|
|
|
|
|
操作系统是这样一些程序模块的集合：它们能有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。
|
|
|
|
|
|
|
|
（1）计算机系统资源管理。在一个计算机系统中，通常都包含了各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可分为4类，即处理器、存储器、I/O设备及信息（数据和程序）。相应地，OS的主要功能也正是针对这4类资源进行有效的管理以及作业管理。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
⑤作业管理：包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。
|
|
|
|
（2）OS通过对各种资源进行合理的分配，改善资源的共享和利用程度，最大限度地发挥计算机系统的工作效率，提高计算机系统的"吞吐量"（即系统在单位时间内处理工作的能力）。
|
|
|
|
（3）用户与计算机硬件系统之间的接口。OS作为用户和计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户和计算机硬件之间，用户通过OS来使用计算机，也就是用户在OS的帮助下能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。用户可以通过以下两种方式来使用计算机。
|
|
|
|
①命令方式。这是指由OS提供了一组命令，用户可以通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机。
|
|
|
|
②系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过调用相应的系统调用来操纵计算机。
|
|
|
|
（4）扩充机器（虚拟机）。对于一台完全无软件的计算机系统（裸机），即使其功能再强，也必定是难以使用的，如果在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它提供的I/O命令来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。装有操作系统的计算机极大地扩展了原计算机的功能，把用户面对的一个包含有各种硬件部件的计算机系统的操作和使用由复杂变得简单，从低级操作上升为高级操作，把基本功能扩展为多种功能。
|
|
|
|
|
|
操作系统主要具有并发、共享、虚拟和异步4个基本特征。
|
|
|
|
（1）并发。并发性是指在计算机系统中存在着许多同时进行的活动。对计算机系统而言，并发是指宏观上看系统内有多道程序同时运行，微观上看是串行运行。
|
|
|
|
（2）共享。共享性是指系统中的各种软、硬件资源可供内存中多个并发的程序共同使用，因此操作系统必须解决在多道程序间合理地分配和使用资源的问题。由于资源的属性不同，故多个进程对资源的共享方式也不同。可分为以下两种资源共享方式。
|
|
|
|
①互斥共享方式。系统中的某些资源如打印机，虽然它们可以提供给多个进程使用，但在一段时间内只允许一个进程访问该资源。当一个进程正在访问该资源时，其他欲访问该资源的进程必须等待，仅当该进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。
|
|
|
|
②同时访问方式。系统中还有另一类资源，允许在一段时间内有多个进程对它同时进行访问，这里所谓同时也是指宏观上的。典型的可供多个进程访问的资源是磁盘。
|
|
|
|
并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们互为存在条件。一方面，资源共享是以程序（进程）的并发执行为条件的；若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享的问题。另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，则也必将影响到程序的并发执行，甚至无法并发执行。
|
|
|
|
（3）虚拟。虚拟是操作系统中的重要特征。虚拟是指把物理上的一台设备变成逻辑上的多台设备。
|
|
|
|
（4）异步。在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的制约，通常进程的执行并非一气呵成，而是以走走停停的方式运行。内存中的每个进程在何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间才能完成，都是不可预知的。或者说，进程是以异步方式运行的，但是只要运行环境相同，作业经过多次运行，都会获得完全相同的结果。这就是进程的异步性，是操作系统的一个重要特征。
|
|
|
|
|
|
操作系统可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、微机操作系统、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（Batch Processing Operating System）有两个特点：一是"多道"，二是"成批"。"多道"是指系统内可同时容纳多个作业，这些作业存放在外存中，组成一个后备作业队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业调入内存运行，运行作业结束并退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的连续作业流。而"成批"的特点是在系统运行过程中不允许用户与其他的作业发生交互作用。即作业一旦进入系统，用户就不能直接干预作业的运行。
