计算机速成课 第十八集 操作系统

1. 操作系统诞生背景

• 1940，1950 年代的电脑，每次只能运行一个程序，程序员在打孔卡纸上写程序
• 然后拿到一个计算机房间，交给操作员，计算机空闲下来的时候，操作员会把程序放入，然后运行，输出结果，停机
• 运行一个程序通常需要几个小时，几天甚至几周
• 以前计算机慢的时候，手动放程序的做法可以接受，但是随着计算机越来越快，放程序的时间比运行程序的时间更长
• 我们需要一种方式，让计算机自动运作，于是「操作系统」诞生了。

2. 操作系统介绍

• 简称 OS，其实也是程序
• 有操作硬件的特殊权限，可以运行和管理其他程序
• 一般是开机第一个启动的程序。其他所有程序都由操作系统启动
• 开始于 1950 年代
• 第一个操作系统，加强了程序加载方式（指批处理）。
• 批处理（batch processing）:之前只能一次给一个程序，现在可以一次多个。当计算机运行完一个程序，会自动运行下一个程序，这样就不会浪费时间，找下一个程序的纸卡
• 外部设备：和计算机连着的其他设备。（因此程序员有的时候需要了解设备的硬件细节，一般是阅读手册来写代码）。现在是「即插即用」，以前是「祈祷能用」
• 为了程序员写软件更容易，操作系统充当软件和硬件之间的媒介：提供 API 来抽象硬件，叫「设备驱动程序」，程序员可以用标准化机制和输入输出硬件交互

3. 1950年代尾声

• 这个时候，电脑已经非常快，经常是处理器闲着，等着外部慢的机械设备，比如打印机和读卡器

4. 1950 年代后期，

• Atlas：世界上第一台超级计算机，由英国曼彻斯特大学开始研发
• 1962 年，出现 Atlas Supervisor
  • 不仅可以自动加载程序
  • 还可以在单个 CPU 上同时运行几个程序（通过调度来实现这一点）
  • 最终达到：多个程序可以同时运行，在单个 CPU 上共享时间，这种能力被称为「多任务处理」multitasking
  • 给每个程序分配专属内容，
    • 解决程序切换的时候的数据丢失问题
    • 隔离后更好，可以实现「内存保护」，同时可以防止病毒程序
  • 虚拟内存
    • 程序可以假定内存总是从地址 0 开始
    • 内存地址「虚拟化」
    • 实际物理位置被操作系统隐藏和抽象了
    • 动态内存分配：
      • 使程序的内存大小可以灵活增减
      • 简化了一切，为操作系统同时运行多个程序提供了极大的灵活性

分时操作系统

• 每个用户只能用一小部分处理器、内存等
• 最有影响力的是 Multics ：多任务信息与计算系统，
  • 于 1969 年发布
  • 是第一个从设计时就考虑到安全的操作系统
  • 复杂度超过当时的平均水准
  • 操作系统占 1MB 内存，这在当时很多，可能是内存的一半
  • 被 Unix 的设计者称为没有获得商业成功是因为「过度设计」，功能太多

Unix

• 操作系统分为两部分
  • 1 操作系统的核心功能
    • 内核：内存管理、多任务、输入/输出处理
  • 2 一堆有用的工具
• 由于其具有的简单性，可以在更便宜更多的硬件上运行
• 1970-1980 年代最流行的操作系统之一

Windows

• 风行开始于 90 年代
• 磁盘操作系统（MS-DOS）只有 160KB，一张磁盘就可以容纳
• 1981 年发布，成为早起家用电脑最受环境的操作系统
• 虽然系统崩溃很讨厌但还可以接受，因为用户可以重启
• 1985年，发布早期 Windows，也会出现蓝屏
  • 蓝屏代表程序崩溃的非常严重，把系统也带崩溃了
  • 新版的 Windows 有更好的保护，不会经常崩溃

今日操作系统

• Mac OS, Windows, Linux, iOS, Android
• 虽然一般只有一个用户，就是正在使用设备的你，但是操作系统依然有「多任务」、「虚拟内存」、「内存保护」，因此可以同时运行多个程序
• 一边在浏览器看视频，一边使用修图软件，播放音乐等
• 如果没有操作系统这几十年的发展，这些都不可能

2022.4.23