计算机操作系统（二） 操作系统的发展过程

前言

• 当我们轻松地使用计算机完成各种任务，如办公、娱乐、学习时，可曾想过计算机操作系统是如何一步步发展成如今这般强大且易用的模样？从早期计算机需要用户亲自操作硬件设备的繁琐，到如今各种类型操作系统带来的便捷体验，这中间经历了怎样的变革历程？
• 从这节博客开始，我们将深入探索计算机操作系统的发展过程，了解不同阶段操作系统的特点、优势以及面临的挑战，剖析推动其不断演进的关键因素。

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一、未配置操作系统的计算机系统

在计算机发展的早期阶段，计算机系统是没有配置操作系统的。那时的计算机主要采用手工操作方式，用户需要亲自控制计算机的硬件设备，如开关、按钮等。这种方式存在很多缺点，例如：

1. 人机矛盾：计算机的处理速度很快，而人工操作速度很慢，导致计算机的大部分时间处于等待状态，资源利用率极低。
2. 独占性：在手工操作期间，计算机系统的所有资源都被一个用户独占，其他用户无法使用，严重影响了计算机的使用效率。
3. 无交互性：用户在操作过程中无法与计算机进行实时交互，一旦程序出现错误，只能重新从头开始操作。
   

二、单道批处理系统

为了解决未配置操作系统计算机系统的问题，单道批处理系统应运而生。单道批处理系统的主要特点是：

1. 批量处理：用户将一批作业提交给计算机后，计算机自动依次处理这批作业，无需人工干预。
2. 内存中仅存放一道作业：在任何时刻，内存中只允许存放一道作业，这道作业处理完成后，才会调入下一道作业。
3. 提高了资源利用率：相比手工操作，单道批处理系统减少了人工操作的时间，提高了计算机资源的利用率。

但是，单道批处理系统也存在一些局限性，由于内存中只有一道作业，当该作业进行输入输出操作时，CPU 会处于空闲状态，导致 CPU 利用率不高。

三、多道批处理系统

多道批处理系统是在单道批处理系统的基础上发展而来的。其核心思想是在内存中同时存放多道作业，这些作业可以并发执行。多道批处理系统的优点如下：

1. 提高 CPU 利用率：当一道作业进行输入输出操作时，CPU 可以处理其他作业，从而减少了 CPU 的空闲时间，提高了 CPU 的利用率。
2. 增加系统吞吐量：由于多道作业可以并发执行，系统在单位时间内可以处理更多的作业，提高了系统的吞吐量。
3. 充分利用系统资源：多道作业可以共享系统的各种资源，如内存、外设等，提高了资源的利用率。

然而，多道批处理系统也存在一些缺点，比如作业周转时间长，用户不能及时得到响应，缺乏交互性等。

四、分时系统

分时系统的出现是为了满足用户对交互性的需求。分时系统将 CPU 的时间划分成很短的时间片，轮流分配给各个终端用户的作业使用。其特点包括：

1. 交互性：用户可以通过终端与计算机进行实时交互，及时得到计算机的响应，大大提高了用户的工作效率。
2. 多路性：系统可以同时为多个用户服务，多个用户可以同时使用计算机系统，互不干扰。
3. 独立性：每个用户感觉自己独占计算机系统，用户之间的操作相互独立。
4. 及时性：系统能够在较短的时间内对用户的请求做出响应，保证了用户的操作体验。

五、实时系统

实时系统是指系统能够及时响应外部事件的请求，并在规定的时间内完成对该事件的处理。实时系统主要分为实时控制系统和实时信息处理系统。

1. 实时性：这是实时系统最重要的特点，系统必须在规定的时间内完成任务，否则可能会造成严重的后果。
2. 可靠性：实时系统通常用于关键任务，如工业控制、航空航天等领域，因此要求系统具有很高的可靠性。
3. 交互性：虽然实时系统的交互性不如分时系统，但也需要一定的交互能力，以便用户对系统进行监控和管理。

六、微机操作系统

随着微型计算机的普及，微机操作系统应运而生。常见的微机操作系统有 Windows、Linux、macOS 等。这些操作系统具有以下特点：

1. 易用性：微机操作系统通常具有友好的用户界面，方便用户操作和使用。
2. 丰富的软件支持：由于微机的广泛应用，各种软件层出不穷，微机操作系统能够支持大量的应用软件，满足用户的不同需求。
3. 多媒体功能：现代微机操作系统通常具备强大的多媒体功能，能够支持音频、视频等多媒体文件的播放和处理。

七、嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是嵌入在各种设备中的操作系统，广泛应用于智能家居、工业控制、汽车电子等领域。嵌入式操作系统的特点包括：

1. 实时性强：嵌入式系统通常需要对外部事件做出快速响应，因此实时性是嵌入式操作系统的重要特点。
2. 占用资源少：由于嵌入式设备的硬件资源有限，嵌入式操作系统需要占用较少的内存和存储空间。
3. 可定制性：根据不同的应用需求，嵌入式操作系统可以进行定制，以满足特定设备的功能要求。
   

八、网络操作系统

网络操作系统是用于管理网络资源、提供网络服务的操作系统。常见的网络操作系统有 Windows Server、Linux 服务器版本等。网络操作系统的主要功能包括：

1. 网络通信：实现网络中不同计算机之间的通信，保证数据的传输和接收。
2. 资源管理：对网络中的各种资源，如文件、打印机等进行管理，实现资源的共享和分配。
3. 网络安全：提供网络安全保护，防止网络攻击和数据泄露。
   

