操作系統(tǒng)是計算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)課程，是理解計算機(jī)運(yùn)行原理的重要基石，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)不僅能夠讓編程人員了解計算機(jī)運(yùn)行邏輯而且還有助于培養(yǎng)編程“軟實(shí)力”，如果想真正在編程之路上走下去，那么操作系統(tǒng)將會是重要的加速器，本系列將走進(jìn)操作系統(tǒng)課程，了解在計算機(jī)世界的規(guī)則...

一、操作系統(tǒng)是什么

說到操作系統(tǒng)，不少人會瞬間想到微軟的Windows系列，有經(jīng)驗(yàn)的編程人員或許會想到unix,Linux等，但對于操作系統(tǒng)的定義，不少人恐怕就說不上來了，其實(shí)在計算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域至今也未形成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的定義，出現(xiàn)這個問題一方面由于操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)相對獨(dú)立的功能---擴(kuò)展機(jī)器和管理資源，另一方面取決于從什么角度來看待操作系統(tǒng)---用戶觀點(diǎn)還是系統(tǒng)觀點(diǎn)。

1、操作系統(tǒng)作為擴(kuò)展機(jī)器

操作系統(tǒng)可以將硬件細(xì)節(jié)與編程人員隔離開，用戶可以使用操作系統(tǒng)提供的各種命令，直接打開文件、讀寫文件、更改目錄等，在做這些事情時，只需要關(guān)心自己要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并不用考慮硬件是如何動作，從而隱藏了底層硬件的特性。通過操作系統(tǒng)的加工，呈現(xiàn)在用戶面前的機(jī)器是功能更強(qiáng)，使用更方便的機(jī)器，通常把邏輯之上覆蓋各種軟件，從而形成功能更強(qiáng)的機(jī)器稱為擴(kuò)展機(jī)器或虛擬機(jī)。

2、操作系統(tǒng)作為資源管理器

操作系統(tǒng)可以用來管理硬件資源和數(shù)據(jù)、程序等軟件資源，控制、協(xié)調(diào)各個程序?qū)@些資源的利用，盡可能地充分發(fā)揮各種資源的作用，作為資源管理者，操作系統(tǒng)主要做以下工作：

監(jiān)視各種資源，隨時記錄它們的狀態(tài)

實(shí)施某種策略以決定誰獲得資源、如何獲得、獲得多少

分配資源提供需求者使用

回收資源，以便再分配

3、用戶角度看操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，為用戶提供使用計算機(jī)系統(tǒng)的接口。

4、系統(tǒng)角度看操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是硬件之上的第一層軟件，它要管理計算機(jī)系統(tǒng)中各種硬件資源和軟件資源的分配問題，要解決大量對資源請求的沖突問題，決定把資源分配給誰，何時分配，分配多少等，使得資源的利用高效而且公平。此外操作系統(tǒng)要對IO設(shè)備和用戶程序加以控制，保證設(shè)備正常工作，防止非法操作，及時診斷設(shè)備的故障等。

綜上所述，可以得到：

操作系統(tǒng)是軟件，而且是系統(tǒng)軟件，即操作系統(tǒng)由一整套程序組成。

操作系統(tǒng)基本職能是控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織多道程序的運(yùn)行。

操作系統(tǒng)提供眾多服務(wù)，方便用戶使用，擴(kuò)充硬件功能。

總之，通常可以這樣定義操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)是控制和管理計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源，有效地組織多道程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件，是用戶和計算機(jī)之間的接口。

二、操作系統(tǒng)的主要功能

操作系統(tǒng)主要功能有一下5個方面：存儲管理、作業(yè)和進(jìn)程管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶接口服務(wù)

1、存儲管理

存儲管理的主要功能包括：內(nèi)存分配，地址映射，內(nèi)存保護(hù)和內(nèi)存擴(kuò)充

1.1 內(nèi)存分配

內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配一定的內(nèi)存空間，為此操作系統(tǒng)必須記錄整個內(nèi)存的使用情況，處理用戶提出的申請，按照某種策略實(shí)施分配，接收系統(tǒng)或用戶釋放的內(nèi)存空間。由于內(nèi)存是寶貴的系統(tǒng)資源，在制定分配策略時應(yīng)該如何考慮提高內(nèi)存的利用率，減少內(nèi)存浪費(fèi)。

