简述操作系统

简述操作系统

一、操作系统的基本概念

1.计算机系统的资源

在计算机系统中，资源包括两类，即硬件资源和软件资源。软件资源是计算机的灵魂，主要包括各种程序和数据以及操作系统本身等。操作系统的重要任务之一是有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用状况，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突，为用户提供简单、有效的资源使用方法，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而提高计算机系统的工作效率。

2.计算机系统的层次结构

安装了操作系统的计算机称为虚拟机(Virtual Machine)，是对裸机的扩展。根据计算机系统的组成和功能，可以把计算机系统分为硬件层、操作系统层、实用程序层(或支撑软件层)和应用程序层等4个层次。每一层表示一组功能和一个界面，表现为一种单向服务的关系，即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或者硬件提供的服务。

硬件层包括所有硬件资源，提供了基本的可计算性资源，是操作系统和上层软件赖以工作的基础。它的对外界面由机器指令系统组成，操作系统及其外层软件通过执行机器指令访问和控制各种硬件资源。

操作系统层主要完成资源的调度和分配，信息的存取和保护，并发活动的协调和控制等工作。操作系统是其他软件的运行基础，并为编译程序和数据库管理系统等系统程序的设计者提供了有力支撑。

实用程序层是计算机系统软件的基本组成部分，通常包括各种语言的编译程序、文本编辑程序、调试程序、连接程序、系统维护程序、文本加密程序、终端通信程序以及图文处理软件、数据库管理系统等。其功能是为应用层软件及最终用户处理自己的程序或者数据提供服务。

应用程序层处于计算机系统的最外层，解决用户不同的应用问题，应用程序开发者借助于程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用程序，既快捷又方便。而最终用户则通过应用程序与计算机交互来解决应用问题。包括用户在操作系统和实用软件支持下自己开发的应用程序，以及软件厂家为行业用户开发的专用应用程序包(例如财务软件、Office套件）等。应用程序层是最终用户使用的界面。当然，从最终用户的角度，除了利用应用程序层的软件之外，也可以利用一些未被隐藏的实用层、操作系统层和硬件层的特性来处理自己的程序和数据。

3.操作系统的层次结构

操作系统分为系统层、管理层和应用层。内层为系统层，具有初级中断处理、外部设备驱动、处理机调度以及实时进程控制和通信的功能。系统层外是管理层，包括存储管理、I／O处理、文件存取、作业调度等。起初，操作系统只是设计成能够执行重复操作的任务，这些任务以管理文件、运行程序和从用户接收命令为中心。文件是存放于硬盘、软盘、磁带等存储设备上的电子数据或程序。大多数用户需要计算机执行诸如从磁盘驱动器上读取和写入文件或在打印机上打印文件等任务。如果没有操作系统，用户需要生成并运行一个程序以完成这些工作。然而，在操作系统中，用户则可以通过简单地向操作系统发送一条指令来执行这种任务。在操作系统中已经包含了从磁盘读取文件的重复操作的设计。

最外层是应用层，是接收并解释用户命令的接口，这个用户接口允许用户与操作系统交互。有些操作系统的用户界面只允许输入命令行，而有些则可以通过菜单和图标来实现。操作系统也管理应用软件，这些应用软件是用于编辑文档或科学计算等任务的一些特殊的应用程序。编辑器就是一个典型的应用程序例子，用它可以编辑文档，改变或增加文本。编辑器本身是一个包含一系列指令的程序，要使用这个程序，应首先把它加载到计算机内存中，然后它的指令被执行。操作系统控制着所有程序和应用软件的加载和执行。

二、操作系统

操作系统是计算机系统软件的核心，有多种分类方法。按照操作系统所提供的功能进行分类，可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、单用户操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。

1.批处理操作系统

批处理操作系统是一种早期用在大型机上的操作系统，其特点就是用户脱机使用计算机、作业成批处理和多道程序运行。批处理操作系统要求用户事先把上机解题的作业准备好，包括程序、数据以及作业说明书，然后直接交给系统操作员，并按指定的时间收取运行结果，用户不直接与计算机打交道。系统操作员不是立即进行输入作业，而是要等到一定时间或作业达到一定数量之后才进行成批输入。由系统操作员将用户提交的作业分批进行处理，每批中的作业由操作系统控制执行。

