1.3 操作系统的类型和特点

1.3.2 各类操作系统的主要特征

　　1．单用户操作系统
　　单用户操作系统基本特征是，在一台处理机上只能支持一个用户程序的运行，系统的全部资源都提供给该用户使用。目前，多数微机上运行的操作系统都属于单用户操作系统。例如，MS-DOS就是一个典型的单用户微机操作系统，它由3个模块和一个引导程序组成。
　　2．批处理系统
　　批处理操作系统（Batch Operating System）也称为作业处理系统。在批处理系统中，操作人员将作业成批地装入计算机中，由操作系统在计算机中某个特定磁盘区域（输入井）将其组织好，并按一定的算法选择其中的一个或多个作业，将其调入内存使其运行。运行结束后，把结果放入磁盘“输出井”，由计算机统一输出后交给用户。批处理操作系统在系统中配置了一个监督程序，并在该监督程序的控制下，系统能够对一批作业自动进行处理。
　　批处理系统的基本特征是“批量”。它把系统的处理能力（即作业的吞吐量）作为主要目标，同时也兼顾作业的周转时间。在批处理系统中，从作业的提交到作业完成，大体上分为提交、后备、执行和完成4个阶段。
　　批处理操作系统有如下两个重要特征：
　　脱机：用户提交了作业后，不必直接控制计算机，一切按作业说明书的指示行动，其交互性较差；
　　高效：由于没有人工干预，操作系统可以从输入作业中选择适当的一批作业运行，达到系统资源的最大利用率和最大吞吐能力。由于其吞吐能力大，资源利用率高，批处理操作系统往往用在大型计算机中，针对大型的科学计算或事务处理。
　　在通常情况下，批处理系统又分为以下两类。
　　（1）单道批处理系统
　　早期采用批处理技术的系统，由于在内存中只能存放一道作业，因而称为单道批处理系统。而其中的监督程序就是操作系统的雏形。
　　单道批处理系统具有以下的特征：
　　自动型：磁带上的一批作业能自动地、逐个地依次运行，无须人工干预；
　　顺序性：作业完成的顺序与它们进入内存的顺序，以及作业在磁带上的存放顺序一致。
　　单道性：内存中仅能存放一道作业。
　　（2）多道批处理系统
　　单道批处理操作系统大大减少了人工操作的时间，提高了机器的利用率。但是，对于某些作业来说，当它发出I/O请求后，CPU必须等待I/O的完成，由于I/O设备的低速性，从而使CPU的利用率很低。
　　为了改善CPU的利用率，在单道批处理操作系统中，引入多道程序设计技术，就形成了多道批处理操作系统。在多道批处理操作系统中，不仅仅在主存中可同时有多道作业在运行，而且作业可随时被调入系统，并存放在外存中形成作业队列。然后，由操作系统按一定的原则，从作业队列中调入一个或多个作业进入主存运行。多道批处理操作系统一般用于计算机中心的大中型计算机系统中。
　　多道批处理系统具有以下特征：
　　多道性：内存中可同时存放多个作业；
　　调度性：通过作业调度，从外存中选取若干个作业调入内存，并为内存中的多个作业分配CPU；
　　无序性：作业调度的顺序与作业在外存中存放的顺序无关，作业完成的顺序与作业进入内存的顺序无关。
　　多道程序设计技术和批处理技术的采用，使多道批处理系统具有资源利用率高和系统吞吐量大的优点。但是，多道批处理系统将用户和计算机操作员分开，使用户无法直接与自己的作业进行交互。另外，由于在多道批处理系统中，作业要进行排队，依次处理，因而作业的平均周转时间较长。
　　3．分时操作系统
　　在批处理系统中，用户不能干预自己程序的运行，无法得知程序运行情况，对程序的调试和排错不利。为了克服这一缺点，便产生了分时操作系统。允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统称分时操作系统（Time Sharing Operating System）。其实现思想如下：即把处理机的时间划分成很短的时间片，轮流地分配给各个终端作业使用。若在分配给它的时间片内，作业仍没执行完，它也必须将CPU交给下一个作业使用，并等下一轮得到CPU时再继续执行。这样系统便能及时地响应每个用户的请求，从而使每个用户都能及时地与自己的作业交互。
　　分时操作系统具有以下特征：
　　多路性：连接多个用户终端，能同时为多个用户服务；
　　独立性：各个用户使用各自终端与主机交互，感觉不到其他用户的存在，独立工作，互不干扰；
　　及时性：系统按人们所能接受的等待时间，在较短的时间内及时响应用户的请求；
　　交互性：用户通过终端向主机发出请求，并根据主机的响应结果再向系统发出请求，直至得到满意的结果。能进行广泛的人机交互；
　　同时性：从客观上看，是若干用户同时使用计算机，其实是计算机轮流服务。
