计算机操作系统（一） 什么是操作系统

前言

• 当你打开电脑、点击应用、播放音乐时，是谁在背后默默协调这一切？
• 没错，就是操作系统
• 从这节博客开始，我们将详细讲解计算机操作系统，了解它底层的相关知识

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一、什么是操作系统

• 操作系统（Operating System，简称 OS）是计算机的底层软件，是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。它是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序的集合。
  

• 从用户的角度看，操作系统提供了用户与计算机之间的接口。用户通过操作系统来使用计算机系统，而无需了解计算机硬件的细节。比如，普通用户可以通过图形化界面（GUI），如 Windows 操作系统的桌面，方便地进行文件管理、应用程序的启动等操作；而专业用户或开发者则可以通过命令行界面（CLI），如 Linux 系统的终端，更高效地执行各种系统管理和开发任务。

• 从系统的角度看，操作系统是计算机系统资源的管理者。它负责管理计算机的四大类资源：处理机（CPU）、存储器、I/O 设备以及信息（数据和程序）。通过合理地分配和调度这些资源，使得计算机系统能够高效、稳定地运行。
  

二、操作系统的作用

1. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口：操作系统提供了方便易用的接口，使得用户能够轻松地使用计算机。除了前面提到的图形化界面和命令行界面外，操作系统还支持各种输入设备（如键盘、鼠标、触摸屏等）和输出设备（如显示器、打印机等），让用户可以与计算机进行交互。例如，当我们在 Windows 系统中使用鼠标点击图标打开应用程序时，操作系统会接收鼠标的点击事件，并执行相应的操作来启动应用程序。
2. 作为计算机系统资源的管理者：
   • 处理机管理：负责对 CPU 的时间进行分配和调度，使得多个程序能够并发执行。常见的调度算法有先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转等。例如，在多任务操作系统中，多个程序同时运行，操作系统会根据一定的算法为每个程序分配 CPU 时间片，使得每个程序都能得到执行的机会。
   • 存储器管理：管理内存的分配和回收，将内存空间合理地分配给各个程序使用，并保证程序之间的内存不会相互干扰。同时，还负责虚拟内存的管理，当物理内存不足时，将部分数据从内存换出到外存（如硬盘）上，以满足程序的运行需求。
   • 设备管理：负责管理计算机的各种 I/O 设备，如硬盘、打印机、网卡等。通过设备驱动程序，操作系统能够控制设备的工作，实现设备的输入输出操作，并对设备进行分配和回收。
   • 文件管理：对计算机中的文件和目录进行管理，包括文件的创建、删除、修改、查询等操作。操作系统提供了文件系统，使得用户可以方便地对文件进行组织和管理，同时保证文件的安全性和一致性。
3. 实现了对计算机资源的抽象：操作系统隐藏了硬件的具体细节，向用户提供了抽象的资源和服务。例如，用户在使用文件时，不需要了解文件在硬盘上的具体存储位置和方式，只需要通过操作系统提供的文件操作接口（如打开、读取、写入等函数）来操作文件即可。这种抽象使得用户能够更方便地使用计算机资源，同时也提高了系统的可扩展性和兼容性。

三、推动操作系统发展的主要动力

1. 不断提高计算机资源利用率的需要：早期的计算机硬件资源昂贵，为了充分利用有限的资源，操作系统应运而生。随着计算机技术的发展，硬件性能不断提升，但资源的利用率仍然是一个重要的问题。例如，通过多道程序设计技术，操作系统可以让多个程序同时在内存中运行，共享 CPU 和其他资源，从而提高系统的资源利用率。
2. 方便用户使用的需要：计算机的用户群体不断扩大，从专业的计算机人员逐渐扩展到普通用户。为了满足不同用户的需求，操作系统需要提供更加方便、易用的界面和功能。例如，图形化用户界面（GUI）的出现，使得计算机的操作更加直观和简单，大大降低了用户的使用门槛。
3. 器件的不断更新换代：计算机硬件的不断发展，如 CPU 性能的提升、内存容量的增加、存储设备的更新等，推动了操作系统的发展。新的硬件需要新的操作系统来充分发挥其性能，同时操作系统也需要不断地优化和改进，以适应硬件的变化。例如，随着多核 CPU 的出现，操作系统需要支持多核心的调度和管理，以提高系统的性能。
4. 计算机体系结构的不断发展：计算机体系结构的变化，如分布式系统、并行系统、嵌入式系统等的出现，对操作系统提出了新的要求。不同的体系结构需要不同的操作系统来管理和协调资源，因此推动了操作系统的多样化和专业化发展。例如，分布式操作系统需要管理多个计算机节点之间的资源和通信，以实现分布式计算的功能。

