计算机基础之操作系统

Posted 2020-09-19 名刀

一、为何要有操作系统

　　　操作系统（Operating System）是控制计算机硬件和软件资源的控制程序。我们知道，应用程序要通过操作系统才能对硬件进行操作，计算机由主板、硬盘、内存、cpu、声卡、网卡、鼠标、键盘等硬件组成，每个硬件的正常运行都需要控制器和驱动程序。如果用户需要操作硬件的时候，还要在手动编写或者加载这些程序或驱动，那就太浪费时间了。所以为了提高计算机的使用效率，计算机安装了一层系统软件，它能管理刚才提到的那些硬件，为用户程序提供一个更简单，更有效，更人性化的计算机模型，让用户在一个更容易使用的模型上使用。所以，有了操作系统，用户就不用费力气去了解学习复杂繁琐的管理硬件的知识，可以把更多的精力用在需求上。

二、操作系统的位置

　　操作系统位于计算机硬件和软件之间，本身也是一个软件。操作系统由操作系统的内核和系统调用两部分组成，其中内核部分运行于内核态，用来管理硬件资源；系统调用则运行于用户态，为应用程序提供系统调用接口。

  

三、操作系统的功能

　　简单来说，操作系统的功能可以理解为以下两个部分:

　　1.管理硬件调用接口，为用户提供更简单，更人性化的操作界面，程序员不用承受操作硬件的繁琐过程，因而有更多的精力去实现自己的期望。比如我们常见资源管理器是NTFS文件系统，这就是操作系统提供给我们的。我们很多人从开始使用电脑到现在，一直都是以文件为操作单位的，如果没有文件系统，而是采用块为基本单位，那种生活是无法想象的。操作系统为程序员提供了一种简单的模型，而我们通过程序员编写出来的应用程序，更方便的使用计算机。

　　2.将应用程序对硬件资源的竞态请求变的有序化。怎么理解呢，我们电脑上有很多应用程序，但是硬件系统只有一套，所以其实是所有的应用程序共享一套硬件，但是当应用程序对硬件发出操作请求时，就需要操作系统来协调这些请求，使得计算机能完成应用程序的请求且不会产生混乱无序。操作系统的这个功能又叫多路复用。

四、操作系统的发展

　　1.第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

　　lowa州立大学的john Atanasoff教授和他的学生Clifford Berry建造了据认为是第一台可工作的数字计算机。该机器使用300个真空管。大约在同时，Konrad Zuse在柏林用继电器构建了Z3计算机，英格兰布莱切利园的一个小组在1944年构建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大学建造了Mark 1，宾夕法尼亚大学的William Mauchley和他的学生J.Presper Eckert建造了ENIAC。这些机器有的是二进制的，有的使用真空管，有的是可编程的，但都非常原始，设置需要花费数秒钟时间才能完成最简单的运算。

　　这些所谓的计算机没有操作系统的概念，所有的程序都是有机械语言编写的。

　　在这个时期计算机只能供一个程序员同时使用，所以当一个程序员拿着他的插件板到机房时，其他人都得排队耐心等待，他一个人独享整个计算机资源。后来出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上而不用插件板。

　　优点是程序员在使用计算机资源时，可以即时调试自己的程序，出现bug的时候可以即时处理。

　　缺点是这种方式对计算机资源是极大的浪费，且此阶段在计算机中同一时刻只有一个程序在内存中，被CPU调用执行。

2.第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统

　　由于当时计算机造价昂贵，第一代计算机的工作方式过于浪费，所以为了节省成本，采用了批量处理的方式。

　　出现了操作系统的概念，此时的操作系统是人和计算机结合的系统，设计人员，生产人员，操作人员，程序人员和维护人员有了明确的分工，计算机被锁在专用的空调房间里，有专业的操作人员运行。同时也有了程序设计语言：FORTRAN语言或汇编语言。

　　工作过程：

　　把好几个人的输入攒到一起，一起写入磁带中，然后操作人员将磁带送入机房里并装到磁带机上，操作员装入一个特殊的程序（操作系统的前身），这个程序从输入的磁带上读取第一个作业并运行，将输出写入到另一个磁带上但不打印，当这批作业全部结束后，操作人员取下输入和输出磁带，将下一批作业再次装到磁带机上，并把输出磁带拿到另一台机器上脱机打印。

　　虽然第二代计算机将一批需求一起处理，但是仍然是顺序计算。虽然节省了时间，但批处理的过程中无法及时调试程序，极大地影响了程序的开发效率。

3.第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计

　　第二代计算机存在几个问题需要改进：

　　第一个问题：第二代计算机存在两种完全不兼容的计算机，一种是面向字的大型科学计算机，另一种是面向字符的商用计算机。IBM公司试图通过引入system360系列来同时满足科学计算和商业计算，这是第一个采用了（小规模）芯片（集成电路）的主流机型，与之前采用晶体管的计算机相比，性价比有了很大提升。同时这也是现代服务器的前身。

　　第二个问题，第二代计算机还需要有专门的操作员来操作，为了解决这一问题，出现了一种SPOOLING技术，该技术同时用于输入输出，从而不在需要操作员在中间来回搬运磁带。

　　第三个问题：第二代计算机仍然采用串行执行，内存中同时只能放一个数据，第三代计算机中产生了一种关键技术：多道技术，下面将在第五章中详细介绍。

　　第四个问题：第三代计算机仍然采用批处理，所以程序员是很怀念独享计算机资源的时代，为了解决这一问题，出现了分时操作系统：多个联机终端+多道技术。由于客户提交的一般都是剪短的指令，很少有耗时长的，索引计算机能够为大部分用户提供快速的交互式服务，所有的用户都以为自己独享了计算机资源。

4.第四代计算机（1980至今）：个人计算机

　　现在出现了大规模集成电路计算机，采用集成度更高的半导体，运算速度大大提升，同时个人计算机发展迅速，现在工艺可以制造出体积更小，性能更强悍的计算机。另外，互联网技术，数据库管理技术发展迅速，并得到了广泛应用。

五、多道技术

　　多道技术中的多道指的是多个程序，上文中提到当多个程序共享同一个硬件资源时存在有序调度问题，多道复用的出现就是为了解决这一问题。多道复用分为时间上的复用和空间上的复用。

　　空间上的复用：将内存分为几个部分，每个部分放入一个程序，使他们在系统中并发执行，共享系统中的资源，当一道程序暂停时，CPU立即转去执行另一道程序。

这里存在的最大问题是：内存必须分割，并且是硬件层面的分割。如果不分割的话，一个程序可以访问另一个程序的内存，这将会造成安全性和稳定性上的隐患。

　　时间上的复用：当一个程序在等待I/O时，另一个程序可以使用CPU，如果内存大到可以存放足够多的程序，那么CPU的利用率可以接近100%，这时就需要操作系统来统筹程序使用cpu的顺序及使用时间。

　　其实操作系统的功能就是多路复用的体现：处理来自多个（多路）程序发起的多个共享资源（复用资源）的请求。