现代大学计算机基础第4章计算机的灵魂—操作系统

第4章 计算机的灵魂—操作系统
批处理系统是加载在计算机上的一个系统软件，在它的 控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的 作业。它主要的做法是：主机与输入机之间增加一个存储设 备—磁带，在运行于主机上的监督程序的自动控制下，计算 机可成批地把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上 的用户作业读入主机内存，再执行并把计算结果向输出机输 出。完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一 批作业，保存在磁带上，并按上述步骤重复处理。
(1) 同时性。计算机系统能被多个用户同时使用。 (2) 独立性。用户和用户之间都是独立操作系统的，在 同时操作时并不会发生冲突、破坏、混淆等现象。 (3) 及时性。系统能以最快的速度将结果显示给用户。 (4) 交互作用性。用户能和电脑进行人机对话。
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显然，分时操作系统要复杂得多。相比于多道批处理系 统，最主要的变化是资源的公平管理。在多道批处理下，提 交作业后只用了多少CPU时间无关紧要。现在，大家都坐在计算机显 示终端前面，得到CPU的轮流服务时间是平等的。因此，公 平地管理用户的CPU时间就变得非常重要。分时操作系统中 最著名的就是UNIX多用户操作系统。
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例如，在导弹防卫系统中，对来袭导弹的轨迹计算必须在规 定时间内完成，否则就可能被来袭导弹击中而无法做出反应。 其他对计算机响应时间有要求的系统包括核反应堆状态监视 系统、化学反应堆监视系统、航空飞行控制系统等。
这种对计算机响应时间有要求的系统通常称为临界系统。 而为了满足这些应用对响应时间的要求，人们又开发出了实 时操作系统。实时操作系统是指所有任务都在规定时间内完 成的操作系统，即必须满足时序可预测性。需要注意的是， 实时系统并不是指反应很迅速的系统，而是指反应具有时序 可预测性的系统。当然，在实际中，实时系统通常是反应很 迅速的系统。但这是实时系统的一个结果，而不是其定义。
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随着硬件越来越便宜，个人机出现在人们的视野中。人 们可以拥有自己的计算机，而无需与他人分享。在刚刚出现 个人机的时候，拥有个人机的人感觉很好，而那些需要与别 人共享小型机的人则感觉不好。由于个人机由用户一个人独 享，分时操作系统的许多功能就无需存在。因此，个人机操 作系统又变回到了标准函数库系统。这时最著名的当属DOS、 Windows 3X、苹果机操作系统(Mac OS)等。
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2．实时信息处理系统 当用于预订飞机票，查询有关航班、航线、票价以及股 票接收系统等事宜时，或当用于银行系统、情报检索系统时， 都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的 回答。实时信息处理系统在规定时间得不到响应所产生的后 果是可以承受的，如流水装配线。即使装配线瘫痪，也只是 损失了资金。
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多道程序系统的出现，标志着操作系统的形成和产生。 典型的多道批处理操作系统是IBM的OS/360(M)，它由密歇 根大学为IBM公司开发，运行在IBM的第三代计算机System 360、System 370、System 4300等上。OS/360(M)引进了内存 的分段管理，尽管存在一些不足，但在技术上和理念上都是 划时代的操作系统。它同时支持商业和科学应用，而之前的 操作系统只能支持科学计算。IBM随后对OS/360(M)进行了 改进，使其逐渐演变为一个功能强大、性能可靠的操作系统。 这个改进的版本被命名为OS/390。该操作系统提供了资源 管理和共享，允许多个I/O同时运行，而且CPU和磁盘操作 可以并发。OS/390获得了广泛的商业应用，一直到今天， 驱动这个阶段操作系统发展的动力仍然是改善效率。
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但在独享了一阵个人机后，人们发现，没有分时功能的 操作系统使一些事情无法完成。这是因为，虽然只有一个人 在使用机器，但这个人可能想同时做好几件事，如同时运行 好几个程序，没有分时功能这是不可能的。于是，人们觉得 需要对个人机操作系统进行改善，将各种分时功能又加入了 操作系统。这时候就需要对程序进行保护，因为现在运行多 个程序，虽然都是用户个人的东西，但是也不能混淆。于是， Windows NT、Xenix、Unix等操作系统出现了。
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显然，实时操作系统的最重要部分就是进程或工作调度。 只有精确、合理和及时的进程调度才能保证响应时间。当然， 对资源的管理也非常重要。没有精密复杂的资源管理，确保 进程按时完成就成了一句空话。另外，基于其使用环境，实 时操作系统对可靠性和可用性要求也非常高。如果在这些方 面出了问题，时序可预测性将无法达到。实时操作系统的典 型代表有VxWorks、DART等。实时操作系统可分成实时控 制系统和实时信息处理系统两类。
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工操作的慢速度和计算机的高速度之间有了很大的矛盾，不 能满足人们希望得到计算机服务的需求。为了提高资源利用 率、增强计算机系统性能，只有摆脱人的手工操作，实现作 业(程序、数据和命令)的自动过渡。于是，人们充分发挥聪 明才智，设计和构造了批处理系统。这也是计算思维核心思 想“设计和构造”的体现。
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软件应用，以及共享硬盘、打印机、调制解调器、扫描仪和 传真机等。一般计算机的操作系统，如DOS和OS/2等，其 目的是让用户与系统及在此操作系统上运行的各种应用之间 的交互作用最佳。网络操作系统一般可分为以下几类：
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4.2.2 反应灵敏—实时系统 随着人类技术的进步，计算机得到了广泛应用。虽然多
道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利用率和 系统响应时间，但却不能满足实时控制与实时信息处理两个 应用领域的需求。其中的一种应用称为过程控制系统，即使 用计算机监控某些工业过程，并在需要的时候采取行动。所 有这些系统都具备一个特点：计算机对这些应用必须在规定 时间内做出响应，否则有可能发生事故或灾难。例如，在工 业装配线上，当一个部件从流水线上一个工作站流到下一个 工作站时，这个工作站上的操作必须在规定时间内完成，否 则就有可能造成流水线瘫痪，而影响企业的生产和利润。又
