COMP15212(操作系統(tǒng))考試可能需要同學(xué)們介紹操作系統(tǒng)的概念，即在計(jì)算機(jī)底層硬件與該硬件的進(jìn)程和用戶之間進(jìn)行中介的軟件層。學(xué)生學(xué)習(xí)完這門課程，需要描述現(xiàn)代操作系統(tǒng)的組件，包括調(diào)度和其他資源分配、安全性、內(nèi)存管理和分頁(yè)以及文件存儲(chǔ)管理;解釋現(xiàn)代操作系統(tǒng)的組件如何協(xié)同工作以在用戶/應(yīng)用程序與底層硬件之間進(jìn)行協(xié)調(diào);描述不同類型操作系統(tǒng)(例如桌面、嵌入式、移動(dòng)和高性能計(jì)算)的要求和限制。

一、什么是操作系統(tǒng)?

操作系統(tǒng)(OS)是一個(gè)程序，在使用 "開(kāi)始 "程序?qū)⑵浼虞d到計(jì)算機(jī)后，它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)上的所有其他應(yīng)用程序。應(yīng)用程序通過(guò)定義的應(yīng)用程序接口(API)請(qǐng)求服務(wù)，從而使用操作系統(tǒng)。此外，用戶還可以通過(guò)命令行界面(CLI)或圖形用戶界面(GUI)等用戶界面與操作系統(tǒng)直接交互。

二、為什么要使用操作系統(tǒng)?

操作系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)軟件和軟件開(kāi)發(fā)提供了巨大優(yōu)勢(shì)。如果沒(méi)有操作系統(tǒng)，每個(gè)應(yīng)用程序都必須包含自己的用戶界面，以及基本計(jì)算機(jī)所有底層功能(如硬盤空間、網(wǎng)絡(luò)接口等)所需的嵌入式代碼。鑒于底層硬件的巨大規(guī)模，這將大大增加每個(gè)應(yīng)用程序的范圍，使軟件開(kāi)發(fā)變得不可能。

相反，許多常見(jiàn)任務(wù)，如發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或在顯示器等標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備上顯示文本，都可以委托給系統(tǒng)軟件來(lái)完成，系統(tǒng)軟件是應(yīng)用程序和硬件之間的中介。系統(tǒng)軟件為應(yīng)用程序與硬件交互提供了一種一致且可重復(fù)的方式，應(yīng)用程序無(wú)需了解硬件的詳細(xì)信息。

由于每個(gè)應(yīng)用程序都以相同的方式訪問(wèn)相同的資源和服務(wù)，因此這種系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng))幾乎可以為任意數(shù)量的應(yīng)用程序提供服務(wù)。這大大減少了開(kāi)發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程序所需的時(shí)間和編程量，同時(shí)確保用戶可以通過(guò)一個(gè)易于理解的通用界面來(lái)控制、配置和管理系統(tǒng)硬件。

一旦安裝完畢，操作系統(tǒng)就會(huì)依靠一個(gè)龐大的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)來(lái)使操作系統(tǒng)服務(wù)適應(yīng)特定的硬件環(huán)境。因此，每個(gè)應(yīng)用程序都可以對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行通用調(diào)用，但操作系統(tǒng)會(huì)接收該調(diào)用，并使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序?qū)⒃撜{(diào)用轉(zhuǎn)換為特定計(jì)算機(jī)底層硬件所需的操作(命令)。如今，操作系統(tǒng)提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，可識(shí)別、配置和管理一系列硬件，包括處理器、內(nèi)存和內(nèi)存管理設(shè)備、芯片組、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、通信端口(如 VGA(視頻圖形陣列)、HDMI(高清多媒體接口)和 USB(通用串行總線))以及子系統(tǒng)接口(如 PCIe(外圍組件互連 Express))。

三、操作系統(tǒng)有哪些功能?

操作系統(tǒng)提供三大功能： 它通過(guò) CLI 或圖形用戶界面提供用戶界面;執(zhí)行并管理應(yīng)用程序的執(zhí)行;定義并向這些應(yīng)用程序提供系統(tǒng)硬件資源(通常通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的 API)。

用戶界面。所有操作系統(tǒng)都需要一個(gè)用戶界面，允許用戶和管理員與操作系統(tǒng)交互，以安裝、配置甚至解決操作系統(tǒng)及其硬件的問(wèn)題。用戶界面主要有兩種：CLI 和 GUI。

四、操作系統(tǒng)的類型和示例

雖然操作系統(tǒng)的基本功能無(wú)處不在，但為了滿足不同硬件和用戶的需求，操作系統(tǒng)的種類也數(shù)不勝數(shù)。

1.通用操作系統(tǒng)

通用操作系統(tǒng)是一套在不同硬件上運(yùn)行不同應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)，允許用戶同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序或任務(wù)。通用操作系統(tǒng)可安裝在各種型號(hào)的臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦上，可運(yùn)行從會(huì)計(jì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)到網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和游戲等各種應(yīng)用程序。通用操作系統(tǒng)通常側(cè)重于進(jìn)程(線程)和硬件管理，以便應(yīng)用程序能可靠地共享各種可用的計(jì)算機(jī)硬件。

