操作系统（一）计算机操作系统概述

计算机操作系统概述 操作系统的体系结构 操作系统的发展操作系统分类 操作系统设计

计算机系统

计算机系统是一种可以按照用户要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。

计算机系统资源包扩两大类：硬件资源和软件资源，任何程序的运行都要占用资源。

操作系统

操作系统是计算机系统中的一个大型软件程序，它是一些程序模块的集合：能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理（“公平”对待不同的用户程序，保证系统不发生“死锁”和“饥饿”现象）组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种功能服务（向程序设计人员提供高效的编程接口，向用户提供可灵活、方便（易用性、易学性、易维护性）、有效使用计算机的接口），使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使计算机系统能够高效运行。

操作系统的特征 多种角度看待操作系统 从资源管理角度

操作系统就是负责管理计算机系统的资源使用。如登记哪些资源被哪些程序使用，哪些资源还是空闲的，以及回收哪些不再使用的资源。

从进程的角度

进程可分为用户进程和系统进程两大类，操作系统负责控制和协调这些进程的运行。从虚拟机的角度

在操作系统的支持下，用户不需要直接使用硬件机器（裸机），而是通过操作系统提供的各种功能来控制和使用计算机。操作系统把裸机扩充为功能强、易使用的计算机系统，我们把这种计算机系统称为虚拟计算机。把操作系统的全部功能，统称为操作系统虚机器。从服务提供者角度

操作系统（服务提供者）提供了一系列的功能和便利（为了用户使用上的便利，服务提供者提供了一组功能强大、方便、易用的广义指令（称为系统调用））的工作环境为用户服务。 操作系统的功能 进程间通信 调度

调度又称处理器调度，通常包括线程调度，进程调度和作业调度。进程（线程）调度的基本任务就是从进程（线程）的就绪队列中通过算法选出一个进程（线程）将处理器资源分配给它，并准备好特定的执行上下文让它执行起来。作业调度的基本任务则是从作业后备队中按一定算法挑出若干个作业，并按照作业说明说为它们分配一定的资源，把它们装入内存并未每个作业建立相应的进程。 存储管理

存储管理的任务是管理计算机系统的内存资源。 文件管理

计算机系统中的信息资源（如程序和数据）是以文件的形式存储在外存储器中的，需要使用时将它们装入内存。操作系统一般都提供一个具有强大功能的文件系统。文件管理的主要任务就是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题，以使用户方便、安全地访问文件 设备管理

现在计算机系统中，存在着大量的外部设备。操作系统应向用户提供设备管理（除CPU、内存外的所有输入、输出设备的管理）功能。用户不必了解设备及接口技术，通过操作系统就可以方便的对设备进行操作。用户接口

操作系统应向用户提供使用自己的手段。即用户与操作系统间的接口。从用户角度看，操作系统就是计算机系统与用户之间的接口。因此，接口管理的任务就是为用户提供一个使用系统的良好环境。是用户能有效地组织工作流程，并使整个系统能够高效的运行。 操作系统的体系结构 操作系统的体系结构

体系结构是分层的模块系统，主要层次有硬件抽象层HAL、内核、执行体和大量的子系统（环境子系统（仿真不同的操作系统）和保护子系统（提供安全功能））集合。前三个都运行在保护模式下，而各个子系统在用户模式下运行。

UNIX 操作系统的体系结构

最里层是硬件，作为整个系统的基础；紧邻最里层的是操作系统内核，包括进程管理、存储器管理、设备管理和文件管理四个资源管理功能；往外一层是系统调用接口，即操作系统与用户的接口shell以及编译程序等；最外层是应用程序。

内核本身可分为两大部分：

系统调用层

界于内核层和应用层之间，是供程序员设计、开发应用程序时调用的。UNIX进程调用包括进程管理、文件管理、终端状态等。

应用层

包括各种开发工具、高级语音编译器、网络通信处理程序等。所有应用程序都是在Shell（命令语音解释程序）的管理和控制之下为用户服务的，是面向用户操作的界面。

Linux 操作系统的体系结构 操作系统的体系结构 操作系统的发展

操作系统如其他事物一样，也有它的诞成长和发展的过程。

监控程序（早起批处理）

五十年代晶体管的发明极大地改变了整个状况。计算机变得比较可靠，厂商可批量成产卖给用户。出现了、ALGOL、COBOL等高级语言。此时要运行一个作业（JOB，一个或一组程序），程序员将程序写在纸上（高级语言或汇编语言），交给操作员。计算机运行完当前任务后，将结果输出在卡片上，由操作员送到输出室。由于处理器速度的提高，导致手工操作设备输入、输出信息与计算机计算速度不匹配。因此人们设计了监督程序，来实现JOB的自动转换处理，这种自动定序的处理方式称为批处理。而且因为是串行执行，所以称为单道批处理。多道批处理

