操作系统

操作系统(Operating System，简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序。是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。[1]操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其他软件的接口。操作系统的功能包括管理计算机系统的硬件、软件及数据资源，控制程序运行，改善人机界面，为其它应用软件提供支持，让计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，提供各种形式的用户界面，使用户有一个好的工作环境，为其它软件的开发提供必要的服务和相应的接口等。

地位

计算机有软、硬件组成,如果没有软件，则计算机就等于一堆废铁。软件可分为：

系统程序——管理计算机和应用程序（其中操作系统是其核心）；应用程序——解决用户问题的程序。

计算机系统各个层次之间存在着一种单向服务的关系，即每一个内层都向其外层提供了一组接口。这里提到的“接口”与计算机硬件之间的硬接口在概念上虽然是相同的，但是它们并不像硬接口那样通过硬件的电气连接完成其功能。而是由指令、程序和数据结构等形成的一种接口，通常把这种接口称为“软接口”。通过软接口，内层以事先约定好的方式为外层提供服务，外层则通过该接口使用内层提供的服务来完成本身的功能。

下面从内向外简要说明各个层次的特性以及层次间接口的作用。

1．硬件系统

硬件系统指组成计算机基本结构的5个部分，即运算器、控制器、主存储器以及输入设备和输出设备。运算器和控制器通常集成在一个芯片上，成为中央处理器（CPU）。CPU是执行程序时进行运算和控制的装置，它直接控制着计算机各个部件的工作，是硬件系统的核心。

主存储器（内存）是存放系统中运行的程序和数据的部件。

输入输出设备（外围设备）是用于实现计算机系统与外界信息交换的各种硬件设备。硬件是操作系统存在的物质基础。硬件层提供给操作系统的接口是机器的指令系统。操作系统的程序使用指令系统所提供的机器指令所具有的功能，实现对硬件的直接管理和控制。

2．操作系统

操作系统是靠近硬件的软件层，其功能是直接控制和管理系统资源（包括软件、硬件）。计算机系统的硬件在操作系统的管理和控制下，其功能得以充分发挥。从用户观点看，引入操作系统后，计算机系统成为一台硬件系统功能更强、服务质量更高、使用更方便的机器。操作系统与其他系统软件一起向用户提供了一个良好的工作环境，用户无需了解许多与硬件和系统软件的细节，就能方便的使用计算机。

操作系统在硬件系统上运行，它常驻内存内，并提供给上层两种接口：操作接口和编程接口。操作接口由一系列操作命令组成，用户通过操作接口可以方便地使用计算机。编程接口由一系列的系统调用组成各种程序可以使用这些系统调用让操作系统为其服务，并通过操作系统来使用硬件和软件资源。所以其他程序是在操作系统提供的功能基础上运行的。

3．系统应用软件

系统应用层由一系列的语言处理程序和系统服务程序构成。这些程序不是常驻内存的，而是存放在磁盘或其他外存储设备上，仅当需要运行这些程序时，才把它们装入内存。应用程序的主要功能是为用户编制应用软件、加工和调试程序以及处理数据提供必要服务。

系统应用层程序在操作系统的支持下工作，它们一般都使用机器指令以及操作系统提供的系统调用来编制程序。对上层它们提供了编制源程序的语句和语法或调试命令、系统维护命令等。

系统应用软件层的程序有效地扩充了计算机系统的功能。它们与操作系统一起组成系统软件整体，起到了简化程序设计、扩大计算机处理能力、提高计算机使用效率、充分发挥各种资源功能的作用。

因此，可以把这些系统应用程序看作是操作系统功能的延伸，甚至可以把它们看作操作系统的一部分。但是它与操作系统的不同之处在于，其运行环境与普通用户应用程序一样，它们仍然要通过操作系统才能使用和控制系统资源。

4．应用软件

计算机层次结构的最外层是应用程序。这些程序是计算机用户为了使用计算机完成某一特定工作，或者解决某一具体问题而编制的程序。这些软件主要是使用其下层的系统应用程序提供的服务来实现自己的特定功能。

