什么是操作系统？

操作系统 (OS) 管理计算机中的所有其他应用程序和程序，并通过引导程序加载到计算机中。 它使应用程序能够与计算机的硬件进行交互。 应用程序通过指定的应用程序接口，向操作系统（API）请求服务。 内核是包含操作系统核心组件的软件。 要运行其他程序，每台计算机都必须至少安装一个操作系统。

Windows中， Linux和 Android 是使用户能够在计算机或手机上使用 MS Office、记事本和游戏等程序的操作系统示例。 计算机必须至少安装一个操作系统才能运行浏览器等基本程序。

操作系统的历史

• 第一台计算机 Z1 于 1936 年至 1938 年制造。不幸的是，这台计算机在没有操作系统的情况下运行。
• 1956 年后，第一个操作系统于 XNUMX 年问世。
• 1960 年代，贝尔实验室开始致力于构建 UNIX，这是第一个多任务操作系统。
• 1977年苹果系列问世。 Apple Dos 3.3 是第一个磁盘操作系统。
• 1981年，微软从西雅图一家公司购买86-DOS软件，构建了第一个操作系统DOS。
• 1985 年，当 MS-DOS 与图形环境 GUI 配对时，最著名的 Microsoft Windows 应运而生。 

操作系统功能

• 处理器管理： 操作系统通过向处理器分配各种作业并确保每个进程从处理器获得足够的时间以正常运行来管理处理器的工作。
• 内存管理： 操作系统管理分配给各种进程的内存和释放内存，并确保其他进程不会消耗分配给一个进程的内存。
• 设备管理： 有各种输入和输出设备。 操作系统控制这些输入输出设备的工作。 它接收来自这些设备的请求，执行特定任务，并返回请求进程。
• 文件管理： 操作系统以有组织的方式跟踪有关文件的创建、删除、传输、复制和存储的信息。 它还保持了完整性 data 存储在这些文件中，包括文件目录结构，通过防止未经授权的访问。
• 安全性： 操作系统提供了多种技术来确保用户数据的完整性和机密性。 以下安全措施用于保护用户数据：
  • 防止通过登录进行未经授权的访问。
  • 通过保持 Firefall 处于活动状态来防止入侵。
  • 保护系统内存免受恶意访问。
  • 显示与系统漏洞相关的消息。
• 错误检测： 操作系统会不时检查系统是否存在任何外部威胁或恶意软件活动。 它还检查硬件是否有任何类型的损坏。 此过程向用户显示多个警报，以便可以针对对系统造成的任何损坏采取适当的措施。 
• 工作安排： 在多个程序同时运行的多任务操作系统中，操作系统决定哪些应用程序应该以何种顺序运行，以及应该如何为每个应用程序分配时间。 

操作系统的特点

以下是操作系统的一些重要特性的列表：

1. 提供运行应用程序的平台
2. 处理内存管理和CPU调度
3. 提供文件系统抽象
4. 提供网络支持
5. 提供安全功能
6. 提供用户界面
7. 提供实用程序和系统服务
8. 支持应用开发

操作系统组件

现在要执行上述功能，操作系统有两个组件：

• 壳
• 核心

Shell 处理用户交互。 它是操作系统的最外层，通过以下方式管理用户和操作系统之间的交互：

• 提示用户输入
• 解释操作系统的输入
• 处理操作系统的输出。

Shell 提供了一种通过从用户或 shell 脚本获取输入来与操作系统通信的方法。 shell 脚本是存储在文件中的一系列系统命令。

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什么是内核？

内核是计算机操作系统 (OS) 的核心组件。 操作系统的所有其他组件都依赖核心来为它们提供基本服务。 它充当操作系统和硬件之间的主要接口，有助于控制设备、网络、文件系统以及进程和内存管理。

内核函数

内核是操作系统的核心组件，充当应用程序之间的接口，并在硬件级别处理数据。

当操作系统加载到内存中时，内核首先加载并保留在内存中，直到操作系统关闭。 之后，内核提供和管理计算机资源，并允许其他程序运行和使用这些资源。 内核还为应用程序设置内存地址空间，将带有应用程序代码的文件加载到内存中，并为程序设置执行堆栈。

内核负责执行以下任务：

• 输入输出管理 
• 内存管理 
• 应用程序执行的流程管理。 
• 设备管理 
• 系统调用控制 

早些时候，所有基本的系统服务，如进程和内存管理、中断处理等，都被打包到内核空间中的一个模块中。 这种类型的内核称为单片内核。 这种方法的问题在于，即使是很小的改动，也必须重新编译整个内核。

在现代的单体架构方法中，微内核包含不同的模块，如设备管理、文件管理等。它是动态加载和卸载的。 通过这种现代方法，内核代码大小减少了，同时稳定性也提高了。 

内核类型

Linus Torvalds 在 1991 年引入了单体内核的概念，作为 Linux 内核的一部分。 单片内核是包含所有操作系统组件的单个大型程序。 然而，Linux 内核经过多年的发展，现在由不同类型的内核组成，如下所列。

