這是作業系統系列第 1 篇。

儘管作業系統發展史不是研究作業系統的重點，但是在這一發展過程中，衍生出了許許多多與作業系統相關的重要概念，如果知道這些概念出現在怎樣的背景下，以及產生的原因，在後期學習中就不會覺得一些概念出現的比較突兀。除此之外，瞭解作業系統的發展史，理解設計需求，有助於我們站在計算機的角度思考問題。

ENIAC 與序列處理

計算機的發展可以追溯到 1946 年，世界上第一臺通用計算機「ENIAC」 誕生在這一年的 2 月14 日（這天正好是情人節）。

圖為 ENIAC

ENIAC 長 30.48 米，寬 6 米，高 2.4 米，佔地面積約 170 平方米，30 個操作檯，重達 30 英噸，耗電量 150 千瓦，造價 48 萬美元。

從這一年一直到 20 世紀 50 年代中期，作業系統是不存在的。畢竟那時候還沒有作業系統這個概念。程式設計師要是想要執行什麼程式，得把機器程式碼用打孔機打在紙帶上（這不僅是個智力活，還是個要細心的活兒，打錯一個孔你就得重來。想象一下，讓你寫一篇文章，不用退格鍵，更不能從中間插入。。。當時的程式設計師太難了），然後通過輸入裝置，比如紙帶閱讀機，載入計算機。計算機就按照步驟一步步執行下去。執行完畢，就把結果打印出來。

PS：這十幾年間，程式語言也有很大發展，這一階段後期就已經有高階語言——FORTRAN 了。編譯，連結，函式庫這些概念也已經實現。所以這一時間段的計算機不是你想象的那麼落後！

這個時期，使用者如果有上機需求，就要提前預約一個時間段，然後才能去上機（往機器裡放紙帶和控制機器的活也是他們自己來幹。當個程式設計師你還得和硬體打交道）。這樣的模式下，問題出現了：

• 如果使用者申請了 1 個小時，但他的任務只用 35 分鐘就執行完了，那多出來的 25 分鐘就這麼被浪費掉了。
• 如果一個小時到了，使用者的程式還沒執行完，這個程式就會被強制停止——這相當於浪費了整整一個小時的計算資源。但延長時間是不可能的，後邊還有人排隊呢，而且萬一是你的程式死迴圈了咋辦。

簡單批處理系統

在計算資源匱乏的當時，上面那種序列處理造成了巨大的資源浪費，令科學家們難以接受——必須要提高計算機的利用率。

於是，批處理系統誕生了。

圖為 IBM 7090，其上執行著最為著名的批處理系統 IBSYS 。這也是世界上第一款全電晶體計算機

批處理系統的中心思想就是用一個稱為監控程式（monitor）的軟體。剛剛提到了，序列處理需要使用者自己去訪問機器，時間段是固定的，但現在他們只需要把作業提交給計算機操作員，操作員會把這些作業按順序組織成一批，然後把整個批作業放在輸入裝置上，供監控程式使用。

監控程式已經有點作業系統的意思了，它的的工作過程很好理解：

• 大部分監控程式總是常駐記憶體，這部分稱為常駐監控程式（resident monitor）。

• 一開始，監控程式掌握了計算機的控制權（廢話，這時候使用者作業還沒載入進來呢），它會從輸入裝置中讀取一個作業，經過讀入以後，作業就被放置在了使用者程式區域，並且獲得控制權。當作業完成後，控制權將再次返回給監控程式。

有了監控程式後，計算機的利用率提升了——一道作業完成後立馬就會開始下一道作業，沒有任何空閒時間，也很少出現作業沒完成就被終止的情況（基本上解決了序列處理的問題）。

監控程式的正確執行是依賴於硬體的，在這個時期，為了系統的可靠性，計算機廠商為計算機提供了幾樣重要的功能：

• 記憶體保護：這一點很好理解，監控程式的記憶體空間不能被使用者程式隨意更改——不管是有意還是無意。不過當時黑客這一群體還沒有發展，畢竟計算機又少又貴，不可能「飛入尋常百姓家」。一旦硬體檢測到有使用者程式試圖使壞，就會將控制權直接轉移給監控程式，取消這個作業。
• 定時器：這項功能是為了防止一個作業獨佔系統，作業接管控制權後定時器自動開啟。如果定時器時間到了而作業未執行完，程式會被殺掉。
• 特權指令：有的機器指令會被設定成特權指令（比如 I/O 指令），只能由監控程式執行。使用者程式是不能直接使用這些指令的。當然使用者程式可以請求監控程式為自己執行這個操作。特權指令就是為了限制使用者程式的「權力」而設定的，畢竟老闆和員工不可能有一樣的話語權。

監控程式的記憶體佈局，藍色部分就是受保護的記憶體區域

這幾種功能裡，記憶體保護和特權指令引入了操作模式的概念，我們知道，現代作業系統中依然保留這兩種功能——足以見得他們的地位。

簡單批處理系統已經具備了基本的任務排程能力，但它仍有很大的改進空間。雖然簡單批處理系統為機器提供了一個自動作業序列，但處理器經常還是空閒的，因為 I/O 裝置相對於處理器的速度要慢很多，處理器需要 I/O 操作完成後才能接著幹活。

舉個例子：

CPU 利用率 = 1/31 = 3.2%

CPU 的利用率太低了。有什麼辦法解決這個問題呢？

多道批處理系統

IBM System360，搭載了多道批處理作業系統 OS/360，公認的劃時代作業系統

我們剛剛說了，利用率低的主要原因就是 CPU 需要等待 I/O 操作，那我們讓 CPU 忙起來不就可以了?