1.2 地址映射

CPU在執(zhí)行用戶程序時，要從內(nèi)存中取出指令或數(shù)據(jù)，為此就必須把所用的相對地址(或稱邏輯地址)轉(zhuǎn)換成內(nèi)存的物理地址。

1.3 內(nèi)存保護(hù)

不同用戶的程序都放在同一個內(nèi)存中，就必須要保證它們在各自的內(nèi)存空間中活動，不能相互干擾，更不能侵占操作系統(tǒng)的空間，為此需要建立內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。

1.4 內(nèi)存擴(kuò)充

一個系統(tǒng)中的內(nèi)存容量是有限的，不能隨意擴(kuò)充其大小。然而，當(dāng)對內(nèi)存“求大于供”的局面時，就需要采取虛擬存儲技術(shù)。將程序當(dāng)前使用的部分放在內(nèi)存，而其余部分放在磁盤上，以后根據(jù)程序執(zhí)行時的要求和內(nèi)存當(dāng)時使用的情況，隨機(jī)地將所需部分調(diào)入內(nèi)存；必要時還要把已分配出去的內(nèi)存回收，供其他程序使用(內(nèi)存置換)

2、作業(yè)和進(jìn)程管理

操作系統(tǒng)中有兩個重要概念，即作業(yè)與進(jìn)程，簡言之，用戶的計算任務(wù)稱為作業(yè)，程序的執(zhí)行過程稱作進(jìn)程(進(jìn)程是分配資源和在處理機(jī)上運(yùn)行的基本單位)。眾所周知，計算機(jī)系統(tǒng)中最重要的資源是CPU，對它管理的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的性能。所以，作業(yè)和進(jìn)程管理的基本功能包括：作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程控制和進(jìn)程通信。

2.1 作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度

一個作業(yè)通常經(jīng)過兩級調(diào)度才能在CPU上執(zhí)行，首先是作業(yè)調(diào)度，它把選中的一批作業(yè)放入內(nèi)存，并分配其他必要資源，為這些作業(yè)建立相應(yīng)的進(jìn)程，然后進(jìn)程調(diào)度按照一定的算法從就緒進(jìn)程中選出一個合適進(jìn)程，使之在CPU上運(yùn)行、

2.2 進(jìn)程控制

進(jìn)程是操作系統(tǒng)中活動的實(shí)體，進(jìn)程控制包括創(chuàng)建進(jìn)程、撤銷進(jìn)程、封鎖進(jìn)程、喚醒進(jìn)程等。

2.3 進(jìn)程通信

多個進(jìn)程在活動過程中彼此間會發(fā)生相互依賴或者相互制約的關(guān)系，為保證系統(tǒng)中所有的進(jìn)程都能正常活動，就必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制，它分為同步方式與互斥方式。相互合作的進(jìn)程之間往往需要交換信息，為此，操作系統(tǒng)需要提供通信機(jī)制。

3、設(shè)備管理

設(shè)備的分配和驅(qū)動由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)，即設(shè)備管理的主要功能包括：緩沖區(qū)管理，設(shè)備分配，設(shè)備驅(qū)動和設(shè)備無關(guān)性

3.1 緩沖區(qū)管理

緩沖區(qū)管理的目的是解決CPU和外設(shè)速度不匹配的矛盾，使它們充分并行工作，提高各自的利用率。

3.2 設(shè)備分配

根據(jù)用戶的IO請求和相應(yīng)的分配策略，為該用戶分配外部設(shè)備、通道和控制器等

3.3 設(shè)備驅(qū)動

實(shí)現(xiàn)CPU與通道和外設(shè)之間的通信，由CPU向通道發(fā)出IO指令，后者驅(qū)動相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行IO操作。當(dāng)IO任務(wù)完成后，通道向CPU發(fā)出中斷信號，由相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理

