分时操作系统和多道程序操作系统的区别


    多道程序系统是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。 两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始和结束之间的状态。这就称为多道程序技术运行的特征：多道、宏观上并行、微观上串行。



    多道程序设计指的是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。也就是说，计算机内存中可以同时存放多道（两个以上相互独立的）程序，它们都处于开始和结束之间。从宏观上看是并行的，多道程序都处于运行中，并且都没有运行结束；从微观上看是串行的，各道程序轮流使用CPU，交替执行。引入多道程序设计技术的根本目的是为了提高CPU的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性，现代计算机系统都采用了多道程序设计技术。


    分时操作系统是使一台计算机同时为几个、几十个甚至几百个用户服务的一种操作系统。把计算机与许多终端用户连接起来，分时操作系统将系统处理机时间与内存空间按一定的时间间隔，轮流地切换给各终端用户的程序使用。由于时间间隔很短，每个用户的感觉就像他独占计算机一样。分时操作系统的特点是可有效增加资源的使用率。例如UNIX系统就采用剥夺式动态优先的CPU调度，有力地支持分时操作。


    分时操作系统是给不同用户提供程序的使用，而多道程序系统则是不同程序间的穿插运行。


    总之，分时操作系统主要是针对于多用户来说的，而多道程序系统主要是针对于多程序来说的，注意用户和程序之间的区别。

最近开始学习操作系统原理这门课程，特将学习笔记整理成技术博客的形式发表，希望能给大家的操作系统学习带来帮助。同时盼望大家能对文章评论，大家一起多多交流，共同进步！ 

本篇文章大致内容为：

批处理系统(Batch OS)
多道程序系统(Multiprogramming System)
分时系统(Time-sharing System)
实时系统(Real-time System)
操作系统操作(Operatin-system Operations)
批处理系统(Batch OS)

批处理系统主要用于大型系统，用于提高作业吞吐量(Throughout，单位时间内执行作业的数量)的系统。 

批处理中基本无交互，存在两种调度： 

1. Job Schedule(作业调度)，即将所要做的作业放到内存上，主要负责工作的道数，属于高级调度。 

2. CPU Schedule(进程调度)，即在内存中CPU选择执行某个工作，属于低级调度。 


进程的三个状态：就绪(Ready)，运行(Running)，等待(Waiting)／阻塞(Blocking)



多道程序系统(Multiprogramming System)

优点： 

1. Improve CPU utilization 2% –> 100%(in theory) 
注：但程序道数越多，系统消耗(overhead)越高，会造成CPU有效利用率降低 

2. Improve memory and I/O device utilization. 

3. Increase system throughout. 
特点： 

1. 多道 

2. 无序(unordered)，执行是无序的，即用户不知道进程状态，但系统知道当前进程的状态 

3. 调度性(scheduling) 
缺点：交互性低



分时系统(Time-sharing system)

定义：将CPU的执行时间分成一个个的时间片(time slice)，多用户中的每个用户轮转时间片，非常适合交互型作业。 
Memory sharing(储存共享) + time sharing(时间共享) –> multiprogramming(多道系统) + interaction(交互) 

时间片的选择必须大雨系统内的中断切换时间，且时间段切换需要有度！！！ 

分时系统特点： 

1. 交互性强，因其主要为交互型作业设计； 

2. 多道（路）性； 

3. 及时性； 

4. 独占性。 
影响分时操作系统性能的因素： 

1. 用户数目； 

2. 时间片大小； 

3. 每次时间片切换是对换的数据量。 
分时系统是一个通用系统，即不限制任务的数目和状态。



实时系统(Real-Time Systems)

定义：实时系统主要用于专用系统(used in dedicated application)，有着非常严格的固定时间要求(well-defined fixed-time constraints)。 

按照deadline不同可分为硬实时(hard real-time)和软实时(soft real-time)： 
硬实时操作系统: deadline要求高，即要求在很短的时间片内处理 

