手工操作階段

• 基本情況：早期計(jì)算機(jī)沒有操作系統(tǒng)，用戶與計(jì)算機(jī)的交互完全通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶需要親自操控計(jì)算機(jī)的開關(guān)、按鈕等硬件設(shè)備來(lái)輸入指令和數(shù)據(jù)，程序的編寫也是通過(guò)在穿孔卡片或紙帶上打孔來(lái)完成，然后將穿孔卡片或紙帶放入輸入設(shè)備中讓計(jì)算機(jī)讀取。輸出結(jié)果則通過(guò)打印機(jī)等設(shè)備打印出來(lái)，用戶再根據(jù)打印結(jié)果進(jìn)行分析和判斷。
• 優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)操作直接由用戶控制，對(duì)于簡(jiǎn)單任務(wù)，用戶可以精確控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行步驟。例如，在進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算時(shí)，用戶可以按照自己的需求準(zhǔn)確地輸入指令，控制計(jì)算過(guò)程。
• 缺點(diǎn)：
  • 效率極低：手動(dòng)操作計(jì)算機(jī)的過(guò)程非常繁瑣，每一個(gè)指令的輸入都需要用戶親自按下相應(yīng)的按鈕或開關(guān)，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。而且程序的編寫和修改也很麻煩，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，查找和糾正錯(cuò)誤都需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。例如，在編寫一個(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的程序時(shí)，可能需要幾天甚至幾周的時(shí)間來(lái)完成穿孔卡片的制作。
  • 資源利用率低：計(jì)算機(jī)在等待人工操作時(shí)，CPU和其他硬件資源處于閑置狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。比如，用戶在輸入數(shù)據(jù)或查看輸出結(jié)果時(shí)，CPU只能閑置等待，不能進(jìn)行其他工作。
  • 容易出錯(cuò)：人工操作容易出現(xiàn)失誤，例如誤操作開關(guān)、輸入錯(cuò)誤的指令等，導(dǎo)致程序運(yùn)行錯(cuò)誤或計(jì)算機(jī)故障。由于整個(gè)操作過(guò)程完全依賴人工，任何一個(gè)小的疏忽都可能引發(fā)問(wèn)題，而且一旦出現(xiàn)問(wèn)題，排查和解決起來(lái)也比較困難。

批處理系統(tǒng)