3.4 設(shè)備無關(guān)性

設(shè)備無關(guān)性又稱設(shè)備獨(dú)立性，即用戶編寫的程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無關(guān)，由操作系統(tǒng)把用戶程序中使用的邏輯設(shè)備映射到物理設(shè)備。

4、文件管理

文件管理功能包括：文件存儲空間的管理，文件操作的一般管理，目錄管理，文件的讀寫管理和存取控制

4.1 文件存儲空間的管理

系統(tǒng)文件和用戶文件都要放在磁盤上，為此，需要由文件系統(tǒng)對所有文件以及文件的存儲空間進(jìn)行統(tǒng)一管理：為新文件分配必要的外存空間，回收釋放的文件空間，提高外存的利用率。

4.2 文件操作的一般管理

文件操作的一般管理包括：文件的創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉等

4.3 目錄管理

目錄管理包括目錄文件的組織、實(shí)現(xiàn)用戶對文件的“按名存取”，以及目錄的快速查詢和文件共享等

4.4 文件的讀寫管理與存取控制

根據(jù)用戶的請求，從外存中讀取數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)寫入外存中。為了保證文件信息的安全性，防止未授權(quán)用戶的存取或破壞，對各個文件(包括目錄)進(jìn)行存取控制

5、用戶接口服務(wù)

用戶上機(jī)操作時直接使用到操作系統(tǒng)提供的用戶接口，操作系統(tǒng)對外提供多種服務(wù)，使得用戶可以方便、有效地使用計算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序，使得軟件開發(fā)變的容易、高效。現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供三種用戶接口：程序接口，命令行接口以及圖形用戶接口。

5.1 程序接口

也稱系統(tǒng)調(diào)用接口，系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核與用戶程序、應(yīng)用程序之間的接口，它位于操作系統(tǒng)核心層的最外層。所有內(nèi)核之外的程序都必須經(jīng)由系統(tǒng)調(diào)用才能獲得操作系統(tǒng)的服務(wù)。系統(tǒng)調(diào)用只能在程序中使用，不能直接作為命令在終端上輸入和執(zhí)行。由于系統(tǒng)調(diào)用能夠改變處理機(jī)的執(zhí)行狀態(tài)，從用戶態(tài)變?yōu)楹诵膽B(tài)，直接進(jìn)入內(nèi)核執(zhí)行，所以執(zhí)行效率很高。用戶在自己程序中使用系統(tǒng)調(diào)用，從而獲取系統(tǒng)提供的眾多基層服務(wù)，

5.2 命令行接口

在提示符之后用戶從鍵盤上輸入命令，命令解釋程序接收并解釋這些命令，然后把它們傳遞給操作系統(tǒng)內(nèi)部程序，執(zhí)行相應(yīng)功能。命令行接口不屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核，相應(yīng)的程序是在用戶空間中運(yùn)行的。

5.3 圖形用戶接口

用戶利用鼠標(biāo)，窗口，菜單，圖標(biāo)等圖形用戶界面工具，可以直觀、方便，有效地使用系統(tǒng)服務(wù)和各種應(yīng)用程序及實(shí)用工具。圖形用戶接口也不屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核，相應(yīng)的程序是在用戶空間中運(yùn)行的。

三、操作系統(tǒng)的類型

操作系統(tǒng)基本類型可分為5種：批處理系統(tǒng)，分時系統(tǒng)、實(shí)時系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)

1、批處理系統(tǒng)

早期的計算機(jī)操作系統(tǒng)大多數(shù)是批處理系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，把用戶的計算任務(wù)按“作業(yè)”進(jìn)行管理。其工作流程一般如下：

操作員把用戶提交的作業(yè)卡片放到讀卡器上，通過SPOOLing輸入程序及時把這些作業(yè)送入直接存取的后援存儲器(如磁盤)

