計算機操作系統的基本概念

操作系統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”上的最基本的系統軟件，任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。下面是小編整理的計算機操作系統的基本概念，希望大家認真閲讀!

　　1、操作系統做什麼

注：計算機系統結構作為從程序設計者角度所看到的計算機屬性，在計算機系統的層次結構中處於機器語言級;而計算機組織作為計算機系統結構的邏輯實現和物理實現，其任務就是圍繞提高性能價格比的目標，實現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部的邏輯設計等是邏輯實現的內容;把邏輯設計深化到元件、器件級，則是物理實現的內容。

計算機系統可以大致分為四個組成部分：計算機硬件、操作系統、系統程序與應用程序和用户。

硬件為系統提供基本的計算資源，應用程序規定了用户按何種方式使用這些資源，操作系統控制和協調各用户的應用程序對硬件的使用。

從兩個視角探索操作系統：用户視角和系統視角。

A、用户視角：

對於PC用户，系統設計是為了讓單個用户單獨使用其資源，其目的是優化用户所進行的工作。對於這種情況，操作系統的設計目的是為了用户使用方便，性能是次要的，而且不在乎資源使用率。

對於大型機用户，操作系統設計為資源使用做了優化：確保所有的CPU時間、內存和I/O都得到充分使用，並且確保沒有用户使用超出其權限以外的資源。

對於工作站用户，操作系統的設計目的是個人使用性能和資源使用率的折中。

對於手持計算機用户，方便個人使用，最大化利用電池能源是操作系統設計的要點。

B、系統視角：

從系統視角，操作系統相當於資源分配器。操作系統管理CPU時間、內存空間等系統資源，在面對許多甚至衝突的資源請求，操作系統必須決定如何為每個程序和用户分配資源，以便計算機系統能有效而公平的運行。

　　2、計算機系統組織

計算機通過運算器、存儲器、控制器、輸入輸出子系統等主要功能部件的相互連接和相互作用，藉以實現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説，計算機是在控制器的全面控制下，接收經數字化編碼的'輸入信息(程序和數據)，把它存放在存儲器中，根據程序的要求對數據進行快速運算，產生結果數據輸出。因此，可以把運算器、存儲器、控制器、輸入輸出子系統看成是一台計算機的邏輯組成中最基本的功能部件。

存儲設備層次(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、計算機系統體系結構

通過採用的通用處理器的數量來分類。

A、單處理器系統

在單處理器系統中，有一個主CPU能夠執行一個通用指令集，包括來自用户進程的指令。

B、多處理器系統

多處理器系統的優點：

增加吞吐量;規模經濟;增加可靠性。

分類：

非對稱多處理器(asymmetric multiprocessing)系統——主從關係;

對稱多處理器(symmetric multiprocessing)系統——對等關係。

C、集羣系統

集羣計算機共享存儲並通過局域網連接或更快的內部連接。

分類：

非對稱集羣：一部分機器處於熱備份模式，其餘的機器運行應用程序。

對稱集羣：兩台或多個主機都運行程序，互相監視。

　　4、操作系統結構

操作系統理論研究者有時把操作系統分成四大部分：

驅動程序：最底層的、直接控制和監視各類硬件的部分，它們的職責是隱藏硬件的具體細節，並向其他部分提供一個抽象的、通用的接口。

內核：操作系統內核部分，通常運行在最高特權級，負責提供基礎性、結構性的功能。

接口庫：是一系列特殊的程序庫，它們職責在於把系統所提供的基本服務包裝成應用程序所能夠使用的編程接口(API)，是最靠近應用程序的部分。例如，GNU C運行期庫就屬於此類，它把各種操作系統的內部編程接口包裝成ANSI C和POSIX編程接口的形式。

外圍：是指操作系統中除以上三類以外的所有其他部分，通常是用於提供特定高級服務的部件。例如，在微內核結構中，大部分系統服務，以及UNIX/Linux中各種守護進程都通常被劃歸此列。

在這裏，需要介紹一些關於內核的知識。

內核是操作系統最核心最基礎的構件，內核結構往往對操作系統的外部特性以及應用領域有着一定程度的影響。

內核的結構可以分為單內核、微內核、混合內核、外內核等。

單內核(Monolithic kernel)，又稱為宏內核。此架構的特性是整個核心程序都是以核心空間(Kernel Space)的身份及監管者模式(Supervisor Mode)來運行(宏內核被實現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，都以特權模式，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))。相對於其他類型的操作系統架構，如微核心架構或混核心架構等，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調用，如此可以用一個或多個模塊來實現各種操作系統服務，如進程管理、共時(Concurrency)控制、存儲器管理等。

微內核(Microkernel)，又稱為微核心。微內核結構是1980年代產生出來的較新的內核結構，強調結構性部件與功能性部件的分離。微核心的設計理念，是將系統服務的實現，與系統的基本操作規則區分開來。它實現的方式，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器(service)。所有的服務器進程，都運行在不同的地址空間。只有需要絕對特權的進程，才能在具特權的運行模式下運行，其餘的進程則在用户 空間運行。

混合內核(Hybrid kernel)像微內核結構，只不過它的組件更多的在核心態中運行，以獲得更快的執行速度。混合內核，一種操作系統內核架構，結合整塊性核心與單核心兩種設計方法。它的架構實作方式接近於整塊性核心。最有名的混合核心為Windows NT核心與XNU。

外內核(Exokernel)的設計理念是儘可能的減少軟件的抽象化，這使得開發者可以專注於硬件的抽象化。外核心的設計極為簡化，它的目標是在於同時簡化傳統微內核的訊息傳遞機制，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。系統本身只保證被請求的資源當前是空閒的，應用程序就允許直接存取它。

在眾多常用操作系統之中，除了QNX和基於Mach的UNIX等個別系統外，幾乎全部採用單內核結構，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows(微軟聲稱Windows NT是基於改良的微內核架構的，儘管理論界對此存有異議。