多道批處理系統就是讓 CPU 忙起來的祕訣。方法聽起來很簡單——在記憶體裡多放幾道使用者程式，一旦有一個作業需要等待 I/O ，就立刻切換另一個可能不需要等待 I/O 的作業。這種處理，稱為多道程式設計（multiprogramming）或多工處理（multitasking）。

我們來看看這種方法是怎麼提高 CPU 利用率的：

• 圖 a ：僅有程式 A 在執行

• 圖 b ：記憶體上有使用者程式 A 和 B ，當 A 在等待 I/O 操作時，B 就開始執行。（為方便理解，我們假設 A, B 兩程式競爭的 IO 資源是不一樣的）

• 圖 c ：使用者程式 A，B，C 同時儲存在記憶體上。

我們可以直觀的看到，在同樣的時間內，CPU 執行時間大大提升，滿足了我們的預期。

像簡單批處理系統一樣，多道程式批處理系統必須依賴於某些計算機硬體功能。其中最顯著的功能就是支援 I/O 中斷（Interrupt）和直接儲存器訪問（Direct Memory Access，DMA）。（DMA 也需要中斷的支援）

中斷這個詞，第一次聽會感覺有點玄乎，如果翻譯成「打斷」感覺會好理解一點（就是不大好聽）。當一個作業開始進行 I/O 操作時，CPU 就會切換到另一項作業，那作業系統怎麼知道這個 I/O 操作什麼時候結束呢？

答案就是 I/O 中斷，在 I/O 操作結束後，DMA 模組（哪種模組具體取決於系統實現）就會向 CPU 傳送一個訊號，CPU 就必須停下當前的事情去處理這個訊號，在多道批處理系統裡表現為控制權被轉移到作業系統的中斷處理程式。這個過程，就是 I/O 裝置打斷（Interrupt）了 CPU 手頭上的事情，轉而去做另一件事。

所以說中斷是作業系統完成各種複雜操作的前提。

多道批處理系統顯然比他的前輩們複雜多了，由這個作業系統，又引申出來了幾個比較有意思的話題：

• 作業管理：記憶體的空間是有限的，意味著一次性載入到記憶體的程式數量也是有限的，那麼怎樣從備選作業裡選擇合適的作業載入進記憶體就是一個問題，這就是就是作業管理。
• 記憶體管理：選擇了作業，就需要為作業分配空間，那從空閒區的哪一部分為作業劃空間就是記憶體管理需要解決的事情。
• 程序排程：程序，就是進行中的程式，一般我們把載入進記憶體的作業稱為程序，以和未載入的作業區分。程序排程，就是當需要進行程序切換時，通過某一種演算法從程序佇列中取出合適的程序，獲得 CPU 的執行。

到了現代，因為記憶體容量的提升，很少出現有作業需要在後臺排隊的情況，所以作業管理以後只會花少量筆墨來介紹。但記憶體管理和程序排程將是我們以後學習的重點。

分時系統

UNIX 就是最為著名的分時作業系統

多道批處理系統可以說是現代作業系統的雛形了，它處理批作業時對處理器的利用率也比較令人滿意，但面對多個互動作業，多道批處理系統就顯得力不從心了。

互動作業的出現很好理解，畢竟我們現在幾乎所有應用程式都是互動式的，你滑動螢幕，這篇文章就會上下滑動，點一個分享，就會出現各種選項，等等等等。

在互動作業中，難免需要等待使用者做出操作，但又不可能讓處理器停下來等你一個人，畢竟很多人都在用同一臺計算機，因此分時系統應運而生。

顧名思義，分時系統就是 n 個使用者作業，作業系統控制每個使用者程式以很短的時間為單位交替執行。因為人的反應相對機器要慢很多，所以如果控制得當，你會感覺自己是獨佔了這一臺計算機一樣。

多提一句，分時系統切換程序靠的就是我們在批處理系統中強調的中斷，不一樣的是，這裡的中斷是時鐘中斷——一到時間就向 CPU 發出中斷訊號。

如果把多個使用者執行的互動程式，看做一個使用者執行的多個互動程式，像我們現在使用個人計算機一樣，就很容易理解現代作業系統了：

• 多個程序共用一個處理器，每個程序分得一個時間片，而在計算機面前的你看來，好像多個程序是並行的。
• 某程序進行 I/O 操作會被作業系統阻塞，在阻塞佇列等待 I/O 操作結束，才能有機會使用 CPU。
• 多個程序在記憶體上儲存，作業系統需要防止程序向其他程序的記憶體空間寫入資訊。尤其要保護作業系統自身的記憶體空間。
• 使用者程式執行在使用者態，無權使用特權指令，需要向作業系統提出請求。

講到這，我們已經瞭解了作業系統的發展，事實上，還有一些其他的作業系統，比如實時作業系統，網路作業系統，分散式作業系統等等，但這些作業系統與我們生活相關性不大（實時作業系統對嵌入式來說還是很重要的），所以在此文略過，有興趣的可以查閱相關資料。

希望在閱讀完這篇文章之後，你能夠對作業系統的設計理念有一個簡單的印象，如果本文引起了你對作業系統的興趣，那就再好不過了。

感謝你的閱讀，我們後會有期！

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