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1.1.3 操作系统的发展及分类

知识总览

其中绿框部分是考研重点

学习提示：重点理解各阶段的优点和缺点。各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点。

1.1.3.1 手工操作阶段

手工操作阶段使用的是穿孔纸带技术，穿孔纸带是利用打孔技术在纸带上打上一系列有规律的孔点，以适应机器的读取和操作，加快工作速度，提升工作效率。是早期向计算机中输入信息的载体。在手工操作阶段，程序员写纸带程序，通过在纸带上扎孔的方式写二进制代码；扎孔了代表1，没扎孔代表0，然后输入给主机处理，处理完再将结果通过纸带的方式输出。

当然显而易见的是，程序员写代码的速度慢，纸带输入处理器的速度也慢，纸带机处理速度快。而且同一个时间段中，一台机器只能服务一个程序员。

所以在手工操作阶段，主要缺点即为：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

1.1.3.2 单道批处理系统

在这个阶段中，人们引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入、输出。

监督程序是操作系统的雏形，在上面的流程中我们可以发现，为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督（Monitor)，在它的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。其处理过程是：首先由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业；当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。计算机系统就这样自动地一个作业紧接一个作业地进行处理，直至磁带上的所有作业全部完成，这样便形成了早期的批处理系统。虽然系统对作业的处理是成批进行的，但在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统。

所以在单道批处理系统阶段，优点是：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。而缺点也很明显：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。

1.1.3.3 多道批处理系统

多道批处理系统的主要优点是：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。而主要缺点也很明显：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）。

这里为什么说资源利用率大幅提升呢？这是因为多道批处理系统采取了并发，此时可以同时处理多道进程，不会出现处理器进入大量闲置时间的状态。

1.1.3.4 分时操作系统

分时操作系统是指计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

比如时间片是0.01s，那么每个任务轮流执行0.01s，在1s内可能会完成多个任务，给用户的感受就是多个“同时”完成。

分时操作系统解决了人机交互问题，其主要优点为：用户请求可以被即使响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。而主要缺点是：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。为此，后来又开发出了实时操作系统。

1.1.3.5 实时操作系统

实时操作系统主要优点就是能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

实时操作系统分为两大类：硬实时系统和软实时系统。硬实时系统必须在绝对严格的规定时间内完成处理，例如导弹控制系统、自动驾驶系统。而软实时系统能接受偶尔违反时间规定，如12306火车订票系统，偶尔没有及时更新火车票的信息也没什么问题。

1.1.3.6 其他几种操作系统

网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各个计算机之间的通信。

分布式操作系统：主要特点就是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行，协同完成这个任务。

个人计算机系统：如WindowXP、MacOS，方便个人使用。

1.1.3.7 小结