• 單道批處理系統(tǒng)
  • 基本情況：?jiǎn)蔚琅幚硐到y(tǒng)是在手工操作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。用戶將一批作業(yè)（程序和數(shù)據(jù)）提交給計(jì)算機(jī)，由操作系統(tǒng)將這些作業(yè)按照順序依次讀入內(nèi)存并執(zhí)行。作業(yè)執(zhí)行完畢后，操作系統(tǒng)再將下一個(gè)作業(yè)讀入內(nèi)存進(jìn)行處理，直到這批作業(yè)全部處理完成為止。
  • 優(yōu)點(diǎn)：將多個(gè)作業(yè)成批提交給計(jì)算機(jī)，由操作系統(tǒng)自動(dòng)依次處理，減少了人工干預(yù)時(shí)間，提高了CPU利用率。相比于手工操作階段，計(jì)算機(jī)可以連續(xù)處理多個(gè)作業(yè)，不需要人工頻繁地干預(yù)每個(gè)作業(yè)的啟動(dòng)和停止，從而在一定程度上提高了計(jì)算機(jī)的工作效率。例如，一批作業(yè)中包含多個(gè)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)依次完成這些任務(wù)，而不需要用戶每次都手動(dòng)啟動(dòng)程序和輸入數(shù)據(jù)。
  • 缺點(diǎn)：
    • 資源利用率仍不高：在一個(gè)作業(yè)處理過(guò)程中，內(nèi)存中只有一個(gè)作業(yè)，其他資源如I/O設(shè)備等可能處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。例如，當(dāng)一個(gè)作業(yè)正在進(jìn)行大量的CPU計(jì)算時(shí)，I/O設(shè)備可能處于空閑狀態(tài)，沒有得到充分利用。
    • 作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：作業(yè)需要按順序依次處理，后面的作業(yè)需要等待前面的作業(yè)完成后才能開始，整體作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。如果一批作業(yè)中有一個(gè)作業(yè)執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)，那么后面的作業(yè)都需要等待很長(zhǎng)時(shí)間才能開始執(zhí)行，這對(duì)于一些對(duì)時(shí)間要求較高的作業(yè)來(lái)說(shuō)是不利的。
• 多道批處理系統(tǒng)
  • 基本情況：多道批處理系統(tǒng)允許多個(gè)作業(yè)同時(shí)存放在內(nèi)存中，操作系統(tǒng)根據(jù)一定的調(diào)度算法，輪流將CPU分配給各個(gè)作業(yè)使用，使得多個(gè)作業(yè)能夠并發(fā)執(zhí)行。在一個(gè)作業(yè)等待I/O操作完成時(shí)，CPU可以切換到其他作業(yè)繼續(xù)執(zhí)行，從而提高了CPU和其他資源的利用率。
  • 優(yōu)點(diǎn)：允許多個(gè)作業(yè)同時(shí)在內(nèi)存中運(yùn)行，通過(guò)并發(fā)執(zhí)行進(jìn)一步提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。CPU可以在多個(gè)作業(yè)之間切換，減少了CPU的空閑時(shí)間，I/O設(shè)備也能得到更充分的利用。例如，當(dāng)一個(gè)作業(yè)進(jìn)行I/O操作時(shí)，CPU可以去執(zhí)行其他作業(yè)，而不是像單道批處理系統(tǒng)那樣等待I/O操作完成，這樣就大大提高了系統(tǒng)的整體性能。
  • 缺點(diǎn)：
    • 缺乏交互性：用戶提交作業(yè)后，直到作業(yè)完成才能得到結(jié)果，在作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，不便于調(diào)試和修改程序。用戶只能在作業(yè)提交前準(zhǔn)備好所有的輸入數(shù)據(jù)和程序，一旦提交后就無(wú)法再對(duì)作業(yè)進(jìn)行干預(yù)，即使發(fā)現(xiàn)程序有錯(cuò)誤也只能等到作業(yè)完成后才能進(jìn)行修改。
    • 作業(yè)調(diào)度復(fù)雜：需要復(fù)雜的調(diào)度算法來(lái)合理分配資源，以確保多個(gè)作業(yè)能夠高效運(yùn)行，否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。由于多個(gè)作業(yè)同時(shí)在內(nèi)存中運(yùn)行，需要考慮如何合理地分配CPU時(shí)間、內(nèi)存空間和I/O設(shè)備等資源，以避免出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)和死鎖等問(wèn)題，這增加了操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度。

分時(shí)系統(tǒng)

