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計算機操作系統(tǒng)的基本概念
操作系統(tǒng)是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運行。下面是小編整理的計算機操作系統(tǒng)的基本概念，希望大家認真閱讀！
1、操作系統(tǒng)做什么
注：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為從程序設(shè)計者角度所看到的計算機屬性，在計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中處于機器語言級;而計算機組織作為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)和物理實現(xiàn)，其任務(wù)就是圍繞提高性能價格比的目標，實現(xiàn)計算機在機器指令級的功能和特性。研究和建立各功能部件間的相互連接和相互作用，完成各個功能部件內(nèi)部的邏輯設(shè)計等是邏輯實現(xiàn)的內(nèi)容;把邏輯設(shè)計深化到元件、器件級，則是物理實現(xiàn)的內(nèi)容。
計算機系統(tǒng)可以大致分為四個組成部分：計算機硬件、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序和用戶。
硬件為系統(tǒng)提供基本的計算資源，應(yīng)用程序規(guī)定了用戶按何種方式使用這些資源，操作系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào)各用戶的應(yīng)用程序?qū)τ布氖褂谩?/p>
從兩個視角探索操作系統(tǒng)：用戶視角和系統(tǒng)視角。
A、用戶視角：
對于PC用戶，系統(tǒng)設(shè)計是為了讓單個用戶單獨使用其資源，其目的是優(yōu)化用戶所進行的工作。對于這種情況，操作系統(tǒng)的設(shè)計目的是為了用戶使用方便，性能是次要的，而且不在乎資源使用率。
對于大型機用戶，操作系統(tǒng)設(shè)計為資源使用做了優(yōu)化：確保所有的CPU時間、內(nèi)存和I/O都得到充分使用，并且確保沒有用戶使用超出其權(quán)限以外的資源。
對于工作站用戶，操作系統(tǒng)的設(shè)計目的是個人使用性能和資源使用率的折中。
對于手持計算機用戶，方便個人使用，最大化利用電池能源是操作系統(tǒng)設(shè)計的要點。
B、系統(tǒng)視角：
從系統(tǒng)視角，操作系統(tǒng)相當于資源分配器。操作系統(tǒng)管理CPU時間、內(nèi)存空間等系統(tǒng)資源，在面對許多甚至沖突的資源請求，操作系統(tǒng)必須決定如何為每個程序和用戶分配資源，以便計算機系統(tǒng)能有效而公平的運行。
2、計算機系統(tǒng)組織
計算機通過運算器、存儲器、控制器、輸入輸出子系統(tǒng)等主要功能部件的相互連接和相互作用，借以實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。從最基本的功能和作用原理來說，計算機是在控制器的全面控制下，接收經(jīng)數(shù)字化編碼的輸入信息(程序和數(shù)據(jù))，把它存放在存儲器中，根據(jù)程序的要求對數(shù)據(jù)進行快速運算，產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)輸出。因此，可以把運算器、存儲器、控制器、輸入輸出子系統(tǒng)看成是一臺計算機的邏輯組成中最基本的功能部件。
存儲設(shè)備層次(按總線速率由高到低)：
寄存器——高速緩存(Cache)——主存——磁盤——光盤——磁帶
3、計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
通過采用的通用處理器的數(shù)量來分類。
A、單處理器系統(tǒng)
在單處理器系統(tǒng)中，有一個主CPU能夠執(zhí)行一個通用指令集，包括來自用戶進程的指令。
B、多處理器系統(tǒng)
多處理器系統(tǒng)的優(yōu)點：
增加吞吐量;規(guī)模經(jīng)濟;增加可靠性。
分類：
非對稱多處理器(asymmetric multiprocessing)系統(tǒng)——主從關(guān)系;
對稱多處理器(symmetric multiprocessing)系統(tǒng)——對等關(guān)系。
C、集群系統(tǒng)
