【OS考研复习笔记】操作系统的发展和分类

对操作系统可以采用多种方法进行分类。最常用的方法是按照其功能将操作系统分为三种基本类型，分别是批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。

（一）无操作系统的计算机系统

1.人工操作方式

1945年，第一台计算机诞生。

1945年到20世纪50年代中期，属于第一代计算机。

此时计算机使用真空管做成的。由于没有出现OS，运行速度慢，体积庞大、功耗非常大。

人工操作方式有以下两方面的缺点：

    1.用户独占全机。计算机及其全部资源只能由上机用户独占。
    2.CPU等待人工操作。当用户进行转带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU和内存等资源是空闲的。

人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，此时出现了人机矛盾。

2.脱机输入I/输出方式

为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机输入/输出（Off-Line I/O）技术。

技术原理：

事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片机），在一台外围机的控制下，把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速调入内存。

当CPU需要输出时，可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上，然后再在另一台外围机地控制下，将磁带上地结果通过相应的输出设备输出。

脱机输入/输出方式定义：

程序和数据地输入和输出都是在外围机地控制下完成的，或者是它们在脱离主机的情况下进行的，所以称为脱机输入/输出方式。

联机输入/输出方式的定义：

在主机控制下进行输入/输出的方式称为联机输入/输出方式。

脱机输入I/输出O方式的优点：

    1.减少了CPU的空闲时间。
    2.提高了I/O速度。

（二）单道批处理系统

1.单道批处理系统的处理过程

单道处理系统是指计算机对作业的处理都是成批进行的，但在内存中始终保持一道作业。这种系统就是在解决人际矛盾和CPU与I/O设备速率不匹配的矛盾过程中形成的。

2.单道批处理系统的特征

    1.自动性
    2.顺序性
    3.单道性

（三）多道批处理系统

在单道批处理系统中，内容中仅有一道作业，无法成分利用系统中的所有资源，使得性能比较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，就引入了程序设计技术，由此产生了多道批处理系统。

多道批处理系统的概念

多道批处理系统允许多个程序同时装入到主存储器中，使一个中央处理器轮流地执行多个作业，各个作业同时使用各自地外围设备，提高了计算机系统的资源利用率。

1.多道程序设计

该技术指计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互交替允许。

在OS中引入了多道程序设计技术带来的好处：

    1.提高CPU的利用率。
    2.可提高内存和I/O设备利用率。
    3.增加系统吞吐量。

2.多道批处理系统的优缺点

1）主要优点：

    1.1 资源利用率高
    1.2 系统吞吐量大

2）主要缺点：

    2.1 平均周转时间长
    2.2 无交互能力

3. 多道批处理系统需要解决的问题

多道批处理系统是一种有效且十分复杂的系统，为使得计算机系统中的多道程序之间能够协调地运行，必须解决如下一些问题：

    3.1 处理机管理问题
    3.2 内存管理问题
    3.3 I/O设备管理问题
    3.4 文件管理问题
    3.5 作业管理问题

4.多道批处理系统的特点

    4.1.多道性
    4.2.无序性
    4.3.调度性

（四）分时系统

1.分时系统的概念以及产生

分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，时间片轮流地把处理机分给各联机作业使用。

若某个作业在分配给它的时间片内不能完成计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一个作业使用，等待下一个时间片到时间再继续运行。

由于分时技术地出现，就早就了分时系统地出现。

分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。

第一台分时操作系统CTSS（Compatable Time Sharing System）由麻省理工大学开发成功。

它经常被用于查询系统中，满足许多用户查询的需要，用户的需求具体表现在几个方面：

    1.人机交互
    2.共享主机
    3.便于用户上机

2.分时系统的基本特点

    1.多路性（同时性）：允许一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。
        宏观上：若干个用户同时使用计算机，共享系统资源
        微观上：计算机轮流上为多个作业运行时间片
        
    2.交互性：用户通过终端向主机发出请求，根据主机的响应结果，再向系统发出请求，直到得到满意结果位置。
    3.及时性：机器对用户的请求要在短时间内得到响应。
    4.独立性：每个用户使用各自的终端与主机交互，感觉不到其他用户的存在，好像是独立使用计算机系统。

（五）实时系统

实时系统（Real Time System）是指系统能够及时（或即时）响应外部事件的请求，再规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有的实时任务协调一致的运行。

在设计实时操作系统时，首先要考虑系统的实时性和可靠性。

1.实时任务

在实时系统中必然存在着若干个实时任务，这些任务通常与某个外部设备有关。能够及时反应或控制相应的外部设备，因而带有某种程度的紧迫性。所以可以从不同的角度对实时任务进行分类：

1）按任务执行时是否呈现周期性来划分

    1.周期性实时任务
    2.非周期性实时任务

2）根据对截止时间的要求来划分

    1.硬实时任务（Hard Real-time Task）即实时控制系统：
    系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。
    主要用于军事和工业控制领域，计算机及时测量出被控系统的各种数据，并即使作出相应处理。
    
    硬实时任务的特点：响应速度块，可靠性高。
    
    2.软实时任务（Soft Real-time Task）即实时事务处理系统：
    也是联系截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会大。
    主要用户诸如订票系统、银行管理系统等方面，这些应用中，计算机对用户的请求及时作出回答，并能及时修改，处理系统中数据。

2.实时系统的基本特点

    1.及时性
    2.多路性
    3.交互性
    4.可靠性
    5.独立性

（六）微机操作系统

配置在微型机的操作系统称为微机操作系统，最早诞生的微机操作系统是配置在8位微机上的CP/M。后续就出现了16位、32、64位等。

微机操作系统可按微机的字长来分，也可以按照运行方式来分如下：

1.单用户单任务操作系统

单用户单任务操作系统的定义是：只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务。这种是最简单的微机操作系统，主要配置在8位和16位微机上。

最具有代表性的单用户单任务微机操作系统的是CP/M和MS-DOS。

2.单用户多任务操作系统

单用户多任务操作系统的含义是：只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统地性能。

代表性的操作系统：微软早期开发的的Windows系列

多用户多任务操作系统

多用户多任务操作系统的含义是：允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户又可进一步分为几个任务，使它们能够并发执行，可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。

代表性的操作系统是：UNIX OS