　　分时操作系统和批处理操作系统虽然有共性，它们都基于多道程序设计技术，但存在下列不同点：
　　追求的目标不同。批处理系统以提高系统资源利用率和作业吞吐率为目标；分时系统则要满足多个联机用户立即型命令的快速响应；
　　适应的作业不同。批处理适应已经调试好的大型作业；而分时系统适应正在调试的小作业；
　　资源的利用率不同。批处理操作系统可合理安排不同负载的作业，使各种资源利用率较佳；分时操作系统中，多个终端作业使用相同类型编译系统、运行系统和公共子程序时，系统调用它们的开销较小；
　　作业控制的方式不同。批处理由用户通过JCL 的语句书写作业控制流，预先提交，脱机工作；交互型作业，由用户从键盘输入操作命令控制，交互方式、联机工作。
　　分时操作系统主要用于软件开发和运行较小的程序。因为在这种环境下，用户大部分时间都在思考，不会长期连续地占用CPU，以利于其他用户使用。
　　4．实时操作系统
　　虽然多道批处理操作系统和分时操作系统获得了较佳的资源利用率和快速的响应时间，从而使计算机的应用范围日益扩大，但它们难以满足实时控制和实时信息处理领域的需要。于是，便产生了实时操作系统，目前有3种典型的实时系统，即过程控制系统、信息查询系统和事务处理系统。
　　实时操作系统（Real Time Operating System）是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内，完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。实时的含义是计算机对于外来信息，能够以足够快的速度进行处理，并在被控制对象允许的时间范围内，做出快速响应。因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点。由于实时操作系统控制的过程控制系统较为复杂，通常由四部分组成：1）数据采集。它用来收集、接收和录入系统工作必需的信息或进行信号检测。2）加工处理。它对进入系统的信息进行加工处理，获得控制系统工作必需的参数或做出决定，然后，进行输出、记录或显示。3）操作控制。它根据加工处理的结果采取适当措施或动作，达到控制或适应环境的目的。4）反馈处理，它监督执行机构的执行结果，并将该结果反馈至信号检测或数据接收部件，以便系统根据反馈信息采取进一步措施，达到控制的预期目的。
　　实时操作系统可以分成如下两类：
　　硬实时系统，即实时控制系统；
　　软实时系统，即实时信息处理系统。
　　实时操作系统的主要特点是专用性强、种类多，而且用途各异。应用实时系统通常应考虑实时时钟管理、连续人机对话、过载防护和高可靠性4个方面的问题。实时系统具有以下特点。
　　及时性：它一般具有高精度的实时时钟，能及时地响应外部文件的请求，并在规定的时间内，完成对该文件的处理，控制实时设备和实时任务协调一致地运行。
　　支持多道程序设计：任务调度算法简单、实用，数据结构简单明了，任务切换速度快，能够处理时间驱动的任务和文件驱动的任务。
　　高可靠性：这是实时系统的主要设计目标之一。为了提高实时系统的可靠性，软硬件都必须采取相应的措施加以保证。
　　较强的过载防护能力：在支持多任务的实时系统中，实时任务的数目在某些时候超出系统的处理能力时，系统要通过相应的措施（如延迟或丢弃不重要的任务）来保证实时性强的重要任务能及时处理。
　　实时系统与分时系统的比较如下。
　　多路性：实时系统与分时系统一样具有多路性，即系统能同时为多个终端用户服务。
　　独立性：实时系统与分时系统一样具有独立性，每个终端用户可独立地向实时系统提出服务请求，彼此互不干扰。
　　及时性：实时信息处理系统对及时性的要求与分时系统类似，都是以用户能接受的等待时间来确定的；而实时控制系统的及时性通常高于分时系统，它是以控制对象所能接受的等待时间来确定的，一般要求秒级、毫秒级甚至微秒级的响应时间。
　　交互性：实时系统虽然也具有交互性，但其交互性通常不及分时系统。这里，用户与系统的交互，仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理、资源共享等多方面的服务。
　　可靠性：分时系统也要求系统可靠，相比之下，实时系统则要求系统高度可靠。因为任何操作都可能带来巨大的经济损失，甚至无法预料的灾难性后果。因此，在实时系统中，常采用多级容错措施来保障系统和数据的安全性。
　　批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统是3种基本的操作系统，如果一个操作系统具有批处理、分时处理和实时处理系统三者或其中两者的功能，那就能形成通用操作系统。