集群計算機共享存儲并通過局域網(wǎng)連接或更快的內(nèi)部連接。
分類：
非對稱集群：一部分機器處于熱備份模式，其余的機器運行應(yīng)用程序。
對稱集群：兩臺或多個主機都運行程序，互相監(jiān)視。
4、操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)理論研究者有時把操作系統(tǒng)分成四大部分：
驅(qū)動程序：最底層的、直接控制和監(jiān)視各類硬件的部分，它們的職責是隱藏硬件的具體細節(jié)，并向其他部分提供一個抽象的、通用的接口。
內(nèi)核：操作系統(tǒng)內(nèi)核部分，通常運行在最高特權(quán)級，負責提供基礎(chǔ)性、結(jié)構(gòu)性的功能。
接口庫：是一系列特殊的程序庫，它們職責在于把系統(tǒng)所提供的基本服務(wù)包裝成應(yīng)用程序所能夠使用的編程接口(API)，是最靠近應(yīng)用程序的部分。例如，GNU C運行期庫就屬于此類，它把各種操作系統(tǒng)的內(nèi)部編程接口包裝成ANSI C和POSIX編程接口的形式。
外圍：是指操作系統(tǒng)中除以上三類以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高級服務(wù)的部件。例如，在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，大部分系統(tǒng)服務(wù)，以及UNIX/Linux中各種守護進程都通常被劃歸此列。
在這里，需要介紹一些關(guān)于內(nèi)核的知識。
內(nèi)核是操作系統(tǒng)最核心最基礎(chǔ)的構(gòu)件，內(nèi)核結(jié)構(gòu)往往對操作系統(tǒng)的外部特性以及應(yīng)用領(lǐng)域有著一定程度的影響。
內(nèi)核的結(jié)構(gòu)可以分為單內(nèi)核、微內(nèi)核、混合內(nèi)核、外內(nèi)核等。
單內(nèi)核(Monolithic kernel)，又稱為宏內(nèi)核。此架構(gòu)的特性是整個核心程序都是以核心空間(Kernel Space)的身份及監(jiān)管者模式(Supervisor Mode)來運行(宏內(nèi)核被實現(xiàn)為運行在單一地址空間的單一的進程，核心提供的所有服務(wù)，都以特權(quán)模式，在這個大型的核心地址空間中運作，這個地址空間被稱為核心空間(kernel space))。相對于其他類型的操作系統(tǒng)架構(gòu)，如微核心架構(gòu)或混核心架構(gòu)等，這些核心會定義出一個高級的虛擬接口，由該接口來涵蓋描述整個電腦硬件，這些描述會集合成一組硬件描述用詞，有時還會附加一些系統(tǒng)調(diào)用，如此可以用一個或多個模塊來實現(xiàn)各種操作系統(tǒng)服務(wù)，如進程管理、共時(Concurrency)控制、存儲器管理等。
微內(nèi)核(Microkernel)，又稱為微核心。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是1980年代產(chǎn)生出來的較新的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，強調(diào)結(jié)構(gòu)性部件與功能性部件的分離。微核心的設(shè)計理念，是將系統(tǒng)服務(wù)的實現(xiàn)，與系統(tǒng)的基本操作規(guī)則區(qū)分開來。它實現(xiàn)的方式，是將核心功能模塊化，劃分成幾個獨立的進程，各自運行，這些進程被稱為服務(wù)器(service)。所有的服務(wù)器進程，都運行在不同的地址空間。只有需要絕對特權(quán)的進程，才能在具特權(quán)的運行模式下運行，其余的進程則在用戶 空間運行。
混合內(nèi)核(Hybrid kernel)像微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，只不過它的組件更多的在核心態(tài)中運行，以獲得更快的執(zhí)行速度�；旌蟽�(nèi)核，一種操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)，結(jié)合整塊性核心與單核心兩種設(shè)計方法。它的架構(gòu)實作方式接近于整塊性核心。最有名的混合核心為Windows NT核心與XNU。