|
|
|
|
批处理系统一般分为两种概念，即单道批处理系统和多道批处理系统。它们都是成批处理或者顺序共享式系统，它允许多个用户以高速、非人工干预的方式进行成组作业工作和程序执行。批处理系统将作业成组（成批）提交给系统，由计算机顺序自动完成后再给出结果，从而减少了用户作业建立和结束的时间。
|
|
|
|
①单道批处理系统。单道批处理系统是在单用户操作系统的基础上发展起来的，其目的是减少员工操作，减少作业建立和结束的时间。在单道批处理系统中，所有用户的作业均交由操作员通过输入设备送入计算机，由操作员、控制台启动并控制计算机，监视作业运行，得到运行结果，交付用户。作业在整个执行过程中，用户不能与作业交互作用，一旦作业出错则停止该作业，同时启动下一作业执行。而且，在输入输出操作过程中，CPU处于等待状态。单道批处理系统是早期计算机系统配置的一种操作系统类型，也具有简单的传统操作系统的资源管理功能模块。作业管理完成命令的解释和作业的定序，即解释执行用户作业命令并决定作业的次序，依次将它们调入内存，将处理机分配给调入的作业使之运行，这种作业管理无须作业调度和进程调度，作业完成的顺序只与它们进入内存的顺序有关。存储管理对进入的作业分配所需的内存，并将作业中的多个程序模块装配成一个可执行的整体程序，然后投入运行。在整个运行过程中，内存中始终只有一道作业，只有当前一道作业运行完毕或者出现不能处理的异常情况时，才调入下一道作业进入内存运行。设备管理则根据命令来控制输入输出设备的方向，即设备的启动、驱动和读写，处理来自设备的中断。同时，通过简单的文件管理进行系统中程序的打开与关闭。
|
|
|
|
②多道批处理系统。多道批处理系统基于多道程序技术的应用，也就是说，在内存中可以同时存放多个用户作业（程序），允许这些作业在系统中交替运行。在多道批处理系统中，用户可以通过系统提供的各种功能，如作业控制语言、命令、程序等，将用户程序、数据等分别提交给系统，在外部存储设备上形成作业的后备等待队列。系统根据一定的调度原则从这些队列中选取若干作业调入内存。在内存中的这些作业按照多道方式组织它们的运行，某一道作业运行完毕或暂停运行，系统就调入新的作业，内存中始终存放多个作业，它们交替运行。这样，作业不断进入系统，又不断退出系统，形成源源不断的作业流，从而大大提高了系统的资源利用率和吞吐率。多道批处理与单道批处理的主要区别在于以下两点。一是在作业管理中必须有作业调度功能和进程调度功能。宏观上的作业调度是从外存上选择若干作业调入内存，微观的进程调度是从主流在内存的多个作业中选择一个，使它获得处理机并执行。二是多道批处理在内存中可以同时存放多道作业，宏观上这些作业在同时进行，而每一时刻则只有一道作业在运行。而且作业完成的顺序与它们进入内存的顺序无严格的对应关系，后进入内存的程序可能先完成。
|
|
|
|
批处理系统的输入和输出是两个很重要的问题。早期采用穿孔卡片作为输入，控制台打印机作为输出。其中，采用间接存储缓冲（磁带卷）称为脱机方式（Off-line），采用直接存储缓冲（磁盘）称为联机方式（On-line）。
|
|
|
|
批处理系统的主要优点是系统的吞吐量大，资源利用率高，操作系统的开销较小。它的缺点在于作业处理的平均周转时间较长，用户交互能力较弱等。在现代操作系统中，已经没有单一的批处理系统了，而是将批处理的概念和批处理的技术融合在现代操作系统中，成为一种不可缺少的功能服务模块。而且，现今的批处理也与传统的批处理有了较大的不同，已经从传统的单一的作业顺序执行、用户不能干预，发展到批处理系统可控的顺序执行和有限的用户干预，甚至具有高级逻辑编程和控制的功能。
|
|
|
|
（2）分时操作系统。分时操作系统（Time Share Operating System）允许多个用户同时联机地使用计算机。一台分时计算机系统连有若干台终端，多个用户可以在各自的终端上向系统发出服务请求，等待计算机的处理结果并决定下一个步骤。操作系统接收每个用户的命令，采用时间片轮转的方式处理用户的服务请求，即按照某个次序给每个用户分配一段CPU时间，进行各自的处理。对每个用户而言，仿佛"独占"了整个计算机系统。具有这种特点的计算机系统称为分时系统。其特点如下。
|
|
|
|
①多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户在并行工作。
|
|
|
|
②交互性。用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人一机对话的工作方式，明显地有别于批处理系统，因而分时系统又被称为交互式系统。
|
|
|
|
③独立性。用户之间可以相互独立操作，互不干涉；系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。
|
|
|
|
④及时性。系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间（指从终端发出命令到系统予以应答所需的时间）。
|
|
|
|
分时时间片的长短是一个重要问题，它将影响终端用户得到的及时响应。由于系统中的用户终端数是有限的，只要时间片的长短的选择适当，每一个终端用户从放弃CPU到下次再获得CPU的等待时间就不会很长，不会影响用户程序的执行和终端操作。如果时间片过长，用户等待时间将会延长，严重影响用户操作、思维和心理。而时间片过短，就会增加系统本身的开销。大量的时间浪费在程序切换、终端切换和内部管理上。
|
|
|
|
其次，用作分时系统主计算机的系统配置也将影响分时系统的性能，如果主机系统运行速度太慢、主存容量太小、I/O接口通道太窄，都会直接影响到终端用户的及时响应，影响到交互操作。此时，用户发出请求命令后迟迟得不到系统的响应，将会对系统的操作产生怀疑，甚至产生厌烦情绪。每增加一台终端，每开启一个用户，系统反应速度将会更慢。所以，主计算机的配置要求一定要能够满足分时操作系统的要求，硬件系统和软件系统紧密配合才能更好地发挥分时操作系统的功能。
