操作系统概述

主要从四个方面进行介绍操作系统：

1.操作系统的概念、特征、功能和提供的服务。
2.操作系统的发展与分类。
3.操作系统的运行环境。
4.操作系统体系结构。

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1.操作系统的基本概念

1.1 操作系统的概念

操作系统管理各种计算机硬件，为应用程序提供基础，并充当计算机硬件与用户之间的中介。操作系统控制和协调各用户的应用程序对硬件的分配和使用。综上所述：操作系统是控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。

1.2 操作系统的特征

操作系统是一种系统软件，基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行着的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统中，引入进程的目的是使程序能并发执行。
共享：资源的共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。共享方式分为：互斥共享方式、同时访问方式。
虚拟：是把一个屋里上的实体变为若干个逻辑上的对应物。操作系统的虚拟技术归纳为：时分复用技术（如：处理器的分时共享）、空分复用技术（如：虚拟存储器）。
异步：在多道程序环境中，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

1.3 操作系统的目标和功能

为了给多道程序提供良好的运行环境，操作系统应具有以下几方面的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。为了方便用户使用操作系统，还必须向用户提供接口、同时操作系统可用来扩充机器，以提供更方便的服务、更高的资源利用率。

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2 操作系统的发展与分类

2.1 手工操作系统（此阶段无操作系统）

用户在计算机上的所有工作都要人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。缺点：用户独占全机，资源利用率低；CPU等待手工操作。

2.2 批处理阶段（操作系统开始出现）

又分为：单道批处理系统和多道批处理系统。
单道批处理特征：自动性、顺序性和单道性。
多道批处理：允许多个程序同时进入内存并运行。特点：多道、宏观上并行、微观上串行。优点：资源利用率高；系统吞吐量大。缺点：用户响应时间较长；不提供人机交互能力。

2.3 分时操作系统

所谓分时技术就是把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。分时操作系统是多个用户通过终端同时共享一台主机，这些终端连接在主机上，用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰。多道批处理是实现作业自动控制而无需人工干预的系统，而分时系统是实现人机交互的系统，这使得分时系统具有与批处理系统不同的特征，主要特征如下：同时性、交互性、独立性、及时性。

2.4 实时操作系统

为了能够在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需时间片排队，诞生了实时操作系统。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

2.5 网络操作系统和分布式计算机系统

网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机地结合起来，提供一种统一、经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各个计算机之间的互相传送数据。网络操作系统最主要的特点是网络中各种资源的共享以及各台计算机之间的通信。
用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式计算机系统。该系统的主要特点：分布性和并行性。分布式操作系统与网络操作系统本质上的不同之处在于分布式操作系统中，若干台计算机相互协同完成同一任务。

2.6 个人计算机操作系统

常见的有Windows、Linux和Macintosh等，此外还有嵌入式操作系统、服务器操作系统、多处理器操作系统等。

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3 操作系统的运行环境

3.1 操作系统的运行机制

操作系统划分了用户态（目态）和核心态（管态）。大多数操作系统内核包括四个方面的内容：

1.时钟管理
2.中断机制
3.原语
4.系统控制的数据结构及处理
核心态指令实际上包括系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。

3.2 中断和异常的概念

操作系统内核工作在核心态，而用户程序工作在用户态。当中断或异常发生时，运行用户态的CPU会立即进入核心态，这是通过硬件实现的。
中断也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生。
异常也称内中断，指源自CPU执行指令内部的事件。

3.3 系统调用

系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。系统调用按功能大致可分为以下几类：

设备管理
文件管理
进程控制
进程通信
内存管理
注意：由用户态进入核心态，不仅仅是状态需要切换。而且，所使用的堆栈也可能需要由用户堆栈切换为系统堆栈，但这个系统堆栈也是属于该进程的。

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4 操作系统的体系结构

4.1 大内核和微内核

大内核系统将操作系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为应用提供高性能的系统服务。
为解决操作系统的内核代码难以维护的问题，于是提出了微内核的体系结构。它将内核中最基本的功能保留在内核，而将那些不需要再核心态执行的功能移到用户态执行，从而降低了内核的设计复杂性。