外內(nèi)核(Exokernel)的設(shè)計理念是盡可能的減少軟件的抽象化，這使得開發(fā)者可以專注于硬件的抽象化。外核心的設(shè)計極為簡化，它的目標是在于同時簡化傳統(tǒng)微內(nèi)核的訊息傳遞機制，以及整塊性核心的軟件抽象層。外核的目標就是讓應(yīng)用程序直接請求一塊特定的物理空間，一塊特定的磁盤塊等等。系統(tǒng)本身只保證被請求的資源當前是空閑的，應(yīng)用程序就允許直接存取它。
在眾多常用操作系統(tǒng)之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等個別系統(tǒng)外，幾乎全部采用單內(nèi)核結(jié)構(gòu)，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows(微軟聲稱Windows NT是基于改良的微內(nèi)核架構(gòu)的，盡管理論界對此存有異議。
5、操作系統(tǒng)操作
*雙重模式操作*：
為了確保操作系統(tǒng)地正常執(zhí)行，必須區(qū)分操作系統(tǒng)代碼和用戶定義代碼的執(zhí)行。許多操作系統(tǒng)所采取的方法是提供硬件支持以允許區(qū)分各種執(zhí)行模式。
至少需要兩種獨立的操作模式：用戶模式(user mode)和監(jiān)督程序模式(monitor mode)(也稱為管理模式(supervisor mode)、系統(tǒng)模式(system mode)或特權(quán)模式(privileged mode))。在計算機硬件中增加一個稱為模式位(mode bit)的位以表示當前模式：監(jiān)督程序模式(0)和用戶模式(1)。有了模式位，就可以區(qū)分操作系統(tǒng)所執(zhí)行的任務(wù)和用戶所執(zhí)行的任務(wù)。
系統(tǒng)引導(dǎo)時，硬件開始處于內(nèi)核模式。接著，裝入操作系統(tǒng)，開始在用戶模式下執(zhí)行用戶進程。一旦出現(xiàn)陷阱或中斷，硬件會從用戶模式切換到內(nèi)核模式。因此，只要操作系統(tǒng)獲得了對計算機的控制，它就處于內(nèi)核模式。系統(tǒng)在將控制交還給用戶程序時會切換到用戶模式。
雙重模式操作提高了保護操作系統(tǒng)和用戶程序不受錯誤用戶程序影響的手段。其實現(xiàn)為：將能引起損害的機器指令作為特權(quán)指令。如果在用戶模式下試圖執(zhí)行特權(quán)指令，那么硬件并不執(zhí)行該指令，而是認為該指令非法，并將其以陷阱的形式通知操作系統(tǒng)。
系統(tǒng)調(diào)用為用戶程序請求操作系統(tǒng)代表用戶程序完成預(yù)留給操作系統(tǒng)的任務(wù)提供了方法。系統(tǒng)調(diào)用通常采用陷阱到中斷向量中的一個指定位置的方式。當系統(tǒng)調(diào)用被執(zhí)行時，硬件會將它作為軟件中斷�？刂茩�(quán)會通過中斷向量轉(zhuǎn)交到操作系統(tǒng)的中斷處理程序，模式位設(shè)置成內(nèi)核模式。系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序是操作系統(tǒng)的一部分。內(nèi)核檢查中斷指令以確定發(fā)生了什么系統(tǒng)調(diào)用;參數(shù)表示用戶程序請求什么類型的服務(wù)。請求所需要的其他信息可通過寄存器、堆棧或內(nèi)存來傳遞。內(nèi)核檢驗參數(shù)是否正確和合法，再執(zhí)行請求，然后將控制返回到系統(tǒng)調(diào)用之后的指令。
6、進程管理
進程是系統(tǒng)工作的單元。系統(tǒng)由多個進程組成，其中一些是操作系統(tǒng)進程(執(zhí)行系統(tǒng)代碼)，其余的是用戶進程(執(zhí)行用戶代碼)。所有這些進程可以潛在地并發(fā)執(zhí)行，如通過在單CPU上采用CPU復(fù)用來實現(xiàn)。
操作系統(tǒng)負責下述與進程管理相關(guān)的活動：
*創(chuàng)建和刪除用戶進程和系統(tǒng)進程;
*掛起和重啟進程;
*提供進程同步機制;
*提供進程通信機制;
*提供死鎖處理機制。
7、內(nèi)存管理
內(nèi)存是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)操作的中心。內(nèi)存通常是CPU所能直接尋址和訪問的唯一大容量存儲器。
操作系統(tǒng)負責下列有關(guān)內(nèi)存管理的活動：
*記錄內(nèi)存的哪部分正在被使用及被誰使用;
*當有內(nèi)存空間是，決定哪些進程可以裝入內(nèi)存;
*根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。