作業(yè)調(diào)度程序根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)時情況和各后背作業(yè)特點(diǎn)，按一定的調(diào)度原則，選擇一個或幾個搭配得當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)裝入內(nèi)存準(zhǔn)備運(yùn)行

內(nèi)存中多個作業(yè)交替執(zhí)行，當(dāng)某個作業(yè)完成時，系統(tǒng)把該作業(yè)的計算結(jié)果交給SPOOLing輸出程序準(zhǔn)備輸出，并回收該作業(yè)的全部資源

上述步驟將一直重復(fù)下去，使得各作業(yè)一個接一個地流入系統(tǒng)，直到?jīng)]有作業(yè)。各個作業(yè)經(jīng)過處理后又順序地退出系統(tǒng)，形成一個源源不斷的作業(yè)流。

可以看出批處理系統(tǒng)具有兩個特點(diǎn)---“多道”與“成批”

“多道”是指內(nèi)存中存放多個作業(yè)，并且在外存上存放大量的后備作業(yè)。因此，這種系統(tǒng)的調(diào)用原則相當(dāng)靈活，易于選擇一批搭配合理的作業(yè)調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行，從而充分發(fā)揮系統(tǒng)資源的利用率，增加系統(tǒng)的吞吐量。

“成批”是指系統(tǒng)運(yùn)行過程中不允許用戶和機(jī)器之間發(fā)生交互作用，也就是說，用戶一旦把作業(yè)提交系統(tǒng)，他就不能直接干預(yù)該作業(yè)的運(yùn)行了。

批操作系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

系統(tǒng)資源利用率高

系統(tǒng)吞吐量大

批操作系統(tǒng)缺點(diǎn)：

用戶作業(yè)的等待時間長

沒有交互能力

2、分時系統(tǒng)

針對批操作系統(tǒng)的缺點(diǎn)，人們提出了分時系統(tǒng)，它讓用戶通過終端設(shè)備聯(lián)機(jī)使用計算機(jī)。

在單CPU系統(tǒng)中無法真正的實(shí)現(xiàn)多個程序的并行(兩個或兩個以上事件或活動在同時刻發(fā)生就稱作并行)，為了在多道程序環(huán)境中提高資源利用率，往往采用多道程序分時共享硬件和軟件資源的技術(shù)，分時就是對時間的共享。在分時系統(tǒng)中，分時主要是指若干程序?qū)PU時間的共享。分享的時間單位稱為時間片，它往往很短，如幾十毫秒。這種分時的實(shí)現(xiàn)，需要有中斷機(jī)構(gòu)和時鐘系統(tǒng)的支持。利用時鐘系統(tǒng)把CPU時間分成一個一個的時間片，操作系統(tǒng)輪流把每個時間片分給各個程序，每道程序一次只可以運(yùn)行一個時間片。當(dāng)時間片計數(shù)到時后，產(chǎn)生時間中斷，控制轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)選擇另一道程序并分給它時間片，讓其投入運(yùn)行。到達(dá)給定時間，再發(fā)中斷，重新選程序(或作業(yè))運(yùn)行，如此反復(fù)。

兩個或兩個以上的程序在一段時間內(nèi)，在同一CPU上執(zhí)行就稱作并發(fā)，在分時系統(tǒng)中利用并發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了一個物理CPU(也可以是多個物理CPU)在若干道程序之間的多路復(fù)用。

分時系統(tǒng)的基本特征：

同時性，若干用戶可以同時上機(jī)使用計算機(jī)系統(tǒng)

交互性，用戶能夠方便地與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互

獨(dú)立性，系統(tǒng)中各用戶可以批次獨(dú)立地操作，互不干擾或破壞

及時性，用戶能在很短時間內(nèi)得到系統(tǒng)的響應(yīng)

分時系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

為用戶提供友好的接口，即用戶能在較短時間內(nèi)得到響應(yīng)，能以對話方式完成對程序的編寫，調(diào)試，修改，運(yùn)行和得到運(yùn)算結(jié)果

