电脑底层操作系统_电脑系统底层设计

你用到的操作系统，是微软公司大量程序员，写出来的。

操作系统（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其他软件的接口。操作系统的功能包括管理计算机系统的硬件、软件及数据资源，控制程序运行，改善人机界面，为其它应用软件提供支持，让计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，提供各种形式的用户界面，使用户有一个好的工作环境，为其它软件的开发提供必要的服务和相应的接口等。实际上，用户是不用接触操作系统的，操作系统管理着计算机硬件资源，同时按照应用程序的资源请求，分配资源，如：划分CPU时间，内存空间的开辟，调用打印机等。

现代操作系统通常都有一个使用的绘图设备的图形用户界面（GUI），并附加如鼠标或触控面版等有别于键盘的输入设备。旧的OS或性能导向的服务器通常不会有如此亲切的界面，而是以命令行界面（CLI）加上键盘为输入设备。以上两种界面其实都是所谓的壳，其功能为接受并处理用户的指令（例如按下一按钮，或在命令提示列上键入指令）。

选择要安装的操作系统通常与其硬件架构有很大关系，只有Linux与BSD几乎可在所有硬件架构上运行，而Windows NT仅移植到了DEC Alpha与MIPS Magnum。在1990年代早期，个人计算机的选择就已被局限在Windows家族、类Unix家族以及Linux上，而以Linux及Mac OS X为最主要的另类选择，直至今日。

大型机与嵌入式系统使用很多样化的操作系统。在服务器方面Linux、UNIX和WindowsServer占据了市场的大部分份额。在超级计算机方面，Linux取代Unix成为了第一大操作系统，截止2012年6月，世界超级计算机500强排名中基于Linux的超级计算机占据了462个席位，比率高达92%。随着智能手机的发展，Android和iOS已经成为目前最流行的两大手机操作系统。[1]

2012年，全球智能手机操作系统市场份额的变化情况相对稳定。智能手机操作系统市场一直被几个手机制造商巨头所控制，而安卓的垄断地位主要得益于三星智能手机在世界范围内所取得的巨大成功。2012年第三季度，安卓的市场份额高达74.8%，2011年则为57.4%。2013年第一季度，它的市场份额继续增加，达到75%。虽然 Android 占据领先，但是苹果 iOS 用户在应用上花费的时间则比 Android 的长。虽然在这方面 Android 的数字一度接近苹果，但是像 iPad 3 这样的设备发布之后，苹果的数字还是会进一步增长。Windows Phone 系统在 8.1 版发布后市场份额稳步提高，应用生态正在改善，众多必需应用不断更新，但是速度还略嫌迟缓。微软收购了诺基亚，发展了许多OEM厂商，并不断发布新机型试图扭转WP的不利局面，小有成效。

组成部分

操作系统理论研究者有时把操作系统分成四大部分：

驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分，它们的职责是隐藏硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口。

内核：操作系统内核部分，通常运行在最高特权级，负责提供基础性、结构性的功能。

接口库：是一系列特殊的程序库，它们职责在于把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口（API），是最靠近应用程序的部分。例如，GNU C运行期库就属于此类，它把各种操作系统的内部编程接口包装成ANSI C和POSIX编程接口的形式。

外围：是指操作系统中除以上三类以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高级服务的部件。例如，在微内核结构中，大部分系统服务，以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。

并不是所有的操作系统都严格包括这四大部分。例如，在早期的微软视窗操作系统中，各部分耦合程度很深，难以区分彼此。而在使用外核结构的操作系统中，则根本没有驱动程序的概念。

操作系统中四大部分的不同布局，也就形成了几种整体结构的分野。常见的结构包括：简单结构、层结构、微内核结构、垂直结构、和虚拟机结构。

内核结构编辑

内核是操作系统最基础的构件，因而，内核结构往往对操作系统的外部特性以及应用领域有着一定程度的影响。尽管随着理论和实践的不断演进，操作系统高层特性与内核结构之间的耦合有日趋缩小之势，但习惯上，内核结构仍然是操作系统分类之常用标准！

内核的结构可以分为单内核、微内核、混合内核、外内核等。

单内核（Monolithic kernel），又称为宏内核。单内核结构是操作系统中各内核部件杂然混居的形态，该结构于1960年代（亦有1950年代初之说，尚存争议），历史最长，是操作系统内核与外围分离时的最初形态。

微内核（Microkernel），又称为微核心。微内核结构是1980年代产生出来的较新的内核结构，强调结构性部件与功能性部件的分离。20世纪末，基于微内核结构，理论界中又发展出了超微内核与外内核等多种结构。尽管自1980年代起，大部分理论研究都集中在以微内核为首的“新兴”结构之上，然而，在应用领域之中，以单内核结构为基础的操作系统却一直占据着主导地位。

