操作系统

Posted 2020-09-19 maze

为何要有操作系统

程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，因为管理这些硬件并加以优化使用是非常繁琐的工作，这个繁琐的工作就是操作系统来干的，有了他，程序员就从这些繁琐的工作中解脱出来，只需要考虑自己的应用软件的编写就可以了，应用软件直接使用操作系统提供的功能来间接使用硬件

 

操作系统的位置

 

操作系统位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件。操作系统由操作系统的内核（运行于内核态，管理硬件资源）以及系统调用（运行于用户态，为应用程序员写的应用程序提供系统调用接口）两部分组成

操作系统的功能

1. 隐藏了丑陋的硬件调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源更好，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操作硬件的细节，专心开发自己的应用程序即可
2. 将应用程序对硬件资源的竞态请求变的有序化（多路复用）

操作系统的发展

第一代（1940~1955）真空管和穿孔卡片

• 特点：没有操作系统的概念，所有的程序设计都由纯粹的机器语言编写
• 工作过程：程序员在墙上的机时表预约一段时间，然后程序员拿着他的插件板到机房里，将自己的插件版接到计算机里，这几个小时内他独享整个计算机的资源，后面的一批人都得等着（2万多个真空管经常有被烧坏的情况出现），后来出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入机而不用插件板
• 优点：程序员在申请的时间段里独享整个资源，即时调整自己的程序，有bug可以及时处理
• 缺点：资源的浪费

第二代（1955~1965）晶体管和批处理系统

• 特点：由专业操作人员运行的大型机，有了操作系统的概念：是人力与计算机结合的系统需要人参与。有了程序设计语言：FORTAN语言或者汇编语言，写到纸上，然后穿孔打成卡片，在将卡片盒带到输入市，交给操作员等待输出接口
• 工作过程

 

 

•  第一代计算机的问题：人机交互多
• 第二代如何解决第一代的问题：把一堆人的输入攒成一大波输入，然后顺序极端，然后把一堆人的输出攒成一大波的输出
• 优点：批处理，节省时间
• 缺点：整个流程需要人参与 ，计算过程仍然是串行，程序员独享一段时间，等待结果和重新调试的过程需要同批次的其他程序运作完才可以

 

 第三代（1965~1980）集成电路芯片和多道程序设计

如何解决第二代计算机的问题1：

卡片被拿到机房后能够很快的将作业从卡片读入磁盘，于是任何时刻当一个作业结束时，操作系统就能将一个作业从磁带读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫做同时的外部设备联机操作：SPOOLING，该技术同时用于输出。当采用了这种技术后，就不在需要IBM1401机了，也不必将磁带搬来搬去了（中间俩小人不再需要）

 

 如何解决第二代计算机的问题2：

第三代计算机的操作系统广泛应用了第二代计算机的操作系统没有的关键技术：多道技术

多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（比如cpu）的有序调度问题，解决方式即多路复用，多路复用分为时间上的复用和空间上的复用

 空间上的复用最大的问题是：程序直接的内存必须分割，这种分割在硬件层面实现，由操作系统控制实现。如果内存彼此不分割，则一个程序可以访问另外一个程序的内存

 第三代计算机的操作系统仍然是批处理，许多程序员怀念第一代独享的计算机，可以即时调试自己的程序。为了满足程序员们很快可以得到响应，出现了分时操作系统

 如何解决第二代计算机的问题3：

分时操作系统
多个联机终端+多道技术

第三代计算机广泛采用了必须的保护硬件（程序之间的内存彼此隔离）之后，分时系统才开始流行

后来一位参加过MULTICS研制的贝尔实验室计算机科学家Ken Thompson开发了一个简易的，单用户版本的MULTICS，这就是后来的UNIX系统。基于它衍生了很多其他的Unix版本，为了使程序能在任何版本的unix上运行，IEEE提出了一个unix标准，即posix（可移植的操作系统接口Portable Operating System Interface）

后来，在1987年，出现了一个UNIX的小型克隆，即minix，用于教学使用。芬兰学生Linus Torvalds基于它编写了Linux

第四代计算机（1980~至今）：个人计算机

略

 

操作系统的两大作用：

1. 为应用程序提供如何使用硬件资源的抽象
2. 管理硬件资源

 

多路复用

处理来自多个程序发起的多个共享资源的请求

实现方式：

时间上复用，空间上复用