总之，操作系统作为计算机系统的核心软件，在计算机的发展和应用中起着至关重要的作用。了解操作系统的基本概念、作用和发展动力，对于深入学习计算机系统和进行相关的开发和应用具有重要的意义。

总结（核心概念速记）：

核心概念速记
操作系统 = 计算机系统的核心底层软件，协调软硬件资源

• 基本概念：
  • 操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件的首次扩充。它是控制和管理计算机软硬件资源、组织工作流程、方便用户使用的程序集合。
  • 从用户角度，提供图形化界面（GUI）如Windows桌面和命令行界面（CLI）如Linux终端，作为用户与计算机的接口，隐藏硬件细节。
  • 从系统角度，是计算机系统资源（处理机、存储器、I/O设备、信息）的管理者。
• 操作系统的作用：
  • 用户与硬件接口：支持各类输入输出设备，实现用户与计算机交互，如Windows中鼠标点击图标启动应用程序。
  • 资源管理：
    • 处理机管理：分配和调度CPU时间，常见算法有FCFS、SJF、时间片轮转等，使多程序并发执行。
    • 存储器管理：管理内存分配回收，处理虚拟内存，保证程序内存不干扰。
    • 设备管理：通过设备驱动程序控制I/O设备，进行设备分配回收。
    • 文件管理：管理文件和目录，提供文件系统，保障文件安全和一致。
  • 资源抽象：隐藏硬件细节，提供抽象资源和服务，如用户通过文件操作接口使用文件，无需了解存储细节。
• 发展动力：
  • 提高资源利用率：早期因硬件资源昂贵而生，多道程序设计技术可提升资源利用率。
  • 方便用户使用：用户群体扩大，GUI降低使用门槛。
  • 器件更新换代：硬件性能提升（CPU、内存、存储设备等），促使操作系统优化适应。
  • 体系结构发展：分布式、并行、嵌入式等系统出现，要求操作系统多样化、专业化，如分布式操作系统管理节点资源和通信。

操作系统关键概念对比

操作系统作用与发展动力关系图解

操作系统作用 —— 用户接口、资源管理、资源抽象
   ↓         ↓
发展动力 —— 提高资源利用率、方便用户、器件更新、体系结构发展
   ↓         ↓
相互促进 —— 作用推动动力需求，动力促进作用完善

知识图谱

计算机操作系统（一） 什么是操作系统
├─ 什么是操作系统
│  ├─ 基本定义：底层软件，硬件首次扩充，程序集合
│  ├─ 用户角度：提供GUI和CLI接口
│  ├─ 系统角度：管理四大类资源
│  └─ 示例：Windows、Linux系统体现方式
├─ 操作系统的作用
│  ├─ 用户与硬件接口：支持设备交互
│  ├─ 资源管理：处理机、存储器、设备、文件管理
│  ├─ 资源抽象：隐藏硬件细节提供接口
│  └─ 示例：文件操作接口的使用
├─ 推动操作系统发展的主要动力
│  ├─ 提高资源利用率：多道程序设计技术
│  ├─ 方便用户使用：GUI的出现
│  ├─ 器件更新换代：CPU、内存等硬件发展
│  ├─ 体系结构发展：分布式等系统对系统的要求
│  └─ 示例：多核CPU下操作系统的调度管理
└─ 核心要点
   ├─ 操作系统的概念、作用及重要性
   └─ 理解发展动力对操作系统演变的影响

以上就是对本次关于操作系统博客内容的总结，后续我们将深入探讨操作系统更多知识。

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