- 相關(guān)推薦
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，希望大家認真閱讀！
1、操作系統做什么
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于機器語(yǔ)言級;而計算機組織作為計算機系統結構的邏輯實(shí)現和物理實(shí)現，其任務(wù)就是圍繞提高性能價(jià)格比的目標，實(shí)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(gè)功能部件內部的邏輯設計等是邏輯實(shí)現的內容;把邏輯設計深化到元件、器件級，則是物理實(shí)現的內容。
計算機系統可以大致分為四個(gè)組成部分：計算機硬件、操作系統、系統程序與應用程序和用戶(hù)。
硬件為系統提供基本的計算資源，應用程序規定了用戶(hù)按何種方式使用這些資源，操作系統控制和協(xié)調各用戶(hù)的應用程序對硬件的使用。
從兩個(gè)視角探索操作系統：用戶(hù)視角和系統視角。
A、用戶(hù)視角：
對于PC用戶(hù)，系統設計是為了讓單個(gè)用戶(hù)單獨使用其資源，其目的是優(yōu)化用戶(hù)所進(jìn)行的工作。對于這種情況，操作系統的設計目的是為了用戶(hù)使用方便，性能是次要的，而且不在乎資源使用率。
對于大型機用戶(hù)，操作系統設計為資源使用做了優(yōu)化：確保所有的CPU時(shí)間、內存和I/O都得到充分使用，并且確保沒(méi)有用戶(hù)使用超出其權限以外的資源。
對于工作站用戶(hù)，操作系統的設計目的是個(gè)人使用性能和資源使用率的折中。
對于手持計算機用戶(hù)，方便個(gè)人使用，最大化利用電池能源是操作系統設計的要點(diǎn)。
B、系統視角：
從系統視角，操作系統相當于資源分配器。操作系統管理CPU時(shí)間、內存空間等系統資源，在面對許多甚至沖突的資源請求，操作系統必須決定如何為每個(gè)程序和用戶(hù)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(guò)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，借以實(shí)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(lái)說(shuō)，計算機是在控制器的全面控制下，接收經(jīng)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(jìn)行快速運算，產(chǎn)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臺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(xiàn)速率由高到低)：
寄存器——高速緩存(Cache)——主存——磁盤(pán)——光盤(pán)——磁帶
3、計算機系統體系結構
通過(guò)采用的通用處理器的數量來(lái)分類(lèi)。
A、單處理器系統
在單處理器系統中，有一個(gè)主CPU能夠執行一個(gè)通用指令集，包括來(lái)自用戶(hù)進(jìn)程的指令。
B、多處理器系統
多處理器系統的優(yōu)點(diǎn)：
增加吞吐量;規模經(jīng)濟;增加可靠性。
分類(lèi)：
非對稱(chēng)多處理器(asymmetric multiprocessing)系統——主從關(guān)系;
對稱(chēng)多處理器(symmetric multiprocessing)系統——對等關(guān)系。
C、集群系統
集群計算機共享存儲并通過(guò)局域網(wǎng)連接或更快的內部連接。
分類(lèi)：
非對稱(chēng)集群：一部分機器處于熱備份模式，其余的機器運行應用程序。
對稱(chēng)集群：兩臺或多個(gè)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(shí)把操作系統分成四大部分：
驅動(dòng)程序：最底層的、直接控制和監視各類(lèi)硬件的部分，它們的職責是隱藏硬件的具體細節，并向其他部分提供一個(gè)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，它們職責在于把系統所提供的基本服務(wù)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運行期庫就屬于此類(lèi)，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(lèi)以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高級服務(wù)的部件。例如，在微內核結構中，大部分系統服務(wù)，以及UNIX/Linux中各種守護進(jìn)程都通常被劃歸此列。