随之计算机硬件的不断发展，通道使得输入输出与处理器操作并行处理称为可能，与此同时然间系统也随之发生变化，实现了在硬件提供并行处理之上的多道批处理。

所谓多道就是运行多个程序同时存在与内存中，处理器以切换方式为之服务，使得多个程序可同时执行。从而极大提高了系统在单位时间内处理作业的能力。这时管理程序已迅速发展成为一个重要的软件分之—操作系统分时与实时系统

批处理系统不适合交互式的作业，对交互式工作方式的需求导致了分时系统（多个用户通过终端设备与计算机交互作用来运行自己的作业，并共享一个计算机系统而互不干扰，就像每人都有一台独立的计算机）的诞生。

实时系统一般用于对时间有特殊要求的工作，如天气预报，工业控制等。实时系统对时间点要求苛刻，需要对事件及时响应。UNIX 通用操作系统

它是现代操作系统的代表，显示出了强大的生命力。

使用C语言编写的，因此是可移植的。是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。具有树形文件系统和一定安全机制；有简洁的字符流文件和文件保护机制；UNIX有强大的Shell，它即是命令解释器，又是编程用高级语言，还可用于扩充系统功能。个人计算机操作系统

操作系统出现，并成为主流的个人计算机操作系统。

Linux操作系统出现，Linux继承了UNIX的全部优点，而且开放全部源码。它是机器健壮的，曾连续不停机运行一年而不崩溃。 操作系统

一款主要面向移动设备，基于Linux内核的开源移动操作系统，包括了Linux内核、中间件和关键移动应用的一整套软件。 操作系统分类

根据操作系统在用户界面的使用环境和功能的不同，对操作系统进行分类。一般可分为批处理操作系统，分时操作系统，实时操作系统。随着计算机操作系统的发展，又出现了许多类型的操作系统（个人操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统）。

批处理操作系统 分类

设计思想

程序启动前，操作员有选择地把若干作业合并成一批作业，监控程序将自动控制这批作业的执行。系统运行过程是：单个作业调入内存，运行，结束后再调入下一个作业。因为作业的运行与作业之间的衔接都是有程序控制，所有有效地提高了作业运行效率。

作业控制说明书

工作原理：作业的步骤是有作业控制说明书（也是一段程序，通常编写在批作业之前)来传递给监控程序的。

一般指令和特权指令

在简单批处理操作阶段，为了防止用户误操作而导致系统发生不可预料的结果，有必要对CPU的运行划分出不同状态。这就为CPU引入了运行模式的概念。

系统调用的过程

系统调用发生时，处理器通过一种特殊机制（中断或异常处理），把控制流程转移到监控程序内的一些特定位置，同时，处理器模式转变为特权模式。由监控程序执行作业代码。处理结束后，监控程序回复调用前的状态。把运行模式从特权模式恢复成默认模式。最后控制权转移回原来的用户程序。

技术

简单批处理程序不具有并行执行（多个程序同时运行）作业的能力，真正引入并发机制的是多道批处理操作系统。在多道处理系统（提高硬件资源利用率）的关键技术就是多道程序运行和假脱机（）技术等。

分时系统 目标

及时相应用户输入的交互命令，相应时间越短越好。

一般通用操作系统结合了分时系统与批处理系统的特点，处理原则是：分时优先，批处理在后。一般把分时系统运行状态称为前台，批处理系统运行状态称为后台。分时作业称为前台作业（处理终端用户、交互式的、比较小的、需要及时处理的作业）。批处理作业称为后台作业（运行时间较长、需要其他外部设备、比较大型、无需终端用户干预）。

实时操作系统

实时操作系统：计算机能在规定时间内，及时相应外部事件请求，同时完成对该事件的处理，并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。

主要目标：在严格时间范围内，对外部请求做出反应，系统具有高度可靠性。

实现要求

嵌入式操作系统

嵌入式操作系统就是运行在嵌入式芯片环境中，对整个芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。

优点：高可靠性、实时性、占有资源小、智能化能源管理、易于连接、低成本等优点。

个人计算机操作系统

是一种单用户多任务的操作系统。

特点：某一时间段内为单个用户服务、采用界面友好的图形界面进行人机交互、使用方便，用户无需专业知识。

网络操作系统

基于计算机网络、在各种计算机操作系统之上按网络体系结构协议标准设计开发的软件，它包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。

网络操作系统把计算机网络中的各个计算机有机地连接起来，其目标是相互通信及资源共享。

分布式操作系统

将大量的计算机通过网络连接到一起，可以获得 更高的运算能力及广泛的数据共享。分布式操作系统是网络操作系统的更高形式，处理具有网络操作系统的各种功能之外，还具备如下特征：

优点：分布式、可靠性。

操作系统设计 正确性难以保证

包含的功能成分很多，各种外部设备的接口复杂，导致操作系统源码的正确性难以保证。参与开发的人员基数较大，也增加了保证整个软件正确性的难度。研制周期长

因上述两个原因，操作系统研发周期较长。研制周期一般为5年左右。 操作系统的设计过程

操作系统的三方面设计是互相渗透的，不能截然分开的。目标是设计出具有好结构、高功效、又具有所需功能的操作系统。

操作系统的设计目标 操作系统的结构设计 操作系统的结构