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operating system

 

中科永联高级技术培训中心(www.itisedu.com)

      操作系统(Operating System,简称OS)是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源;控制程序运行;改善人机界面;为其它应用软件提供支持等,使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用,为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。

      操作系统通常是最靠近硬件的一层系统软件,它把硬件裸机改造成为功能完善的一台虚拟机,使得计算机系统的使用和管理更加方便,计算机资源的利用效率更高,上层的应用程序可以获得比硬件提供的功能更多的支持。

      操作系统是一个庞大的管理控制程序,大致包括5个方面的管理功能:进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。目前微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows2000、Netware等。

      计算机资源可分为两大类:硬件资源和软件资源。硬件资源指组成计算机的硬设备,如中央处理机、主存储器、磁带存储器、打印机、显示器、键盘输入设备等。软件资源主要指存储于计算机中的各种数据和程序。系统的硬件资源和软件资源都由操作系统根据用户需求按一定的策略分配和调度。

      操作系统的处理器管理根据一定的策略将处理器交替地分配给系统内等待运行的程序。

      操作系统的设备管理负责分配和回收外部设备,以及控制外部设备按用户程序的要求进行操作。

      操作系统的文件管理向用户提供创建文件、撤消文件、读写文件、打开和关闭文件等功能。

      操作系统的存储管理功能是管理内存资源。主要实现内存的分配与回收,存储保护以及内存扩充。

      操作系统的作业管理功能是为用户提供一个使用系统的良好环境,使用户能有效地组织自己的工作流程,并使整个系统高效地运行。
 
今天的操作系统
 
      至2005年为止,用于通用计算机上的分布的操作系统主要两个家族:类Unix家族和微软Windows家族。而主机系统和嵌入式操作系统使用多样的系统,并且很多和Windows、Unix都没有直接的联系。

      类Unix家族包括多个组织的操作系统,其中有几个主要的子类包括System V、BSD和Linux。这里'Unix'是一个商标,开发组织允许使用操作系统在一个定义前提下自由地开发。这名字是通用大型设置操作系统类似组织Unix。Unix系统运行在从巨型机到嵌入式系统的多种机器架构上。Unix主要使用于重要的商务服务器系统以及学院和工程环境中的工作站之上。和AT&T Unix不同,自由软件比如Linux和BSD逐步开始流行,并且开始进入桌面操作系统领域。和一些Unix操作系统不同,像惠普公司的HPUX和IBM公司的AIX是设计仅运行在客户购买的设备上,其中有一些特殊的(比如SUN公司的Solaris)可以运行在客户购买设备和基于工业标准的PC上。APPLE公司的Mac OS X是一个BSD特例,以取代早期小型市场上的苹果公司Mac OS,众多流行的Unix操作系统正在走向一体。

      微软公司的Windows操作系统家族起源于早期的IBM PC环境中的MS-DOS,现在版本是基于新的Windows NT内核,第一次是在OS/2中制定。和Unix不同,Windows只能运行在32位和64位的x86 CPU(如Intel或者AMD的芯片)上,尽管早期有版本运行于DEC Alpha,MIPS 和 PowerPC体系结构。今天Windows是一个流行的操作系统,在全球桌面市场中占有90%左右的份额,同时在中低端服务器市场也有广泛的应用,如Web服务器和数据库服务器。

      大型机系统,比如IBM公司的Z/OS,和嵌入式操作系统比如QNX、eCOs和PalmOS都是和Unix和Windows无关的操作系统,而Windows CE、Windows NT Embedded 4.0和Windows XP Embedded都是和Windows相关的。

      老的操作系统停留在市场包括类似IBM Windows的OS/2、来自惠普的VMS(以前的DEC);苹果公司的Mac OS操作系统、非Unix先驱苹果公司Mac OS X,以及AmigaOS,第一个图形用户界面的操作系统,包括对于普通用户的高级的多媒体能力。

功能

      操作系统位于底层硬件与用户之间,是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面,输入命令。操作系统则对命令进行解释,驱动硬件设备,实现用户要求。

结构

      操作系统理论研究者有时把操作系统分成四大部分:

      驱动程序 - 最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分,它们的职责是隐藏硬件的具体细节,并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口。
内核 - 操作系统之最核心部分,通常运行在最高特权级,负责提供基础性、结构性的功能。

      支承库 - (亦作“接口库”)是一系列特殊的程序库,它们指责在于把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口(API),是最靠近应用程序的部分。例如,GNU C运行期库就属于此类,它把各种操作系统的内部编程接口包装成ANSI C和POSIX编程接口的形式。

      外围 - 所谓外围,是指操作系统中除以上三类以外的所有其他部分,通常是用于提供特定高级服务的部件。例如,在微内核结构中,大部分系统服务,以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。

      当然,本节所提出的四部结构观也绝非放之四海皆准。例如,在早期的微软视窗操作系统中,各部分耦合程度很深,难以区分彼此。而在使用外核结构的操作系统中,则根本没有驱动程序的概念。因而,本节的讨论只适用于一般情况,具体特例需具体分析。

      操作系统中四大部分的不同布局,也就形成了几种整体结构的分野。常见的结构包括:简单结构、层结构、微内核结构、垂直结构、和虚拟机(Virtual Machine)结构。