促進(jìn)了計算機(jī)的普及應(yīng)用，一個分時系統(tǒng)可帶多臺終端，同時為多個遠(yuǎn)近用戶使用

便于資源共享和交換信息，為軟件開發(fā)和工程設(shè)計提供良好的環(huán)境

常用的通用操作系統(tǒng)是分時系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)的結(jié)合，其原則是：分時優(yōu)先，批處理在后。“前臺”響應(yīng)需頻繁交互的作業(yè)，“后臺”處理時間性不強(qiáng)的作業(yè)。

3、實(shí)時系統(tǒng)

在計算機(jī)的很多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，要求對實(shí)時采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行及時處理，做出相應(yīng)的反應(yīng)，如果超出限定的時間就可能丟失信息或影響下一批信息的處理。實(shí)時系統(tǒng)是指計算機(jī)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有設(shè)備和任務(wù)協(xié)調(diào)一致工作的操作系統(tǒng)。實(shí)時系統(tǒng)的目標(biāo)是：對外部請求在嚴(yán)格時間范圍內(nèi)做出反應(yīng)，并有高可靠性和完整性。其主要特點(diǎn)是：資源的分配和調(diào)度首先要考慮實(shí)時性，然后才是效率。此外實(shí)時系統(tǒng)還應(yīng)該具有較強(qiáng)的容錯能力。實(shí)時系統(tǒng)現(xiàn)在有三種典型的應(yīng)用形式：過程控制系統(tǒng)、信息查詢系統(tǒng)和事務(wù)處理系統(tǒng)。

實(shí)時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)的差別：

交互性：分時系統(tǒng)提供一種隨時可提供多個用戶使用、通用性很強(qiáng)的計算機(jī)系統(tǒng)，用戶與系統(tǒng)之間具有較強(qiáng)的交互作業(yè)或會話能力，而實(shí)時系統(tǒng)的交互能力相對來說比較差

實(shí)時性：分時系統(tǒng)響應(yīng)時間的要求是人能夠接受的等待時間，數(shù)量級通常是秒；而實(shí)時系統(tǒng)對響應(yīng)時間要求較高，數(shù)量級可達(dá)到毫秒，甚至微秒。

可靠性：雖然分時系統(tǒng)也要求系統(tǒng)可靠，但是實(shí)時系統(tǒng)對可靠性要求更高

4、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

由于單臺計算機(jī)資源畢竟有限，為了實(shí)現(xiàn)異地計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信和資源共享，可將分布在各處的計算機(jī)和終端設(shè)備通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起，構(gòu)成一個系統(tǒng)，這就是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要兩大支柱----計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特征:

分布性：網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)機(jī)可以位于不同地點(diǎn)，各自執(zhí)行自己的任務(wù)

自治性：網(wǎng)上的每臺計算機(jī)都有自己的內(nèi)存，IO設(shè)備和操作系統(tǒng)，能夠獨(dú)立地完成自己承擔(dān)的任務(wù)

互連性：利用互連網(wǎng)絡(luò)把不同地點(diǎn)的資源(包括硬件資源和軟件資源)在物理上和邏輯上連接在一起，在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)控制下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和資源共享

可見性：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的資源對用戶來說是可見的，用戶任務(wù)通常在本地機(jī)器上運(yùn)行，利用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)可共享其他主機(jī)上的資源

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一般建立在各個主機(jī)的本地操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，其功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，資源共享和保護(hù)，以及提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)接口等。在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的作用下，對用戶屏蔽了各個主機(jī)對同樣資源所具有的不同存取方法。

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的特性：

接口一致性：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)要為共享資源提供一個一致的接口，而不管其內(nèi)部采取什么方法予以實(shí)現(xiàn)。

資源透明性：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對資源的最優(yōu)選擇，它了解整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中共享資源的狀態(tài)和使用情況，能夠根據(jù)用戶的要求自動做出選擇。

操作可靠性：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)利用硬件和軟件資源在物理上分散的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可靠的操作。