在這里，需要介紹一些關(guān)于內核的知識。
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(lǐng)域有著(zhù)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(chēng)為宏內核。此架構的特性是整個(gè)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(lái)運行(宏內核被實(shí)現為運行在單一地址空間的單一的進(jìn)程，核心提供的所有服務(wù)，都以特權模式，在這個(gè)大型的核心地址空間中運作，這個(gè)地址空間被稱(chēng)為核心空間(kernel space))。相對于其他類(lèi)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(huì )定義出一個(gè)高級的虛擬接口，由該接口來(lái)涵蓋描述整個(gè)電腦硬件，這些描述會(huì )集合成一組硬件描述用詞，有時(shí)還會(huì )附加一些系統調用，如此可以用一個(gè)或多個(gè)模塊來(lái)實(shí)現各種操作系統服務(wù)，如進(jìn)程管理、共時(shí)(Concurrency)控制、存儲器管理等。
微內核(Microkernel)，又稱(chēng)為微核心。微內核結構是1980年代產(chǎn)生出來(lái)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(wù)的實(shí)現，與系統的基本操作規則區分開(kāi)來(lái)。它實(shí)現的方式，是將核心功能模塊化，劃分成幾個(gè)獨立的進(jìn)程，各自運行，這些進(jìn)程被稱(chēng)為服務(wù)器(service)。所有的服務(wù)器進(jìn)程，都運行在不同的地址空間。只有需要絕對特權的進(jìn)程，才能在具特權的運行模式下運行，其余的進(jìn)程則在用戶(hù) 空間運行。
混合內核(Hybrid kernel)像微內核結構，只不過(guò)它的組件更多的在核心態(tài)中運行，以獲得更快的執行速度�；旌蟽群�，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(shí)作方式接近于整塊性核心。最有名的混合核心為Windows NT核心與XNU。
外內核(Exokernel)的設計理念是盡可能的減少軟件的抽象化，這使得開(kāi)發(fā)者可以專(zhuān)注于硬件的抽象化。外核心的設計極為簡(jiǎn)化，它的目標是在于同時(shí)簡(jiǎn)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?xiě)贸绦蛑苯诱埱笠粔K特定的物理空間，一塊特定的磁盤(pán)塊等等。系統本身只保證被請求的資源當前是空閑的，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和基于Mach的UNIX等個(gè)別系統外，幾乎全部采用單內核結構，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows(微軟聲稱(chēng)Windows NT是基于改良的微內核架構的，盡管理論界對此存有異議。
5、操作系統操作
*雙重模式操作*：
為了確保操作系統地正常執行，必須區分操作系統代碼和用戶(hù)定義代碼的執行。許多操作系統所采取的方法是提供硬件支持以允許區分各種執行模式。
至少需要兩種獨立的操作模式：用戶(hù)模式(user mode)和監督程序模式(monitor mode)(也稱(chēng)為管理模式(supervisor mode)、系統模式(system mode)或特權模式(privileged mode))。在計算機硬件中增加一個(gè)稱(chēng)為模式位(mode bit)的位以表示當前模式：監督程序模式(0)和用戶(hù)模式(1)。有了模式位，就可以區分操作系統所執行的任務(wù)和用戶(hù)所執行的任務(wù)。
系統引導時(shí)，硬件開(kāi)始處于內核模式。接著(zhù)，裝入操作系統，開(kāi)始在用戶(hù)模式下執行用戶(hù)進(jìn)程。一旦出現陷阱或中斷，硬件會(huì )從用戶(hù)模式切換到內核模式。因此，只要操作系統獲得了對計算機的控制，它就處于內核模式。系統在將控制交還給用戶(hù)程序時(shí)會(huì )切換到用戶(hù)模式。
雙重模式操作提高了保護操作系統和用戶(hù)程序不受錯誤用戶(hù)程序影響的手段。其實(shí)現為：將能引起損害的機器指令作為特權指令。如果在用戶(hù)模式下試圖執行特權指令，那么硬件并不執行該指令，而是認為該指令非法，并將其以陷阱的形式通知操作系統。
