1.3 操作系统的类型和特点

目前市场上的操作系统有很多种，不同的操作系统具有不同的特征，下面来介绍下操作系统的分类及各类操作系统的特点。

1.3.1 操作系统的类型

促使操作系统不断发展的主要动力有以下5个方面：

（1）器件快速更新换代；

（2）计算机体系结构不断发展；

（3）提高计算机系统资源利用率的需要；

（4）让用户使用计算机越来越方便的需要；

（5）满足用户的新要求，提供给用户新服务。

在不同动力的催促下，操作系统快速发展，目前，出现了多种多样的操作系统来满足不同的需要。按计算机的体系结构、运行环境、功能及服务对象等对操作系统分类如下：

— 单用户操作系统；

— 批处理操作系统；

— 分时操作系统；

— 实时操作系统；

— 网络操作系统；

— 分布式操作系统；

— 并行操作系统；

— 嵌入式操作系统。

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。

5.网络操作系统

计算机网络是通过通信设施将地理上分散的并具有自治功能的多个计算机系统互连起来的系统。网络操作系统（Network Operating System）能够控制计算机在网络中方便地传送信息和共享资源，并能为网络用户提供各种所需服务的操作系统。

网络操作系统主要有两种工作模式：第一种是客户机/服务器（Client/Server）模式，这类网络中分成两类站点，一类站点作为网络控制中心或数据中心的服务器，提供文件打印、通信传输、数据库等各种服务；另一类站点是本地处理和访问服务器的客户机。这是目前较为流行的工作模式。第二种是对等（Peer-to-Peer）模式，在这种模式下网络中的站点都是对等的，每一个站点既可作为服务器，又可作为客户机。

网络操作系统应该具有以下几项功能：

（1）网络通信。其任务是在源计算机和目标计算机之间实现无差错的数据传输。具体来说，它具有建立/拆除通信链路、传输控制、差错控制、流量控制、路由选择等功能；

（2）资源管理。对网络中的所有硬、软件资源实施有效管理，协调诸用户对共享资源的使用，保证数据的一致性、完整性。典型的网络资源有：硬盘、打印机、文件和数据；

（3）网络管理。包括安全控制、性能监视、维护功能等；

（4）网络服务：如电子邮件、文件传输、共享设备服务、远程作业录入服务等。

下一代的网络操作系统应能提供以下功能支撑：

— 位置透明性。支持客户机、服务器和系统资源不停地在网络中装入卸出，且不固定确切位置的工作方式；

— 名字空间透明性。网络中的任何实体都必须从属于同一个名字空间；

— 管理维护透明性。如果一个目录在多台机器上有映像，应负责对其同步维护；应能将用户和网络故障相隔离；同步多台地域上分散的机器时钟；

— 安全权限透明性。用户仅需使用一个注册名及口令，就可在任何地点对任何服务器的资源进行存取，请求的合法性由操作系统验证，数据的安全性由操作系统保证；

— 通信透明性。提供对多种通信协议支持，缩短通信的延时。

6.分布式操作系统

以往的计算机系统中，其处理和控制功能都高度地集中在一台计算机上，所有的任务都由它完成，这种系统称为集中式计算机系统。而分布式计算机系统是指由多台分散的计算机，经互连网络连接而成的系统。每台计算机高度自治，又相互协同，能在系统范围内实现资源管理、任务分配、能并行地运行分布式程序。

分布式计算机系统是由多台计算机组成的系统。在系统中，任意两台计算机之间利用通信来交换信息，各台计算机之间无主次之分。系统中的资源为所有用户共享，系统中若干台计算机可以相互合作，共同完成同一个任务。用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式操作系统（Distributed Operating System）。分布式系统的优点是，各节点的自治性好、资源共享的透明性强、各节点具有协同性、系统具有坚定性。主要缺点是，系统状态不精确、控制机构复杂、通信开销会引起性能的下降。与网络操作系统的主要区别在于任务的分布性，即把一个大任务分为若干个子任务，分派到不同的处理器上执行。

7.并行操作系统

多处理机系统是由多台处理机组成的计算机系统。分成两大类：基于共享存储的多处理机系统（也称为紧耦合多处理机系统）与基于分布存储的多处理机系统（也称为松耦合多处理机系统）。多处理机系统也称为并行计算机系统，它所使用的操作系统称为并行操作系统。现已经研制出来的并行操作系统有：美国Stanford大学的V-Kernel、美国Bell 实验室的Meglos、美国卡内基梅隆大学的MACH 等。

8.嵌入式操作系统

随着以计算机技术、通信技术为主的信息技术的快速发展和Internet 网的广泛应用，3C（Computer，Communication，Consumer Electronics）融合的趋势已初露端倪，计算机是贯穿社会信息化的核心技术，网络和通信是社会信息化赖以存在的基础设施，电子消费产品是人与社会信息化的主要接口。3C融合的必然产物是信息电器；同时，计算机的微型化和专业化趋势已成事实，这就为把计算机技术渗透到各行各业，应用到各个领域，嵌入到各种设备，开发出各种新型产品，奠定了坚实的物质基础。在这些领域内产生了一个共同需求：计算机嵌入式应用。嵌入式（计算机）系统硬件不再以物理上独立的装置或设备形式出现，而是大部分甚至全部都隐藏和嵌入到各种应用系统中。由于嵌入式（计算机）系统的应用环境与其他类型的计算机系统有着巨大的区别，随之带来了对嵌入式（计算机）系统的软件、即嵌入式软件（embedded software）的要求，而嵌入式操作系统是嵌入式软件的基本支撑。从而，形成了现代操作系统的一个类别——嵌入式操作系统。

嵌入式操作系统是指运行在嵌入式（计算机）环境中，对整个系统及所有操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件。由于它仍旧是一个操作系统，因此，具有通常操作系统的功能，包括与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能（文件系统、存储管理、设备管理、进程管理、处理器管理和中断处理），功能强大的还提供图形界面、通信协议、小型浏览器等设施。