二、操作系統的發展

1、“需求推動發展”

2、操作系統的歷史在某種意義上來說也是計算機的歷史。目標:管理控制、充分利用硬件并提供更好的服務大型機→PC機→后PC時代計算機硬件的發展經歷了如下的階段：操作系統也隨之經歷了各個不同的階段。操作系統第一頁，共四十頁。第一臺數字計算機英國數學家CharlesBabbage（1792-1871）設計Babbage投入了畢生精力，但卻沒能讓它成功地運行起來因為純機械，當時的技術不可能達到需要的精度當然，這個分析機沒有操作系統操作系統第二頁，共四十頁。注釋A：她預言了通用計算機的作用，認為分析機可以接受各種各樣的穿孔卡：“控制卡”、“數據卡”、“操作卡”，它們如何使計算機自動地對輸入的數據完成正確的操作。換句話說，計算機能“分析數據”。她還提議數字和其他符號如字母都可以“編碼”成數字數據，機器可以處理它們，并給出寫成的數據。她甚至要為分析機能產生音樂而奮斗。注釋B：ada討論了分析機的記憶能力，她把記憶裝置稱為“倉庫”。她提出了存儲位置或地址的想法。 她指出插入“注解或備忘”的可能性，計算機不會執行它們，但可以讓人們簡明地了解程序將走向何方。注釋C：ada引入“返回”(backing)的概念，制作一個操作卡返回到某個位置，而它就是將要工作的下一個數據卡。這個思想我們今天稱為”循環”

。注釋D：ada解釋了如何使用操作卡、返回、倉庫以及各種控制卡，以寫成一個指令序列，去完成一個特定的操作集合。注釋E：她解釋了機器如何擁有三角函數和其他函數。這就在計算機內部引入了內建函數(built-infunction)的思想。注釋F：ada警告讀者，如果輸入“不真實”的信息，那么計算機就不能做任何事 今天我們把這稱為“輸入垃圾，輸出垃圾”(Garbagein,Garbageout)。第一位計算機程序員——Ada操作系統第三頁，共四十頁。二戰對武器設計的需要，美國、英國和德國等國家開始了電子數字計算機的研究工作哈佛大學的HowardAiken普林斯頓高等研究院的JohnvonNeumann賓夕法尼亞大學的J.PresperEckert和WilliamMauchley德國電話公司的KonraadZuse以及其他一些人 都使用真空管成功地建造了運算機器第一代真空管計算機（1945年-1955年）時期操作系統第四頁，共四十頁。沒有程序設計語言（甚至沒有匯編），更談不上操作系統程序員提前預約一段時間,然后到機房將他的插件板插到計算機里期盼著在接下來的時間中幾萬個真空管不會燒斷從而可以計算自己的題目ENIAC計算機（美國賓夕法尼亞大學）運算速度：5000次/每秒,18000個真空管,占地182平方米，重量30噸操作系統第五頁，共四十頁。50年代早期出現了穿孔卡片程序寫在卡片上然后讀入計算機但計算過程則依然如舊操作系統第六頁，共四十頁。第二代晶體管計算機（1955年-1965年）時期50年代晶體管發明,計算機比較可靠,可成批生產用戶可指望計算機長時間運行，完成一些工作FORTRAN1954年提出，1956年設計完成ALGOL1958年引入，COBOL1959年引入；設計人員、生產人員、操作人員、程序人員和維護人員之間第一次有了明確的分工運行一個作業：將程序寫在紙上（用高級語言或匯編語言）穿孔成卡片將卡片盒交給操作員計算結果從打印機輸出操作員到打印機上撕下運算結果送到輸出室操作員從輸入室的卡片盒中讀入一個任務計算（如果是高級語言還需要拿來編譯器）機時在走來走去時被浪費操作系統第七頁，共四十頁。為了解決人機矛盾以及CPU和I/O設備間速度的不匹配引入了I/O處理機概念,即：脫機輸入輸出方式P6其思想是：在輸入室收集全部的作業，用一臺相對便宜的計算機如IBM1401計算機，將它們讀到磁帶上另外用較昂貴的計算機，如IBM7094來完成真正的計算產生批處理操作系統