系統調用為用戶(hù)程序請求操作系統代表用戶(hù)程序完成預留給操作系統的任務(wù)提供了方法。系統調用通常采用陷阱到中斷向量中的一個(gè)指定位置的方式。當系統調用被執行時(shí)，硬件會(huì )將它作為軟件中斷�？刂茩鄷�(huì )通過(guò)中斷向量轉交到操作系統的中斷處理程序，模式位設置成內核模式。系統調用服務(wù)程序是操作系統的一部分。內核檢查中斷指令以確定發(fā)生了什么系統調用;參數表示用戶(hù)程序請求什么類(lèi)型的服務(wù)。請求所需要的其他信息可通過(guò)寄存器、堆�；騼却鎭�(lái)傳遞。內核檢驗參數是否正確和合法，再執行請求，然后將控制返回到系統調用之后的指令。
6、進(jìn)程管理
進(jìn)程是系統工作的單元。系統由多個(gè)進(jìn)程組成，其中一些是操作系統進(jìn)程(執行系統代碼)，其余的是用戶(hù)進(jìn)程(執行用戶(hù)代碼)。所有這些進(jìn)程可以潛在地并發(fā)執行，如通過(guò)在單CPU上采用CPU復用來(lái)實(shí)現。
操作系統負責下述與進(jìn)程管理相關(guān)的活動(dòng)：
*創(chuàng )建和刪除用戶(hù)進(jìn)程和系統進(jìn)程;
*掛起和重啟進(jìn)程;
*提供進(jìn)程同步機制;
*提供進(jìn)程通信機制;
*提供死鎖處理機制。
7、內存管理
內存是現代計算機系統操作的中心。內存通常是CPU所能直接尋址和訪(fǎng)問(wèn)的唯一大容量存儲器。
操作系統負責下列有關(guān)內存管理的活動(dòng)：
*記錄內存的哪部分正在被使用及被誰(shuí)使用;
*當有內存空間是，決定哪些進(jìn)程可以裝入內存;
*根據需要分配和釋放內存空間。
8、存儲管理
操作系統對存儲設備上的物理屬性進(jìn)行了抽象，定義了邏輯存儲單元，即文件。操作系統將文件映射到物理介質(zhì)上，并通過(guò)這些物理介質(zhì)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些文件。
A、文件系統管理
文件管理是操作系統最為常見(jiàn)的組成部分。文件是由其創(chuàng )建者定義的一組相關(guān)信息的集合。通常，文件表示程序(源程序和目標程序)和數據。
操作系統負責下列有關(guān)文件管理的活動(dòng)：
*創(chuàng )建和刪除文件;
*創(chuàng )建和刪除目錄來(lái)組織文件;
*提供操作文件和目錄的原語(yǔ);
*將文件映射到二級存儲上;
*在穩定介質(zhì)上備份文件。
B、大容量存儲器管理
絕大多數現代計算機系統都采用硬盤(pán)作為主要非易失存儲介質(zhì)來(lái)存儲程序和數據。許多程序都存儲在硬盤(pán)上，要執行時(shí)才調入內存，在執行時(shí)將硬盤(pán)作為處理的來(lái)源地和目的地。因此，硬盤(pán)的適當管理對計算機系統尤為重要。
操作系統負責下列有關(guān)硬盤(pán)管理的活動(dòng)：
*空閑空間管理;
*存儲空間分配;
*硬盤(pán)調度。
C、高速緩存
高速緩沖存儲器是存在于主存與CPU之間的一級存儲器，由靜態(tài)存儲芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。硬件高速緩存基于著(zhù)名的局部性原理，該原理既適用于程序結構也適用于數據結構。在有高速緩沖存儲器的計算機系統中，中央處理器存取主存儲器的地址劃分為行號、列號和組內地址三個(gè)字段。于是，主存儲器就在邏輯上劃分為若干行;每行劃分 為若干的存儲單元組;每組包含幾個(gè)或幾十個(gè)字。高速存儲器也相應地劃分為行和列的存儲單元組。二者的列數相同，組的大小也相同，但高速存儲器的行數卻比主 存儲器的行數少得多。
高速緩存主要由三大部分組成：
*Cache存儲體：存放由主存調入的指令與數據塊。
*地址轉換部件：建立目錄表以實(shí)現主存地址到緩存地址的轉換。
*替換部件：在緩存已滿(mǎn)時(shí)按一定策略進(jìn)行數據塊替換，并修改地址轉換部件。
操作系統執行高速緩存管理，對高速緩存大小和置換策略的仔細選擇可以極大提高性能。
D、I/O子系統
I/O子系統包括如下幾個(gè)部分：
*一個(gè)包括緩沖、高速緩存和假脫機的內存管理部分;
*通用設備驅動(dòng)器接口;
*特定硬件設備的驅動(dòng)程序。
9、保護和安全
保護是一種控制進(jìn)程或用戶(hù)對計算機資源的訪(fǎng)問(wèn)的機制。這個(gè)機制必須為強加控制提供一種規格說(shuō)明方法和一種強制執行方法。
安全的主要工作是防止系統不受外部或內部攻擊。這些攻擊范圍很廣，包括病毒和蠕蟲(chóng)、拒絕服務(wù)攻擊、身份偷竊、服務(wù)偷竊。
10、分布式系統
分布式系統是將一組物理上分開(kāi)來(lái)的、各種可能的異構的計算機系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接在一起，為用戶(hù)提供系統所維護的各種資源的計算機的集合。
