計算機速成課 第十八集 操作系統

1. 操作系統誕生背景

• 1940，1950 年代的電腦，每次只能運行一個程序，程序員在打孔卡紙上寫程序
• 然後拿到一個計算機房間，交給操作員，計算機空閒下來的時候，操作員會把程序放入，然後運行，輸出結果，停機
• 運行一個程序通常需要幾個小時，幾天甚至幾周
• 以前計算機慢的時候，手動放程序的做法可以接受，但是隨着計算機越來越快，放程序的時間比運行程序的時間更長
• 我們需要一種方式，讓計算機自動運作，於是「操作系統」誕生了。

2. 操作系統介紹

• 簡稱 OS，其實也是程序
• 有操作硬件的特殊權限，可以運行和管理其他程序
• 一般是開機第一個啓動的程序。其他所有程序都由操作系統啓動
• 開始於 1950 年代
• 第一個操作系統，加強了程序加載方式（指批處理）。
• 批處理（batch processing）:之前只能一次給一個程序，現在可以一次多個。當計算機運行完一個程序，會自動運行下一個程序，這樣就不會浪費時間，找下一個程序的紙卡
• 外部設備：和計算機連着的其他設備。（因此程序員有的時候需要了解設備的硬件細節，一般是閱讀手冊來寫代碼）。現在是「即插即用」，以前是「祈禱能用」
• 爲了程序員寫軟件更容易，操作系統充當軟件和硬件之間的媒介：提供 API 來抽象硬件，叫「設備驅動程序」，程序員可以用標準化機制和輸入輸出硬件交互

3. 1950年代尾聲

• 這個時候，電腦已經非常快，經常是處理器閒着，等着外部慢的機械設備，比如打印機和讀卡器

4. 1950 年代後期，

• Atlas：世界上第一臺超級計算機，由英國曼徹斯特大學開始研發
• 1962 年，出現 Atlas Supervisor
  • 不僅可以自動加載程序
  • 還可以在單個 CPU 上同時運行幾個程序（通過調度來實現這一點）
  • 最終達到：多個程序可以同時運行，在單個 CPU 上共享時間，這種能力被稱爲「多任務處理」multitasking
  • 給每個程序分配專屬內容，
    • 解決程序切換的時候的數據丟失問題
    • 隔離後更好，可以實現「內存保護」，同時可以防止病毒程序
  • 虛擬內存
    • 程序可以假定內存總是從地址 0 開始
    • 內存地址「虛擬化」
    • 實際物理位置被操作系統隱藏和抽象了
    • 動態內存分配：
      • 使程序的內存大小可以靈活增減
      • 簡化了一切，爲操作系統同時運行多個程序提供了極大的靈活性

分時操作系統

• 每個用戶只能用一小部分處理器、內存等
• 最有影響力的是 Multics ：多任務信息與計算系統，
  • 於 1969 年發佈
  • 是第一個從設計時就考慮到安全的操作系統
  • 複雜度超過當時的平均水準
  • 操作系統佔 1MB 內存，這在當時很多，可能是內存的一半
  • 被 Unix 的設計者稱爲沒有獲得商業成功是因爲「過度設計」，功能太多

Unix

• 操作系統分爲兩部分
  • 1 操作系統的核心功能
    • 內核：內存管理、多任務、輸入/輸出處理
  • 2 一堆有用的工具
• 由於其具有的簡單性，可以在更便宜更多的硬件上運行
• 1970-1980 年代最流行的操作系統之一

Windows

• 風行開始於 90 年代
• 磁盤操作系統（MS-DOS）只有 160KB，一張磁盤就可以容納
• 1981 年發佈，成爲早起家用電腦最受環境的操作系統
• 雖然系統崩潰很討厭但還可以接受，因爲用戶可以重啓
• 1985年，發佈早期 Windows，也會出現藍屏
  • 藍屏代表程序崩潰的非常嚴重，把系統也帶崩潰了
  • 新版的 Windows 有更好的保護，不會經常崩潰

今日操作系統

• Mac OS, Windows, Linux, iOS, Android
• 雖然一般只有一個用戶，就是正在使用設備的你，但是操作系統依然有「多任務」、「虛擬內存」、「內存保護」，因此可以同時運行多個程序
• 一邊在瀏覽器看視頻，一邊使用修圖軟件，播放音樂等
• 如果沒有操作系統這幾十年的發展，這些都不可能

2022.4.23