[计算机软件及应用]new_ch1-12操作系统的形成和发展.ppt

1.2 操作系统的发展和形成,1.2.1 人工操作阶段 1.2.2 管理程序阶段 1.2.3 多道程序设计与操作系统的形成 1.2.4 操作系统的分类,1.2.1人工操作阶段(1) 算题过程,步1 人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上； 步2 将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机； 步3 汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡或穿孔带； 步4 执行汇编过程或编译过程，产生目标程序，并输出目标卡片或纸带上；,人工操作阶段(2),步5 通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机； 步6 启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的数据卡或数据带； 步7 产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上输出。,人工操作阶段(3),严重缺点： 用户上机独占全机资源，造成资源利用率不高，系统效率低下。 手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错。 数据的输入，程序的执行、结果的输出均联机进行，从上机到下机的时间拉得非常长。,1.2.2管理程序阶段(1),工作流程如下： 操作员集中一批用户提交的作业，由管理程序将这批作业从纸带或卡片机输入到磁带上，每当一批作业输入完成后，管理程序自动把磁带上的第一个作业装入内存，并把控制权交给作业。当该作业执行完成后，作业又把控制权缴回管理程序，管理程序再调入磁带上的第二个作业到内存执行,1.2.2管理程序阶段(2),管理程序内存组织,1.2.2管理程序阶段(3),管理程序Monitor的主要功能: 自动控制和处理作业流 提供一套操作命令 提供设备驱动和I/O控制功能 提供库程序和程序装配功能 提供简单的文件管理功能,管理程序阶段 (4) 程序算题过程,1.2.3多道程序设计与操作系统形成(1) 1. 多道程序设计的概念(1),多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。 从宏观上看:并行的 从微观上看:串行的 引入多道程序设计技术的根本目的:提高CPU的利用率，充分发挥计算机硬件的并行性。,多道程序设计与操作系统形成(2),多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率的原理： 例如计算某个数据处理问题，输入500个字符(化78ms)，经CPU处理52ms后，将结果2000个字符存到磁带上(化20ms) ，重复进行，直至输入数据全部处理完毕。,多道程序设计与操作系统形成(3) 单道算题运行时处理器的使用效率,多道程序设计与操作系统形成(4),为提高效率，让计算机同时接受两道算题，当第一道程序在等待外围设备的时候，让第二道程序运行，降低CPU空等时间，处理器的利用率显然可以有所提高。,多道程序设计与操作系统形成(5),例如，计算机还接受了另一算题：从另一台磁带机上输入2000个字符，经42毫秒的处理后，从行式打印机上输出两行(约化 88ms) 。,多道程序设计与操作系统形成(6) 两道算题运行时处理器的使用效率,多道程序设计与操作系统形成(7),52 /（78十52十20） 35% （52+42）/ 150 63,多道程序设计与操作系统形成(8),采用多道程序设计提高了效率，即增长了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算时间。 多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价的。,多道程序设计与操作系统形成(9),例如，甲、乙两道程序，独占计算机单道运行时每道花一个小时，若此时处理器利用率为30，粗略地说，甲(或乙)程序执行时所需要的处理器时间为： 1小时3018分钟,多道程序设计与操作系统形成(10),假定按多道程序设计方法运行，处理器的利用率达50，提供36分钟的CPU时间，约要运行72分钟。加上系统开销，若共花80分钟。 单道运行时，甲、乙依次执行完需120分钟。因而；采用多道程序设计方法后可以提高效率： (12080)12033,多道程序设计与操作系统形成(11),甲、乙两道程序，如果单道运行，它花60分钟就可得到结果，多道运行时，却要花80分钟才有结果，延长了20分钟，即延长了33的时间。 (80-60)/60=33%,多道程序设计与操作系统形成(12)多道程序设计的道数问题(1),多道程序设计的道数多少不是任意的 例如，两道程序都要用打印机，若系统只有一台，就算它们同时接受进入计算机内存运行，未必能提高效率。 内存储器的容量和用户的响应时间等因素也影响多道程序道数的多寡。,多道程序设计与操作系统形成(13)多道程序设计的道数问题(2),假如一道程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p，当内存中有n道程序时，所有程序都等待I/O的概率是pn，那么， CPU利用率=1-pn n称多道程序的道数或度数，可见CPU的利用率是n的函数。,多道程序设计与操作系统形成(14) CPU利用率的计算(1),若计算机有1MB内存，操作系统占200KB，其余空间允许4道用户程序共享，每个占用200KB，如果进程平均花费80%的时间等待I/O操作。则(忽略操作系统开销时)： CPU 利用率=1-(0.8)4=59%。,多道程序设计与操作系统形成(15) CPU利用率的计算(2),当增加1MB内存后，多道程序可从4道增加到9道，因而，CPU的利用率=1-(0.8)9=87%，第二个1MB内存提高了47%的系统吞吐量。 增加第三个1MB内存只将CPU的利用率从87%提高到96%，吞吐量仅提高了10%。,多道程序设计与操作系统形成(16),操作系统中引入多道程序设计的好处: 一是提高了CPU的利用率， 二是提高了内存和I/O设备的利用率， 三是改进了系统的吞吐率， 四是充分发挥了系统的并行性。 其主要缺点是:作业周转时间延长。,多道程序设计与操作系统形成(17)多道程序设计系统与多重处理系统,多重处理系统是指配置了多个物理CPU，能真正同时执行多道程序的系统。要有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术；反过来，多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持。,多道程序设计与操作系统形成(18),实现多道程序设计必须妥善地解决三个问题： 存储保护与程序浮动； 处理器的管理和调度； 系统资源的管理和调度。,多道程序设计与操作系统形成(19),操作系统资源管理水平和操作自动化程度进一步提高，表现在: 1. 实现了计算机操作过程自动化。 2. 资源管理水平有了提高。 3. 提供虚存管理功能。 4. 支持分时操作。 5.文件管理功能有改进。 6. 多道程序设计趋于完善。,1.2.4操作系统的发展与分类,三种基本的操作系统类型： 1 批处理操作系统 2 分时操作系统 3 实时操作系统,1. 批处理操作系统(1),用户把要计算的应用问题编成程序，连同数据和作业说明书一起交给操作员，操作员集中一批作业，输入到计算机中。然后，由操作系统来调度和控制作业的执行。这种批量化处理作业方式的操作系统称为批处理操作系统（Batch Operating System）。,批处理操作系统(2),批处理系统的主要特征： 用户脱机工作 成批处理作业 多道程序运行 作业周转时间长,2. 分时操作系统(1),允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统称分时操作系统 （Time Sharing Operating System）,分时操作系统(2) 分时操作系统具有以下特性,同时性： 独立性： 及时性： 交互性：,分时操作系统(3),分时操作系统和批处理操作系统存在下列不同点： 目标不同 适应作业的性质不同 资源使用率不同 作业控制方式不同,分时操作系统(4),1962年第一个分时系统CTSS，运行在IBM 7094机上，支持32个交互式用户同时工作。 1965年IBM公布360机上的分时系统TSS/360，这是一个失败的系统，由于太大太慢，没有用户愿意使用。,分时操作系统(5),1965年在美国国防部支持下，MIT、BELL和GE公司开发“公用计算服务系统”，支持波士顿地区分时用户，这个系统就是MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service) 。它运行在GE635、GE645计算机上使用高级语言PL/1编程。,分时操作系统(6),MULTICS引入许多现代操作系统概念雏形,如分时处理、远程联机、段页式虚拟存储器、文件系统、多级反馈调度、保护环安全机制、多CPU管理，多种程序设计环境等，对后来操作系统设计有着极大影响,3.实时操作系统(1),有三种典型的实时系统: 过程控制系统(生产过程控制)、 信息查询系统(情报检索)、 事务处理系统(银行业务)。