操作系统发展

手工操作阶段

• 基本情况：早期计算机没有操作系统，用户与计算机的交互完全通过手动操作来实现。用户需要亲自操控计算机的开关、按钮等硬件设备来输入指令和数据，程序的编写也是通过在穿孔卡片或纸带上打孔来完成，然后将穿孔卡片或纸带放入输入设备中让计算机读取。输出结果则通过打印机等设备打印出来，用户再根据打印结果进行分析和判断。
• 优点：计算机操作直接由用户控制，对于简单任务，用户可以精确控制计算机的运行步骤。例如，在进行一些简单的数值计算时，用户可以按照自己的需求准确地输入指令，控制计算过程。
• 缺点：
  • 效率极低：手动操作计算机的过程非常繁琐，每一个指令的输入都需要用户亲自按下相应的按钮或开关，这需要耗费大量的时间和精力。而且程序的编写和修改也很麻烦，一旦出现错误，查找和纠正错误都需要花费很长时间。例如，在编写一个稍微复杂一点的程序时，可能需要几天甚至几周的时间来完成穿孔卡片的制作。
  • 资源利用率低：计算机在等待人工操作时，CPU和其他硬件资源处于闲置状态，造成资源浪费。比如，用户在输入数据或查看输出结果时，CPU只能闲置等待，不能进行其他工作。
  • 容易出错：人工操作容易出现失误，例如误操作开关、输入错误的指令等，导致程序运行错误或计算机故障。由于整个操作过程完全依赖人工，任何一个小的疏忽都可能引发问题，而且一旦出现问题，排查和解决起来也比较困难。

批处理系统

• 单道批处理系统
  • 基本情况：单道批处理系统是在手工操作的基础上发展起来的。用户将一批作业（程序和数据）提交给计算机，由操作系统将这些作业按照顺序依次读入内存并执行。作业执行完毕后，操作系统再将下一个作业读入内存进行处理，直到这批作业全部处理完成为止。
  • 优点：将多个作业成批提交给计算机，由操作系统自动依次处理，减少了人工干预时间，提高了CPU利用率。相比于手工操作阶段，计算机可以连续处理多个作业，不需要人工频繁地干预每个作业的启动和停止，从而在一定程度上提高了计算机的工作效率。例如，一批作业中包含多个数据处理任务，计算机可以自动依次完成这些任务，而不需要用户每次都手动启动程序和输入数据。
  • 缺点：
    • 资源利用率仍不高：在一个作业处理过程中，内存中只有一个作业，其他资源如I/O设备等可能处于闲置状态，导致资源浪费。例如，当一个作业正在进行大量的CPU计算时，I/O设备可能处于空闲状态，没有得到充分利用。
    • 作业周转时间长：作业需要按顺序依次处理，后面的作业需要等待前面的作业完成后才能开始，整体作业周转时间较长。如果一批作业中有一个作业执行时间很长，那么后面的作业都需要等待很长时间才能开始执行，这对于一些对时间要求较高的作业来说是不利的。
• 多道批处理系统
  • 基本情况：多道批处理系统允许多个作业同时存放在内存中，操作系统根据一定的调度算法，轮流将CPU分配给各个作业使用，使得多个作业能够并发执行。在一个作业等待I/O操作完成时，CPU可以切换到其他作业继续执行，从而提高了CPU和其他资源的利用率。
  • 优点：允许多个作业同时在内存中运行，通过并发执行进一步提高了资源利用率和系统吞吐量。CPU可以在多个作业之间切换，减少了CPU的空闲时间，I/O设备也能得到更充分的利用。例如，当一个作业进行I/O操作时，CPU可以去执行其他作业，而不是像单道批处理系统那样等待I/O操作完成，这样就大大提高了系统的整体性能。
  • 缺点：
    • 缺乏交互性：用户提交作业后，直到作业完成才能得到结果，在作业运行过程中无法与计算机进行交互，不便于调试和修改程序。用户只能在作业提交前准备好所有的输入数据和程序，一旦提交后就无法再对作业进行干预，即使发现程序有错误也只能等到作业完成后才能进行修改。
    • 作业调度复杂：需要复杂的调度算法来合理分配资源，以确保多个作业能够高效运行，否则可能导致系统性能下降。由于多个作业同时在内存中运行，需要考虑如何合理地分配CPU时间、内存空间和I/O设备等资源，以避免出现资源竞争和死锁等问题，这增加了操作系统的设计和实现难度。

分时系统

• 基本情况：分时系统允许多个用户通过终端同时连接到计算机上，操作系统将CPU时间划分成多个时间片，轮流分配给各个用户作业使用。每个用户在自己的时间片内可以独占CPU执行自己的程序，当时间片用完后，操作系统会暂停当前用户的作业，将CPU分配给下一个用户作业，如此循环往复，使得每个用户都能及时得到响应。
• 优点：
  • 良好的交互性：允许多个用户通过终端同时使用计算机，每个用户都能及时得到响应，仿佛独占计算机一样，方便用户进行程序开发、调试和日常操作。用户可以随时输入命令、查看结果，与计算机进行实时交互，大大提高了工作效率。例如，用户在编写程序时，可以随时编译和运行程序，根据输出结果及时修改程序中的错误。
  • 资源共享性好：多个用户可以共享计算机的硬件和软件资源，提高了资源的利用率。多个用户可以同时使用计算机的CPU、内存、磁盘等硬件资源，也可以共享系统中的各种软件资源，如编译器、库文件等，避免了资源的重复配置和浪费。
  • 便于系统管理：操作系统可以统一管理和分配资源，对用户的操作进行监控和管理，保证系统的稳定运行。操作系统可以对用户的权限进行管理，限制用户对系统资源的访问和使用，防止用户误操作或恶意破坏系统。同时，操作系统还可以对系统的性能进行监控和优化，确保系统能够为用户提供良好的服务。
• 缺点：
  • 响应时间受用户数量影响：当用户数量过多时，每个用户获得的时间片相对减少，可能导致响应时间变长，影响用户体验。例如，在一个有大量用户同时使用的分时系统中，用户输入一个命令后，可能需要等待较长时间才能得到响应，这对于一些对实时性要求较高的操作来说是不太理想的。
  • 处理机开销较大：系统需要频繁地进行进程切换，保存和恢复现场，这会增加处理机的开销，降低系统的整体性能。每次进行进程切换时，操作系统都需要保存当前进程的运行状态，包括CPU寄存器的值、内存指针等，然后再恢复下一个进程的运行状态，这个过程需要消耗一定的时间和处理机资源。

