操作系统学习（一）-- 从发展史理解操作系统设计需求

这是操作系统系列的第一篇文章。

虽然操作系统的发展历史并不是研究操作系统的核心内容，但在这一过程中产生了许多与操作系统相关的重要概念。了解这些概念的背景和产生原因，有助于我们在后续学习中更好地理解这些概念的出现。此外，了解操作系统的发展历史和设计需求，可以帮助我们从计算机的角度思考问题。

ENIAC 和串行处理计算机的发展可以追溯到1946年，世界上第一台通用计算机「ENIAC」在这一年的2月14日（恰逢情人节）诞生。

图为 ENIAC

从这一年到20世纪50年代中期，操作系统尚未出现，因为当时还没有操作系统的概念。程序员想要运行程序，必须将机器代码打在纸带上（这不仅需要智力，还需要细心，打错一个孔就得重来。想象一下，写文章时不能使用退格键，也不能从中间插入内容...当时的程序员真是辛苦），然后通过输入设备，如纸带阅读机，加载到计算机中。计算机按照步骤逐步运行，运行完毕后将结果打印出来。

PS：在这十几年间，编程语言也有了很大发展，这一阶段后期已经有了高级语言——FORTRAN。编译、链接、函数库等概念也已实现。因此，这一时期的计算机并不像你想象的那么落后！

当时，用户如果有上机需求，需要提前预约一个时间段，然后才能上机（放纸带和控制机器的工作也由他们自己完成。作为程序员，你还得与硬件打交道）。在这种模式下，出现了问题：

如果用户申请了一个小时，但任务只用了35分钟就完成了，多出来的25分钟就浪费了。如果一个小时到了，用户的程序还没运行完，这个程序就会被强制停止——这相当于浪费了整整一个小时的计算资源。但延长时间是不可能的，因为后面还有人排队，而且如果你的程序进入了死循环怎么办？在计算资源匮乏的当时，串行处理造成了巨大的资源浪费，科学家们难以接受——必须提高计算机的利用率。

于是，批处理系统应运而生。

图为 IBM 7090，其上运行着最为著名的批处理系统 IBSYS。这也是世界上第一款全晶体管计算机

批处理系统的核心思想是使用一个称为监控程序（monitor）的软件。如前所述，串行处理需要用户自己访问机器，时间段是固定的，但现在他们只需将作业提交给计算机操作员，操作员会将这些作业按顺序组织成一批，然后将整个批作业放在输入设备上，供监控程序使用。

监控程序已经有点操作系统的意味了，它的工作过程很容易理解：

大部分监控程序总是常驻内存，这部分称为常驻监控程序（resident monitor）。一开始，监控程序掌握了计算机的控制权（这是显而易见的，因为此时用户作业尚未加载），它会从输入设备中读取一个作业，经过读取后，作业被放置在用户程序区域，并获得控制权。当作业完成后，控制权将再次返回给监控程序。有了监控程序后，计算机的利用率提高了——一个作业完成后立即开始下一道作业，没有任何空闲时间，也很少出现作业未完成就被终止的情况（基本上解决了串行处理的问题）。

监控程序的正确运行依赖于硬件，在这个时期，为了系统的可靠性，计算机厂商为计算机提供了几个重要的功能：

内存保护：这一点很好理解，监控程序的内存空间不能被用户程序随意更改——无论是有意还是无意。不过当时黑客这一群体还没有发展，因为计算机又少又贵，不可能「飞入寻常百姓家」。一旦硬件检测到有用户程序试图作恶，就会将控制权直接转移给监控程序，取消这个作业。定时器：这项功能是为了防止一个作业独占系统，作业接管控制权后定时器自动启动。如果定时器时间到了而作业未运行完，程序会被终止。特权指令：某些机器指令被设置为特权指令（如I/O指令），只能由监控程序执行。用户程序不能直接使用这些指令。当然，用户程序可以请求监控程序为自己执行这个操作。特权指令是为了限制用户程序的「权力」而设置的，毕竟老板和员工不可能有一样的权限。监控程序的内存布局，蓝色部分就是受保护的内存区域

这几种功能中，内存保护和特权指令引入了操作模式的概念，我们知道，现代操作系统中依然保留这两种功能——足以见得它们的重要性。

简单批处理系统已经具备了基本的任务调度能力，但仍有很大的改进空间。虽然简单批处理系统为机器提供了一个自动作业序列，但处理器经常还是空闲的，因为I/O设备相对于处理器的速度要慢很多，处理器需要I/O操作完成后才能继续工作。

举个例子：

CPU 利用率 = 1/31 = 3.2%

CPU 的利用率太低了。有什么办法解决这个问题呢？

多道批处理系统IBM System360，搭载了多道批处理操作系统 OS/360，公认的划时代操作系统

佳蓝智能应答系统

类似智能机器人程序，以聊天对话框的界面显示，通过输入问题、或点击交谈记录中的超链接进行查询，从而获取访客需要了解的资料等信息。系统自动保留用户访问信息及操作记录。后台有详细的设置和查询模块。适用领域：无人职守的客服系统自助问答系统智能机器人开发文档、资源管理系统……基本功能：设置对话界面的显示参数设置各类展示广告根据来访次数显示不同的欢迎词整合其他程序。

