12操作系统的形成和发展.ppt
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1、主要内容: 人工操作阶段 管理程序阶段 多道程序设计与操作系统的形成 操作系统的分类,1.2 操作系统的形成和发展,第一代计算机:从计算机诞生到50年代中期的计算机。 1. 计算机的应用模式 人工控制和使用计算机的过程大致如下: (1)人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上; (2)将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机; (3)汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡片或穿孔带上的源程序; (4)执行汇编过程或编译过程,产生目标程序,并输出到目标卡片迭或纸带; (5)通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机; (6)启动目标程序执行,从输入机上读入人工装好的数据卡片或数据带上
2、的数据; (7)产生计算结果,执行结果从打印机上或卡片机上输出。,一、人工操作阶段(无操作系统)(1),2. 严重缺点 (1)用户上机独占全机资源,造成资源利用率不高,系统效率低下。 (2)手工操作多,浪费处理机时间,也极易发生差错。 (3)数据的输入,程序的执行、结果的输出均联机进行,从上机到下机的时间拉得非常长。 随着计算机硬件速度的不断提高,程序的实际运行时间显著减少,人工操作时间却变化不大,导致人机矛盾不断突出,CPU与慢速I/O设备之间的矛盾也日益突出,这些现象表明计算机的使用方式急需改变。,一、人工操作阶段(无操作系统)(2),1. 计算机的应用模式 早期批处理系统借助于作业控制语
3、言而不再是开关和按钮来控制作业的执行过程,实现了从计算机的手工操作方式到脱机操作方式的转变。用户上机时需要向操作员提交程序、数据和作业控制卡,操作员收集到一批作业后一起把它们放到卡片机上输入计算机。计算机上则运行一个驻留在内存的管理程序,以对作业进行自动控制和成批处理,自动进行作业转换减少了系统空闲时间和手工操作时间。 其工作流程如下: 操作员集中一批用户提交的作业,由管理程序将这批作业从纸带或卡片机输入到磁带上,每当一批作业输入完成后,管理程序自动把磁带上的第一个作业装入内存,并把控制权交给作业。当该作业执行完成后,作业又把控制权交回管理程序,管理程序再调入磁带上的第二个作业到内存执行,如此
4、重复,直到磁带上的作业全部做完。,二、管理程序阶段 (1),管理程序内存组织:,其最主要的特点是实现作业到作业的自动转换,让计算机尽可能地连续运转,克服人工操作机器等人的缺点。,二、管理程序阶段 (2),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交替计算的方法。也即计算机内存中同时存放了多道程序,它们都处于开始和结束点之间。 从宏观上看,多道程序并发运行,它们都处于运行过程中,但都未运行结束。 从微观上看,多道程序的执行是串行的,各道程序轮流占用CPU,交替地执行。 多道程序设计技术的硬件基础是中断和通道技术。 引入多道程序设计技术的根本目
5、的是提高CPU的利用率,充分发挥计算机系统部件的并行性,一些应用问题也只有靠多道程序设计技术才能有效解决。,三、多道程序设计与操作系统的形成,2.多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐量的原理 例如计算某个数据处理问题P1,要求从输入机上输入500个字符(花78ms),经CPU处理52ms后,将结果2000个字符存到磁带上(花20ms),重复进行,直至输入数据全部处理完毕。 单道算题运行时处理器的使用效率分析:,此时处理机的利用率为:52/(78+52+20) 35% 为提高效率,让计算机同时接受两道算题,当第一道程序在等待外围设备的时候,让第二道程序运行,降低CPU空等时间,处理器的利用率
6、显然可以有所提高。 例如,在计算P1的同时,计算机还接受了另一算题P2:从另一台磁带机2上输入2000个字符(花 20ms),经42 ms的处理后,从行式打印机上输出两行(约花 88ms) 。 两道算题运行时处理器的使用效率分析:,此时处理机的利用率为:(52+42)/(78+52+20) 63%,78,52,P1,P2,42,20,78,52,P1,P2,42,20,输入机,处理器,磁带机1,时 间,磁带机2,打印机,78,52,P1,P2,42,20,3.多道程序设计的利弊 1)采用多道程序设计提高了CPU、内存和I/O设备的利用率,改进了系统的吞吐率,发挥了系统的并行性,提高了效率,增加
7、了单位时间的算题量 。 2)对每道程序来说,延长了作业周转时间。多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐量是以牺牲用户的响应时间为代价的。 例如,甲、乙两道程序,独占计算机单道运行时每道花一个小时,若此时处理器利用率为30,粗略地说,甲(或乙)程序执行时所需要的处理器时间为: 1小时3018分钟 假定按多道程序设计方法运行,处理器的利用率达50,提供36分钟的CPU时间,约要运行72分钟。加上系统开销,若共花80分钟。,单道运行时,甲、乙依次执行完需120分钟。因而;采用多道程序设计方法后可以提高效率: (12080)12033 甲、乙两道程序,如果单道运行,它花60分钟就可得到结果,多道运行
8、时,却要花80分钟才有结果,延长了20分钟,即延长了33的时间。 (80-60)/60=33% 4.多道程序设计的道数问题 多道程序设计的道数多少不是任意的。 并不是道数越多,效率就越高。 内存储器的容量和用户的响应时间等因素也影响多道程序道数的多寡。,三、多道程序设计与操作系统的形成 (6),CPU利用率计算: 假定一道程序运行中的CPU空闲时间的比例为p,则: 单道程序执行,CPU利用率为:1p; 两道程序并发,CPU利用率为:1-p2 n道程序并发,CPU利用率为:1pn 内存容量的影响 增加内存可以增加并发执行的程序的数目,但是增加幅度随着数目增多而减小; 内存本身的成本会抵消由于CP
9、U利用率提高而节约的CPU时间成本。,5.多道程序设计系统与多重处理系统 多重处理系统是指配置了多个物理CPU,能真正同时执行多道程序的系统。要有效地使用多重处理系统,必须采用多道程序设计技术;反过来,多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持。 6.实现多道程序设计必须妥善地解决三个问题 存储保护与程序浮动; 处理器的管理和调度; 系统资源(外围设备)的管理和调度。,7.操作系统的形成 随着磁盘的问世,相继出现了多道批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统,这标志着操作系统正式形成(六十年代中期)。 有了操作系统,计算机资源管理水平和操作自动化程度进一步提高,表现在: 提供存储管理、文件管理
10、、设备管理功能。 支持分时操作。 多道程序设计趋于完善。,操作系统可分为三种基本类型: 批处理操作系统 (1)工作机制(模式)及定义 批处理操作系统(Batch Operating System):用户把要计算的应用问题编成程序,连同数据和作业说明书一起交给操作员,操作员集中一批作业,输入到计算机中。然后,由操作系统来调度和控制作业的执行。这种批量化处理作业方式的操作系统称为批处理操作系统(Batch Operating System)。 (2)批处理系统的主要特征(优缺点) 用户脱机工作:用户提交作业后直至获得结果之前不再和计算机及他的作业交互,不利于调试和修改程序。 成批处理作业,五、操作
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