计算机硬件技术的发展目标是提高计算机的性能,主要指运算速度。早期主要是提高单处理器的性能,当出现了多处理器后,多个处理器的协同合作可提高计算机的整体性能。操作系统的发展目标是提高处理器的利用率,使计算机的硬件特性能够充分发挥出来。1956年出现了第一个操作系统GM-NAA I/O,该系统是鲍勃·帕特里克在美国通用汽车的系统监督程序的基础上,为美国通用汽车和北美航空公司在IBM 704计算机上设计的基本输入输出系统,可以成批地处理作业,在一个作业结束之后,它会自动执行新的作业。

(1)人工阶段

从1946年第一台通用计算机(ENIAC)诞生到20世纪50年代中期,由于计算机存储容量小,运算速度慢,外部设备少等原因,人们使用计算机只能采用人工操作的方式,根本没有操作系统的概念。在人工操作情况下,用户一个接着一个地轮流使用计算机。每个用户的使用过程大致如下:

①把手工编写的程序(机器语言编写的程序)穿成纸带(或卡片)装进输入机。

②经人工操作把程序和数据输入计算机。

③通过控制台开关启动程序运行。

④待计算完毕,用户拿走打印结果,并卸下纸带(或卡片)。

在这个过程中需要进行人工装纸带、人工控制程序运行、人工卸纸带等一系列的“人工干预”。这种由一道程序独占机器的情况,在计算机运算速度较慢的时候是可以容忍的。随着计算机技术的发展,计算机的速度、容量、外设的功能和种类等方面都有了很大的发展。比如,计算机的速度就有了几十倍、上百倍的提高,故使得手工操作的慢速度和计算机运算的高速度形成了一对矛盾,即“人—机矛盾”。

人工操作方式有两个主要缺点:

①用户独占整个计算机。一台计算机的全部资源由一个用户独占使用。

②CPU利用率偏低。当用户装卸纸带/卡片、纸带/卡片机运行、打印输出结果时,CPU处于空闲状态。

相对于CPU的运行速度,手工操作和纸带/卡片机、打印机等外设的速度是很慢的,使得高速的CPU绝大部分时间在等待慢速的手工操作和外设运行,计算机资源得不到有效利用。要知道这一时期都是价格昂贵的大型计算机。

(2)批处理操作系统

为了充分利用计算机的时间,减少空闲等待,缩短作业的准备和建立时间,人们研究了驻留在内存中的管理程序。批处理操作系统的主要流程:操作员集中一批用户提交的作业,由管理程序将这一批作业装到输入设备上(如果输入设备是纸带输入机,则这一批作业在一盘纸带上。若输入设备是读卡机,则该批作业在一叠卡片上),管理程序自动把第一个作业装入内存,使其被计算机处理。当该作业完成,管理程序再调入第二个作业到内存。只有一个作业处理完毕后,管理程序才可以自动地调度下一个作业进行处理,依次重复上述过程,直到该批作业全部处理完毕。

这里要说明的是,作业指用户在一次数据处理中要求计算机所做的全部工作的总和,由用户程序、数据和作业说明书组成。它曾是早期操作系统的一个重要概念,现代操作系统中已经很少使用这个概念。批处理操作系统分为单道批处理操作系统和多道批处理操作系统。

1)单道批处理操作系统

操作员把接收到的一批用户作业存放在外存,由操作系统自动地一次调用一道作业进入内存运行。这种处理方法减少了人工操作的干预时间,提高了计算机的利用率。但是一个作业在运行时,若提出输入或输出请求,那么CPU就必须等待输入或输出的完成,这就意味着CPU仍可能长时间空闲。这就是早期的单道批处理操作系统的工作模式,虽然减少了等待人工操作的时间,但仍需要等待输入或输出的操作时间。

单道批处理操作系统的代表是FMS(FORTRAN Monitor System)和IBM公司为IBM 7094计算机配置的IBSYS操作系统。

2)多道批处理操作系统

多道批处理操作系统改进了单道批处理操作系统的不足。从外存中把多个作业同时调入内存,当某个作业需要输入或输出时,CPU为该作业启动相应的输入或输出操作后就转去执行下一道作业。这样,第二道作业的执行与第一道作业的输入或输出并行工作,从而进一步减少CPU的等待时间。但多道批处理操作系统仍有其不足,用户不能干预自己作业的执行,即使发现错误也不能及时改正,缺乏人机交互。(www.daowen.com)