2.分时操作系统

分时操作系统允许多个用户共享同一台计算机的资源，即在一台计算机上连接几台甚至几十台终端机，终端机可以没有CPU与内存，只有键盘与显示器，每个用户都通过各自的终端机使用这台计算机的资源，计算机系统按固定的时间片轮流为各个终端服务。由于计算机的处理速度很快，用户感觉不到等待时间，似乎这台计算机专为自己服务一样。分时操作系统的主要目的是对联机用户的服务响应，具有同时性、独立性、及时性和交互性等特点。在分时操作系统中，分时是指若干道程序对CPU运行时间的分享，通过设立一个单位时间片来实现。也就是说CPU按时间片轮流执行各个作业，一个时间片通常是几十毫秒。

3.实时操作系统

随着工业过程控制和对信息进行实时处理的需要，产生了实时操作系统。“实时”是“立即”的意思，指对随机发生的外部事件做出及时的响应并对其进行处理。实时操作系统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。实时系统是较少有人为干预的监督和控制系统，其软件依赖于应用的性质和实际使用的计算机的类型。实时系统的基本特征是事件驱动设计，即当接到某种类型的外部信息时，由系统选择相应的程序去处理。实时操作系统是以在允许的时间范围内做出响应为主要特征，要求计算机对外来的信息能以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许时间范围内作出快速响应，其响应速度时间在秒级、毫秒级或微秒级甚至更小，通常用在工业过程控制和信息实时处理方面。工业控制主要包括数控机床、电力生产、飞行器、导弹发射等方面的自动控制；信息实时处理主要包 括民航中的查询班机航线和票价、银行系统中的财务处理等。实时操作系统的主要特点是高响应性、高可靠性、高安全性等。分时操作系统与实时操作系统的主要差别是在交互能力和响应时间上，分时系统注重交互性，而实时系统响应时间要求高。UNIX就是典型的多道批处理、分时、实时相结合的多用户多任务分时操作系统，这类操作系统通常用在大、中、小型计算机或工作站中。

4.单用户操作系统

单用户操作系统是随着微机的发展而产生的，用来对一台计算机的硬件和软件资源进行管理，通常分为单用户单任务和单用户多任务两种类型。      单用户单任务操作系统的主要特征是，在一个计算机系统内，一次只能运行一个用户程 序，此用户独占计算机系统的全部硬件和软件资源。常用的单用户单任务操作系统有MS—DOS、PC—DOS等。     单用户多任务操作系统也是为单个用户服务的，但它允许用户一次提交多项任务。例如，用户可以在运行程序的同时开始另一文档的编辑工作，边听音乐边打字也是典型的例子。常用的单用户多任务操作系统有0S／2、Windows 95／98系列等，这类操作系统通常用在 微机系统中。

5.网络操作系统

网络操作系统用于对多台计算机的硬件和软件资源进行管理和控制，提供网络通信和网络资源的共享功能。它是负责管理整个网络资源和方便网络用户的程序的集合，要保证网络中信息传输的准确性、安全性和保密性，提高系统资源的利用率和可靠性。     网络操作系统除了一般操作系统的5个基本功能之外，还应具有网络管理模块。网络管理模块的主要功能是提供高效而可靠的网络通信能力；提供多种网络服务，如远程作业录入服务、分时服务、文件传输服务；对网络中的共享资源进行管理；实现网络安全管理。     网络操作系统允许用户通过系统提供的操作命令与多台计算机硬件和软件资源打交道，通常用在计算机网络系统中的服务器上。最有代表性的几种网络操作系统产品是Microsoft公司的Windows 2000 Server／Windows XP、UNIX和Linux等。

