计算机操作系统基础

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什么是计算机操作系统？

操作系统是系统软件程序，它使计算机系统硬件和应用程序能够相互交互。操作系统允许用户与计算机硬件和软件交互。该程序执行计算机的所有基本操作，例如文件管理、内存管理、进程管理、中断处理、输入和输出处理，并控制连接到系统的所有外围设备。

操作系统的主要目标是启用连接到计算机系统的所有应用程序和硬件，并使它们可供所有想要执行硬件相关或软件应用程序所需操作的用户访问。“内核”是操作系统的核心组件，它控制和管理操作系统处理的所有操作。一些流行的操作系统包括Linux、Windows、VMS、OS/400、AIX、z/OS、Mac等。如今，几乎所有设备中都安装了操作系统，例如移动电话、个人电脑、大型计算机、汽车、电视、玩具等。

操作系统的特性

• 充当软件和硬件之间的接口。
• 它是一套集成的专用程序，用于管理计算机的整体资源和操作。
• 专用的系统软件，用于控制和监视系统中运行的所有其他程序的执行。

操作系统的目标

操作系统的目标是：

• 使计算机系统易于使用。
• 向用户隐藏技术规格。
• 为用户提供一个易于与系统交互的界面。
• 充当硬件及其用户之间的中介。
• 管理计算机系统的资源。
• 在用户和程序之间提供高效且公平的资源共享。

操作系统的功能

下图描述了操作系统的部分最常见功能：

内存管理

操作系统使用不同的技术来管理内存，以确保高效且安全地分配和释放内存资源，以便可以正确地利用它。一些主要的内存管理方法包括内存分配、内存映射、内存保护、虚拟内存、内存分页和交换、内存管理单元 (MMU) 和内存清理。

处理器管理

将处理器 (CPU) 分配给进程，并在不再需要时取消分配处理器。它涉及将 CPU 资源高效地分配给进程，以及并发管理多个进程的操作。操作系统处理器管理包括进程管理方法，例如进程调度、调度程序、进程状态、上下文切换、优先级、CPU亲和性和抢占。

总的来说，管理处理器对于优化 CPU 使用率、最大限度地提高系统性能、最小化响应时间以及在多任务处理时确保公平性和响应速度至关重要。

设备管理

跟踪所有设备。这也被称为 I/O 控制器，它决定哪个进程获得设备、何时以及使用多长时间。它通常涉及控制和协调连接到计算机的硬件设备的使用。操作系统使用设备检测和配置、设备驱动程序、设备分配、设备 I/O 操作、中断处理、设备队列和缓冲区、设备同步和错误处理来进行设备管理。

文件管理

操作系统在硬盘、固态硬盘和网络存储上组织、存储、检索和操作文件。操作系统通常使用文件系统创建和格式化、文件命名和目录结构、文件元数据、文件操作、文件访问控制、文件 I/O 缓冲区和缓存、文件系统维护以及文件备份和恢复来处理文件管理。总的来说，有效的文件管理对于组织和保留存储设备上的数据至关重要，它确保信息的完整性和安全性，并为用户和应用程序提供高效的访问。

安全

为了保护计算机系统、数据和用户免受未经授权的访问、非法活动或任何类型的安全威胁，操作系统使用各种安全措施，并使用密码和其他类似技术来防止未经授权访问程序和数据。操作系统使用用户身份验证、访问控制、加密、防火墙、防病毒和反恶意软件软件、安全更新和补丁管理、安全启动、审计跟踪和日志记录、沙盒和容器化以及安全网络协议等安全方法来保护系统。

任务记账

作业记账跟踪和记录进程或作业对计算机系统资源的使用情况。操作系统中的作业记账技术跟踪任务执行期间的 CPU、内存、磁盘 I/O 和网络活动。因此，它跟踪各种作业和/或用户使用的时间和资源。作业记账通常通过资源监控、进程标识、记账记录、定期采样、事件日志记录、用户和组记账、配额和限制、报告和分析以及与记账系统的集成来完成。

总的来说，作业记账使管理员能够获得有关进程如何使用系统资源的宝贵信息，并帮助他们管理系统性能、优化资源分配以及在异构环境中执行用户使用策略。

控制系统性能

操作系统优化资源利用率，有效管理系统资源，并确保快速可靠的操作。操作系统通过进程调度、内存管理、I/O 管理、设备管理、电源管理、性能监控和调整、资源分配和调度策略以及负载平衡机制来实现对系统的控制。总的来说，操作系统管理硬件资源，调度进程并实施各种技术来优化其性能以控制和优化系统性能。通过有效协调资源使用和工作负载规划，操作系统可以提供高效运行并符合用户和应用程序性能要求的系统。

与操作员交互

操作系统使用旨在促进系统管理、配置、监控和故障排除的不同接口和机制；操作系统通过 IT 管理员或用户与操作员交互。交互可能以指令的形式通过计算机控制台进行。操作系统确认相同，执行相应的操作，并通过显示屏告知操作。操作系统使用命令行界面 (CLI)、图形用户界面 (GUI)、系统配置工具、系统日志和消息、远程管理和系统通知来实现与操作员的交互。

错误检测辅助工具

操作系统应包括一个错误检测工具，用于检测、报告并偶尔纠正系统运行期间发生的错误。操作系统使用错误消息、诊断工具、系统日志、内置自检 (BIST)、纠错码 (ECC)、看门狗定时器、运行状况监控、安全模式和自动错误报告来实现错误检测辅助工具。总的来说，操作系统中的错误检测设备在识别、诊断和纠正系统错误和故障方面发挥着关键作用，提高了系统的可靠性并确保机器的平稳运行。

其他软件和用户之间的协调

操作系统提供一个平台和一组服务，允许其他软件和用户之间的通信、资源共享和交互，从而促进协调。操作系统通过系统调用和 API、进程间通信 (IPC)、并发和多任务处理、用户界面、资源管理、安全和访问控制、事件处理和通知以及与中间件和服务的集成来实现其他软件和用户之间的协调。

总的来说，操作系统提供了一个用于通信、资源管理、安全和事件处理的平台，这在协调软件应用程序与用户的交互方面发挥着至关重要的作用。操作系统通过有效协调软件组件与用户，提高了系统的可用性、效率和可靠性。