COMP15212(操作系統(tǒng))考試可能需要同學們介紹操作系統(tǒng)的概念，即在計算機底層硬件與該硬件的進程和用戶之間進行中介的軟件層。學生學習完這門課程，需要描述現(xiàn)代操作系統(tǒng)的組件，包括調度和其他資源分配、安全性、內存管理和分頁以及文件存儲管理;解釋現(xiàn)代操作系統(tǒng)的組件如何協(xié)同工作以在用戶/應用程序與底層硬件之間進行協(xié)調;描述不同類型操作系統(tǒng)(例如桌面、嵌入式、移動和高性能計算)的要求和限制。

一、什么是操作系統(tǒng)?

操作系統(tǒng)(OS)是一個程序，在使用 "開始 "程序將其加載到計算機后，它負責管理計算機上的所有其他應用程序。應用程序通過定義的應用程序接口(API)請求服務，從而使用操作系統(tǒng)。此外，用戶還可以通過命令行界面(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)為計算機軟件和軟件開發(fā)提供了巨大優(yōu)勢。如果沒有操作系統(tǒng)，每個應用程序都必須包含自己的用戶界面，以及基本計算機所有底層功能(如硬盤空間、網絡接口等)所需的嵌入式代碼。鑒于底層硬件的巨大規(guī)模，這將大大增加每個應用程序的范圍，使軟件開發(fā)變得不可能。

相反，許多常見任務，如發(fā)送網絡數據包或在顯示器等標準輸出設備上顯示文本，都可以委托給系統(tǒng)軟件來完成，系統(tǒng)軟件是應用程序和硬件之間的中介。系統(tǒng)軟件為應用程序與硬件交互提供了一種一致且可重復的方式，應用程序無需了解硬件的詳細信息。

由于每個應用程序都以相同的方式訪問相同的資源和服務，因此這種系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng))幾乎可以為任意數量的應用程序提供服務。這大大減少了開發(fā)和調試應用程序所需的時間和編程量，同時確保用戶可以通過一個易于理解的通用界面來控制、配置和管理系統(tǒng)硬件。

一旦安裝完畢，操作系統(tǒng)就會依靠一個龐大的設備驅動程序庫來使操作系統(tǒng)服務適應特定的硬件環(huán)境。因此，每個應用程序都可以對存儲設備進行通用調用，但操作系統(tǒng)會接收該調用，并使用適當的驅動程序將該調用轉換為特定計算機底層硬件所需的操作(命令)。如今，操作系統(tǒng)提供了一個全面的平臺，可識別、配置和管理一系列硬件，包括處理器、內存和內存管理設備、芯片組、存儲設備、網絡、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 CLI 或圖形用戶界面提供用戶界面;執(zhí)行并管理應用程序的執(zhí)行;定義并向這些應用程序提供系統(tǒng)硬件資源(通常通過標準化的 API)。

用戶界面。所有操作系統(tǒng)都需要一個用戶界面，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)的種類也數不勝數。

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行不同應用程序的操作系統(tǒng)，允許用戶同時運行多個應用程序或任務。通用操作系統(tǒng)可安裝在各種型號的臺式機和筆記本電腦上，可運行從會計系統(tǒng)和數據庫到網絡瀏覽器和游戲等各種應用程序。通用操作系統(tǒng)通常側重于進程(線程)和硬件管理，以便應用程序能可靠地共享各種可用的計算機硬件。

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標準。這款基于圖形用戶界面的操作系統(tǒng)于 1985 年發(fā)布，此后經歷了多個版本。Windows 95 的易用性極大地推動了個人電腦的快速發(fā)展。

Mac OS 是蘋果公司 Macintosh 系列個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)，設計靈活，適應性強。Unix 最早開發(fā)于 20 世紀 70 年代，是最早使用 C 語言編寫的操作系統(tǒng)之一。

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

3.手機操作系統(tǒng)

移動操作系統(tǒng)旨在滿足智能手機和平板電腦等專注于移動計算和通信的設備的特定需求。與傳統(tǒng)電腦相比，移動設備的計算資源往往有限，因此必須縮小操作系統(tǒng)的規(guī)模并降低其復雜性，以盡量減少自身的資源使用量，同時確保設備上運行的一個或多個應用程序有足夠的資源可用。移動操作系統(tǒng)往往注重高效性能、用戶響應速度和數據處理任務，如支持多媒體流。移動操作系統(tǒng)的例子包括蘋果 iOS 和谷歌 Android。

4.嵌入式操作系統(tǒng)

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

5.網絡操作系統(tǒng)

網絡操作系統(tǒng)(NOS)是另一種專門的操作系統(tǒng)，旨在促進局域網(LAN)上設備之間的通信。網絡操作系統(tǒng)提供理解網絡協(xié)議以及創(chuàng)建、交換和分析網絡數據包所需的通信棧。如今，特定操作系統(tǒng)的概念已基本過時，因為網絡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 就具有廣泛的網絡功能。NOS一詞仍用于路由器、交換機和防火墻等一些網絡設備，供應商可能會使用自己的NOS，包括思科網絡操作系統(tǒng)(IOS)、RouterOS和ZyNOS。

6.實時操作系統(tǒng)

當計算機需要在固定和可重復的時間限制下與現(xiàn)實世界通信時，設備制造商可以使用實時操作系統(tǒng)(RTOS)。例如，工業(yè)控制系統(tǒng)可以管理大型工廠或發(fā)電廠的運行。這樣的系統(tǒng)會接收來自大量傳感器的信號，并向控制閥、執(zhí)行器、電機和許多其他設備發(fā)送信號。在這種情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)必須對不斷變化的實際情況做出快速、可預測的反應，否則就可能發(fā)生災難。實時操作系統(tǒng)必須在沒有緩沖、處理延遲和其他延遲的情況下運行，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 的兩個例子。

不同類型操作系統(tǒng)之間的區(qū)別并不是絕對的，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)的典型網絡功能。同樣，嵌入式操作系統(tǒng)通常具有實時操作系統(tǒng)的功能，而移動操作系統(tǒng)通?？梢韵衿渌ㄓ貌僮飨到y(tǒng)一樣同時運行大量應用程序。

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