简单结构

      很多商用操作系统都没有清晰的整体结构,系统中的各个部件混杂在一起。这些操作系统往往是由很小的实验性的项目逐步演化而来的,因而宏观结构非常模糊。

      MS-DOS就是一个很好的例子,在设计之初,MS-DOS的设计目标是在比较有限的硬件资源上运行比较有限的应用程序,开发人员很可能都没有预料到它日后在市场上的巨大成功,因而模块之间的相对独立性几乎被忽略。

      相似的情况也发生在UNIX家族之中。早期的UNIX因为受限于当时的硬件能力,也一直都是采用非常简单的、随着UNIX的不断发展这样结构也很快成为了UNIX演进的瓶颈。其它采用这种简单结构的操作系统还包括PalmOS 5以前的PalmOS,以及很多其他的小型的嵌入式操作系统。

内核结构

      内核是操作系统最核心最基础的构件,因而,内核结构往往对操作系统的外部特性以及应用领域有着一定程度的影响。尽管随着理论和实践的不断演进,操作系统高层特性与内核结构之间的耦合有日趋缩小之势,但习惯上,内核结构仍然是操作系统分类之常用标准。

      内核的结构可以分为单内核(monolithic kernel)、微内核(microkernel)、超微内核(nanokernel)、以及外核(exokernel)等。详情参见操作系统内核。

      单内核结构是操作系统中各核心部件杂然混居的形态,该结构于1960年代(亦有1950年代初之说,尚存争议),历史最长,是操作系统内核与外围分离时的最初形态。

      微内核结构是1980年代产生出来的较新的内核结构,强调结构性部件与功能性部件的分离。20世纪末,基于微内核结构,理论界中又发展出了超微内核与外内核等多种结构。尽管自1980年代起,大部分理论研究都集中在以微内核为首的“新兴”结构之上,然而,在应用领域之中,以单内核结构为基础的操作系统却一直占据着主导地位。

      在众多常用操作系统之中,除了QNX和基于Mach的UNIX等个别系统外,几乎全部采用单内核结构,例如大部分的Unix、Linux,以及Windows(微软声称Windows NT是基于改良的微内核架构的,尽管理论界对此存有异议)。 微内核和超微内核结构主要用于研究性操作系统,还有一些嵌入式系统使用外核。

      基于单内核的操作系统通常有着较长的历史渊源。例如,绝大部分UNIX的家族史都可上溯至1960年代。该类操作系统多数有着相对古老的设计和实现(例如某些UNIX中存在着大量1970年代、1980年代的代码)。另外,往往在性能方面略优于同一应用领域中采用其他内核结构的操作系统(但通常认为此种性能优势不能完全归功于单内核结构)。

实时与非实时

      “实时操作系统”(Real Time OS)泛指所有据有一定实时资源调度以及通讯能力的操作系统。而所谓“实时”,不同语境中往往有着非常不同的意义。某些时候仅仅用作“高性能”的同义词。但在操作系统理论中“实时性”所指的通常是特定操作所消耗的时间(以及空间)的上限是可预知的。比如,如果说某个操作系统提供实时内存分配操作,那也就是说一个内存分配操作所用时间(及空间)无论如何也不会超出操作系统所承诺的上限。实时性在某些领域非常重要,比如在工业控制、医疗器材、影音频合成、以及军事领域,实时性都是无可或缺的特性。

      常用实时操作系统有QNX、VxWorks、RTLinux等等属于非实时操作系统。操作系统整体的实时性通常依仗内核的实时能力,但有时也可在非实时内核上建立实时操作系统,很多在Windows上建立的实时操作系统就属于此类。

      在POSIX标准中专有一系用于规范实时操作系统的API,其中包括POSIX.4、POSIX.4a、POSIX.4b(合称POSIX.4)以及POSIX.13等等。符合POSIX.4的操作系统通常被认可为实时操作系统(但实时操作系统并不需要符合POSIX.4标准)。

16位、32位、64位

      所谓16位、32位、64位等术语有时指总线宽度,有时指指令宽度(在定长指令集中),而在操作系统理论中主要是指内存寻址的宽度。如果内存的寻址宽度是16位,那么每一个内存地址可以用16个二进制位来表示,也就是说可以在64KB的范围内寻址。同样道理32位的宽度对应4GB的寻址范围,64位的宽度对应16 Exabyte的寻址范围。内存寻址范围并非仅仅是对操作系统而言的,其他类型的软件的设计有时也会被寻址范围而影响。但是在操作系统的设计与实现中,寻址范围却有着更为重要的意义。

      在早期的16位操作系统中,由于64KB的寻址范围太小,大都都采用“段”加“线性地址”的二维平面地址空间的设计。分配内存时通常需要考虑“段置换”的问题,同时,应用程序所能够使用的地址空间也往往有比较小的上限。

      在32位操作系统中,4GB的寻址范围对于一般应用程序来说是绰绰有余的,因而,通常使用一维的线性地址空间,而不使用“段”。

部分操作系统

      FreeBSD
      MS-DOS
      GNU/Linux
      Mac OS
      Windows
      Windows NT
      UNIX
      其他操作系统

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