布式操作系統(4),分布式操作系統(5),已經研制出來的分布式操作系統有：Cm *(美國卡內基梅隆大學) ，X樹系統(美國加州大學伯克利分校) ，Arachne(美國威斯康星大學) ，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) ，Guide(法國Bull研究中心) ，Clouds(美國喬治亞理工學院) ，CMDS(英國劍橋大學) 。,分布式操作系統(6),分布式系統研究和開發(fā)的主要方向: ?分布式系統結構： ?分布式操作系統： ?分布式程序設計：   ?分布式數據庫： ?分布式應用 ：,嵌入式操作系統(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，網絡和通信是社會信息化賴以存在的基礎設施，電子消費產品是人與社會信息化的主要接口。,嵌入式操作系統(2),什么是嵌入式軟件?(2)? 3C合一的產物是信息電器；同時，計算機微型化和專業(yè)化趨勢把計算機技術滲透到各行各業(yè)，應用到各個領域、嵌入到各種設備，開發(fā)出各種產品，奠定了堅實的物質基礎。,嵌入式操作系統(3),什么是嵌入式軟件?(3) ?共同需求：計算機嵌入式應用。嵌入式(計算機)系統硬件不再以物理上獨立

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

28、作的各種部件、裝置等資源進行統一協調、處理、指揮和控制的系統軟件。,嵌入式操作系統(6),嵌入式操作系統具有通常操作系統的功能，包括：與硬件相關的底層軟件、操作系統核心功能（文件系統、存儲管理、設備管理、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、通信協議、小型瀏覽器等設施。,嵌入式操作系統(7),嵌入式操作系統 硬件平臺的局限性、 應用環(huán)境的多樣性、 開發(fā)手段的特殊性， 使它與一般操作系統有

29、很大不 同。,嵌入式操作系統(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(9),Windows CE是微軟開發(fā)的，用于通信、娛樂和移動式計算設備的操作系統(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、多線程嵌入式操作系統。,嵌入式操作系統(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)建連網應用的Java應用環(huán)境，適

30、宜更新換代快的信息電器的應用開發(fā)。SUN公司又開發(fā)出專門用于信息電器應用開發(fā)的實時操作系統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Embedded Java。,嵌入式操作系統(11),Hopen是由中科院凱思軟件集團開發(fā)的嵌入式操作系統(又稱“女媧” ) ，Hopen是一個微內核結構的多任務可搶占實時操作系統，核心程序約占10kb，用C語言編寫。,嵌入式操作系統(12),?特點：單用戶多