1. Monolithic Kernel 顾名思义，monolithic kernel是一个包含所有操作系统组件的单一大型程序。 整个内核在处理器的特权模式下执行，并提供对系统硬件的完全访问。 整体内核比微内核更快，因为它们没有消息传递的开销。 这种内核一般用于嵌入式系统和实时操作系统。

2. 微内核 微内核是仅包含操作系统基本功能所需的基本组件的内核。 所有其他组件都从内核中删除并作为用户空间进程实现。 微内核方法提供了更好的模块化、灵活性和可扩展性。 它也比整体内核更稳定和安全。

3. 混合内核 混合内核是结合了单片内核和微内核的最佳特性的内核。 它包含一个小型微内核，为操作系统的基本功能提供必要的组件。 其余组件被实现为用户空间进程或可加载内核模块。 这种方法提供了两全其美的优势，即整体内核的性能和微内核的模块化。

4. Exokernel exokernel 是提供操作系统基本功能所需的最低限度组件的内核。 所有其他组件都从内核中删除并作为用户空间进程实现。 exokernel 方法提供了最佳性能，因为没有内核开销。 但是，它也是最难实现的，没有被广泛使用。

现在让我们看看不同类型的操作系统。

操作系统类型

目前有几种不同类型的操作系统。 在本节中，我们将讨论这些类型的操作系统的优点和缺点。

• 批处理操作系统
• 分布式操作系统
• 多任务操作系统
• 网络操作系统
• 真实操作系统
• 移动OS

批处理操作系统

Batch OS 是第二代计算机的第一个操作系统。 该操作系统不直接与计算机交互。 取而代之的是，操作员承担类似的工作并将它们组合在一起成为一个批次，然后这些批次根据先到先得的原则一个一个地执行。

批处理操作系统的优势

• 类似作业的执行时间更长。
• 多个用户可以共享批处理系统。
• 在批处理系统中管理大型作品变得容易。
• 单个批次的空闲时间非常少。

操作系统的缺点

• 很难调试批处理系统。
• 如果一个作业失败，那么其他作业必须等待一个未知的时间，直到问题得到解决。
• 批处理系统有时成本很高。

批处理操作系统示例： 薪资系统、银行对账单、数据录入等。

分布式操作系统

分布式操作系统是计算机技术领域的最新进展，并且在世界范围内也以极快的速度得到应用。 在分布式操作系统中，各种计算机通过单个通信通道连接。 这些独立的计算机有自己的内存单元和 CPU，被称为松耦合系统。 系统进程可以具有不同的大小并且可以执行不同的功能。 这种类型的操作系统的主要好处是用户可以访问不存在于他的系统上但存在于另一个连接的系统中的文件。 此外，远程访问可用于连接到该网络的系统。

分布式操作系统的优势

• 一个系统的故障不会影响其他系统，因为所有的计算机都是相互独立的。
• 减少了主机系统的负载。
• 网络的规模很容易扩展，因为可以将许多计算机添加到网络中。
• 由于共享了工作负载和资源，因此计算以更高的速度执行。
• 在电子邮件的帮助下提高了数据交换速度。

分布式操作系统的缺点

• 设置成本很高。
• 用于此类系统的软件非常复杂。
• 主网故障将导致整个系统的故障。

分布式操作系统的例子： 轨迹等。

多任务操作系统

多任务操作系统也被称为分时操作系统，因为每个任务都有一定的时间，以便所有任务都能高效地工作。 该系统提供对大量用户的访问，并且每个用户都像在单个系统中一样获得 CPU 时间。 执行的任务由单个用户或不同用户指定。 分配给执行一项任务的时间称为一个时间片，一旦执行一项任务的时间结束，系统就会切换到另一项任务。

多任务操作系统的优势

• 每个任务获得相同的执行时间。
• CPU 的空闲时间将是最低的。
• 软件复制的机会很少。

多任务操作系统的缺点

• 优先级较高的进程不能首先执行，因为每个进程或任务的优先级相同。
• 需要保护各种用户数据免受未经授权的访问。
• 有时会出现数据通信问题。

多任务操作系统示例： UNIX 等

网络操作系统

网络操作系统是在服务器上运行并管理所有网络功能的系统。 它们允许在小型计算机网络（如 LAN 或任何其他专用网络）上共享各种文件、应用程序、打印机、安全性和其他网络功能。 在网络操作系统中，所有用户都知道网络中每个其他用户的配置，这就是为什么网络操作系统也被称为紧耦合系统。

