操作系统的组成
计算机系统由硬件和软件两部分组成
- 硬件部分：指其物理装置本身，包括各种处理器（如中央处理器、输入输出处理器和该系统中的其他处理器）、存储器、输入输出设备和通信装置；
- 软件部分：指由计算机硬件执行以完成一定任务的所有程序及其数据。
层次结构关系
软硬件及软件各部分之间，是一种层次结构的关系，硬件与软件是互相依赖、互相促进的。
层次结构说明
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底层是硬件
- 最底层是物理设备
- 其次是直接控制设备并向上一层提供更清晰的接口的很原始的软件——微程序
- 由微程序解释执行的一套指令集称为机器语言
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系统软件
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操作系统：隐藏复杂性，受硬件保护而免遭用户篡改；
操作系统是最基本的系统软件，它控制计算机的所有资源并提供应用程序开发的 基础。
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其他系统软件：这些程序本身并不是操作系统的部分
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应用软件
- 实现用户所需要的功能
计算机的硬件组织
冯·诺伊曼结构
- 主机部分：运算器、存储器、控制器
- 外设部分：输入设备、输出设备
冯·诺伊曼结构结构隐约指导了将存储设备与中央处理器分开的概念，因此依本结构设计出的计算机又称存储程序计算机。
存储程序式计算机
- 必须有运算器，用以执行指定的操作；
- 有存储器，用来存储程序和数据；
- 有控制部件，以便实现自动操作；
- 有I/O部件，以便输入原始数据和输出计算结果
什么是操作系统
概念
操作系统是一个大型的程序系统，负责计算机的全部软、硬资源的分配、调度工作，控制和协调并发活动，实现信息的存取和保护；
提供用户接口，使用户获得良好的工作环境，操作系统使整个计算机系统实现了高效率、高度自动化、高利用率和高可靠性。
发展阶段
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第一代计算机：手工操作阶段（无操作系统）
特点：主要元件是电子管，运算速度较慢，由主机（运控部件、主存）、输入设备（如纸带输入机、卡片阅读机）、输出设备（如打印机）和控制台组成
缺点：人机矛盾的严重性（操作时间与运行时间的比例）
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第二代计算机：批处理（早期）、执行系统
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第三代计算机：操作系统形成—批处理操作系统、分时操作系统
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第四代计算机：个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统
手工操作阶段
第一代计算机，主要元件是电子管，运算速度较慢，由主机（运控部件、主存）、输入设备（如纸带输入机、卡片阅读机）、输出设备（如打印机）和控制台组成；
这种情况下，用户一个挨一个地轮流使用计算机，每个用户的使用过程大致如下：
- 把程序纸带（或卡片）装上输入机；
- 经手工操作把程序和数据输入计算机；
- 通过控制台开关启动程序运行；
- 计算完毕，用户拿走打印结果，并卸下纸带（或卡片）。
缺点：人机矛盾的严重性（操作时间与运行时间的比例）
早期的批处理系统
多道程序设计
概念
把一个以上的作业存放在主存中，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理器时间和外部设备等其他资源。
根本目的：提高CPU的利用率，充分发挥并行性
多道程序运行的特征：
多道：即计算机主存中同时存放几道相互独立的程序； 宏观上并行：它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕； 微观上串行：轮流或分时地占有处理机，交替执行。
多道程序工作示例
操作系统的功能
用户和计算机之间的接口
计算机系统资源的管理者
- 处理器管理
- 存储器管理
- 输入输出设备管理
- 信息管理
操作系统的特性
并行性：指能处理多个并发活动的能力；
共享性：指多个计算任务对资源的共同享用（多个用户共享一个程序的同一副本，而不是分别向每个用户提供一个副本）；
虚拟性：虚拟设备的引入提高了设备资源的利用率
异步性：多个进程并发执行、走走停停
操作系统的类型
- 多道批处理操作系统
- 分时系统
- 实时系统
- 网络操作系统
- 分布式系统
- 多处理操作系统
分时技术
- 把处理器时间划分成很短的时间片（如几百毫秒）轮流地分配给各个联机作业使用，如果某个作业在分配的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂时中断，等待下一轮继续计算。此时处理机让给另一个作业使用，这样，每个用户的各次要求都能得到快速响应，给每个用户的印象是：独占一台计算机。
- 分时：多个用户分享使用同一台计算机，也就是把计算机的系统资源进行时间上的分割，从而将CPU工作时间分别提供给多个用户使用，每个用户依次轮流地使用时间片。
分时系统
特征
- 多路性：众多联机用户同时使用一台计算机
- 交互性
- 独占性
主要目的
- 及时地响应和服务于联机用户
实时系统
“实时”，对发生的外部事件做出及时的响应并对其进行处理，在严格规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作。
包括实时过程控制和实时信息处理两种系统。
追求的目标：对外部请求在严格的时间范围内做出反应，具有高可靠性。
实时操作系统应具有：实时时钟管理、过载保护、高可靠性和安全性。
网络操作系统
除了应具有通常操作系统应具有的：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理
还应具有以下两大功能：
- 提供高效、可靠的网络通信能力
- 提供多种网络服务功能 （通信接口中断处理程序、通信控制程序以及各层网络协议软件）
在网络操作系统中，用户知道多台计算机的存在，能登录到一台远程机器上并将文件从一台机器拷贝到另一台机器上，每台计算机都运行自己本地的操作系统，有自己的本地用户；
分布式操作系统
- 由一群分离的计算机通过网络相连接的多机系统；
- 每个计算机有自己的主存、辅存和I/O设备。
分布式操作系统在用户看来就像一个传统的单处理器系统，尽管它实际上由多个处理器组成。分布式系统中，用户不会感知到他们的程序在哪个处理器上运行，或者他们的文件存放在哪里，所有这些都是由操作系统自行高效地完成。
多处理操作系统
优点：
- 可靠性
- 高度平行性
- 多重处理可增强单处理器系统的计算能力，而又不必显著增加费用、价格；
- 在计算机系统中，多重处理系统提供了重要的灵活性，因为多重处理系统的模块化设 计，使系统在需要时可十分容易地通过添加处理器使系统能力得到扩充。
多处理器系统的两种模式：
- 对称多处理系统SMP：由两个或两个以上的处理器共享主存、I/O设备，这些处理器用总线或者其他内部连接模式相连接。
- 非对称多处理模式AM：主从模式，主处理器只有一个，配置操作系统，从处理器可有多个。
对称式多机系统
系统中有多个处理器，所有的处理器处于同等地位；
- 每个处理器都可以运行操作系统和内核程序处理中断、调度进程或线程等；
- 每个处理器都同样可以控制I/O设备和系统中其他资源。
系统中所有处理器共享主存储器，没有自己私用的主存储器。
主从式多机系统
只有主处理器可运行操作系统、接收设备中断，进行I/O操作，执行内核代码；而从处理器仅可执行用户程序。
缺点：
- 主处理器负载过重；
- 主处理器故障将引起整个系统故障，可靠性差；
- 一般从处理器的利用率不高。