一、為何要有操作系統

　　　操作系統（Operating System）是控制計算機硬件和軟件資源的控制程序。我們知道，應用程序要通過操作系統才能對硬件進行操作，計算機由主板、硬盤、內存、cpu、聲卡、網卡、鼠標、鍵盤等硬件組成，每個硬件的正常運行都需要控制器和驅動程序。如果用戶需要操作硬件的時候，還要在手動編寫或者加載這些程序或驅動，那就太浪費時間了。所以為了提高計算機的使用效率，計算機安裝了一層系統軟件，它能管理剛才提到的那些硬件，為用戶程序提供一個更簡單，更有效，更人性化的計算機模型，讓用戶在一個更容易使用的模型上使用。所以，有了操作系統，用戶就不用費力氣去了解學習復雜繁瑣的管理硬件的知識，可以把更多的精力用在需求上。

二、操作系統的位置

　　操作系統位於計算機硬件和軟件之間，本身也是一個軟件。操作系統由操作系統的內核和系統調用兩部分組成，其中內核部分運行於內核態，用來管理硬件資源；系統調用則運行於用戶態，為應用程序提供系統調用接口。

三、操作系統的功能

　　簡單來說，操作系統的功能可以理解為以下兩個部分:

　　1.管理硬件調用接口，為用戶提供更簡單，更人性化的操作界面，程序員不用承受操作硬件的繁瑣過程，因而有更多的精力去實現自己的期望。比如我們常見資源管理器是NTFS文件系統，這就是操作系統提供給我們的。我們很多人從開始使用電腦到現在，一直都是以文件為操作單位的，如果沒有文件系統，而是采用塊為基本單位，那種生活是無法想象的。操作系統為程序員提供了一種簡單的模型，而我們通過程序員編寫出來的應用程序，更方便的使用計算機。

　　2.將應用程序對硬件資源的競態請求變的有序化。怎麽理解呢，我們電腦上有很多應用程序，但是硬件系統只有一套，所以其實是所有的應用程序共享一套硬件，但是當應用程序對硬件發出操作請求時，就需要操作系統來協調這些請求，使得計算機能完成應用程序的請求且不會產生混亂無序。操作系統的這個功能又叫多路復用。

四、操作系統的發展

　　1.第一代計算機（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

　　lowa州立大學的john Atanasoff教授和他的學生Clifford Berry建造了據認為是第一臺可工作的數字計算機。該機器使用300個真空管。大約在同時，Konrad Zuse在柏林用繼電器構建了Z3計算機，英格蘭布萊切利園的一個小組在1944年構建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大學建造了Mark 1，賓夕法尼亞大學的William Mauchley和他的學生J.Presper Eckert建造了ENIAC。這些機器有的是二進制的，有的使用真空管，有的是可編程的，但都非常原始，設置需要花費數秒鐘時間才能完成最簡單的運算。

　　這些所謂的計算機沒有操作系統的概念，所有的程序都是有機械語言編寫的。

　　在這個時期計算機只能供一個程序員同時使用，所以當一個程序員拿著他的插件板到機房時，其他人都得排隊耐心等待，他一個人獨享整個計算機資源。後來出現了穿孔卡片，可以將程序寫在卡片上而不用插件板。

　　優點是程序員在使用計算機資源時，可以即時調試自己的程序，出現bug的時候可以即時處理。

　　缺點是這種方式對計算機資源是極大的浪費，且此階段在計算機中同一時刻只有一個程序在內存中，被CPU調用執行。

2.第二代計算機（1955~1965）：晶體管和批處理系統

　　由於當時計算機造價昂貴，第一代計算機的工作方式過於浪費，所以為了節省成本，采用了批量處理的方式。

　　出現了操作系統的概念，此時的操作系統是人和計算機結合的系統，設計人員，生產人員，操作人員，程序人員和維護人員有了明確的分工，計算機被鎖在專用的空調房間裏，有專業的操作人員運行。同時也有了程序設計語言：FORTRAN語言或匯編語言。

　　工作過程：

　　把好幾個人的輸入攢到一起，一起寫入磁帶中，然後操作人員將磁帶送入機房裏並裝到磁帶機上，操作員裝入一個特殊的程序（操作系統的前身），這個程序從輸入的磁帶上讀取第一個作業並運行，將輸出寫入到另一個磁帶上但不打印，當這批作業全部結束後，操作人員取下輸入和輸出磁帶，將下一批作業再次裝到磁帶機上，並把輸出磁帶拿到另一臺機器上脫機打印。

　　雖然第二代計算機將一批需求一起處理，但是仍然是順序計算。雖然節省了時間，但批處理的過程中無法及時調試程序，極大地影響了程序的開發效率。

3.第三代計算機（1965~1980）：集成電路芯片和多道程序設計

　　第二代計算機存在幾個問題需要改進：

　　第一個問題：第二代計算機存在兩種完全不兼容的計算機，一種是面向字的大型科學計算機，另一種是面向字符的商用計算機。IBM公司試圖通過引入system360系列來同時滿足科學計算和商業計算，這是第一個采用了（小規模）芯片（集成電路）的主流機型，與之前采用晶體管的計算機相比，性價比有了很大提升。同時這也是現代服務器的前身。

　　第二個問題，第二代計算機還需要有專門的操作員來操作，為了解決這一問題，出現了一種SPOOLING技術，該技術同時用於輸入輸出，從而不在需要操作員在中間來回搬運磁帶。

　　第三個問題：第二代計算機仍然采用串行執行，內存中同時只能放一個數據，第三代計算機中產生了一種關鍵技術：多道技術，下面將在第五章中詳細介紹。

　　第四個問題：第三代計算機仍然采用批處理，所以程序員是很懷念獨享計算機資源的時代，為了解決這一問題，出現了分時操作系統：多個聯機終端+多道技術。由於客戶提交的一般都是剪短的指令，很少有耗時長的，索引計算機能夠為大部分用戶提供快速的交互式服務，所有的用戶都以為自己獨享了計算機資源。

4.第四代計算機（1980至今）：個人計算機

　　現在出現了大規模集成電路計算機，采用集成度更高的半導體，運算速度大大提升，同時個人計算機發展迅速，現在工藝可以制造出體積更小，性能更強悍的計算機。另外，互聯網技術，數據庫管理技術發展迅速，並得到了廣泛應用。

五、多道技術

　　多道技術中的多道指的是多個程序，上文中提到當多個程序共享同一個硬件資源時存在有序調度問題，多道復用的出現就是為了解決這一問題。多道復用分為時間上的復用和空間上的復用。

　　空間上的復用：將內存分為幾個部分，每個部分放入一個程序，使他們在系統中並發執行，共享系統中的資源，當一道程序暫停時，CPU立即轉去執行另一道程序。

這裏存在的最大問題是：內存必須分割，並且是硬件層面的分割。如果不分割的話，一個程序可以訪問另一個程序的內存，這將會造成安全性和穩定性上的隱患。

　　時間上的復用：當一個程序在等待I/O時，另一個程序可以使用CPU，如果內存大到可以存放足夠多的程序，那麽CPU的利用率可以接近100%，這時就需要操作系統來統籌程序使用cpu的順序及使用時間。

　　其實操作系統的功能就是多路復用的體現：處理來自多個（多路）程序發起的多個共享資源（復用資源）的請求。

計算機基礎之操作系統