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所谓多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入 内存并运行，即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替 在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一 道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一 道程序。多道程序设计技术使CPU得到了充分利用，同时改 善了I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源 利用率和系统吞吐量(单位时间内处理作业(程序)的个数)， 最终提高了整个系统的效率。
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1．网络操作系统 计算机网络是通过通信设施，将地理上分散的、具有自 治功能的多个计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共 享、互操作和协作处理的系统，网络操作系统(NOS)则是网 络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊的操作系 统。NOS在计算机操作系统下工作，使计算机操作系统增加 了网络操作所需要的能力。网络操作系统运行在称为服务器 的计算机上，并由联网的计算机用户共享，这类用户称为客 户。NOS与运行在工作站上的单用户操作系统或多用户操作 系统由于提供的服务类型不同而有差别。一般情况下，NOS 是以使网络相关特性达到最佳为目的的，如共享数据文件、
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这个时候的另外一个特征是网络的出现。网络促进了网 络操作系统和分布式操作系统的出现。对于网络操作系统来 说，其任务是将多个计算机虚拟成一个计算机。传统的网络 操作系统是在现有操作系统的基础上增加网络功能，而分布 式操作系统则是从一开始就把对多计算机的支持考虑进来， 是重新设计的操作系统，所以比网络操作系统效率高。分布 式操作系统除了提供传统操作系统的功能外，还提供多计算 机协作的功能。
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1．实时控制系统 当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算 机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进 行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用 于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时 处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。 实时控制系统在得不到实时响应后则可能产生不能承受的灾 难，如导弹防卫系统。如果反应迟钝，结果就可能产生严重 损失。
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系统，分时系统中用户可根据系统对请求的响应结果，进一 步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话 的工作方式，克服了批处理系统不足的交互能力，又被称为 交互式系统。
在分时操作系统下，任意时间可以运行多个程序，且用 户直接与计算机交互，调试程序。因此，分时操作系统具有 以下特征：
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4.2.3 丰富多彩，异军突起—现代操作系统 在20世纪80年代后期，计算机工业获得了井喷式的发展。
各种新计算机与新操作系统不断出现和发展，计算机和操作 系统领域均进入了一个百花齐放、百家争鸣的时代。大规模 集成电路工艺技术的飞跃发展，微处理机的出现和发展，掀 起了计算机大发展、大普及的浪潮，迎来了个人计算机的时 代，使计算机进入千家万户。这个时候的操作系统有主机操 作系统(如OS/260、OS/390、CTSS)、服务器操作系统(如 UNIX、Windows 2000、Linux)、多CPU计算机操作系统(如 Novell Netware)、个人计算机操作系统(如Windows 2000、 Windows XP、Mac OS)、实时操作系统(如VxWorks、 DART)、嵌入式操作系统(如Palm OS、Windows CE、 Android、Symbian)等。
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监督程序不停地处理各个作业，从而实现了作业到作业 的自动转接，减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克 服了人机矛盾，提高了计算机的利用率，使计算机在单位时 间内能够处理更多用户提交的程序。虽然计算机的效率提高 了，但批处理系统也存在一些明显的缺点：没有人机交互， 调试困难，一旦提交的作业开始处理，用户就无法进行干预， 若想修改程序中的一个错误要么等着程序运行结束后进行修 改，要么暂停计算机，所有作业等待，这样就造成了资源的 利用率低下。为了进一步改善CPU的利用率和减少CPU的空 闲时间，人们又设计出了多道程序系统。
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4.2 操作系统茁壮成长，枝繁叶茂
4.2.1 将时间切成片—分时系统 随着计算机硬件CPU速度的不断提高，为了改善批处理
系统不能人工交互的不足，人们考虑能否让人回到计算机前 面来，每个人自己管理自己的程序，多个人同时连在计算机 上，为此人们又设计出分时技术来解决这个问题，即把处理 机的运行时间分成很短的时间片，也就是分给每个人有限的 时间，只要时间到了，就换下一个。按时间片轮流把处理机 分配给各联机终端使用。这样一台计算机可同时连接多个用 户终端，而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好 像自己独占机器一样。具有这种特征的计算机系统称为分时
计算机的灵魂操作系统42操作系统茁壮成长枝繁叶茂421将时间切成片分时系统随着计算机硬件cpu速度的不断提高为了改善批处理系统不能人工交互的不足人们考虑能否让人回到计算机前面来每个人自己管理自己的程序多个人同时连在计算机上为此人们又设计出分时技术来解决这个问题即把处理机的运行时间分成很短的时间片也就是分给每个人有限的时间只要时间到了就换下一个
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现代大学计算机基础第4章计算机的 灵魂—操作系统
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4.1 操作系统横空出世
操作系统对于计算机系统来说如此重要，它又是怎样产 生的呢？1946年世界上第一台计算机诞生时，并没有操作系 统，人们使用计算机主要采用手工操作方式，并且只有专业 人员才能使用，主要用于数值计算。手工操作方式具体是： 程序员将对应的程序和数据以穿孔纸带(或卡片)装入输入机, 然后启动输入机把程序和数据装入计算机内存，接着通过控 制台开关启动程序运行；计算完毕，打印机输出计算结果； 用户取走结果并卸下纸带(或卡片)后，才让下一个用户上机。 这种手工操作方式导致资源的利用率低。特别到了20世纪50 年代后期，人们在不断使用计算机的过程中，越来越感到手