處理自主性：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中的各個主機(jī)都具有獨(dú)立的處理能力，在各主機(jī)上的資源被認(rèn)為是局部所有的

執(zhí)行并行性：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中任何一個工作站或通信計算機(jī)都稱作一個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)本機(jī)上多道程序的并發(fā)執(zhí)行，而且實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)機(jī)上進(jìn)程執(zhí)行的真正并行。

5、分布式操作系統(tǒng)

分布式操作系統(tǒng)把大量的計算機(jī)組織在一起，彼此通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。分布式系統(tǒng)有效地解決了地域分布很廣的若干計算機(jī)系統(tǒng)間的資源共享，并行工作，信息傳輸和數(shù)據(jù)保護(hù)等問題。

分布式操作系統(tǒng)特點(diǎn)：

靈活性：根據(jù)用戶需求和使用情況，方便地對系統(tǒng)進(jìn)行修改或者擴(kuò)充

可靠性：如果系統(tǒng)中某臺機(jī)器不能工作了，就有另外的機(jī)器做它的工作。可靠性包括可用性，安全性和容錯性

高性能：分布式具有執(zhí)行速度快，響應(yīng)及時，資源利用高，而且網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)

可擴(kuò)充性：分布式系統(tǒng)可以根據(jù)使用環(huán)境和應(yīng)用的需要，方便地擴(kuò)充或縮減其規(guī)模

分布式系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的更高形式，它保持了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的全部功能，而且還具有可靠性和高性能。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)雖然都屬于管理分布在不同地理位置的計算機(jī)，但最大的差別是：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)知道計算機(jī)確切的地址，而分布式系統(tǒng)則不知道計算機(jī)的確切地址；分布式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個資源的分配，能很好地隱藏系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，如對象的物理位置，這些對用戶都是透明的。

四、計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

從硬件的角度看，現(xiàn)代通用計算機(jī)系統(tǒng)是由CPU、內(nèi)存和若干IO設(shè)備組成，它們經(jīng)由系統(tǒng)總線鏈接在一起，實(shí)現(xiàn)彼此通信。從功能上講，是由五大功能部件組成，即運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。這五大功能部件相互配合，協(xié)同工作。其中運(yùn)算器和控制器集成在一片或幾片大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路中，稱為中央處理器(CPU)。

1、處理器

CPU是計算機(jī)的“大腦”，它從內(nèi)存中提取指令并執(zhí)行它們。CPU工作的基本周期是：提取指令，譯碼分析，執(zhí)行指令。對后面的的指令按類似步驟進(jìn)行處理。CPU內(nèi)部包含若干寄存器，其中，一類是通用寄存器，用來存放關(guān)鍵變量和中間結(jié)果。另一類是專用寄存器，如程序計數(shù)器(PC)，棧指針寄存器和程序狀態(tài)字(PSW)。同時一般操作系統(tǒng)都提供核心態(tài)與用戶態(tài)兩種處理機(jī)執(zhí)行狀態(tài)。其目的是為了保護(hù)操作系統(tǒng)程序(特別是內(nèi)核部分)，防止受到用戶程序的損害。當(dāng)執(zhí)行操作系統(tǒng)程序時，處理機(jī)處于核心態(tài)。這時它具有較高特權(quán)，可以執(zhí)行所有指令，包括普通用戶程序中不能使用的特權(quán)指令，從而能對所有寄存器和內(nèi)存進(jìn)行訪問，以及啟動IO操作等。而用戶程序是在用戶態(tài)下執(zhí)行的，它的的權(quán)限較低，只能執(zhí)行指令集中非特權(quán)指令。

2、存儲器

在任何計算機(jī)中，存儲器都是最主要的組成部分之一。按照速度、容量和成本劃分，存儲器系統(tǒng)構(gòu)成一個層次結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