-現代操作系統雛型操作系統第八頁，共四十頁。（單道）批處理系統處理流程還有下一個作業？把下一個作業的源程序轉化為目標程序源程序是否有錯？是裝配目標程序運行目標程序否是否停止常駐監控程序自動地裝入程序，運行、撤出作業操作系統第九頁，共四十頁。第二代計算機典型的操作系統FMS（FORTRANMonitorSystem，FORTRAN監控系統）IBMSYS（IBM為7094機配備的操作系統）這些操作系統由監控程序，特權指令，存儲保護和簡單的批處理構成操作系統第十頁，共四十頁。第三代集成電路計算機（1965年-1980年）時期多數廠商有幾條完全不同的生產線，生產不同的計算機(如ibm7094和1401)。開發和維護完全不同的產品，對廠商來說是昂貴的另外，新用戶，在開始時只需要一臺小計算機，后來可能需要一臺大的計算機。而且希望能在新計算機上執行原有的程序廠家和用戶需要軟件在不同型號的計算機之間兼容操作系統第十一頁，共四十頁。1964年IBM宣布推出System/360計算機系統第一個采用小規模集成電路的主流機型試圖一次性地解決上述兩個問題引入系列機的思想：同系列中，所有的計算機都有相同的體系結構和指令集。理論上，為一型號編寫的程序可以在其他型號機器上運行操作系統第十二頁，共四十頁。OS/360,龐大的軟件怪獸數千名程序員寫的數百萬行匯編語言代碼系統自身占據了大量存儲空間和一半的CPU時間數百萬行匯編代碼中有成千上萬處錯誤IBM不斷發行新的版本試圖更正這些錯誤每個新版本在更正老錯誤的同時又引入新錯誤所以隨著時間的流逝，錯誤的數量大致保持不變FredbrooksSilberschatzetalTheMythicalMan-Month操作系統第十三頁，共四十頁。1）多道程序設計技術（multiprogramming）在IBM7094機上，若當前作業因等待I/O而暫停，CUP只能踏步直至該I/O完成對于CPU操作密集科學計算問題，浪費時間少；對于商業數據處理，I/O等待時間常占80％－90％解決辦法將內存分幾個部分，每部分放不同的作業，內存中可以同時存放多個作業。操作系統第十四頁，共四十頁。多道批處理系統解決如下的問題處理機管理問題、內存管理問題、I/O管理問題、文件管理問題、作業管理問題 由此可見：操作系統是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地對各類作業進行調度以及方便用戶的程序的集合。操作系統第十五頁，共四十頁。2）Spooling技術SPOOLing技術是在通道技術和多道程序設計基礎上產生的，它由主機和相應的通道共同承擔作業的輸入輸出工作，利用磁盤作為后援存儲器，實現外圍設備同時聯機操作。Spooling技術——假脫機技術

(SimultaneousPeripheralOperationOnLine)

聯機情況下的同時外圍操作。操作系統第十六頁，共四十頁。3）分時系統第三代計算機實質是批處理系統而從一作業提交到結果取回,往往長達數小時一個逗號的誤用會導致編譯失敗而可能浪費程序員半天時間問題的解決導致分時系統的流行操作系統第十七頁，共四十頁。分時系統的思想——1959年在MIT提出1961年在一改裝的IBM7090/94機上開發成功當時有32個交互式用戶是多道程序設計的一個變種，每個用戶有一個聯機終端。在分時系統中，假設20個用戶登錄其中17個在思考或談論或喝咖啡則CPU可分配給那三個需要的作業（輪流服務）第一個分時操作系統CTSS操作系統第十八頁，共四十頁。MULTICS的災難1965年在ARPA的支持下MIT、貝爾實驗室和通用電氣公司決定開發一種“公用計算服務系統”，希望能夠同時支持整個波士頓所有的分時用戶。該系統稱作MULTICS(MULTiplexedInformationandComputingService)MULTICS設計目標是：便利的遠程終端使用，大量終端通過電話線接入計算機主機，同時支持數百名分時用戶。 就象電器設備需要電能時，只需將電器設備接到墻上的插座一樣簡單。操作系統第十九頁，共四十頁。MULTICS研制難度超出了所有人預料長期研制工作達不到預期目標，1969年4月貝爾實驗室退出，通用電氣公司也退出了。 MULTICS于1963年開始，直至1969年才發布，最終，MULTICS成功地應用MULTICS引入了許多現代操作系統領域概念雛形，對隨后操作系統特別是UNIX的成功有著巨大的影響

