2. Evolution of Operating Systems

回顾 1. Introduction to Operating Systems，我们知道了操作系统作为一种系统软件，负责封装底层硬件的复杂细节，为用户提供简洁高效的交互方式。但这是站在今天的视角对现代操作系统从上至下的一种审视。在计算机系统发展的过程中，这些抽象是一步一步建立的，并不是一蹴而就的。

操作系统的革新不单单体现在人机交互模式的逐步改进（Bare machine -> CLI -> GUI-> Touch Interface），也受到半导体技术发展和硬件种类增加的驱动（mainframe -> minicomputer -> PC -> handheld）。这些硬件的演进不仅带来了计算能力的提升，也为操作系统设计开辟了新的方向。

在本阶段，我们将结合不同时代的计算机系统，深入探讨那些具有深远影响力的计算机系统和操作系统。每个时代都具有许多富有创造力的想法和技术突破。也正是这些伟大的创新推动了计算机科学的发展，它们既可能引领硬件的诞生与革新，也可能促成操作系统的变迁与进步。

通过这些历史阶段的梳理，我们将分析硬件与操作系统如何相辅相成：硬件的进步为操作系统提供了发挥作用的平台，而操作系统的变迁反过来推动了硬件的广泛应用与普及。本阶段，我们也将讨论操作系统和硬件如何不断创新并解决新的技术挑战，共同塑造现代的计算机系统。

在 1940 年代之前，通用的存储程序的 von Neumann 架构的计算机还未诞生。这时的计算机被称为专用计算机，因为它们只能完成一些特定任务，通常依赖齿轮等机械结构来完成计算。

在 1945 年，John von Neumann 提出了现代计算机的基本架构，即“存储程序”思想。强调将程序和数据放在存储器中，使得计算机可用通过读取存储器中的指令来自动执行任务，而无需人工干预。为后来通用计算机的出现奠定了理论基础。

在第二次世界大战时期，军事上复杂计算的需求也直接地推动了计算机科学的发展。无论是世界上第一台通用的电子计算机——ENIAC，还是最早的 von Neumann 架构的计算机——EDVAC，最早都是用于计算炮弹弹道和研发核武器提供支持（虽然没它们有直接用在二战中）。

40 年代，大多数计算机系统仍然依赖人工切换任务，效率极低。而且每次计算完成后都需要人工调整硬件，导致计算机的空闲时间远远多于实际计算时间。人们希望计算机每次任务完成后都能够自动地重置状态并加载下一任务，而不依赖人工干预。这一思想最终推动了批处理系统的出现。

50 - 60 年代是批处理的时代。50 年代的单道批处理（如 IBM 的 IBSYS）的出现减少了 CPU 的空闲时间，一定程度上提升了 CPU 的利用率。而至 60 年代，多道批处理 (Multiprogramming Batch Processing) 的多任务调度使得系统能够同时容纳调度多个程序，CPU 利用率一度提升到 50% - 60%（如 IBM OS/360）。

尽管晶体管技术在 1947 年已被发明，但由于 1950 年代尚未实现大规模商用化，计算机仍然依赖真空管进行计算。这就导致 1950 年代的计算机仍然处于真空管计算机的第一代计算机，体积庞大、功耗高且故障率高，因此这个时期仍然是大型机主导的时代。

1960 年代，晶体管与 SLT 混合集成电路（如 IBM System/360）的普及标志着第二代计算机的成熟。随着硬件成本下降和晶体管的广泛应用，计算机的体积得以进一步缩小，同时性能和可靠性得到大幅提升。在这一时期，小型机(Minicomputers) 开始出现，例如 1965 年出现的 DEC PDP-8，它比传统大型机更小（冰箱大小）、更经济（1.8万美元），推动了计算机的普及。

在BPOS中，机器允许多个用户同时将任务(jobs)加载进任务队列(job queue)中，这时，系统把需求相似的任务分成不同批次(batch)然后按顺序送入CPU中运行。在任务执行过程中，任务不仅仅需要使用CPU，还会访问磁盘或外设。在任务访问磁盘或I/O时，CPU会处于空闲(idle)状态。这样会无故浪费很多CPU资源。

试想，如果允许内存加载多个作业，我们可以通过特定策略来提高资源的利用率。这就是多道程序设计的由来。在BPOS中，作业需要一个一个按顺序完成。但是Multiprogramming OS允许同时存在多个作业处于活动状态。当一个任务等待I/O时，操作系统可以调度另一个任务使用CPU。这样，即使某些任务在等待I/O操作，CPU也能保持忙碌状态，从而大大提高了效率和吞吐量。

多道程序系统其实就是容许多”道“程序同时存在于内存中，通过调度算法来使CPU尽量忙碌，提高CPU的利用率。在多道程序系统中，我们需要理解下面的概念：

优点：

（
进程隔离的概念这时候开始出现？避免进程之间的信息泄露。而且确保在一个进程crash时其他进程仍然可以继续运行

最早的进程隔离出现在 1962 的 Atlas 超级计算机上
）

多道程序设计是多任务系统的前身，多道程序设计解决了CPU利用率低下的问题，但毕竟人类需要直接与计算机交互。从而促使了多任务系统的诞生。

多任务操作系统是一种能够“同时”处理多个任务的操作系统。这种类型的操作系统通过高效地分配CPU时间和其他资源，使得用户几乎可以同时运行多个任务，这些任务共享共同的CPU、内存等资源。极大的提高了系统的响应时间和用户体验。

Multitasking OS 也叫 time sharing systems (分时系统)。这种操作系统将CPU时间分成很小的片段，称为时间片(time slices) 或 时间量(quantum)，并将这些时间片轮流分配给各个任务，从而实现多任务的并发执行 。这种方法的关键在于时间片的长度通常非常短(通常是毫秒级别)，足够短到让用户无法感觉到任务之间的切换。多个任务或多个用户感觉都独占CPU和内存，而实际上他们是在分享CPU和内存。

公认的第一个分时操作系统是 1961 年 MIT 开发的CTSS(Compatible Time-Sharing System)。CTSS的开发标志着计算机技术的一个重要转折点，使得多个用户能够通过各自的终端同时使用同一台计。算机资源。这一概念彻底改变了计算机的使用方式，为后来的操作系统，如Multics(多路信息计算服务)，以及今天我们使用的现代多任务操作系统奠定了基础。

应当引入并发的概念。。。