1. Secondary storage (disk) limited or absent; 

2. Data stored in memory, or read-only memory(ROM). 
软实时操作系统：deadline要求较低，即可在较长时间片内处理，但是，还是需要在一个时间片内处理 

1. Limited utility in industrial control of robotics; 

2. Useful in multimedia, virtual reality, etc. 

实时系统特性： 

1. 及时性； 

2. 独占性（双工：两端都有计算机做相同操作以防一端计算机出现故障，用于火箭和导弹控制） 

3. 多路性； 

4. 交互性（略有限）。



操作系统操作(Operating-System Operations)

Dual-mode operations(双模式操作)：User mode(用户模式／目标态) && kernel mode(内核模式／管理态) 

相应的，操作系统指令分为特权指令(privileged instruction)和非特权指令。 

特权指令：clear memory, set time, I/O instruction. 

非特权指令：read time 

对于将数据输出到显示屏的操作，就通过了系统调用（system call）产生了一次自陷(trap)从而从用户模式切换到了内核模式。 

在IO的读写操作中，操作系统如何判断是否在该进程指定的内存空间进行读写操作？ 

CPU中配置了一组寄存器(base register & length register)，在每次进行I/O操作时即可判断该进程是否越界(< base || > base + length)。当出现以上两种状态时CPU即产生越界中断。每个进程的base register & length register均存储在操作系统区的进程控制块(PCB: Process Control Block)中，当每个进程被创建之初，该进程控制块就被创建与操作系统区，里面记录了该进程的相关信息，类似于一种数据结构。


1.多道批处理系统

在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。

在多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”。然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。其优缺点为：

（1）资源利用率高；

（2）系统吞吐量大：系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的主要原因可归纳为：第一,CPU和其它资源保持“忙碌”状态；第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小；

（3）平均周转时间长；

（4）无交互能力。
2.分时系统
分时系统与多道批处理系统之间有着截然不同的性能差别，它能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。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。其特征为：

（1）多路性：允许在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。

（2）独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。

（3）及时性：用户的请求能在很短的时间获得响应。

（4）交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。
3.实时系统
所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。其应用需求主要在实时控制和实时信息处理。

1.多道程序设计的概念

      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。 多道批处理系统中，用户提交的作业都存放在外存中，并形成队列，这个队列称为"后备队列；然后作业调度程序按照作业调度算法将若干作业调入内存，CPU同时执行，以达到CPU和资源的共享，提高资源的利用率和系统的吞吐量的目的。

多道批处理系统的特征

      多道性。在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，从而有效地提高了资源的利用率和系统的吞吐量。 

      无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间没有严格的对应关系。 

      调度性。作业提交给系统开始直到完成，需要经过作业调度和进程调度。

多道批处理系统的优缺点

      优点：资源利用率高，由于内存中装入了多道程序，使资源一直处于使用状态，从而使资源得到了充分的利用；系统吞吐量大，由于CPU和其他资源一直保持"使用"状态，仅当作业完成或者其他原因时才会进行切换，所以系统开销比较小，吞吐量比较大。

      缺点：平均运转周期较长，作业的周转时间是指从作业进入系统开始到完成并推出系统经历的时间，由于作业在外存中要形成"后备队列"，进而内存有优先顺序，因而作业可能很长时间不能运行，所以周期较长；无交互能力,当作业提交给系统后，用户不能再与作业交互，无法修改或者调试。

2.分式操作系统
分时操作系统：是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务。对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力。
原理：一台主机连接了若干个终端；每个终端有一个用户在使用；交互式地向系统提出命令请求；系统接受每个用户的命令；采用时间片轮转方式处理服务请求；并通过交互方式在终端上向用户显示结果；用户根据上步结果发出下道命令。
特点：


交互性（同时性）：用户与系统进行人机对话。用户在终端上可以直接输入、调试和运行自己的程序，在本机上是修改程序中的错误，直接获得结果。

多路性（多用户同时性）：多用户同时在各自终端上使用同一CPU和其他资源，充分发挥系统的效率。

独立性：用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。

及时性：用户在短时间内可得到系统的及时回答。
区别：分时操作系统主要是针对于多用户来说的，而多道程序系统主要是针对于多程序
来说的，注意用户和程序之间的区别。