6.分布式(多处理机)操作系统

分布式系统是由多台计算机经网络连接在一起而组成的系统，系统中任意两台计算机可以通过远程过程调用(RPC，Remote Process Call)交换信息，系统中的计算机无主次之分，系统中的资源供所有用户共享，一个程序可以分布在几台计算机上并行地运行，互相协作完成一个共同的任务。分布式系统的引入主要是为了增加系统的处理能力、节省投资、提高系统的可靠性。用于管理分布式系统资源的操作系统称为分布式操作系统。三、 操作系统的基本功能与特性​

１.操作系统的功能

从资源管理的角度来看，操作系统对计算机资源进行控制和管理的功能主要分为如下5部分：

（1）CPU的控制与管理：CPU是计算机系统中最重要的硬件资源，任何程序只有占有了CPU才能运行，其处理信息的速度远比存储器存取速度和外部设备工作速度快，只有协调好它们之间的关系才能充分发挥CPU的作用。操作系统可以使CPU按预先规定的优先顺序和管理原则，轮流地为外部设备和用户服务，或在同一段时间内并行地处理多项任务，以达到资源共享，从而使计算机系统的工作效率得到最大的发挥。

（2）内存的分配与管理：计算机在处理问题时不仅需要硬件资源，还要用到操作系统、编译系统、用户程序和数据等许多软件资源，而这些软件资源何时放到内存的什么地方，用户数据存放到哪里，都需要由操作系统对内存进行统一的分配并加以管理，使它们既保持联系，又避免互相干扰。如何合理地分配与使用有限的内存空间，是操作系统对内存管理的一项重要工作。

（3）外部设备的控制和管理：操作系统控制外部设备和CPU之间的通道，把提出请求的外部设备按一定的优先顺序排好队，等待CPU响应。为提高CPU与输入／输出设备之间并行操作的程度，以及为了协调高CPU和低速输入／输出设备之间的工作节奏，操作系统通常在内存中设定一些缓冲区，使CPU与外部设备通过缓冲区成批传送数据。数据传输方式是，先从外部设备一次读入一组数据到内存的缓冲区，CPU依次从缓冲区读取数据，待缓冲区中的数据用完后再从外部设备读入一组数据到缓冲区。这样成组进行CPU与输入／输出设备之间的数据交互，减少了CPU与外部设备之间的交互次数，提高了运算速度。

（4）文件的控制和管理：把逻辑上具有完整意义的信息集合以一个名字作为整体记录下来保存在存储设备中，这个整体信息就称为文件。为了区别不同信息的文件，分别对它们命名，称为文件名。例如，一个源程序、一批数据、一个文档、一个表格或一幅图片都可以各自组成一个文件。操作系统根据用户要求实现按文件名存取，负责对文件的组织以及对文件存取权限、打印等的控制。

（5）作业的控制和管理：作业包括程序、数据以及解题的控制步骤。一个计算问题是一个作业，一个文档的打印也是一个作业。操作系统对进入系统的所有作业进行组织和管理，以提高运行效率。操作系统的作业管理功能提供“作业控制语言”，用户通过它来书写控制作业执行的说明书。同时，还为操作员和终端用户提供与系统对话的“命令语言”，用它来请求系统服务。操作系统按操作说明书的要求或收到的命令控制用户作业的执行。

２.操作系统的特性

操作系统是系统软件的核心，配备操作系统是为了提高计算机系统的处理能力，充分发挥系统资源的利用率，方便用户的使用。目前的 操作系统广泛采用并行操作技术，使多种硬件设备能并行工作。例如，CPU与I／O操作并行、在内存中同时存放多道程序等。这些技术表现出 操作系统的并发性和共享性的主要特征。     并发性是指在内存中存放多道作业，在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进，但在任何一个时间点上只能有一道作 业占用CPU，各道程序同时在CPU上交替轮流地执行。与并发相关的两个概念分别是：串行，在内存中每次只能放一道作业，只有它完全执行 完后，别的作业才能进入内存执行；并行，存在于有多个CPU的环境中，在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的 CPU上同时执行。 共享性是指系统中的资源可以供内存中多个并发执行的程序共同使用，很多种资源(CPU、内存等)都可以被多道作业共同享用。     并发与共享互为条件，是操作系统的基本特征。

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