作用

主要体现在两方面：

1．屏蔽硬件物理特性和操作细节，为用户使用计算机提供了便利

指令系统（成千上万条机器指令，它们的执行由微程序的指令解释系统实现的）。计算机问世初期，计算机工作者就是在裸机上通过手工操作方式进行工作。计算机硬件体系结构越来越复杂。

2．有效管理系统资源，提高系统资源使用效率

如何有效地管理、合理地分配系统资源，提高系统资源的使用效率是操作系统必须发挥的主要作用。资源利用率、系统吞吐量是两个重要的指标。

计算机系统要同时供多个程序共同使用。操作解决资源共享问题！！如何分配、管理有限的资源是非常关键的问题！

操作系统定义：操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，它用于有效地管理系统资源，并为用户使用计算机提供了便利的环境。

组成部分

操作系统理论研究者有时把操作系统分成四大部分：

驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分，它们的职责是隐藏硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口。

内核：操作系统内核部分，通常运行在最高特权级，负责提供基础性、结构性的功能。

接口库：是一系列特殊的程序库，它们职责在于把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口（API），是最靠近应用程序的部分。例如，GNUC运行期库就属于此类，它把各种操作系统的内部编程接口包装成ANSIC和POSIX编程接口的形式。

外围：是指操作系统中除以上三类以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高级服务的部件。例如，在微内核结构中，大部分系统服务，以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。

并不是所有的操作系统都严格包括这四大部分。例如，在早期的微软视窗操作系统中，各部分耦合程度很深，难以区分彼此。而在使用外核结构的操作系统中，则根本没有驱动程序的概念。

操作系统中四大部分的不同布局，也就形成了几种整体结构的分野。常见的结构包括：简单结构、层结构、微内核结构、垂直结构、和虚拟机结构。

内核结构

内核是操作系统最内核最基础的构件，因而，内核结构往往对操作系统的外部特性以及应用领域有着一定程度的影响。尽管随着理论和实践的不断演进，操作系统高层特性与内核结构之间的耦合有日趋缩小之势，但习惯上，内核结构仍然是操作系统分类之常用标准。

内核的结构可以分为单内核、微内核、混合内核、外内核等。

单内核（Monolithic kernel），又称为宏内核。单内核结构是操作系统中各内核部件杂然混居的形态，该结构于1960年代（亦有1950年代初之说，尚存争议），历史最长，是操作系统内核与外围分离时的最初形态。

微内核（Microkernel），又称为微核心。微内核结构是1980年代产生出来的较新的内核结构，强调结构性部件与功能性部件的分离。20世纪末，基于微内核结构，理论界中又发展出了超微内核与外内核等多种结构。尽管自1980年代起，大部分理论研究都集中在以微内核为首的“新兴”结构之上，然而，在应用领域之中，以单内核结构为基础的操作系统却一直占据着主导地位。

混合内核（Hybrid kernel）像微内核结构，只不过它的组件更多的在核心态中运行，以获得更快的执行速度。

外内核（Exokernel）的设计理念是尽可能的减少软件的抽象化，这使得开发者可以专注于硬件的抽象化。外核心的设计极为简化，它的目标是在于同时简化传统微内核的讯息传递机制，以及整块性核心的软件抽象层。

在众多常用操作系统之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等个别系统外，几乎全部采用单内核结构，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows（微软声称Windows NT是基于改良的微内核架构的，尽管理论界对此存有异议）。微内核和超微内核结构主要用于研究性操作系统，还有一些嵌入式系统使用外核。

基于单内核的操作系统通常有着较长的历史渊源。例如，绝大部分UNIX的家族史都可上溯至1960年代。该类操作系统多数有着相对古老的设计和实现（例如某些UNIX中存在着大量1970年代、1980年代的代码）。另外，往往在性能方面略优于同一应用领域中采用其他内核结构的操作系统（但通常认为此种性能优势不能完全归功于单内核结构）。

主要功能

操作系统的主要功能是资源管理，程序控制和人机交互等。计算机系统的资源可分为设备资源和信息资源两大类。设备资源指的是组成计算机的硬件设备，如中央处理器，主存储器，磁盘存储器，打印机，磁带存储器，显示器，键盘输入设备和鼠标等。信息资源指的是存放于计算机内的各种数据，如文件，程序库，知识库，系统软件和应用软件等。

