认识操作系统

什么是操作系统

    可能很多人都会说，我们平时装的windows7、windows10、Windows11都是操作系统，没错，他们都是操作系统。还有没有其他的？
    想想我们使用的手机，Google公司的Android系统，Apple公司笔记本上的的MacOSX、IPhone的IOS，他们都是操作系统。
那么我们想想，操作系统都可以做什么？
    我们买来电脑的后第一件事情就是安装操作系统，有的电脑则在我们买来的时候已经安装好了操作系统，比如说品牌机（Dell、HP、lenovo）。
    我们可以在操作系统上通过安装程序来看视频，听音乐，玩游戏、浏览网页，还可以弹出移动硬盘和U 盘、管理我们硬盘中的文件等等；我们通过操作系统来和计算机交互，系统协调我们安排给计算机的各种任务。操作系统(Operating System, OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。计算机操作系统是随着计算机研究和应用的发展逐步形成并发展起来的，它是计算机系统中最基本的系统软件。
    我们通过操作系统来使用计算机。知道了系统是用来做什么的，我们来了解一下系统的发展历史。（操作系统工作方式的演变——20世纪五六十年代）。

操作系统的历史

第一个阶段——手工操作（无操作系统）

    特点：用户独占机器，CPU等待手工操作，CPU利用不充分。
    人们先把程序纸带（或卡片）装上计算机，然后启动输入机把程序和送入计算机，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，用户卸下并取走纸带（或卡片）。第二个用户上机，重复同样的步骤。
    由于手工操作的满速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操作的方式是计算机的资源利用率极低，唯一的解决办法只有摆脱手工操作，实现作业的自动过渡。

第二个阶段——批处理系统

特点：脱机、多道和成批处理。

脱机是指用户脱机使用计算机，即用户提交作业之后直到获得结果之前几乎不再和计算机打交道。
多道是指多道程序运行，即按多道程序设计的调度原则，从一批后备作业中选取多道作业调入内存并组织它们运行；
成批处理是指操作员把用户提交的作业组织成一批，由操作系统负责每批作业间的自动调度。

批处理系统：加载计算机上的一个监督软件，在监督程序的控制下，计算机能够自动的、成批的处理一个或多个用户的作业（作业包括程序、数据、命令）。
首先出现的是联机批处理系统，即作业的输入输出由CPU来处理。

第三个阶段——联机批处理系统

特点：在输入作业和输出结果时，CPU还是会处于线空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作——主机处于忙等状态。
在主机和输入机之间增加两个存储设备——磁带机，在监督程序的自动控制下，计算机自动完成任务。
成批的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并执行，执行完成后把计算结果想输出机输出。完成一批作业后，监督程度又从输入机读取作业存入磁带机。按照上面的步骤重复处理任务。监督程序不停的处理各个作业，实现了作业的自动转接，减少了作业的建立时间和手工操作时间，有效的克服了人机矛盾，提高了计算机资源的利用率。

第四个阶段——脱机批处理系统

特点：增加一台不与主机直接相连而专门用于与输入/输出设备打交道的卫星机。

为了克服与缓解告诉主机与慢速外设（输入输出设备），提高CPU利用率，用又引入了脱机批处理系统，即输入输出脱离主机控制。
显著特征就是：增加一台不与主机直接相连卫星机。卫星机用来从输入机上读取用户作业并放到磁带机上；将磁带机上的执行结果传给输出机。这样主机不再与慢速的输入输出设备连接。主机与卫星机两者并行工作，分工明确，可充分发挥主机的告诉计算能力。
问题：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。
脱机批处理系统

第五个阶段——多道程序系统

    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。
    单道程序运行过程：在A程序计算时，I/O空闲， A程序I/O操作时，CPU空闲（B程序也是同样）；必须A工作完成后，B才能进入内存中开始工作，两者是串行的，全部完成共需时间=T1+T2。
多道程序运行过程：将A、B两道程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上运行：当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时，B程序就可占用CPU运行，这样 CPU不再空闲，而正进行A I/O操作的I/O设备也不空闲，显然，CPU和I/O设备都处于“忙”状态，大大提高了资源的利用率，从而也提高了系统的效率，A、B全部完成所需时间<T1+T2。
    多道程序设计技术不仅使CPU得到充分利用，同时改善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

多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。
成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。

虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。
20世纪60年代中期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统。
多道批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。即使CPU可以1分钟运算100W次，如果作业是按照每分钟100次来做运算，资源被大大浪费。
多道程序系统

第六个阶段——分时系统

特点：多路性、交互性、独占性和及时性

多路性是指一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时或基本同时使用计算机；
交互性是指用户的操作方式是联机方式，即用户通过终端采用人-机会话的方式直接控制程序运行，同程序进行交互；
独占性是指由于系统采用时间片轮转的办法使一台计算机同时为许多终端用户服务，因此客观效果是这些用户彼此间都感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己独占计算机一样；
及时性是指用户请求能在很短时间内获得响应。

分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好象他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在充分的人机交互情况下，完成作业的运行。具有上述特征的计算机系统称为分时系统，它允许多个用户同时联机使用计算机。
问题：无法对特殊任务做出及时响应

第七个阶段——实时系统

特点：1.及时响应,每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。
           2.可靠性高,需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。
    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。于是就产生了实时系统，即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。
    实时系统可分成两类：

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。
实时信息处理系统。当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时，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。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。