实时系统

• 硬实时系统
  • 基本情况：硬实时系统主要用于对时间要求极为严格的应用场景，如航空航天、工业自动化控制、军事指挥等领域。在这些场景中，系统必须在规定的时间内对外部事件做出准确的响应，否则可能会导致严重的后果，如飞机坠毁、工业生产事故、军事任务失败等。硬实时系统通常具有高度的可靠性和稳定性，采用专门的硬件和软件设计来确保实时性要求。
  • 优点：能够在严格的时间限制内对外部事件做出快速响应，保证系统的实时性和可靠性，适用于对时间要求极高的关键任务。例如，在航空航天领域，飞行控制系统需要实时监测飞机的各种状态参数，并及时对飞行姿态进行调整，以确保飞机的安全飞行。硬实时系统能够保证在极短的时间内完成这些任务，满足飞行控制的严格要求。
  • 缺点：
    • 设计和实现复杂：为了满足严格的实时要求，硬件和软件都需要专门设计，系统的设计和实现难度大，成本高。硬件方面需要采用高性能的处理器、高速的I/O设备和可靠的存储设备等，软件方面需要设计专门的实时操作系统和实时任务调度算法，这些都增加了系统的复杂性和成本。
    • 资源利用率相对较低：为了确保实时任务的及时执行，系统需要预留足够的资源，可能导致资源利用率不如其他系统高。例如，为了保证在任何情况下都能满足实时任务的时间要求，系统可能会分配较多的CPU时间和内存空间给实时任务，即使在系统负载较轻时，这些资源也不能被其他非实时任务充分利用，从而造成资源的浪费。
• 软实时系统
  • 基本情况：软实时系统在一定程度上允许超过时间限制，但仍要尽可能满足实时要求，适用于一些对实时性要求不是绝对严格的场景，如多媒体播放、网络通信、智能交通等领域。在这些场景中，虽然偶尔的延迟可能不会导致严重的后果，但也需要保证在大多数情况下能够及时响应，以提供良好的用户体验或系统性能。
  • 优点：在一定程度上允许超过时间限制，但仍能尽可能满足实时要求，适用于一些对实时性要求不是绝对严格的场景。相对硬实时系统来说，设计和实现难度较低，资源利用率也相对较高。例如，在多媒体播放中，虽然要求音频和视频能够实时播放，但偶尔的短暂卡顿或延迟可能不会对用户体验造成太大的影响。软实时系统可以根据系统的负载情况，灵活地调整任务的执行顺序和时间分配，在保证一定实时性的同时，提高资源的利用率。
  • 缺点：虽然允许一定的时间延迟，但如果系统负载过高，可能会导致实时任务的延迟过大，影响系统的性能和用户体验。例如，在网络通信中，如果网络拥塞严重，软实时系统可能无法及时处理数据包，导致数据传输延迟增加，甚至出现丢包现象，影响通信质量。

通用操作系统

• 基本情况：通用操作系统融合了批处理、分时、实时等多种功能，能够满足不同用户和应用的需求。它具有强大的功能和良好的用户界面，支持多种应用程序的运行，适用于各种不同的场景，如个人办公、服务器应用、科学计算、游戏娱乐等。现代的操作系统如Windows、Linux、macOS等都属于通用操作系统，它们提供了丰富的系统服务和应用程序接口（API），方便用户和开发者使用。
• 优点：融合了批处理、分时、实时等多种功能，能够满足不同用户和应用的需求。具有强大的功能和良好的用户界面，支持多种应用程序的运行。例如，在个人办公场景中，用户可以使用办公软件进行文档编辑、表格制作等；在服务器应用中，通用操作系统可以支持多种网络服务和数据库管理；在科学计算中，可以运行各种专业的计算软件。同时，友好的用户界面使得用户能够方便地操作计算机，无需具备专业的计算机知识。
• 缺点： - 系统复杂度高：由于功能强大且复杂，操作系统的代码量庞大，维护和管理难度较大，容易出现漏洞和安全问题。操作系统需要不断地进行更新和维护，以修复漏洞、提升性能和增加新功能，但这也增加了系统管理的工作量和成本。同时，复杂的系统结构也使得安全问题更加突出，容易受到病毒、黑客等攻击。 - 对硬件要求较高：为了支持丰富的功能和良好的用户体验，通用操作系统通常对硬件配置有较高的要求。例如，运行最新版本的Windows操作系统可能需要较高的CPU频率、大容量的内存和高性能的显卡等。对于一些低配置设备，可能无法流畅运行通用操作系统，或者在运行过程中会出现卡顿、响应缓慢等问题。