分布式系統(distributed system)是建立在網(wǎng)絡(luò )之上的軟件系統。正是因為軟件的特性，所以分布式系統具有高度的內聚性和透明性。因此，網(wǎng)絡(luò )和分布式系統之間的區別更多的在于高層軟件(特別是操作系統)，而不是硬件。內聚性是指每一個(gè)數據庫分布節點(diǎn)高度自治，有本地的數據庫管理系統。透明性是指每一個(gè)數據庫分布節點(diǎn)對用戶(hù)的應用來(lái)說(shuō)都是透明的，看不出是本地還是遠程。
網(wǎng)絡(luò )操作系統(Network Operating System)提供跨網(wǎng)絡(luò )的文件共享、包括允許不同計算機上的進(jìn)程進(jìn)行消息交換的通信方法等功能。
11、專(zhuān)用系統
*實(shí)時(shí)嵌入式系統
*多媒體系統
*手持系統
12、計算環(huán)境
*傳統計算
*客戶(hù)機-服務(wù)器計算
*對等計算
*基于Web的計算
拓展：計算機三級考試網(wǎng)絡(luò )操作系統基本概念
1.單機操作系統
單機操作系統包括幾個(gè)方面的管理功能：進(jìn)程與處理機管理、作業(yè)管理、存儲管理、設備管理、文件管理等。
(1)操作系統的管理功能
�、龠M(jìn)程管理：所謂進(jìn)程(Process)就是一個(gè)將執行的程序，它附有該進(jìn)程的地址空間、相應的寄存器組以及運行程序所需要的其他信息。操作系統必須提供一種啟動(dòng)進(jìn)程的機制。在DOS中，該機制就是EXEC函數。在Windows中啟動(dòng)進(jìn)程的函數是CreateProcess。
�、趦却婀芾恚翰僮飨到y的內存管理功能是管理內存資源，主要實(shí)現內存的分配與回收、存儲保護以及內存的擴充等。
�、畚募到y：文件系統負責管理在硬盤(pán)和其他大容量存儲設備中存儲的文件，通過(guò)文件管理向用戶(hù)提供創(chuàng )建文件、刪除文件、讀寫(xiě)文件、打開(kāi)和關(guān)閉文件等功能。
DOS通過(guò)文件表FAT尋找磁盤(pán)文件; Windows通過(guò)虛擬文件表VFAT來(lái)尋找磁盤(pán)文件; OS/2通過(guò)高性能文件系統HPFS來(lái)尋找磁盤(pán)文件。一般來(lái)說(shuō)，HPFS的性能要比FAT和VFAT都好。
�、茉O備I/O操作系統的設備管理負責分配和回收外部設備，以及控制外圍設備按用戶(hù)程序的要求進(jìn)行操作。DOS使用驅動(dòng)程序來(lái)管理設備。
(2)操作系統的結構
操作系統通常有4類(lèi)組件。
�、衮寗�(dòng)程序;
�、趦群�;
�、劢涌趲�;
�、芡鈬M件
2.網(wǎng)絡(luò )操作系統
網(wǎng)絡(luò )操作系統(NOS)是指能使網(wǎng)絡(luò )上各個(gè)計算機方便而有效地共享網(wǎng)絡(luò )資源，為用戶(hù)提供所需的各種服務(wù)的操作系統軟件。
網(wǎng)絡(luò )操作系統的基本任務(wù)是：屏蔽本地資源與網(wǎng)絡(luò )資源的差異性，為用戶(hù)提供各種基本網(wǎng)絡(luò )服務(wù)功能，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )系統資源的共享管理，并提供網(wǎng)絡(luò )系統的安全保障。
什么是Web OS?Web OS是一個(gè)運行在網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中的虛擬操作系統，更精確地說(shuō)，Web OS是一個(gè)運行在網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中的應用程序集合。因此，有人把NOS稱(chēng)為服務(wù)器操作系統，把Web OS稱(chēng)為客戶(hù)端操作系統。
3.網(wǎng)絡(luò )操作系統的分類(lèi)
一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò )操作系統可以分為兩類(lèi)：專(zhuān)用型NOS與通用型NOS。
4.網(wǎng)絡(luò )操作系統的基本功能
網(wǎng)絡(luò )操作系統的基本功能有：文件服務(wù)、打印服務(wù)、數據庫服務(wù)、通信服務(wù)、信息服務(wù)、分布式服務(wù)、網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)、Internet/Intranet服務(wù)。
【計算機操作系統的基本概念】相關(guān)文章：
計算機操作系統試題及答案11-01
計算機網(wǎng)絡(luò )基本概念知識積累07-28
CFO的基本概念10-16
材料基本概念知識09-15
2017計算機等級考試HTTP的基本概念與交互模型練習題07-28
Linux操作系統概述06-22
質(zhì)量管理基本概念12-30
地租的基本概念和理論10-26