概念的回歸：公共服務系統——以因特網服務器形式回歸操作系統第二十頁，共四十頁。小型計算機，電子游戲和UNIX的成功1969年，在貝爾退出MULTICS研制項目后，KenThompson和DennisRitchie想申請經費買計算機從事操作系統研究，但多次申請得不到批準項目無著落，他們在一臺無人用的PDP-7上，開始開發簡化的單用戶版MULTICS，并繼續擺弄原來的“太空旅行”游戲。為了使游戲能夠在PDP-7上順利運行，他們陸續開發了浮點運算軟件包、顯示驅動軟件，設計了文件系統、實用程序、shell和匯編程序到了1970年，在一切完成后，給新系統起了個名字UNIX隨后，UNIX用C語言全部重寫，自此，UNIX誕生了操作系統第二十一頁，共四十頁。UNIXUNIX是現代操作系統的代表。Unix運行時的安全性、可靠性以及強大的計算能力贏得廣大用戶的信賴促使UNIX系統成功的因素：首先，由于UNIX是用C語言編寫，因此它是可移植的，UNIX是世界上唯一能在筆記本計算機、PC機、工作站直至巨型機上運行的操作系統第二，系統源代碼非常有效，系統容易適應特殊的需求最后，也是最重要的一點，它是一個良好的、通用的、多用戶、多任務、分時操作系統KenThompson，DennisRitchie1983年圖靈獎獲得者1999年4月美國國家技術金獎操作系統第二十二頁，共四十頁。操作系統第二十三頁，共四十頁。第四代大規模集成電路計算機（1980年-至今）隨著大規模集成電路發展，硬件非常便宜，CPU便宜到可在每臺終端上安裝，功能強大有效。而人力卻異常昂貴。 個人計算機時代到來了，各種類型的個人計算機和軟件層出不窮。CP/M操作系統1973Intel8080，請GaryKildall設計操作系統 CP/M操作系統 (ControlProgram/MicroprocessororMicrocomputer)GaryKildall看到了個人計算機操作系統的前景,要求CP/M版權——digitalresearchCP/M操作系統有較好的層次結構。它的BIOS把操作系統的其他模塊與硬件配置分隔開，所以它的可移植性好,具有較好的可適應性和易學易用性到了1981年，CP/M操作系統成為世界上流行最廣的8位操作系統之一操作系統第二十四頁，共四十頁。微軟MSDOS個人計算機的成功，逼得IBM采取緊急戰略行動,決定要在1980年盡快生產出微型計算機，以應付挑戰但沒有操作系統不行。要想快就是找現成系統配套，IBM公司洽談CP/M操作系統不順利，機遇落到了微軟公司在關鍵時刻，開發新操作系統時間和人手上已經不可能，微軟找到西雅圖計算機產品公司，達成由微軟經銷西雅圖計算機產品公司的QDOS操作系統的協議當時西雅圖公司并不知道QDOS將被轉賣給IBM，否則歷史將會怎樣演變，誰也無法知曉操作系統第二十五頁，共四十頁。IBM在1981年推出個人計算機，宣布了DOS操作系統隨著IBMPC和MSDOS普及，CP/M逐漸走向下坡路MSDOS有優良的文件系統但受到Intelx86體系結構的限制缺乏以硬件為基礎的存儲保護機制它屬于單用戶單任務操作系統從1981的1.0版到1998年在Windows95/98之下的7.0版，MSDOS歷經了16個年頭迄今仍有MSDOS愛好者繼續開發各種DOS軟件產品操作系統第二十六頁，共四十頁。拯救蘋果公司的Macintosh(MACOS)在推出IBMPC機后，市場卷起一股龍卷風IBM自己也沒有料到產品會有如此巨大的成功IBM的成功說明必有其他公司失敗。甚至連蘋果公司也遇到了問題，銷售數量落到了蘭色巨人的后面蘋果公司推出Lisa機遭到失敗，AppleIII型也遭到失敗分析家們認為，在微機市場上的戰斗似乎蘭色巨人要嬴了操作系統第二十七頁，共四十頁。MACOS、鼠標的新型個人計算機1984年，人們看到一則廣告：“Whatwasthat?”和對Macintosh的介紹,這是配有圖形界面操作系統MACOS和鼠標的新型個人計算機MAC機一上市立即在市場上獲得極大的成功當年比爾.