,实时操作系统(2),实时操作系统（Real Time Operating System)指当外界事件或数据产生时，能接收并以足够快的速度予以处理，处理的结果又能在规定时间内来控制监控的生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。,实时操作系统(3),实时控制操作系统通常由四部分组成： 数据采集： 加工处理： 操作控制： 反馈处理：,操作系统的进一步发展,操作系统发展的主要动力： 1.器件快速更新换代。 2.计算体系结构不断发展。 3.提高计算机系统资源利用率的需要。 4.让用户使用计算机越来越方便的需要。 5.满足用户新要求，提供给用户新服务。,微机操作系统(1),新一代微机操作系统具有以下功能：GUI、多用户和多任务、虚拟存储管理、网络通信支持、数据库支持、多媒体支持、应用编程支持API。,微机操作系统(2),具有以下特点： （1）开放性 （2）通用性 （3）高性能 （4）采用微内核结构,并行操作系统(1),计算机的应用每前进一步都要求增加计算机的处理能力。为达到极高性能，除提高元器件速度外，必须改进计算机系统结构，这主要采用增加同一时间间隔内的操作数量，通过并行处理（Parallel processing）技术，研究并行计算机。,并行操作系统(2),目前已经研究出来的并行操作系统有： V-Kernel，美国Stanford大学 Meglos, 美国Bell实验室。 MACH，美国卡内基梅隆大学。,网络操作系统(1),为了使网络中的计算机能方便地传送信息和共享网络资源而加到网络中的计算机上的操作系统称网络操作系统（Network Operating System）。,网络操作系统 (2),网络操作系统应该具有的功能： 1）网络通信 2）资源管理 3）网络管理 4）网络服务,网络操作系统(3),下一代网络操作系统应能提供功能支撑： 位置透明性 名空间透明性 管理维护透明性 安全权限透明性 通信透明性,分布式操作系统(1),分布式计算机系统由多台分散的计算机经互连网络连接而成,满足条件： 系统中任意两台计算机可以通过系统的安全通信机制来交换信息。 系统中的资源为所有用户共享，用户只要考虑系统中是否有所需资源，而无需考虑资源在哪台计算机上。,分布式操作系统(2),系统中的若干台机器可互相协作完成同一个任务，即一个程度可以分布于几台计算机上并行运行，分布式系统是一种特殊的计算机网络。 系统中的一个结点出错不影响其它结点运行、即具有较好的容错性和健壮性。,分布式操作系统(3),分布式操作系统具备四项基本功能 (1)进程通信： (2)资源共享： (3) 并行计算： (4) 网络管理：,分布式操作系统与单机集中式操作系统的主要区别在于: 资源管理 进程通信： 系统结构：,分布式操作系统(4),分布式操作系统(5),已经研制出来的分布式操作系统有： Cm *(美国卡内基梅隆大学) ， X树系统(美国加州大学伯克利分校) ， Arachne(美国威斯康星大学) ， Chorus(法国国家信息与自动化研究所) ， Plan9(美国Bell实验室) ， Amoeba(荷兰自由大学) ， Guide(法国Bull研究中心) ， Clouds(美国乔治亚理工学院) ， CMDS(英国剑桥大学) 。,分布式操作系统(6),分布式系统研究和开发的主要方向: 分布式系统结构： 分布式操作系统： 分布式程序设计： 分布式数据库： 分布式应用 ：,嵌入式操作系统(1),什么是嵌入式软件?(1) 3C：计算机是贯穿社会信息化的核心技术，网络和通信是社会信息化赖以存在的基础设施，电子消费产品是人与社会信息化的主要接口。,嵌入式操作系统(2),什么是嵌入式软件?(2) 3C合一的产物是信息电器；同时，计算机微型化和专业化趋势把计算机技术渗透到各行各业，应用到各个领域、嵌入到各种设备，开发出各种产品，奠定了坚实的物质基础。,嵌入式操作系统(3),什么是嵌入式软件?(3) 共同需求：计算机嵌入式应用。嵌入式(计算机)系统硬件不再以物理上独立的装置或设备形式出现，而是大部分甚至全部都隐藏和嵌入到各种应用系统中。,嵌入式操作系统(4),什么是嵌入式软件?(4) 嵌入式(计算机)系统的应用环境带来了对嵌入式(计算机)系统的软件、即嵌入式软件(embedded software)的要求。 嵌入式操作系统是嵌入式软件的基本支撑，形成了现代操作系统的一个类别嵌入式操作系统。,嵌入式操作系统(5),什么是嵌入式操作系统? 指运行在嵌入式(计算机)环境中，对整个系统及所有操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件。,嵌入式操作系统(6),嵌入式操作系统具有通常操作系统的功能，包括：与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能（文件系统、存储管理、设备管理、进程管理、处理器管理和中断处理）、功能强大的还提供图形界面、通信协议、小型浏