2.桌面操作系統(tǒng)

Windows 是微軟的旗艦操作系統(tǒng)，是家用和商用電腦的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。這款基于圖形用戶界面的操作系統(tǒng)于 1985 年發(fā)布，此后經(jīng)歷了多個(gè)版本。Windows 95 的易用性極大地推動(dòng)了個(gè)人電腦的快速發(fā)展。

Mac OS 是蘋果公司 Macintosh 系列個(gè)人電腦和工作站使用的操作系統(tǒng)。

Unix 是一種多功能操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。Unix 最早開(kāi)發(fā)于 20 世紀(jì) 70 年代，是最早使用 C 語(yǔ)言編寫的操作系統(tǒng)之一。

Linux 是一種類似 Unix 的操作系統(tǒng)，旨在為個(gè)人電腦用戶提供一種免費(fèi)或低成本的選擇。Linux 以高效、快速而著稱。

3.手機(jī)操作系統(tǒng)

移動(dòng)操作系統(tǒng)旨在滿足智能手機(jī)和平板電腦等專注于移動(dòng)計(jì)算和通信的設(shè)備的特定需求。與傳統(tǒng)電腦相比，移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算資源往往有限，因此必須縮小操作系統(tǒng)的規(guī)模并降低其復(fù)雜性，以盡量減少自身的資源使用量，同時(shí)確保設(shè)備上運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序有足夠的資源可用。移動(dòng)操作系統(tǒng)往往注重高效性能、用戶響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，如支持多媒體流。移動(dòng)操作系統(tǒng)的例子包括蘋果 iOS 和谷歌 Android。

4.嵌入式操作系統(tǒng)

并非所有計(jì)算設(shè)備都是通用設(shè)備;包括家庭數(shù)字助理、自動(dòng)取款機(jī) (ATM)、飛機(jī)系統(tǒng)、零售點(diǎn) (POS) 終端和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備在內(nèi)的各種專用設(shè)備都包含需要操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。主要區(qū)別在于所涉及的計(jì)算設(shè)備只執(zhí)行一項(xiàng)重要任務(wù)，因此操作系統(tǒng)非常精簡(jiǎn)，并致力于提高性能和彈性：它必須運(yùn)行快速、不會(huì)崩潰，并能順利處理任何錯(cuò)誤，以便在任何情況下都能保持運(yùn)行。在大多數(shù)情況下，操作系統(tǒng)由嵌入設(shè)備本身的芯片提供。例如，用于維持病人生命的醫(yī)療設(shè)備就使用了嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須可靠運(yùn)行才能維持病人的生命。嵌入式 Linux 就是嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)例子。

5.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS)是另一種專門的操作系統(tǒng)，旨在促進(jìn)局域網(wǎng)(LAN)上設(shè)備之間的通信。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及創(chuàng)建、交換和分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包所需的通信棧。如今，特定操作系統(tǒng)的概念已基本過(guò)時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信主要由其他類型的操作系統(tǒng)處理。例如，Windows 10 和 Windows Server 2019 就具有廣泛的網(wǎng)絡(luò)功能。NOS一詞仍用于路由器、交換機(jī)和防火墻等一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，供應(yīng)商可能會(huì)使用自己的NOS，包括思科網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(IOS)、RouterOS和ZyNOS。

6.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

當(dāng)計(jì)算機(jī)需要在固定和可重復(fù)的時(shí)間限制下與現(xiàn)實(shí)世界通信時(shí)，設(shè)備制造商可以使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。例如，工業(yè)控制系統(tǒng)可以管理大型工廠或發(fā)電廠的運(yùn)行。這樣的系統(tǒng)會(huì)接收來(lái)自大量傳感器的信號(hào)，并向控制閥、執(zhí)行器、電機(jī)和許多其他設(shè)備發(fā)送信號(hào)。在這種情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)必須對(duì)不斷變化的實(shí)際情況做出快速、可預(yù)測(cè)的反應(yīng)，否則就可能發(fā)生災(zāi)難。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須在沒(méi)有緩沖、處理延遲和其他延遲的情況下運(yùn)行，而這些延遲在其他類型的控制系統(tǒng)中是完全可以接受的。FreeRTOS 和 VxWorks 就是 RTOS 的兩個(gè)例子。

不同類型操作系統(tǒng)之間的區(qū)別并不是絕對(duì)的，有些操作系統(tǒng)可能與其他操作系統(tǒng)具有共同的功能。例如，通用操作系統(tǒng)具有傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)功能。同樣，嵌入式操作系統(tǒng)通常具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的功能，而移動(dòng)操作系統(tǒng)通常可以像其他通用操作系統(tǒng)一樣同時(shí)運(yùn)行大量應(yīng)用程序。

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