8、存儲管理
操作系統(tǒng)對存儲設(shè)備上的物理屬性進行了抽象，定義了邏輯存儲單元，即文件。操作系統(tǒng)將文件映射到物理介質(zhì)上，并通過這些物理介質(zhì)來訪問這些文件。
A、文件系統(tǒng)管理
文件管理是操作系統(tǒng)最為常見的組成部分。文件是由其創(chuàng)建者定義的一組相關(guān)信息的集合。通常，文件表示程序(源程序和目標程序)和數(shù)據(jù)。
操作系統(tǒng)負責下列有關(guān)文件管理的活動：
*創(chuàng)建和刪除文件;
*創(chuàng)建和刪除目錄來組織文件;
*提供操作文件和目錄的原語;
*將文件映射到二級存儲上;
*在穩(wěn)定介質(zhì)上備份文件。
B、大容量存儲器管理
絕大多數(shù)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)都采用硬盤作為主要非易失存儲介質(zhì)來存儲程序和數(shù)據(jù)。許多程序都存儲在硬盤上，要執(zhí)行時才調(diào)入內(nèi)存，在執(zhí)行時將硬盤作為處理的來源地和目的地。因此，硬盤的適當管理對計算機系統(tǒng)尤為重要。
操作系統(tǒng)負責下列有關(guān)硬盤管理的活動：
*空閑空間管理;
*存儲空間分配;
*硬盤調(diào)度。
C、高速緩存
高速緩沖存儲器是存在于主存與CPU之間的一級存儲器，由靜態(tài)存儲芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。硬件高速緩存基于著名的局部性原理，該原理既適用于程序結(jié)構(gòu)也適用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在有高速緩沖存儲器的計算機系統(tǒng)中，中央處理器存取主存儲器的地址劃分為行號、列號和組內(nèi)地址三個字段。于是，主存儲器就在邏輯上劃分為若干行;每行劃分 為若干的存儲單元組;每組包含幾個或幾十個字。高速存儲器也相應(yīng)地劃分為行和列的存儲單元組。二者的列數(shù)相同，組的大小也相同，但高速存儲器的行數(shù)卻比主 存儲器的行數(shù)少得多。
高速緩存主要由三大部分組成：
*Cache存儲體：存放由主存調(diào)入的指令與數(shù)據(jù)塊。
*地址轉(zhuǎn)換部件：建立目錄表以實現(xiàn)主存地址到緩存地址的轉(zhuǎn)換。
*替換部件：在緩存已滿時按一定策略進行數(shù)據(jù)塊替換，并修改地址轉(zhuǎn)換部件。
操作系統(tǒng)執(zhí)行高速緩存管理，對高速緩存大小和置換策略的仔細選擇可以極大提高性能。
D、I/O子系統(tǒng)
I/O子系統(tǒng)包括如下幾個部分：
*一個包括緩沖、高速緩存和假脫機的內(nèi)存管理部分;
*通用設(shè)備驅(qū)動器接口;
*特定硬件設(shè)備的驅(qū)動程序。
9、保護和安全
保護是一種控制進程或用戶對計算機資源的訪問的機制。這個機制必須為強加控制提供一種規(guī)格說明方法和一種強制執(zhí)行方法。
安全的主要工作是防止系統(tǒng)不受外部或內(nèi)部攻擊。這些攻擊范圍很廣，包括病毒和蠕蟲、拒絕服務(wù)攻擊、身份偷竊、服務(wù)偷竊。
10、分布式系統(tǒng)
分布式系統(tǒng)是將一組物理上分開來的、各種可能的異構(gòu)的計算機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，為用戶提供系統(tǒng)所維護的各種資源的計算機的集合。
分布式系統(tǒng)(distributed system)是建立在網(wǎng)絡(luò)之上的軟件系統(tǒng)。正是因為軟件的特性，所以分布式系統(tǒng)具有高度的內(nèi)聚性和透明性。因此，網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)之間的區(qū)別更多的在于高層軟件(特別是操作系統(tǒng))，而不是硬件。內(nèi)聚性是指每一個數(shù)據(jù)庫分布節(jié)點高度自治，有本地的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。透明性是指每一個數(shù)據(jù)庫分布節(jié)點對用戶的應(yīng)用來說都是透明的，看不出是本地還是遠程。
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Network Operating System)提供跨網(wǎng)絡(luò)的文件共享、包括允許不同計算機上的進程進行消息交換的通信方法等功能。
