操作系统概念

概念

操作系统 是计算机系统中的一个核心软件组件，负责管理和控制计算机硬件，为用户和应用程序提供服务。

操作系统特征

1. 并发（Concurrence）：操作系统 具备同时处理和调度多个程序的能力。
2. 共享（Sharing）：系统中的资源可供内存中多个并发的进程共同使用。
3. 虚拟（Virtual）：将物理的实物虚拟为逻辑上的对应物。
4. 异步（Asynchronism）：任务可以不按固定的顺序执行，因此同一操作的结果可能因执行的时序而异。

目标和功能

• 作为用户语句计算机硬件系统之间的接口。
• 作为计算机系统资源的管理者。
• 实现了对计算机资源的抽象。

发展历程

操作系统 的发展历程经历了 手工操作、批处理操作、分时操作、实时操作 这四个阶段：

1. 手工操作 阶段：
   • 时间背景：计算机的早期阶段。
   • 特点：没有 操作系统，用户直接使用计算机硬件。
   • 操作方式：用户在一个时刻将自己的程序载入计算机，然后执行。执行完毕后，将结果记录并释放计算机。
   • 问题：效率低，CPU 大部分时间处于空闲状态。
2. 批处理操作系统：
   • 单道批处理系统：
     • 特点：系统一次只执行一个任务。完成后再执行下一个。
     • 操作方式：用户的多个作业被收集到一个作业队列中，操作系统 按照队列的顺序逐一执行。
     • 问题：CPU 利用率仍然不高，因为在 I/O 操作时，CPU 仍然处于空闲状态。
   • 多道批处理系统：
     • 特点：在内存中同时加载多个作业，并使它们共享 CPU。
     • 操作方式：当一个作业进行 I/O 操作时，CPU 可以切换到另一个作业，从而提高了 CPU 的利用率。
     • 优势：提高了系统吞吐量和 CPU 利用率。
3. 分时操作系统：
   • 时间背景：20 世纪 60 年代。
   • 特点：允许多个用户通过终端同时访问计算机。
   • 操作方式：操作系统 为每个用户提供了一个“虚拟机”的概念，使每个用户感觉自己独占了整个系统。实际上，系统在用户之间快速切换，为每个用户提供少量的 CPU 时间。
   • 优势：提高了交互性和多用户并发访问的能力。
   • 示例：Unix 操作系统在其初期就是一个分时系统。
4. 实时操作系统：
   • 特点：系统必须在严格的时间限制内响应外部输入。
   • 分类：
     • 硬实时系统：不满足时限会导致严重的后果，如飞行控制系统。
     • 软实时系统：不满足时限可能会降低系统的性能，但不会导致灾难，如多媒体播放器。
   • 操作方式：实时 操作系统 的任务调度是基于优先级的，且通常会预先定义每个任务的执行时间。
   • 优势：满足特定应用场景的实时需求，如嵌入式系统和工业控制系统。

操作系统引导

引导流程

操作系统 引导的具体流程如下：

1. 电源开机（Power-On）：
   • 当你按下计算机的电源键时，电源开始向主板和各个硬件供电。此时，系统首先进行加电自检。这个过程是由存储在主板 ROM 芯片中的基本输入/输出系统（BIOS）或统一可扩展固件接口（UEFI）固件执行的。
2. BIOS/UEFI 阶段：
   • BIOS/UEFI 会读取启动设备的首扇区（MBR 或 GPT），其中包含 引导加载器（Bootloader）的代码。
3. 引导加载器（Bootloader）：
   • 引导加载器 是一小段程序，它的主要任务是加载 操作系统 内核。
   • 常见的 bootloader 有
     • GRUB（Grand Unified Bootloader）：常用于 Linux 系统，功能强大，支持多系统引导。
     • Windows Boot Manager：Windows 操作系统的引导管理器。
   • 引导加载器 会将 操作系统 内核从存储设备（通常是硬盘）加载到内存中。
4. 加载操作系统内核：
   • 操作系统 内核是 操作系统 的核心部分，负责管理系统的各种资源，如内存、进程、设备等。引导加载器 将内核加载到内存后，会将控制权交给内核。
5. 内核初始化：
   • 操作系统 内核开始运行并进行自我初始化。它会检测和配置系统上的硬件资源，例如设置中断、初始化设备驱动、建立内存管理结构等。
6. 启动系统服务和守护进程：
   • 在内核初始化后，它会启动一系列的系统进程或服务来管理各种系统任务。