操作系统的发展

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导言

操作系统的发展阶段：手工操作阶段、批处理阶段(单道批处理系统，多道批处理系统(操作系统开始出现))、分时操作系统、实时操作系统。而随着操作系统的发展，网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统也出现了。
下面将介绍每个阶段的过程以及优缺点。(各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点)

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手工操作阶段

过程：用户把程序写在纸带上(其实就是在纸带上打孔)，然后输入到计算机中，计算机随后会处理这个程序，把输出结果又放在纸带中(其实还是打孔)，展示给用户看。
由于用户在纸带上编写程序的速度很慢，纸带输入输出的速度也很慢，而计算机的处理速度快，所以系统资源的利用率极低。
主要缺点: 用户独占全机，人机速度矛盾导致系统资源利用率极低。

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批处理阶段

单道批处理系统

单道批处理系统引入了脱机输入/输出技术(用磁带完成)，但是每次只能往内存中输入一道程序，监督程序(这是操作系统的雏形)负责控制程序的输入输出。
过程：多个用户把程序写在纸带上，然后通过外围机录入到磁带中，监督程序会控制程序的输入和输出，每次只允许计算机内存中存在一道用户程序。

PS：最后的"…"就是完成信息向用户展示的任务。

由于磁带录入到处理器中的速度比纸带快得多，所以单道批处理系统一定程度上缓和了人机速度矛盾，资源利用率有所提升，
主要优点: 缓和了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
主要缺点: 内存中仅能有一道用户程序运行，只有该程序运行结束后才能调入下一道程序，CPU有大量的空闲时间是在等待I/O完成，资源利用率依然很低。

在这里要解释一下，什么叫"CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成"，I/O其实就是输入/输出(Input/Output)。这句话的意思就是，程序在输入输出的时候，什么事情都不做，必须等输入输出完成，该程序才做接下来的事情。
举个现实的例子：你去买宵夜，你和奶茶小贩说："老板，我要一杯奶茶"后，你就在那里等，而不是去买其他的东西。
在这里，你就是CPU，奶茶小贩就是输出设备，而你向奶茶小贩说了你的需求(这就是CPU要输出设备做的事)后，你没做其他的事情，而是站在那里等，那这个等的时间就是空闲时间，其实你可以在这个空闲时间做其他事情。

多道批处理系统(操作系统正式诞生)

每次往计算机内存中输入多道程序，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的并发运行。
过程：和单道批处理系统差不多，只不过是可以向计算机内存中调入多道程序，让他们在计算机内存中并发运行。
主要优点：多道程序并发运行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升，CPU和其他资源保存"忙碌"状态的时间增长。
主要缺点：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只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己作业的执行)

这里举个例子说说：为什么多道批处理系统能使资源利用率大幅提升呢?
假如现在计算机中有3个设备，输入设备、CPU、输出设备，他们分别负责输入、计算、输出。
那现在有3个作业，每个作业需要1s输入,1s计算，1s输出。
假如采用单道批处理系统。那过程将如下图。

可以看出，
输入设备的工作区间为[0,1]，[3,4]，[6,7]。
CPU的工作区间为[1,2]，[4,5]，[7,8]。
输出设备的工作区间为[2,3]，[5,6]，[8,9]。
这些设备的工作区间都没有重叠。
整个过程用了9s。

假如采用多道批处理系统。那过程将如下图。

可以看出，
输入设备的工作区间为[0,3]。
CPU的工作区间为[1,4]。
输出设备的工作区间为[2,5]。
这些设备的工作区间有重叠，而且在[2,3]时，输入设备，CPU，输出设备都在工作。
整个过程用了5s。

从对比可以看出，多道批处理系统能使资源利用率大幅提升，也提升了工作效率。

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分时操作系统

概述：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。
(时间片就是一个很短的时间，比如50ms)
图示如下：
主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题，允许多个用户使用一台电脑，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。
主要缺点：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，循环地为每一个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性(有时候我们需要某个作业被马上执行，比如导弹发射，如果不能实时操作，必将产生灾难性的后果)

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实时操作系统

为了解决分时操作系统不区分任务的紧急性的问题，实时操作系统诞生了。
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后能及时进行处理，并且要在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。
主要优点: 能优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。
当然，实时操作系统也分为2类：

1. 硬实时系统(必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如导弹控制系统、自动驾驶系统)
2. 软实时系统(能偶尔违反时间规定，如12306火车订票系统，有时候票的余量是不准确的，但是也不妨碍系统的正常运行)

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其他几种操作系统

• 网络操作系统：网络操作系统伴随着计算机网络的发展而诞生，能把网络中的各个计算机有机地结合起来，实现数据传输等功能，实现网络中各种资源的共享(如文件共享)以及各台计算机之间的通信。

• 分布式操作系统: 主要特点是分布性和并行性，系统之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，他们并行、协同完成这个任务。

• 个人操作系统: 如 Windows XP，windows 7，10，macOS，方便个人使用。

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总结

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感谢

以上内容大部分来自王道操作系统系列视频教学。

思维导图：

手工操作阶段：

不难看出，人机速度之间存在着极大的矛盾，计算机可以很快的处理数据，而手工装/取纸带的速度相对而言就极慢，这样就会导致问题计算机资源利用率极低，长期处于空闲状态，而且当时计算机造价昂贵；基于这样的缺点，产生了单道批处理系统，进入批处理阶段

批处理阶段：

1、批处理阶段——单道批处理系统：

相比于手工操作阶段，它在一定程度上缓解了人机矛盾，完成一个作业的时间减少，提高了资源的利用率；但是在同一时刻，仍然只能运行一个作业，cpu有很大一部分时是在等待I/O完成，实际上其资源利用率仍然不高；基于这种缺点，产生了多道批处理系统

2、批处理阶段——多道批处理系统：

相比于单道批处理系统，多个作业可以并发进行，共享资源；此时，操作系统正式诞生；极大的提高了资源的利用率；
但是，作业3想要得到结果，就必须等待作业12完成，用户的响应时间太长，而且没有人机交互功能；
基于这样的缺点，产生了分时操作系统

分时操作系统：

分时操作系统以时间片为单位，轮流为各个用户/作业服务，解决了人机交互的问题，同时用户的请求也可以到及时的响应；
但是在计算机看来，每个用户/作业绝对公平，轮流作业；因此就无法优先处理紧急的作业或者优先级较高的作业；
基于这种缺点，产生了实时操作系统

实时操作系统：

主要确保作业的及时性和可靠性，对于优先级较高的作业可以优先执行，而不需要时间片排队。

其他操作系统：

目录

1.知识总览

​2.手工操作阶段

3.单道批处理系统

4.多道批处理系统

5.多道批处理系统和单道批处理系统比较

6.分时操作系统

7.实时操作系统

8.其他几种操作系统

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1.知识总览

2.手工操作阶段

3.单道批处理系统

4.多道批处理系统

 

5.多道批处理系统和单道批处理系统比较

 

 

 由上面的两个图可知：

由于 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

6.分时操作系统

7.实时操作系统

主要优点：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。

 

8.其他几种操作系统