11、專用系統(tǒng)
*實時嵌入式系統(tǒng)
*多媒體系統(tǒng)
*手持系統(tǒng)
12、計算環(huán)境
*傳統(tǒng)計算
*客戶機-服務(wù)器計算
*對等計算
*基于Web的計算
拓展：計算機三級考試網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)基本概念
1.單機操作系統(tǒng)
單機操作系統(tǒng)包括幾個方面的管理功能：進程與處理機管理、作業(yè)管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理等。
(1)操作系統(tǒng)的管理功能
①進程管理：所謂進程(Process)就是一個將執(zhí)行的程序，它附有該進程的地址空間、相應(yīng)的寄存器組以及運行程序所需要的其他信息。操作系統(tǒng)必須提供一種啟動進程的機制。在DOS中，該機制就是EXEC函數(shù)。在Windows中啟動進程的函數(shù)是CreateProcess。
�、趦�(nèi)存管理：操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理功能是管理內(nèi)存資源，主要實現(xiàn)內(nèi)存的分配與回收、存儲保護以及內(nèi)存的擴充等。
�、畚募到y(tǒng)：文件系統(tǒng)負責管理在硬盤和其他大容量存儲設(shè)備中存儲的文件，通過文件管理向用戶提供創(chuàng)建文件、刪除文件、讀寫文件、打開和關(guān)閉文件等功能。
DOS通過文件表FAT尋找磁盤文件; Windows通過虛擬文件表VFAT來尋找磁盤文件; OS/2通過高性能文件系統(tǒng)HPFS來尋找磁盤文件。一般來說，HPFS的性能要比FAT和VFAT都好。
�、茉O(shè)備I/O操作系統(tǒng)的設(shè)備管理負責分配和回收外部設(shè)備，以及控制外圍設(shè)備按用戶程序的要求進行操作。DOS使用驅(qū)動程序來管理設(shè)備。
(2)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)通常有4類組件。
�、衮�(qū)動程序;
�、趦�(nèi)核;
�、劢涌趲�;
④外圍組件
2.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS)是指能使網(wǎng)絡(luò)上各個計算機方便而有效地共享網(wǎng)絡(luò)資源，為用戶提供所需的各種服務(wù)的操作系統(tǒng)軟件。
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的基本任務(wù)是：屏蔽本地資源與網(wǎng)絡(luò)資源的差異性，為用戶提供各種基本網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的共享管理，并提供網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全保障。
什么是Web OS?Web OS是一個運行在網(wǎng)頁瀏覽器中的虛擬操作系統(tǒng)，更精確地說，Web OS是一個運行在網(wǎng)頁瀏覽器中的應(yīng)用程序集合。因此，有人把NOS稱為服務(wù)器操作系統(tǒng)，把Web OS稱為客戶端操作系統(tǒng)。
3.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的分類
一般來說，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以分為兩類：專用型NOS與通用型NOS。
4.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的基本功能
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的基本功能有：文件服務(wù)、打印服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、通信服務(wù)、信息服務(wù)、分布式服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)、Internet/Intranet服務(wù)。
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