目錄
1.1 計算機系統組成
計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩部分，操作系統是配置在計算機硬件上的第一層軟件，可以擴充硬件功能，提供軟件運行環境，實現了應用軟件和硬件設備的連接。
硬件系統是指計算機的物理設備本身，如處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出設備等。
- CPU由控制器和運算器兩部分組成：控制器是計算機的控制中心，負責指令的執行；而運算器是計算機的數據加工和處理場所，用來完成算術和邏輯運算。
- 存儲器分爲內部存儲器和外部存儲器兩種，內部存儲器也稱內存或主存；外部存儲器包括磁盤，光盤和U盤等，需要經過l/O設備控制器纔可被CPU訪問。
- 輸入輸出設備也叫外圍設備或IO設備，一般由機械部分和控制電路部分組成。
軟件通常分爲兩大類，系統軟件和應用軟件。
1.2 操作系統的作用和定義
從不同的角度觀察操作系統，其作用是不同的。從系統的角度觀察，操作系統是資源管理者；而從用戶的角度觀察，操作系統則是用戶與計算機硬件系統之間的接口。
作爲資源管理者，操作系統在資源管理過程中要完成如下工作：①監控資源狀態②分配資源③回收資源④保護資源。
操作系統提供的用戶接口有兩類，作業級接口和程序級接口。
操作系統是直接控制和管理計算機系統中的硬件和軟件資源，合理的組織計算機工作流程，便於用戶使用的程序的集合。可以看出，操作系統的主要目標有兩點：①方便用戶使用②儘可能使系統中的各種資源得到充分的利用。
1.3 操作系統的發展過程
一、人工操作方式
二、單道批處理系統
三、多道程序系統
多道程序設計的主要思想：在內存中同時存放若干道用戶作業，這些作業交替的運行，當一個作業由於I/O操作未完成而暫時無法繼續運行時，系統就把CPU切換到另一個作業，從而使另一個作業在系統中運行。
四、現代操作系統
1.4 操作系統的分類
按同時使用操作系統的用戶數目，可把操作系統分爲單用戶操作系統和多用戶操作系統。根據操作系統所依賴硬件的規模，可分爲大型機、中型機、小型機和微型機操作系統。還有適應於不同的環境的批處理系統、分時系統和實時系統。隨着技術的發展，又出現了網絡操作系統、分佈式操作系統、嵌入式操作系統和智能卡操作系統等。
批處理系統的基本特徵是具有成批處理作業的能力，批處理系統的主要目標是提高系統的處理能力即作業的吞吐量，同時也兼顧作業的週轉時間，根據處理方式不同，可分爲單道批處理系統和多道批處理系統。
在批處理系統中採用多道程序設計技術，大大提高了CPU和I/O設備的利用率。特徵：多個程序交替佔用CPU；執行完成的先後順序與調入的先後順序沒有對應關係；要經過作業調度和進程調度。
批處理系統的出現，雖然大大提高了計算機系統的資源利用率和吞吐量，但卻是以脫機方式運行的，用戶與程序之間不能交互運行，因此分時系統應運而生。
分時系統允許多個用戶通過終端以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。在分時系統中實現分時的基本方法是設立一個時間分享單位 —— 時間片，CPU每運行一個時間片就產生一個時鐘中斷，中斷後控制轉向操作系統，由系統把被中斷的用戶程序的現場保護後，轉向另一個用戶程序執行。根據實現方法的不同，分時系統分爲單道分時系統和多道分時系統。
分時系統的特點：
- 交互性：用戶通過終端與系統進行人機對話，這是分時系統的主要屬性。
- 同時性：多個用戶同時在各自的終端上上機，共享CPU和其他資源，充分發揮系統的效率。
- 獨立性：由於採用時間片輪轉方式使一臺計算機同時爲多個終端服務，使用戶感覺是在獨自使用一臺計算機。
- 及時性：用戶請求能夠在要求時間內得到響應。
響應時間是分時系統的重要指標，是從用戶發出終端命令到系統做出響應之間的時間間隔。分時系統中時間片的選擇是一個複雜而關鍵的任務，時間片不宜選的過大，否則會造成響應時間過長；時間片也不宜選的過小，否則會造成頻繁的調入調出，從而影響系統的效率。
根據實時系統使用任務的不同，分爲實時控制系統和實時信息處理系統。設計時首先考慮實時性和可靠性。
同時具有批處理、分時和實時處理能力的操作系統，稱爲多模式操作系統。在多模式操作系統中，不同任務之間採用優先級調度算法，實時任務具有最高優先級，分時任務次之，批處理任務的優先級最低。在這種系統中，作業分爲前臺作業與後臺作業，實時作業、分時作業爲前臺作業，批處理作業爲後臺作業，前臺作業優先於後臺作業執行。
微機操作系統是配置在微機上的操作系統。按照微機的字長來劃分，可將其分爲8位，16位，32位和64位微機操作系統，但更常見的是按用戶數和任務數進行劃分，可分爲單用戶單任務操作系統和單用戶多任務操作系統（典型代表Windows）。
網絡操作系統除具有通常操作系統所具備的處理器管理、存儲管理、設備管理和信息管理的功能外，還應提供以下功能：①網絡通信②資源共享③網絡服務。
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1.5 操作系統的功能和特性
功能：
- 處理器管理。主要功能：進程控制、進程同步、進程通信、調度；
- 存儲器管理。主要功能：內存分配、內存保護、地址映射、內存擴充；
- I/O設備管理。主要功能：緩衝管理、設備分配、設備處理、虛擬設備；
- 信息管理（文件管理）。主要功能：文件存儲空間的管理、目錄管理、文件共享、文件保護；
- 用戶接口。操作系統的用戶接口分作業控制級接口和程序級接口兩類。
特性：
1.併發性 2.共享性 3.虛擬性 4.異步性。
1.6 操作系統的結構模型
操作系統是一個複雜的系統軟件，在開發操作系統過程中，必須採用正確的結構模型和設計方法，才能減少錯誤的發生，方便調試，縮短研製週期，而且便於維護。
一、整體式模型
整體式模型是操作系統最早採用的一種結構設計方法，它採用模塊化程序設計技術，每個模塊間可以互相調用。
缺點：擴充困難，系統的可靠性降低。
二、層次式模型
這一模型首先把一個要實現的大型軟件劃分爲從低到高的若干個層次，並且規定高一層的軟件只能調用低層軟件。
主要優點：保證系統的正確性，易擴充和易維護性；主要缺點：由於分層是單向依賴的，這就必須在相鄰層之間建立層次間的通信機制，操作系統每執行一個功能，通常要穿越多個層次，這無疑會增加系統的通信開銷，從而造成系統效率的下降。
三、客戶/服務器系統模型
客戶服務器（C/S）模式在20世紀90年代已風靡全球，不論是局域網、企業網還是因特網都廣泛採用了客戶/服務器模式。其基本思想是把操作系統劃分爲若干進程，每個進程實現單獨的一種服務。它實際上是一種網絡工作模式，網絡中的各個站點可分爲以下兩大類，服務器和客戶。主要優點：簡化了基本操作系統，提高了可靠性，適合分佈式系統環境。