蓋茨都說，這是一臺他的媽媽也能使用的計算機Macintosh把蘋果公司從連續的失敗中拯救出來蘋果公司又開始向前發展正是Mac先進圖形界面操作系統技術，超前PC機若干年，造就了一批蘋果的忠實追隨者操作系統第二十八頁，共四十頁。一波三折的微軟Windows操作系統1983年10月，PC機競爭廠家的圖形界面相關產品上市面對市場壓力，比爾.蓋茨在1983年11月10日宣布推出Windows操作系統然而宣布容易，交貨就不簡單了，Windows交貨期的災難，成了當年計算機界的笑柄直到1985年11月20日，Windows1.0才正式上市操作系統第二十九頁，共四十頁。Windows的歷史記錄Windows在當時微軟歷史上創了幾個記錄：延遲交貨次數最多，投入開發人員最多，開發時間最長，更換主管人員最多不過幾年之后，Windows終于創造了銷售成績最佳的歷史記錄1992年4月，推出Windows3.1,1993年5月，發表WindowsNTWindows95，WindowsCE，Windows98，Windows2000，WindowsXP…個人計算機采用Windows占90％以上，微軟公司成了壟斷PC行業的同義詞操作系統第三十頁，共四十頁。IBM大型計算機操作系統OS/39090年代末期，電子商務發展刺激對計算能力的要求，導致大型機市場的再度升溫三十年的改進,IBMS/390已成為有高可靠性、可擴展性、及安全可用性的現代大型計算機系統在PC機時代，人們曾經估計大型計算機會衰亡 IBMS/390是大型計算機復活的一個典型那么，在21世紀的Internet和后PC的時代，大型機還會有什么演化，只有讓時間來說明操作系統第三十一頁，共四十頁。嵌入式操作系統的代表VxWorks在“極地登陸者”號，“深空二號”和火星氣候軌道器等登陸火星探測器上，就采用了VxWorks: VxWorks負責火星探測器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自旋和降落時的高度控制等，而且還負責數據收集和與地球的通信工作目前在國內也占據嵌入式開發系統市場主要份額嵌入式系統泛指嵌入于宿主設備的計算機系統,嵌入的目的主要是用智能化提升宿主設備的功能操作系統第三十二頁，共四十頁。操作系統領域中新的操作系統有線電視機頂盒領域，PowerTV移動通信領域，EPOC掌上計算機領域，PalmOS數字影像領域，Digita操作系統第三十三頁，共四十頁。時代與Linux1990年秋天，Linus在芬蘭首都赫爾辛基大學學習操作系統課程，因為上機需要排隊等待，Linus買了臺PC機，開發了第一個程序，程序包括兩個進程，向屏幕上寫字母，然后用定時器來切換進程Linus需要終端仿真程序來存取Usenet新聞組的內容，于是他寫了從調制解調器上接發信息的程序以及顯示器、鍵盤和調制解調器的驅動程序然后寫了磁盤驅動程序，文件系統，一旦有了進程切換、文件系統和設備驅動程序，當然就擁有了一個操作系統原型，或者至少是它的一個內核Linux就以這樣極其古怪但也極其自然式問世操作系統第三十四頁，共四十頁。思考和回顧個人計算機的興起，結束了IBM的霸主地位Internet普及，Linux的成功，極大地推動了當代操作系統的研究發展活動據不完全統計，當前在Internet上，有超過100個操作系統的項目在14個國家中進行著一批批的程序設計員們自愿通過互聯網組織成為研究小組，從事著各類操作系統的研究開發工作在一些影響全球的操作系統的誕生和發展過程中，大師們設計那些知名操作系統的初始動機真是各不相同的一個操作系統成功的緣由，似乎也在于某種機遇，往往是有心裁花花不開，無心插柳柳成行,未來操作系統的發展是否還會是這個模式?在Internet時代，新概念、新思想、新原理和新技術層出不窮,誰又能預測，未來會有什么樣的新型操作系統在國際互聯網上問世呢！操作系統第三十五頁，共四十頁。三、操作系統的類型

（單道、多道）批處理操作系統分時系統、實時操作系統、多處理機操作系統、網絡操作系統、分布式操作系統個人計算機操作系統、嵌入式操