曼彻斯特大学COMP15212(操作系统)考前辅导

COMP15212(操作系统)考试可能需要同学们介绍操作系统的概念，即在计算机底层硬件与该硬件的进程和用户之间进行中介的软件层。学生学习完这门课程，需要描述现代操作系统的组件，包括调度和其他资源分配、安全性、内存管理和分页以及文件存储管理;解释现代操作系统的组件如何协同工作以在用户/应用程序与底层硬件之间进行协调;描述不同类型操作系统(例如桌面、嵌入式、移动和高性能计算)的要求和限制。

一、什么是操作系统?

操作系统(OS)是一个程序，在使用 "开始 "程序将其加载到计算机后，它负责管理计算机上的所有其他应用程序。应用程序通过定义的应用程序接口(API)请求服务，从而使用操作系统。此外，用户还可以通过命令行界面(CLI)或图形用户界面(GUI)等用户界面与操作系统直接交互。

二、为什么要使用操作系统?

操作系统为计算机软件和软件开发提供了巨大优势。如果没有操作系统，每个应用程序都必须包含自己的用户界面，以及基本计算机所有底层功能(如硬盘空间、网络接口等)所需的嵌入式代码。鉴于底层硬件的巨大规模，这将大大增加每个应用程序的范围，使软件开发变得不可能。

相反，许多常见任务，如发送网络数据包或在显示器等标准输出设备上显示文本，都可以委托给系统软件来完成，系统软件是应用程序和硬件之间的中介。系统软件为应用程序与硬件交互提供了一种一致且可重复的方式，应用程序无需了解硬件的详细信息。

由于每个应用程序都以相同的方式访问相同的资源和服务，因此这种系统软件(操作系统)几乎可以为任意数量的应用程序提供服务。这大大减少了开发和调试应用程序所需的时间和编程量，同时确保用户可以通过一个易于理解的通用界面来控制、配置和管理系统硬件。

一旦安装完毕，操作系统就会依靠一个庞大的设备驱动程序库来使操作系统服务适应特定的硬件环境。因此，每个应用程序都可以对存储设备进行通用调用，但操作系统会接收该调用，并使用适当的驱动程序将该调用转换为特定计算机底层硬件所需的操作(命令)。如今，操作系统提供了一个全面的平台，可识别、配置和管理一系列硬件，包括处理器、内存和内存管理设备、芯片组、存储设备、网络、通信端口(如 VGA(视频图形阵列)、HDMI(高清多媒体接口)和 USB(通用串行总线))以及子系统接口(如 PCIe(外围组件互连 Express))。

三、操作系统有哪些功能?

操作系统提供三大功能： 它通过 CLI 或图形用户界面提供用户界面;执行并管理应用程序的执行;定义并向这些应用程序提供系统硬件资源(通常通过标准化的 API)。

用户界面。所有操作系统都需要一个用户界面，允许用户和管理员与操作系统交互，以安装、配置甚至解决操作系统及其硬件的问题。用户界面主要有两种：CLI 和 GUI。

四、操作系统的类型和示例

虽然操作系统的基本功能无处不在，但为了满足不同硬件和用户的需求，操作系统的种类也数不胜数。

1.通用操作系统

通用操作系统是一套在不同硬件上运行不同应用程序的操作系统，允许用户同时运行多个应用程序或任务。通用操作系统可安装在各种型号的台式机和笔记本电脑上，可运行从会计系统和数据库到网络浏览器和游戏等各种应用程序。通用操作系统通常侧重于进程(线程)和硬件管理，以便应用程序能可靠地共享各种可用的计算机硬件。

2.桌面操作系统

Windows 是微软的旗舰操作系统，是家用和商用电脑的事实标准。这款基于图形用户界面的操作系统于 1985 年发布，此后经历了多个版本。Windows 95 的易用性极大地推动了个人电脑的快速发展。

Mac OS 是苹果公司 Macintosh 系列个人电脑和工作站使用的操作系统。

Unix 是一种多功能操作系统，设计灵活，适应性强。Unix 最早开发于 20 世纪 70 年代，是最早使用 C 语言编写的操作系统之一。

Linux 是一种类似 Unix 的操作系统，旨在为个人电脑用户提供一种免费或低成本的选择。Linux 以高效、快速而著称。

3.手机操作系统

移动操作系统旨在满足智能手机和平板电脑等专注于移动计算和通信的设备的特定需求。与传统电脑相比，移动设备的计算资源往往有限，因此必须缩小操作系统的规模并降低其复杂性，以尽量减少自身的资源使用量，同时确保设备上运行的一个或多个应用程序有足够的资源可用。移动操作系统往往注重高效性能、用户响应速度和数据处理任务，如支持多媒体流。移动操作系统的例子包括苹果 iOS 和谷歌 Android。

4.嵌入式操作系统

并非所有计算设备都是通用设备;包括家庭数字助理、自动取款机 (ATM)、飞机系统、零售点 (POS) 终端和物联网 (IoT) 设备在内的各种专用设备都包含需要操作系统的计算设备。主要区别在于所涉及的计算设备只执行一项重要任务，因此操作系统非常精简，并致力于提高性能和弹性：它必须运行快速、不会崩溃，并能顺利处理任何错误，以便在任何情况下都能保持运行。在大多数情况下，操作系统由嵌入设备本身的芯片提供。例如，用于维持病人生命的医疗设备就使用了嵌入式操作系统，该系统必须可靠运行才能维持病人的生命。嵌入式 Linux 就是嵌入式操作系统的一个例子。

5.网络操作系统

网络操作系统(NOS)是另一种专门的操作系统，旨在促进局域网(LAN)上设备之间的通信。网络操作系统提供理解网络协议以及创建、交换和分析网络数据包所需的通信栈。如今，特定操作系统的概念已基本过时，因为网络通信主要由其他类型的操作系统处理。例如，Windows 10 和 Windows Server 2019 就具有广泛的网络功能。NOS一词仍用于路由器、交换机和防火墙等一些网络设备，供应商可能会使用自己的NOS，包括思科网络操作系统(IOS)、RouterOS和ZyNOS。

6.实时操作系统

当计算机需要在固定和可重复的时间限制下与现实世界通信时，设备制造商可以使用实时操作系统(RTOS)。例如，工业控制系统可以管理大型工厂或发电厂的运行。这样的系统会接收来自大量传感器的信号，并向控制阀、执行器、电机和许多其他设备发送信号。在这种情况下，工业控制系统必须对不断变化的实际情况做出快速、可预测的反应，否则就可能发生灾难。实时操作系统必须在没有缓冲、处理延迟和其他延迟的情况下运行，而这些延迟在其他类型的控制系统中是完全可以接受的。FreeRTOS 和 VxWorks 就是 RTOS 的两个例子。

不同类型操作系统之间的区别并不是绝对的，有些操作系统可能与其他操作系统具有共同的功能。例如，通用操作系统具有传统操作系统的典型网络功能。同样，嵌入式操作系统通常具有实时操作系统的功能，而移动操作系统通常可以像其他通用操作系统一样同时运行大量应用程序。

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