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我们刚刚提到，利用率低的主要原因是CPU需要等待I/O操作，那么让CPU忙起来不就可以了吗？

多道批处理系统就是让CPU忙起来的秘诀。方法听起来很简单——在内存中多放几道用户程序，一旦有一个作业需要等待I/O，就立即切换到另一个可能不需要等待I/O的作业。这种处理，称为多道程序设计（multiprogramming）或多任务处理（multitasking）。

我们来看看这种方法是如何提高CPU利用率的：

图 a：仅有程序 A 在运行图 b：内存上有用户程序 A 和 B，当 A 在等待 I/O 操作时，B 就开始运行。（为方便理解，我们假设 A, B 两程序竞争的 IO 资源是不一样的）图 c：用户程序 A，B，C 同时存储在内存上。我们可以直观地看到，在相同的时间内，CPU 运行时间大大提升，满足了我们的预期。

像简单批处理系统一样，多道程序批处理系统也必须依赖于某些计算机硬件功能。其中最显著的功能就是支持 I/O 中断（Interrupt）和直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）。（DMA 也需要中断的支持）

中断这个词，第一次听会感觉有点玄乎，如果翻译成「打断」感觉会好理解一点（就是不大好听）。当一个作业开始进行 I/O 操作时，CPU 就会切换到另一项作业，那操作系统怎么知道这个 I/O 操作什么时候结束呢？

答案就是 I/O 中断，在 I/O 操作结束后，DMA 模块（具体取决于系统实现）就会向 CPU 发送一个信号，CPU 就必须停下当前的事情去处理这个信号，在多道批处理系统里表现为控制权被转移到操作系统的中断处理程序。这个过程，就是 I/O 设备打断（Interrupt）了 CPU 手头上的事情，转而去做另一件事。

所以说中断是操作系统完成各种复杂操作的前提。

多道批处理系统显然比它的前辈们复杂多了，由这个操作系统，又引申出了几个比较有意思的话题：

作业管理：内存的空间是有限的，意味着一次性载入到内存的程序数量也是有限的，那么怎样从备选作业中选择合适的作业加载进内存就是一个问题，这就是作业管理。内存管理：选择了作业，就需要为作业分配空间，那从空闲区的哪一部分为作业划分空间就是内存管理需要解决的事情。进程调度：进程，就是进行中的程序，一般我们把加载进内存的作业称为进程，以和未加载的作业区分。进程调度，就是当需要进行进程切换时，通过某一种算法从进程队列中取出合适的进程，获得 CPU 的执行。到了现代，因为内存容量的提升，很少出现有作业需要在后台排队的情况，所以作业管理以后只会花少量笔墨来介绍。但内存管理和进程调度将是我们以后学习的重点。

分时系统UNIX 就是最为著名的分时操作系统

多道批处理系统可以说是现代操作系统的雏形了，它处理批作业时对处理器的利用率也比较令人满意，但面对多个交互作业，多道批处理系统就显得力不从心了。

交互作业的出现很好理解，毕竟我们现在几乎所有应用程序都是交互式的，你滑动屏幕，这篇文章就会上下滑动，点一个分享，就会出现各种选项，等等等等。

在交互作业中，难免需要等待用户做出操作，但又不可能让处理器停下来等你一个人，毕竟很多人都在用同一台计算机，因此分时系统应运而生。

顾名思义，分时系统就是 n 个用户作业，操作系统控制每个用户程序以很短的时间为单位交替执行。因为人的反应相对机器要慢很多，所以如果控制得当，你会感觉自己是独占了这一台计算机一样。

多提一句，分时系统切换进程靠的就是我们在批处理系统中强调的中断，不一样的是，这里的中断是时钟中断——一到时间就向 CPU 发出中断信号。

如果把多个用户运行的交互程序，看做一个用户运行的多个交互程序，像我们现在使用个人计算机一样，就很容易理解现代操作系统了：

多个进程共用一个处理器，每个进程分得一个时间片，而在计算机面前的你看来，好像多个进程是并行的。某进程进行 I/O 操作会被操作系统阻塞，在阻塞队列等待 I/O 操作结束，才能有机会使用 CPU。多个进程在内存上存储，操作系统需要防止进程向其他进程的内存空间写入信息。尤其要保护操作系统自身的内存空间。用户程序运行在用户态，无权使用特权指令，需要向操作系统提出请求。讲到这，我们已经了解了操作系统的发展，事实上，还有一些其他的操作系统，比如实时操作系统，网络操作系统，分布式操作系统等等，但这些操作系统与我们生活相关性不大（实时操作系统对嵌入式来说还是很重要的），所以在此文略过，有兴趣的可以查阅相关资料。

希望在阅读完这篇文章之后，你能够对操作系统的设计理念有一个简单的印象，如果本文引起了你对操作系统的兴趣，那就再好不过了。

以上就是操作系统学习（一）-- 从发展史理解操作系统设计需求的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！