操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面，输入命令。操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。以现代观点而言，一个标准个人电脑的OS应该提供以下的功能：

进程管理（Processing management）

内存管理（Memory management）

文件系统（File system）

网络通讯（Networking）

安全机制（Security）

用户界面（User interface）

驱动程序（Device drivers）

资源管理

系统的设备资源和信息资源都是操作系统根据用户需求按一定的策略来进行分配和调度的。操作系统的存储管理就负责把内存单元分配给需要内存的程序以便让它执行，在程序执行结束后将它占用的内存单元收回以便再使用。对于提供虚拟存储的计算机系统，操作系统还要与硬件配合做好页面调度工作，根据执行程序的要求分配页面，在执行中将页面调入和调出内存以及回收页面等。

处理器管理或称处理器调度，是操作系统资源管理功能的另一个重要内容。在一个允许多道程序同时执行的系统里，操作系统会根据一定的策略将处理器交替地分配给系统内等待运行的程序。一道等待运行的程序只有在获得了处理器后才能运行。一道程序在运行中若遇到某个事件，例如启动外部设备而暂时不能继续运行下去，或一个外部事件的发生等等，操作系统就要来处理相应的事件，然后将处理器重新分配。

操作系统的设备管理功能主要是分配和回收外部设备以及控制外部设备按用户程序的要求进行操作等。对于非存储型外部设备，如打印机、显示器等，它们可以直接作为一个设备分配给一个用户程序，在使用完毕后回收以便给另一个需求的用户使用。对于存储型的外部设备，如磁盘、磁带等，则是提供存储空间给用户，用来存放文件和数据。存储性外部设备的管理与信息管理是密切结合的。

信息管理是操作系统的一个重要的功能，主要是向用户提供一个文件系统。一般说，一个文件系统向用户提供创建文件，撤销文件，读写文件，打开和关闭文件等功能。有了文件系统后，用户可按文件名存取数据而无需知道这些数据存放在哪里。这种做法不仅便于用户使用而且还有利于用户共享公共数据。此外，由于文件建立时允许创建者规定使用权限，这就可以保证数据的安全性。

程序控制

一个用户程序的执行自始至终是在操作系统控制下进行的。一个用户将他要解决的问题用某一种程序设计语言编写了一个程序后就将该程序连同对它执行的要求输入到计算机内，操作系统就根据要求控制这个用户程序的执行直到结束。操作系统控制用户的执行主要有以下一些内容：调入相应的编译程序，将用某种程序设计语言编写的源程序编译成计算机可执行的目标程序，分配内存储等资源将程序调入内存并启动，按用户指定的要求处理执行中出现的各种事件以及与操作员联系请示有关意外事件的处理等。

人机交互

操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘显示、鼠标、各种模式识别设备等。与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的部分。人机交互部分的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。

进程管理

不管是常驻程序或者应用程序，他们都以进程为标准执行单位。当年运用冯纽曼架构建造电脑时，每个中央处理器最多只能同时执行一个进程。早期的OS（例如DOS）也不允许任何程序打破这个限制，且DOS同时只有执行一个进程（虽然DOS自己宣称他们拥有终止并等待驻留（TSR）能力，可以部分且艰难地解决这问题）。现代的操作系统，即使只拥有一个CPU，也可以利用多进程（multitask）功能同时执行复数进程。进程管理指的是操作系统调整复数进程的功能。

由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在单内核（Core）的情况下多进程只是简单迅速地切换各进程，让每个进程都能够执行，在多内核或多处理器的情况下，所有进程通过许多协同技术在各处理器或内核上转换。越多进程同时执行，每个进程能分配到的时间比率就越小。

