操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是計算機系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)軟件，負責(zé)管理計算機的硬件和軟件資源，并為用戶和應(yīng)用程序提供一個方便、高效、安全的運行環(huán)境。本章作為操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)的開篇，旨在建立對計算機系統(tǒng)整體架構(gòu)和操作系統(tǒng)核心角色的宏觀認(rèn)識。

一、 計算機系統(tǒng)的基本組成

一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件（Hardware）和軟件（Software）兩大部分集成而成。

1. 硬件層：是計算機系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存（主存儲器）、輸入/輸出（I/O）設(shè)備以及連接這些部件的總線（Bus）等。硬件提供了計算、存儲和通信的基本能力。
2. 軟件層：建立在硬件之上，可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

• 系統(tǒng)軟件：主要用于管理和控制硬件，為應(yīng)用軟件提供支持。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件中最核心的部分，其他還包括編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。

• 應(yīng)用軟件：為解決特定問題或滿足用戶需求而設(shè)計的軟件，如辦公軟件、瀏覽器、游戲等。

操作系統(tǒng)位于硬件與所有其他軟件之間，承上啟下，是用戶與計算機硬件之間的接口，也是計算機資源的管理者。

二、 操作系統(tǒng)的定義與目標(biāo)

從不同視角看，操作系統(tǒng)扮演著不同角色：

• 資源管理者：操作系統(tǒng)負責(zé)高效、公平地管理CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備和文件等系統(tǒng)資源，確保多個程序能有序、共享地使用資源，防止沖突。
• 用戶與計算機硬件之間的接口（擴展機/虛擬機）：操作系統(tǒng)通過命令接口（CLI）、圖形用戶接口（GUI）和程序接口（系統(tǒng)調(diào)用）等方式，屏蔽了硬件的復(fù)雜性和差異性，為用戶和程序員提供了一個更簡潔、功能更強大的虛擬機器。
• 系統(tǒng)目標(biāo)：其主要目標(biāo)是方便性（使計算機更易用）、有效性（提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量）、可擴展性（便于增加新功能）和開放性（遵循標(biāo)準(zhǔn)，便于互連）。

三、 操作系統(tǒng)的發(fā)展與主要類型

操作系統(tǒng)的發(fā)展與硬件技術(shù)、應(yīng)用需求緊密相關(guān)，主要經(jīng)歷了以下階段和類型：

1. 手工操作階段：無操作系統(tǒng)，用戶獨占全機，CPU等待人工操作，效率極低。
2. 批處理系統(tǒng)：分為單道批處理（內(nèi)存中僅一道程序，解決了人機速度矛盾）和多道批處理（內(nèi)存中同時駐留多道程序，共享CPU和I/O設(shè)備，顯著提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量）。多道程序設(shè)計技術(shù)的引入是操作系統(tǒng)發(fā)展史上的里程碑。
3. 分時系統(tǒng)：將CPU時間劃分為很短的時間片，并以輪轉(zhuǎn)方式分配給各聯(lián)機用戶作業(yè)。其特點是多路性、獨立性、及時性和交互性，實現(xiàn)了人機交互，典型代表如UNIX。
4. 實時系統(tǒng)：能夠及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成處理。強調(diào)及時性和可靠性，分為硬實時系統(tǒng)（絕對截止時間）和軟實時系統(tǒng)（可容忍超時），廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。
現(xiàn)代通用操作系統(tǒng)（如Linux、Windows）通常融合了多道批處理、分時和實時等多種技術(shù)特性。

四、 操作系統(tǒng)的特征

多道程序環(huán)境下，現(xiàn)代操作系統(tǒng)呈現(xiàn)出四大基本特征：

1. 并發(fā)（Concurrency）：指宏觀上多個程序在同時運行。操作系統(tǒng)通過進程管理等機制實現(xiàn)并發(fā)，這是它與并行（微觀上同時執(zhí)行）的主要區(qū)別，也是操作系統(tǒng)最重要的特征。
2. 共享（Sharing）：系統(tǒng)中的資源可供多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。主要共享方式有互斥共享（如打印機）和同時訪問共享（如磁盤文件）。并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個最基本的特征，互為存在條件。
3. 虛擬（Virtual）：通過某種技術(shù)將一個物理實體映射為若干個邏輯上的對應(yīng)物。主要技術(shù)有時分復(fù)用技術(shù)（如虛擬處理器）和空分復(fù)用技術(shù)（如虛擬存儲器）。
4. 異步（Asynchronism）：也稱不確定性，指多道程序環(huán)境下，進程以不可預(yù)知的速度向前推進。但操作系統(tǒng)必須保證在相同環(huán)境下多次運行同一程序，結(jié)果應(yīng)相同。

五、 操作系統(tǒng)的運行環(huán)境與主要功能

1. 運行環(huán)境：

• 內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)：CPU執(zhí)行狀態(tài)分為內(nèi)核態(tài)（管態(tài)，可執(zhí)行一切指令）和用戶態(tài)（目態(tài)，僅能執(zhí)行非特權(quán)指令）。操作系統(tǒng)內(nèi)核運行在內(nèi)核態(tài)，用戶程序運行在用戶態(tài)。通過中斷/異常和系統(tǒng)調(diào)用機制實現(xiàn)從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，這是操作系統(tǒng)執(zhí)行服務(wù)的唯一入口。

• 中斷、異常和系統(tǒng)調(diào)用：

• 中斷（外中斷）：來自CPU外部（如I/O完成、時鐘中斷），異步發(fā)生。

• 異常（內(nèi)中斷）：來自CPU內(nèi)部，由正在執(zhí)行的指令引發(fā)（如除零、缺頁、陷入指令），同步發(fā)生。

• 系統(tǒng)調(diào)用：應(yīng)用程序主動向操作系統(tǒng)請求服務(wù)（如文件讀寫、進程創(chuàng)建）而觸發(fā)異常（陷入指令）。

1. 主要功能：從資源管理角度，操作系統(tǒng)主要包括以下幾大管理功能（后續(xù)章節(jié)將詳細展開）：

• 進程管理：包括進程控制、同步、通信和調(diào)度。

• 內(nèi)存管理：包括內(nèi)存的分配與回收、地址映射、內(nèi)存保護與共享、虛擬內(nèi)存等。

• 文件管理：管理外存上的文件，實現(xiàn)“按名存取”，提供文件操作接口和存儲空間管理。

• 設(shè)備管理：完成用戶的I/O請求，包括緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理和虛擬設(shè)備等功能。

本章小結(jié)

本章概述了計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，明確了操作系統(tǒng)的核心地位、定義、目標(biāo)與發(fā)展歷程。重點理解了操作系統(tǒng)作為資源管理者和接口的雙重角色，掌握了多道程序設(shè)計、分時、實時等關(guān)鍵概念，并深刻理解了操作系統(tǒng)并發(fā)、共享、虛擬、異步四大特征。明確了內(nèi)核態(tài)/用戶態(tài)、中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用這些操作系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)機制，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)進程管理、內(nèi)存管理等具體模塊奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

核心要點回顧：多道程序系統(tǒng)、操作系統(tǒng)特征、中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用區(qū)別與聯(lián)系、內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)切換。