• 基本情況：分時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶通過(guò)終端同時(shí)連接到計(jì)算機(jī)上，操作系統(tǒng)將CPU時(shí)間劃分成多個(gè)時(shí)間片，輪流分配給各個(gè)用戶作業(yè)使用。每個(gè)用戶在自己的時(shí)間片內(nèi)可以獨(dú)占CPU執(zhí)行自己的程序，當(dāng)時(shí)間片用完后，操作系統(tǒng)會(huì)暫停當(dāng)前用戶的作業(yè)，將CPU分配給下一個(gè)用戶作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)，使得每個(gè)用戶都能及時(shí)得到響應(yīng)。
• 優(yōu)點(diǎn)：
  • 良好的交互性：允許多個(gè)用戶通過(guò)終端同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，每個(gè)用戶都能及時(shí)得到響應(yīng)，仿佛獨(dú)占計(jì)算機(jī)一樣，方便用戶進(jìn)行程序開發(fā)、調(diào)試和日常操作。用戶可以隨時(shí)輸入命令、查看結(jié)果，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，大大提高了工作效率。例如，用戶在編寫程序時(shí)，可以隨時(shí)編譯和運(yùn)行程序，根據(jù)輸出結(jié)果及時(shí)修改程序中的錯(cuò)誤。
  • 資源共享性好：多個(gè)用戶可以共享計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，提高了資源的利用率。多個(gè)用戶可以同時(shí)使用計(jì)算機(jī)的CPU、內(nèi)存、磁盤等硬件資源，也可以共享系統(tǒng)中的各種軟件資源，如編譯器、庫(kù)文件等，避免了資源的重復(fù)配置和浪費(fèi)。
  • 便于系統(tǒng)管理：操作系統(tǒng)可以統(tǒng)一管理和分配資源，對(duì)用戶的操作進(jìn)行監(jiān)控和管理，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。操作系統(tǒng)可以對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行管理，限制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)和使用，防止用戶誤操作或惡意破壞系統(tǒng)。同時(shí)，操作系統(tǒng)還可以對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┝己玫姆?wù)。
• 缺點(diǎn)：
  • 響應(yīng)時(shí)間受用戶數(shù)量影響：當(dāng)用戶數(shù)量過(guò)多時(shí)，每個(gè)用戶獲得的時(shí)間片相對(duì)減少，可能導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，影響用戶體驗(yàn)。例如，在一個(gè)有大量用戶同時(shí)使用的分時(shí)系統(tǒng)中，用戶輸入一個(gè)命令后，可能需要等待較長(zhǎng)時(shí)間才能得到響應(yīng)，這對(duì)于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的操作來(lái)說(shuō)是不太理想的。
  • 處理機(jī)開銷較大：系統(tǒng)需要頻繁地進(jìn)行進(jìn)程切換，保存和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，這會(huì)增加處理機(jī)的開銷，降低系統(tǒng)的整體性能。每次進(jìn)行進(jìn)程切換時(shí)，操作系統(tǒng)都需要保存當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，包括CPU寄存器的值、內(nèi)存指針等，然后再恢復(fù)下一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程需要消耗一定的時(shí)間和處理機(jī)資源。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)

• 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)
  • 基本情況：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要用于對(duì)時(shí)間要求極為嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天、工業(yè)自動(dòng)化控制、軍事指揮等領(lǐng)域。在這些場(chǎng)景中，系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件做出準(zhǔn)確的響應(yīng)，否則可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，如飛機(jī)墜毀、工業(yè)生產(chǎn)事故、軍事任務(wù)失敗等。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，采用專門的硬件和軟件設(shè)計(jì)來(lái)確保實(shí)時(shí)性要求。
  • 優(yōu)點(diǎn)：能夠在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)對(duì)外部事件做出快速響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，適用于對(duì)時(shí)間要求極高的關(guān)鍵任務(wù)。例如，在航空航天領(lǐng)域，飛行控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)的各種狀態(tài)參數(shù)，并及時(shí)對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以確保飛機(jī)的安全飛行。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠保證在極短的時(shí)間內(nèi)完成這些任務(wù)，滿足飛行控制的嚴(yán)格要求。
  • 缺點(diǎn)：
    • 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜：為了滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)要求，硬件和軟件都需要專門設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度大，成本高。硬件方面需要采用高性能的處理器、高速的I/O設(shè)備和可靠的存儲(chǔ)設(shè)備等，軟件方面需要設(shè)計(jì)專門的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度算法，這些都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
    • 資源利用率相對(duì)較低：為了確保實(shí)時(shí)任務(wù)的及時(shí)執(zhí)行，系統(tǒng)需要預(yù)留足夠的資源，可能導(dǎo)致資源利用率不如其他系統(tǒng)高。例如，為了保證在任何情況下都能滿足實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)間要求，系統(tǒng)可能會(huì)分配較多的CPU時(shí)間和內(nèi)存空間給實(shí)時(shí)任務(wù)，即使在系統(tǒng)負(fù)載較輕時(shí)，這些資源也不能被其他非實(shí)時(shí)任務(wù)充分利用，從而造成資源的浪費(fèi)。
• 軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)
  • 基本情況：軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)在一定程度上允許超過(guò)時(shí)間限制，但仍要盡可能滿足實(shí)時(shí)要求，適用于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是絕對(duì)嚴(yán)格的場(chǎng)景，如多媒體播放、網(wǎng)絡(luò)通信、智能交通等領(lǐng)域。在這些場(chǎng)景中，雖然偶爾的延遲可能不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，但也需要保證在大多數(shù)情況下能夠及時(shí)響應(yīng)，以提供良好的用戶體驗(yàn)或系統(tǒng)性能。
  • 優(yōu)點(diǎn)：在一定程度上允許超過(guò)時(shí)間限制，但仍能盡可能滿足實(shí)時(shí)要求，適用于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是絕對(duì)嚴(yán)格的場(chǎng)景。相對(duì)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度較低，資源利用率也相對(duì)較高。例如，在多媒體播放中，雖然要求音頻和視頻能夠?qū)崟r(shí)播放，但偶爾的短暫卡頓或延遲可能不會(huì)對(duì)用戶體驗(yàn)造成太大的影響。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情況，靈活地調(diào)整任務(wù)的執(zhí)行順序和時(shí)間分配，在保證一定實(shí)時(shí)性的同時(shí)，提高資源的利用率。
  • 缺點(diǎn)：雖然允許一定的時(shí)間延遲，但如果系統(tǒng)負(fù)載過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)任務(wù)的延遲過(guò)大，影響系統(tǒng)的性能和用戶體驗(yàn)。例如，在網(wǎng)絡(luò)通信中，如果網(wǎng)絡(luò)擁塞嚴(yán)重，軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)可能無(wú)法及時(shí)處理數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲增加，甚至出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，影響通信質(zhì)量。