用于IBM 4300系列大型机的DOS/VS和DOS/VES操作系统是多道批处理操作系统的代表。

把一批作业放入外存(当时主要用的是磁带)可以有脱机方式和联机方式。脱机批处理系统由主机和卫星机组成,卫星机又称外围计算机,它不与主机直接连接,只与外部设备打交道。作业通过卫星机输入磁带上,当主机需要输入作业时,就把输入带同主机连上。主机从输入带上把作业调入内存,并予以执行。作业完成后,主机把结果记录到输出带上,再由卫星机负责把输出带上的信息打印输出。这样,主机摆脱了慢速的输入/输出工作,可以较充分地发挥它的高速计算能力。同时,由于主机和卫星机可以并行操作,因此脱机批处理系统与早期联机批处理系统相比,系统的处理能力大大提高了。脱机输入输出方式的主要优点如下:

①减少了CPU的空闲时间。装卸纸带/卡片、作业从低速的纸带/卡片机送到高速的磁带上,都是在脱机情况下进行的,不占用主机时间,从而有效地减少了CPU的空闲时间。

②提高了输入输出速度。当CPU在运行中需要输入或输出数据时,是直接通过高速的磁带机进行,节省了输入输出时间,进一步减少了CPU的空闲时间。

这里说明一下,虽然我们把这个阶段的系统叫作操作系统,但严格意义上还没形成真正的操作系统,只是一个利用程序管理的阶段,这里算是操作系统的雏形。

(3)分时操作系统

分时(time sharing)操作系统的工作方式:一台主机连接了若干个终端,每个终端有一个用户使用。用户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。用户根据上一步的处理结果发出下一道命令。

分时操作系统是把计算机的系统资源(主要是CPU)在时间上加以分割,形成一个个微小的时间段,每个微小时间段称为一个时间片,每个用户依次使用一个时间片,从而可以将CPU的工作时间轮流提供给多个用户使用。一台计算机可以连接多个控制台或终端,最终使多个用户通过这些控制台和终端共享使用一台计算机。由于时间片非常小,用户感觉不到有别人在和自己共享使用计算机,就如同自己的专用计算机一样。同时每个用户可以通过控制台或终端控制自己程序的运行,具有人机对话功能,这就克服了批处理系统的不足。需要说明的是,根据计算机的性能高低,对连接终端的个数是有一定限制的,超出这个限制,用户会感觉计算机的速度变慢。

分时系统具有多路性、交互性、“独占”性和及时性的特征。多路性是指同时有多个用户使用一台计算机,从宏观上看是多个作业同时使用一个CPU,从微观上看是多个作业在不同时刻轮流使用CPU;交互性是指用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步);“独占”性是指用户感觉不到计算机为其他人服务,就像整个系统为他所独占;及时性是指系统对用户提出的请求及时响应。

常见的通用操作系统是分时系统与批处理系统的结合。其原则是分时优先,批处理在后。“前台”响应需频繁交互的作业,如终端的要求;“后台”处理时间性要求不强的作业。

(4)实时操作系统

实时操作系统是一种能在限定时间内对外部事件做出响应和处理的计算机系统,可以分为实时控制系统和实时信息系统。实时控制系统是以计算机为中心的过程控制系统,如自动化生产线控制系统。实时控制系统属于硬实时任务,系统必须满足对限定时间的要求,否则会产生严重的后果。实时信息系统通常是指实时信息处理系统,如12306火车订票系统,实时信息系统属于软实时任务,系统对限定时间的要求并不十分严格,偶尔的超时也不会产生严重后果。

能够满足实时系统要求的操作系统称为实时操作系统,实时操作系统是指使计算机能及时响应外部事件的请求,在严格规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。实时操作系统追求的主要目标是对外部请求在严格时间范围内作出反应,具有高可靠性和完整性。当然,一个计算机系统的实时性既依赖于实时操作系统,也和计算机的硬件性能密切相关。

现在的嵌入式操作系统都是实时操作系统,如Windows CE,VxWorks等。

(5)通用操作系统

同时具有分时、实时和批处理功能的操作系统称作通用操作系统。显然,通用操作系统规模更为庞大,结构更为复杂,功能也更为强大。开发通用操作系统的目的是为用户提供多模式的服务,同时进一步提高系统资源的利用效率。

在通用操作系统中,可能同时存在3类任务:实时任务、分时任务和批处理任务,这3类任务通常按照其急迫程度加以分组。实时任务级别最高,系统优先处理;分时任务次之,当没有实时任务时,系统为分时用户服务;批处理任务级别最低,既无实时任务也无分时任务时,系统才执行批处理任务。

UNIX的早期版本就是当时通用操作系统的典型代表,现在常用的操作系统Windows,UNIX和Linux都属于通用操作系统。