頂層是CPU內(nèi)部寄存器，其速度與CPU一樣快，所以存取它們沒有延遲。但是它的成本高，容量小，通常小于1KB。典型存取時間1ns

下面一層是高速緩存，它們大多由硬件控制。Cache的速度很快，它們放在CPU內(nèi)部或非常靠近CPU的地方。當(dāng)程序需要讀取具體信息時，Cache硬件先查看它是否在Cache中，如果在其中，就直接使用它；如果不在，就從內(nèi)存中獲取該信息，并把它放入Cache中，以備今后再次使用。但Cache成本很高，容量較小，一般小于4MB。典型存取時間2ns

中間一層是內(nèi)存或者稱為主存，它是存儲器系統(tǒng)的主力，也稱作RAM(隨機(jī)存取存儲器)。CPU可以直接存取內(nèi)存及寄存器和Cache中的信息，但是不能直接存取磁盤上的數(shù)據(jù)。因此，機(jī)器執(zhí)行的指令及所用的數(shù)據(jù)必須預(yù)先存放在內(nèi)存及Cache和寄存器中。然而內(nèi)存中存放的信息是易丟失的，當(dāng)機(jī)器電源被關(guān)閉后，內(nèi)存中的信息就全部丟失了。

再往下一層是磁盤，稱作輔助存儲器，它是對內(nèi)存的擴(kuò)展。磁盤上可以永久的保留數(shù)據(jù)，而且容量特別大，現(xiàn)在常用的磁盤容量為250GB~2TB。磁頭是可以移動的，由于是機(jī)械裝置，所以磁盤上數(shù)據(jù)的存取速度低于內(nèi)存存取速度

最下層是磁帶，它記錄的數(shù)據(jù)可以永久保存，而已還可以根據(jù)情況換磁帶，故容量很大，但是由于它的存取速度很慢，所以不適宜進(jìn)行隨機(jī)存取，所以，磁帶設(shè)備一般不能用做輔存，它的主要用途是作為文件系統(tǒng)的后備，存放一些不經(jīng)常使用的信息或者用作系統(tǒng)間傳送信息的介質(zhì)。

3、IO設(shè)備

IO設(shè)備是人機(jī)交互的工具，它通常由控制器和設(shè)備本身兩部分組成。控制器是IO設(shè)備的電子部分，它協(xié)調(diào)和控制一臺或多臺IO設(shè)備的操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作與整個系統(tǒng)操作的同步。設(shè)備控制器本身有一些緩沖區(qū)和一組專用寄存器，負(fù)責(zé)在外部設(shè)備和本地緩沖區(qū)之間移動數(shù)據(jù)。設(shè)備實(shí)際上隱藏在控制器的后面，因而，操作系統(tǒng)總是與控制器打交道，而不是與設(shè)備直接作用。由于設(shè)備的種類有很多，因而設(shè)備控制器的類別就很多，這就需要不同的軟件來控制它們。這些向控制器發(fā)布命令并接收其回答信息的軟件就是設(shè)備驅(qū)動程序。不同操作系統(tǒng)上的不同控制器分別對應(yīng)不同的設(shè)備驅(qū)動程序，理論上講，驅(qū)動程序可以在核心之外運(yùn)行，但當(dāng)前的系統(tǒng)都把它放在操作系統(tǒng)中，使其在核心方式下運(yùn)行。

4、總線

按照總線上傳送的信息所起的作用，系統(tǒng)總線基本上可以分為如下三部分：

數(shù)據(jù)總線：用于傳輸計算機(jī)各部件之間數(shù)據(jù)的通道，其寬度隨字節(jié)而定。32位結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線應(yīng)是32根，64位結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線應(yīng)為64根。數(shù)據(jù)總線是雙向總線，即兩個方向都可以傳送數(shù)據(jù)。

地址總線：從CPU送來地址的地址線，它可以是存儲器的地址，也可以是IO設(shè)備控制器中控制寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的地址。地址總線決定了CPU所能訪問的最大內(nèi)存空間的大小。

控制總線：在該線上出現(xiàn)的信號是各模塊之間傳送數(shù)據(jù)時所需的全部控制信號

本文內(nèi)容參考孟慶昌老師所著《操作系統(tǒng)》一書