通用操作系統(tǒng)

• 基本情況：通用操作系統(tǒng)融合了批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)等多種功能，能夠滿足不同用戶和應(yīng)用的需求。它具有強(qiáng)大的功能和良好的用戶界面，支持多種應(yīng)用程序的運(yùn)行，適用于各種不同的場(chǎng)景，如個(gè)人辦公、服務(wù)器應(yīng)用、科學(xué)計(jì)算、游戲娛樂(lè)等?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)如Windows、Linux、macOS等都屬于通用操作系統(tǒng)，它們提供了豐富的系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用程序接口（API），方便用戶和開發(fā)者使用。
• 優(yōu)點(diǎn)：融合了批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)等多種功能，能夠滿足不同用戶和應(yīng)用的需求。具有強(qiáng)大的功能和良好的用戶界面，支持多種應(yīng)用程序的運(yùn)行。例如，在個(gè)人辦公場(chǎng)景中，用戶可以使用辦公軟件進(jìn)行文檔編輯、表格制作等；在服務(wù)器應(yīng)用中，通用操作系統(tǒng)可以支持多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理；在科學(xué)計(jì)算中，可以運(yùn)行各種專業(yè)的計(jì)算軟件。同時(shí)，友好的用戶界面使得用戶能夠方便地操作計(jì)算機(jī)，無(wú)需具備專業(yè)的計(jì)算機(jī)知識(shí)。
• 缺點(diǎn)： - 系統(tǒng)復(fù)雜度高：由于功能強(qiáng)大且復(fù)雜，操作系統(tǒng)的代碼量龐大，維護(hù)和管理難度較大，容易出現(xiàn)漏洞和安全問(wèn)題。操作系統(tǒng)需要不斷地進(jìn)行更新和維護(hù)，以修復(fù)漏洞、提升性能和增加新功能，但這也增加了系統(tǒng)管理的工作量和成本。同時(shí)，復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也使得安全問(wèn)題更加突出，容易受到病毒、黑客等攻擊。 - 對(duì)硬件要求較高：為了支持豐富的功能和良好的用戶體驗(yàn)，通用操作系統(tǒng)通常對(duì)硬件配置有較高的要求。例如，運(yùn)行最新版本的Windows操作系統(tǒng)可能需要較高的CPU頻率、大容量的內(nèi)存和高性能的顯卡等。對(duì)于一些低配置設(shè)備，可能無(wú)法流暢運(yùn)行通用操作系統(tǒng)，或者在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)卡頓、響應(yīng)緩慢等問(wèn)題。