网络操作系统的优势

• 新技术和硬件可以轻松升级系统。
• 系统的安全性通过服务器进行管理。
• 可以从不同的位置和系统远程访问服务器。
• 中心化服务器稳定。

网络操作系统的缺点

• 服务器成本高。
• 需要定期更新和维护。
• 用户依赖于中心位置以获得最大数量的操作。

网络操作系统示例： Microsoft Windows Server 2008、LINUX 等。

实时操作系统

实时操作系统服务于实时系统。 当许多事件在短时间内或特定期限内发生时，例如实时模拟，这些操作系统很有用。

实时操作系统的类型有：

• 硬实时操作系统

硬实时操作系统主要是为那些丝毫延迟也不可接受的应用程序而设计的操作系统。 此类申请的时间限制非常严格。 此类系统专为降落伞和安全气囊等救生设备而构建，如果发生事故，这些设备需要立即投入使用。

• 软实时操作系统

软实时操作系统是针对时间限制不是很严格的应用程序的操作系统。

在软实时系统中，重要的任务优先于不太重要的任务，并且该优先级保持有效直到任务完成。 此外，始终为特定工作设置时间限制，从而可以为未来的任务提供短时间延迟，这是可以接受的。 例如，虚拟现实、预订系统等。  

实时操作系统的优势

• 它提供了所有资源的更多输出，因为系统的利用率最大化。
• 它提供了内存分配的最佳管理。
• 这些系统始终没有错误。
• 这些操作系统比队列中的应用程序更专注于运行应用程序。
• 从一项任务转移到另一项任务只需要很少的时间。

实时操作系统的缺点

• 系统资源非常昂贵，而且不太好。
• 使用的算法非常复杂。
• 一次只能运行有限的任务。
• 在这样的系统中，我们不能设置线程优先级，因为这些系统不能轻易切换任务。

实时操作系统的例子： 医学影像系统、机器人等

移动OS

移动操作系统是用于智能手机、平板电脑和 PDA 的操作系统。 它是其他应用程序可以在移动设备上运行的平台。

移动操作系统的优势

• 它为用户提供了便利。

移动操作系统的缺点

• 一些移动操作系统为用户提供了较差的电池质量。
• 一些移动操作系统不是用户友好的。

移动操作系统示例： Android操作系统、ios、Symbian 操作系统和 Windows 移动操作系统。 

32 位操作系统与 64 位操作系统

操作系统市场份额

操作系统的示例

以下是操作系统的一些示例：

1. 微软Windows
   它是由 Microsoft 开发、营销和销售的一系列图形操作系统。 Windows 的第一个版本于 1985 年作为 MS-DOS 的 GUI 附件发布。 作为独立操作系统销售的第一个 Windows 版本是 Windows 95。
2. macos

它是由 Apple Inc. 开发的一系列图形操作系统。它是 Mac OS X 的继承者，是为 Apple 的 Mac 系列计算机提供动力的操作系统。

3. Linux

Linux 是围绕 Linux 内核构建的，是一个免费的开源软件操作系统。 它是服务器和嵌入式设备最流行的操作系统之一。 它还被全球数百万桌面用户使用。

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4. Android

它是由谷歌开发的移动操作系统。 它基于 Linux 内核，主要为智能手机和平板电脑等触摸屏移动设备而设计。

5. iOS

Apple Inc. iOs 开发的移动操作系统的另一个例子是 iPhone 操作系统的后继产品。 它是支持 iPhone、iPad 和 iPod Touch 产品的操作系统。

操作系统的优势

操作系统有几个优点。 我们在下面列出了其中一些：

1. 确保正确有效地使用计算机硬件。
2. 允许不同的应用程序同时运行。
3. 管理文件和文件夹。
4. 提供用户界面。
5. 管理安全。
6. 管理资源。
7. 管理打印。
8. 提供软件开发平台。

操作系统的缺点

操作系统有几个缺点。 我们在下面列出了其中一些：

• 它们可能很复杂且难以使用。
• 它们的购买和维护成本可能很高。
• 它们可能容易受到恶意用户的攻击。

实时操作系统

实时操作系统是什么？

可以执行多线程程序并遵守实时期限的操作系统称为“RTOS”。 大多数 RTOS 包含设备驱动程序、资源管理和调度程序。 请记住，当我们谈论“最后期限”时，并不总是指“快”。 相反，这意味着我们可以预见特定作业何时会在运行时之前运行。

如果您正在编写复杂的嵌入式应用程序，RTOS 可能是一个很好的工具。 它们支持任务隔离并支持并发操作。

实时操作系统的应用

• RADAR 等国防应用系统。
• 航空公司预订系统。
• 提供即时更新的系统。
• 网络多媒体系统。
• 空中交通管制系统。
• 指挥控制系统。

结论

随着未来几天对技术的需求日益增长，以及像 Gen Alpha 这样的年轻一代的成长和加入劳动力队伍，良好高效的操作系统将成为每个企业环境的首要任务。 如果你打算得到一个 信息技术学位，现在是入手的最佳时机。

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