淺談操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

張菡

摘 要：操作系統(tǒng)的發(fā)展與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，本文主要介紹了從世界上第一臺計算機(jī)誕生以來至今，操作系統(tǒng)發(fā)展的6個階段，以及每個階段中操作系統(tǒng)的不同特點。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng);批處理;分時;實時

引言

操作系統(tǒng)是由于客觀的需要而產(chǎn)生的，它伴隨著計算機(jī)技術(shù)本身及其應(yīng)用的日益發(fā)展而逐漸發(fā)展和不斷完善。它的功能由弱到強(qiáng)，在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位不斷提高。至今，它已成為計算機(jī)系統(tǒng)中的核心。隨著計算機(jī)的迅猛發(fā)展，操作系統(tǒng)經(jīng)歷了如下的發(fā)展過程：手工操作階段、單道批處理系統(tǒng)、多道批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)、現(xiàn)代操作系統(tǒng)。

1.手工操作階段

在第一代計算機(jī)時期，構(gòu)成計算機(jī)的主要元器件是電子管，計算機(jī)運(yùn)算速度慢，用戶直接用機(jī)器語言編制程序，并在上機(jī)時獨占全部計算機(jī)資源。用戶既是程序員，又是操作員。這種由一道程序獨占機(jī)器且有人工操作的情況，在計算機(jī)速度較慢時是允許的，因為此時計算機(jī)所需時間相對較長，手工操作所占比例還不很大。

20世紀(jì)50年代后期，計算機(jī)的運(yùn)行速度有了很大提高，從每秒幾千次、幾萬次發(fā)展到每秒幾十萬次、上百萬次、這時手工操作的慢速度和計算機(jī)的高速度之間形成矛盾，唯一的解決辦法是擺脫人的手工操作，實現(xiàn)作業(yè)的自動過渡。這樣就出現(xiàn)了批處理。

2. 單道批處理系統(tǒng)

將每個人要做的作業(yè)事先輸入到磁帶中，由專門的監(jiān)督程序控制運(yùn)行一個個作業(yè)，以減少CPU空閑時間的操作系統(tǒng)稱為批處理系統(tǒng)。這個時期，計算機(jī)內(nèi)存中只能存放一道作業(yè)，所以稱為單道批處理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)較之手工操作方式提高了計算機(jī)運(yùn)行效率，但是由于CPU和外設(shè)串行執(zhí)行，而CPU比外設(shè)速度快得多，因此CPU必須等待一道作業(yè)I/O讀寫結(jié)束后，才能執(zhí)行下一道作業(yè)。

許多成功的批處理系統(tǒng)在20世紀(jì)50年代末至60年代初出現(xiàn)，典型的操作系統(tǒng)是FMS和IBM操作系統(tǒng)IBSYS。執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)了主機(jī)、通道和輸入輸出設(shè)備的并行操作，提高了系統(tǒng)效率，方便用戶對輸入輸出設(shè)備的使用。但這時計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的特征是單道順序地處理作業(yè)，即用戶作業(yè)仍然是一道一道作業(yè)順序處理。因此會出現(xiàn)兩種情況：對于以計算為主的作業(yè)，輸入輸出少，外設(shè)空閑;對于以輸入輸出為主的作業(yè)，又會造成主機(jī)空閑。這樣總的來說，計算機(jī)資源使用效率不高。因此操作系統(tǒng)進(jìn)入了多道程序階段。

3. 多道批處理系統(tǒng)

在批處理系統(tǒng)中采用多道程序設(shè)計技術(shù)，就形成了多道批處理系統(tǒng)。要處理的許多作業(yè)存放在外部存儲器中，形成作業(yè)隊列，等待運(yùn)行。到需要調(diào)入作業(yè)時，將由操作系統(tǒng)中的作業(yè)調(diào)度程序?qū)ν獯嬷械囊慌鳂I(yè)，根據(jù)其對資源的要求和一定的調(diào)度原則，調(diào)幾個作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，讓它們交替運(yùn)行。當(dāng)某個作業(yè)完成后，再調(diào)入一個或幾個作業(yè)。采用這種處理方式，在內(nèi)存中總是同時存在幾道程序，系統(tǒng)資源得到比較充分的利用。

在多道程序系統(tǒng)中，要解決這樣一些技術(shù)問題：

（1）并行運(yùn)行的程序要共享計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，既有對資源的競爭，又必須相互同步。因此同步與互斥機(jī)制成為操作系統(tǒng)設(shè)計中的重要問題。

（2）隨著多道程序的增加，出現(xiàn)了內(nèi)存不夠用的問題，提高內(nèi)存的使用效率也成為關(guān)鍵。因此出現(xiàn)了覆蓋技術(shù)、兌換技術(shù)、虛擬技術(shù)等內(nèi)存管理技術(shù)。

（3）由于多道程序存在于內(nèi)存，為了保證系統(tǒng)程序存儲區(qū)和各用戶程序存儲區(qū)的安全可靠，提出了內(nèi)存保護(hù)要求。

4.分時操作系統(tǒng)

批處理方式的好處是計算機(jī)效率高，但用戶十分留戀手工操作階段的聯(lián)機(jī)工作方式，獨占計算機(jī)，并直接控制程序運(yùn)行。但獨占計算機(jī)方式會造成資源效率低。既能保證計算機(jī)效率，又能方便用戶使用，成為一種新追求。20世紀(jì)60年代中期，計算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展使這種追求成為可能。由于CPU速度不斷提高和采用分時技術(shù)，一臺計算機(jī)可同時連接多個用戶終端，每個用戶在自己終端上聯(lián)機(jī)使用計算機(jī)，好像自己獨占計算機(jī)一樣。

分時技術(shù)，就是把處理機(jī)的運(yùn)行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機(jī)分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。由于計算機(jī)速度很快，作業(yè)運(yùn)行輪轉(zhuǎn)得很快，給每個用戶的印象是好像他獨占一臺計算機(jī)。

5.實時操作系統(tǒng)

當(dāng)計算機(jī)技術(shù)被用于工業(yè)控制領(lǐng)域后，要求計算機(jī)必須及時響應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場或用戶的實時要求，并以足夠快的速度進(jìn)行處理，這時出現(xiàn)了實時操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)是以在允許的時間范圍內(nèi)做出響應(yīng)為特征。它要求計算機(jī)對于外來信息能以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在被控對象允許時間范圍內(nèi)做出快速響應(yīng)，實時操作系統(tǒng)在嵌入式計算中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

6.現(xiàn)代操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的發(fā)展，合起來稱為分布式系統(tǒng)。這種系統(tǒng)把多臺計算機(jī)虛擬成一臺計算機(jī)，把一個復(fù)雜的任務(wù)劃分成若干個子任務(wù)分配給多臺計算機(jī)執(zhí)行。

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