很多OS在遇到此问题时会出现诸如音效断续或鼠标跳格的情况（称做崩溃（Thrashing），一种OS只能不停执行自己的管理程序并耗尽系统资源的状态，其他使用者或硬件的程序皆无法执行）。进程管理通常实现了分时的概念，大部分的OS可以利用指定不同的特权等级（priority），为每个进程改变所占的分时比例。特权越高的进程，执行优先级越高，单位时间内占的比例也越高。交互式OS也提供某种程度的回馈机制，让直接与使用者交互的进程拥有较高的特权值。

内存管理

根据帕金森定律：“你给程序再多内存，程序也会想尽办法耗光”，因此程序员通常希望系统给他无限量且无限快的存储器。大部分的现代计算机存储器架构都是层次结构式的，最快且数量最少的暂存器为首，然后是高速缓存、存储器以及最慢的磁盘存储设备。而操作系统的存储器管理提供查找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换存储器和低速存储设备的内含物……等功能。此类又被称做虚拟内存管理的功能大幅增加每个进程可获得的记忆空间（通常是4GB，即使实际上RAM的数量远少于这数目）。然而这也带来了微幅降低运行效率的缺点，严重时甚至也会导致进程崩溃。

存储器管理的另一个重点活动就是借由CPU的帮助来管理虚拟位置。如果同时有许多进程存储于记忆设备上，操作系统必须防止它们互相干扰对方的存储器内容（除非通过某些协定在可控制的范围下操作，并限制可访问的存储器范围）。分区存储器空间可以达成目标。每个进程只会看到整个存储器空间（从0到存储器空间的最大上限）被配置给它自己（当然，有些位置被操作系统保留而禁止访问）。CPU事先存了几个表以比对虚拟位置与实际存储器位置，这种方法称为标签页（paging）配置。

借由对每个进程产生分开独立的位置空间，操作系统也可以轻易地一次释放某进程所占据的所有存储器。如果这个进程不释放存储器，操作系统可以退出进程并将存储器自动释放。

虚拟内存

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

用户接口

用户接口包括作业一级接口和程序一级接口。作业一级接口为了便于用户直接或间接地控制自己的作业而设置。它通常包括联机用户接口与脱机用户接口。程序一级接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，通常由一组系统调用组成。

在早期的单用户单任务操作系统（如DOS）中，每台计算机只有一个用户，每次运行一个程序，且次序不是很大，单个程序完全可以存放在实际内存中。这时虚拟内存并没有太大的用处。但随着程序占用存储器容量的增长和多用户多任务操作系统的出现，在程序设计时，在程序所需要的存储量与计算机系统实际配备的主存储器的容量之间往往存在着矛盾。

例如，在某些低档的计算机中，物理内存的容量较小，而某些程序却需要很大的内存才能运行；而在多用户多任务系统中，多个用户或多个任务更新全部主存，要求同时执行独断程序。这些同时运行的程序到底占用实际内存中的哪一部分，在编写程序时是无法确定的，必须等到程序运行时才动态分配。

用户界面

用户界面（User Interface，简称UI，亦称使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

用户界面是介于用户与硬件而设计彼此之间交互沟通相关软件，目的在使得用户能够方便有效率地去操作硬件以达成双向之交互，完成所希望借助硬件完成之工作，用户界面定义广泛，包含了人机交互与图形用户接口，凡参与人类与机械的信息交流的领域都存在着用户界面。用户和系统之间一般用面向问题的受限自然语言进行交互。目前有系统开始利用多媒体技术开发新一代的用户界面。

Android

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使用Android系统的Google手机:HTCG1

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HTCG1操作界面Android是Google开发的基于Linux平台的开源手机操作系统。它包括操作系统、用户界面和应用程序——移动电话工作所需的全部软件，而且不存在任何以往阻碍移动产业创新的专有权障碍。

谷歌与开放手机联盟合作开发了Android，这个联盟由包括中国移动、摩托罗拉、高通、宏达和T-Mobile在内的30多家技术和无线应用的领军企业组成。通过与运营商、设备制造商、开发商和其他有关各方结成深层次的合作伙伴关系，我们希望借助建立标准化、开放式的移动电话软件平台，在移动产业内形成一个开放式的生态系统。我们认为此举必将推进更好、更快的创新，为移动用户提供不可预知的应用和服务。

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