操作系统的目标和作用

操作系统 (OS, Operating System) 诞生于 1950 年代, 是配置在计算机硬件上的第一层软件, 是对硬件系统的首次扩充. 它的主要任务是管理计算机硬件, 提高设备利用率和系统的吞吐量, 并为用户和应用程序提供接口, 方便用户的使用.

操作系统的目标

方便性

使计算机易学易用: 用户可以用高级语言书写程序, 再编译成机器代码; 也可以直接通过操作系统的命令操纵计算机.

有效性

提高系统资源利用率与系统吞吐量.

可扩充性

OS 结构: 模块化, 层次化, 微内核.

开放性

系统遵循国际标准规范, 特别是遵循开放系统互连 OSI 国际标准.

操作系统的作用

作为用户与计算机硬件间的接口

用户通过三种方式与 OS 通信, 并取得服务: 命令方式, 系统调用方式和图标-窗口方式.

作为计算机资源的管理者

计算机的硬件/软件资源分为四类: 处理机, 存储器, I/O 设备以及文件. 其中文件包括数据与程序. OS 的功能包括分配和控制处理机; 分配与回收内存; 分配, 回收与操纵 I/O 设备; 实现对文件的存取, 共享和保护. OS 必须对使用资源的请求进行授权, 以协调诸用户对共享资源的使用.

实现对计算机资源的抽象

OS 是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合, 它不仅增强了系统功能, 还隐藏了硬件操作的具体细节.

OS 对硬件操作的多层抽象 用户
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窗口软件
↓
文件管理软件 (提供存取文件的数据结构及命令): 第二层抽象
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I/O 管理软件 (提供 I/O 数据结构及 read, write 等命令): 第一层抽象
↓
裸机 (提供物理接口) 把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器. 它向用户提供对硬件操作的抽象模型, 用户无需了解底层细节.

OS 发展的主要动力及其典型代表

提高计算机资源利用率

多道批处理系统: 自动对一批作业进行处理; SPOOLing 系统 (1960s-70s): 有效提高 I/O 设备和 CPU 利用率; 虚拟存储器技术: 极大改善存储器系统利用率; 在服务器上配置网络文件和数据库系统, 将资源提供给全网用户共享: 进一步提高了资源的利用率.

方便用户

分时系统 (1960s): 不仅提高了资源利用率, 还能实现人机交互, 使用户感觉自己是独占全机资源. 图形用户界面 (1990s): 进一步方便了用户对计算机的使用.

硬件的进步

尤其是 CPU 的进步带来了 OS 性能和功能的显著增强. OS 支持的外部设备 (外设) 也越来越多, 如光盘, 移动硬盘, 闪存盘 (U盘), 扫描仪, 数码相机等.

计算机体系结构的进步

计算机由单处理机系统发展为多处理机系统时, OS 也由单处理机 OS 发展为多处理机 OS. 计算机网络出现后, 配置在计算机网络上的网络操作系统就应运而生.

不断提出新的应用需求

实时 OS: 应用于工业控制, 能实现实时控制. 多媒体功能: 听音乐, 看电影, 玩游戏. 确保系统安全性的功能. 嵌入式操作系统: 随着 VLSI 发展, 计算机芯片体积越来越小, 价格越来越便宜, 大量智能设备应运而生.