九、分布式操作系统

分布式操作系统是一种更高级的操作系统，它将多个计算机节点组成一个分布式系统，共同完成任务。分布式操作系统的特点如下：

1. 分布性：系统中的资源和任务分布在多个计算机节点上，这些节点通过网络相互连接。
2. 并行性：多个计算机节点可以并行处理任务，提高系统的处理能力和效率。
3. 透明性：用户感觉整个分布式系统就像一个单一的计算机系统，无需关心任务是在哪个节点上执行的。
   

总结（核心概念速记）：

核心概念速记
操作系统的发展 = 从无操作系统到多种类型操作系统，不断适应需求和技术发展

• 发展阶段及概念：
  • 未配置操作系统：早期计算机手工操作，用户亲自控制硬件，存在人机矛盾、独占性、无交互性问题，资源利用率低。
  • 单道批处理系统：为解决手工操作问题产生，批量处理作业，内存仅存放一道作业，提高资源利用率，但CPU利用率不高。
  • 多道批处理系统：基于单道批处理系统发展，内存可存多道作业并发执行，提高CPU利用率、系统吞吐量，充分利用资源，但作业周转时间长，缺乏交互性。
  • 分时系统：满足交互性需求，将CPU时间划分为时间片轮流给用户作业，具有交互性、多路性、独立性、及时性特点。
  • 实时系统：能及时响应外部事件请求并在规定时间内处理，分实时控制系统和实时信息处理系统，特点是实时性、可靠性、一定交互性。
  • 微机操作系统：随微型计算机普及产生，如Windows、Linux、macOS等，特点是易用性、丰富软件支持、多媒体功能。
  • 嵌入式操作系统：嵌入设备中，应用于智能家居等领域，特点是实时性强、占用资源少、可定制。
  • 网络操作系统：管理网络资源、提供网络服务，如Windows Server、Linux服务器版本等，功能包括网络通信、资源管理、网络安全。
  • 分布式操作系统：更高级，将多个计算机节点组成系统共同完成任务，特点是分布性、并行性、透明性。
• 各系统关键特点对比
  • 交互性：分时系统交互性强，实时系统有一定交互性，多道批处理系统缺乏交互性。
  • 资源占用与处理：嵌入式操作系统占用资源少，多道批处理系统和分布式操作系统能充分利用资源、提高处理能力。
  • 响应及时性：实时系统实时性要求高，分时系统能及时响应请求。
  • 用户体验：微机操作系统易用，提供友好界面；网络操作系统注重网络功能和安全；分布式操作系统对用户透明。
• 发展脉络总结
  • 操作系统的发展是为了不断解决计算机使用中的问题，如提高资源利用率、满足用户交互需求、适应不同硬件和应用场景。
  • 随着技术发展，从简单的单道批处理到复杂的分布式操作系统，操作系统的功能和性能不断提升，类型也更加多样化，以适应不同领域和用户的需求。

操作系统发展阶段对比

操作系统发展动力与各阶段关系图解

发展动力 —— 提高资源利用率、方便用户、器件更新、体系结构发展
   ↓         ↓
发展阶段 —— 未配置、单道批、多道批、分时、实时、微机、嵌入式、网络、分布式
   ↓         ↓
相互关系 —— 动力推动各阶段发展，各阶段发展体现动力需求

知识图谱

计算机操作系统（二） 操作系统的发展过程
├─ 未配置操作系统的计算机系统
│  ├─ 手工操作方式
│  ├─ 存在问题：人机矛盾、独占性、无交互性
│  └─ 低资源利用率
├─ 单道批处理系统
│  ├─ 特点：批量处理、内存一道作业
│  ├─ 优点：提高资源利用率
│  ├─ 缺点：CPU利用率不高
│  └─ 解决手工操作问题
├─ 多道批处理系统
│  ├─ 基于单道批发展
│  ├─ 特点：多道作业并发
│  ├─ 优点：提高CPU利用率、吞吐量，利用资源
│  ├─ 缺点：作业周转长，缺乏交互
│  └─ 提升系统性能
├─ 分时系统
│  ├─ 满足交互需求
│  ├─ 特点：时间片轮流，交互、多路、独立、及时
│  └─ 改善用户体验
├─ 实时系统
│  ├─ 及时响应处理事件
│  ├─ 分类：实时控制、信息处理
│  ├─ 特点：实时性、可靠性、交互性
│  └─ 适用于关键任务
├─ 微机操作系统
│  ├─ 随微机普及产生
│  ├─ 常见系统：Windows等
│  ├─ 特点：易用、软件支持、多媒体
│  └─ 适应微机用户需求
├─ 嵌入式操作系统
│  ├─ 嵌入设备中
│  ├─ 应用领域：智能家居等
│  ├─ 特点：实时性强、资源少、可定制
│  └─ 适配嵌入式场景
├─ 网络操作系统
│  ├─ 管理网络资源服务
│  ├─ 常见系统：Windows Server等
│  ├─ 功能：网络通信、资源管理、安全
│  └─ 满足网络需求
├─ 分布式操作系统
│  ├─ 节点组成系统任务
│  ├─ 特点：分布、并行、透明
│  └─ 实现高级计算
└─ 核心要点
   ├─ 操作系统各发展阶段特点及作用
   └─ 理解发展动力对各阶段演变的影响

以上就是对本次关于操作系统博客内容的总结，后续我们将深入探讨操作系统更多知识。

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