|
|
|
|
（3）实时操作系统。实时操作系统（Real Time Operating System）是另一类特殊的多道程序系统，它主要应用于需要对外部事件进行及时响应并处理的领域。
|
|
|
|
实时含有立即、及时的意思。所以，对时间的响应是实时系统最关键的因素。实时系统是指系统对输入的及时响应，对输出的按需提供，无延迟的处理。换句话说，计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成事件的处理，并能控制所有实时设备和实时任务协调运行。实时系统可以分为实时控制系统和实时信息系统，二者有两个主要区别：一是服务对象，二是对响应时间的要求。
|
|
|
|
实时控制系统。把计算机用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。把计算机用于轧钢、石化、机加工等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机制。
|
|
|
|
实时信息处理系统。把计算机用于预订飞机票，查询有关航班、航线、票价等事宜时，或把计算机用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。
|
|
|
|
|
|
①及时性。实时系统的及时性是非常关键的，主要反映在对用户的响应时间要求上。对于实时信息系统，其对响应时间的要求类似于分时系统，是由操作者所能接受的等待时间来确定的，通常为秒级。对于实时控制系统，其对时间的响应要求是以控制对象所能接受的延迟来确定的，它可以是秒级，也可以短至毫秒、微秒级。当然，响应时间的决定既依赖于操作系统本身，也依赖于操作系统宿主机的硬件处理速度。
|
|
|
|
②交互性。实时系统的交互性根据应用对象的不同和应用要求的不同，对交互操作的方便性和交互操作的权限性有特殊的要求。由于实时系统绝大多数都是专用系统，所以对用户能进行的干预赋予了不同的权限。例如，实时控制系统在某些情况下不允许用户干预，而实时信息系统只允许用户在授权范围内访问有关计算机资源。
|
|
|
|
③安全可靠性。这是实时系统最重要的设计目标之一。对实时控制系统，尤其是重大控制项目，如航天航空、核反应、药品与化学反应、武器控制等，任何疏忽都可能导致灾难性后果，必须考虑系统的容错机制。对实时信息系统，则要求数据与信息的完整性，要求经过计算机处理、查询并提供给用户的信息是及时的、有效的、完整的和可用的。
|
|
|
|
④多路性。实时系统也具有多路性。实时控制系统常具有现场多路采集、处理和控制执行机构的功能，实时信息系统则允许多个终端用户（或者远程终端用户）向系统提出服务要求，每一个用户都会得到独立的服务和响应。
|
|
|
|
（4）微机操作系统。微机操作系统（Microcomputer Operating System, MOS）是指配置在微型计算机上的操作系统。常用的微机操作系统有DOS、Windows、OS/2、UNIX和Linux等。其中，Microsoft公司开发的单用户单任务操作系统DOS是首先在IBM PC上使用的微机操作系统。MS-DOS操作系统是16位微机单用户单任务操作系统的标准。多任务操作系统Windows 98/NT/2000/XP是Microsoft公司开发的一系列图形用户界面的多任务、多线程的操作系统。
|
|
|
|
（5）网络操作系统。随着社会的信息化，计算机技术、通信技术和信息处理技术蓬勃发展，产生了计算机信息网络的概念，而信息网络的物理基础则是计算机网络。网络系统软件中的重要一环是网络操作系统（Network Operating System），有人也将它称为网络管理系统，它与传统的单机操作系统有所不同，它是建立在单机操作系统之上的一个开放式的软件系统，它面对的是各种不同的计算机系统的互联操作，面对不同的单机操作系统之间的资源共享、用户操作协调和与单机操作系统的交互，从而解决多个网络用户（甚至是全球远程的网络用户）之间争用共享资源的分配与管理问题。
|
|
|
|
（6）分布式操作系统。大量的计算机通过网络被连接在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。这种系统被称为分布式操作系统（Distributed Operating System）。分布式操作系统的特征如下。
|
|
|
|
|
|
|
|
③透明性。其含义是用户并不知道分布式系统是运行在多台计算机上，在用户眼里整个分布式系统中的许多计算机就像是一台计算机，对用户来讲是透明的。
|
|
|
|
④独立性。即处于分布式系统的多个主机都处于平等地位，在物理上独立。
|
|
|
|
分布式系统的优点是它的分布式。分布式系统可用较低的成本获得较高的运算性能。分布式系统的另一个优点是它的可靠性。由于有多个独立的CPU系统，因此当一个CPU系统发生故障时，整个系统仍旧能够工作。对于高可靠的环境，如核电站等，分布式系统是有其用武之地的。
|
|
|
|
网络操作系统与分布式操作系统在概念上的主要区别是：网络操作系统可以构架于不同的操作系统之上，也就是说，它可以在不同的本机操作系统上，通过网络协议实现网络资源的统一配置，在大范围内构成网络操作系统。在网络操作系统中并不要求对网络资源进行透明的访问，即需要指明资源的位置与类型，对本地资源和异地资源访问区别对待。分布式比较强调单一性，是由一种操作系统构建的。在这种操作系统中，网络的概念在应用层被淡化了。所有资源（本地资源和异地资源）都用同一方式管理与访问，用户不必关心资源在哪里或者资源是怎样存储的。
|
|
|