混合内核（Hybrid kernel）像微内核结构，只不过它的组件更多的在核心态中运行，以获得更快的执行速度。

外内核（Exokernel）的设计理念是尽可能的减少软件的抽象化，这使得开发者可以专注于硬件的抽象化。外核心的设计极为简化，它的目标是在于同时简化传统微内核的讯息传递机制，以及整块性核心的软件抽象层。

在众多常用操作系统之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等个别系统外，几乎全部采用单内核结构，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows（微软声称Windows NT是基于改良的微内核架构的，尽管理论界对此存有异议）。 微内核和超微内核结构主要用于研究性操作系统，还有一些嵌入式系统使用外核！

基于单内核的操作系统通常有着较长的历史渊源。例如，绝大部分UNIX的家族史都可上溯至1960年代。该类操作系统多数有着相对古老的设计和实现（例如某些UNIX中存在着大量1970年代、1980年代的代码）。另外，往往在性能方面略优于同一应用领域中采用其他内核结构的操作系统（但通常认为此种性能优势不能完全归功于单内核结构）！

主要功能

操作系统的主要功能是资源管理，程序控制和人机交互等。计算机系统的资源可分为设备资源和信息资源两大类。设备资源指的是组成计算机的硬件设备，如中央处理器，主存储器，磁盘存储器，打印机，磁带存储器，显示器，键盘输入设备和鼠标等。信息资源指的是存放于计算机内的各种数据，如文件，程序库，知识库，系统软件和应用软件等。

操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面，输入命令。操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。以现代观点而言，一个标准个人电脑的OS应该提供以下的功能：

进程管理（Processing management）

内存管理（Memory management）

文件系统（File system）

网络通讯（Networking）

安全机制（Security）

用户界面（User interface）

驱动程序（Device drivers）

资源管理

系统的设备资源和信息资源都是操作系统根据用户需求按一定的策略来进行分配和调度的。操作系统的存储管理就负责把内存单元分配给需要内存的程序以便让它执行，在程序执行结束后将它占用的内存单元收回以便再使用。对于提供虚拟存储的计算机系统，操作系统还要与硬件配合做好页面调度工作，根据执行程序的要求分配页面，在执行中将页面调入和调出内存以及回收页面等。

处理器管理或称处理器调度，是操作系统资源管理功能的另一个重要内容。在一个允许多道程序同时执行的系统里，操作系统会根据一定的策略将处理器交替地分配给系统内等待运行的程序。一道等待运行的程序只有在获得了处理器后才能运行。一道程序在运行中若遇到某个事件，例如启动外部设备而暂时不能继续运行下去，或一个外部事件的发生等等，操作系统就要来处理相应的事件，然后将处理器重新分配。

操作系统的设备管理功能主要是分配和回收外部设备以及控制外部设备按用户程序的要求进行操作等。对于非存储型外部设备，如打印机、显示器等，它们可以直接作为一个设备分配给一个用户程序，在使用完毕后回收以便给另一个需求的用户使用。对于存储型的外部设备，如磁盘、磁带等，则是提供存储空间给用户，用来存放文件和数据。存储性外部设备的管理与信息管理是密切结合的。

信息管理是操作系统的一个重要的功能，主要是向用户提供一个文件系统。一般说，一个文件系统向用户提供创建文件，撤销文件，读写文件，打开和关闭文件等功能。有了文件系统后，用户可按文件名存取数据而无需知道这些数据存放在哪里。这种做法不仅便于用户使用而且还有利于用户共享公共数据。此外，由于文件建立时允许创建者规定使用权限，这就可以保证数据的安全性。

程序控制

一个用户程序的执行自始至终是在操作系统控制下进行的。一个用户将他要解决的问题用某一种程序设计语言编写了一个程序后就将该程序连同对它执行的要求输入到计算机内，操作系统就根据要求控制这个用户程序的执行直到结束。操作系统控制用户的执行主要有以下一些内容：调入相应的编译程序，将用某种程序设计语言编写的源程序编译成计算机可执行的目标程序，分配内存储等资源将程序调入内存并启动，按用户指定的要求处理执行中出现的各种事件以及与操作员联系请示有关意外事件的处理等。

人机交互

操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘显示、鼠标、各种模式识别设备等。与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的部分。人机交互部分的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。

进程管理

不管是常驻程序或者应用程序，他们都以进程为标准执行单位。当年运用冯纽曼架构建造电脑时，每个中央处理器最多只能同时执行一个进程。早期的OS（例如DOS）也不允许任何程序打破这个限制，且DOS同时只有执行一个进程（虽然DOS自己宣称他们拥有终止并等待驻留（TSR）能力，可以部分且艰难地解决这问题）。现代的操作系统，即使只拥有一个CPU，也可以利用多进程（multitask）功能同时执行复数进程。进程管理指的是操作系统调整复数进程的功能。

由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在单内核（Core）的情况下多进程只是简单迅速地切换各进程，让每个进程都能够执行，在多内核或多处理器的情况下，所有进程通过许多协同技术在各处理器或内核上转换。越多进程同时执行，每个进程能分配到的时间比率就越小。很多OS在遇到此问题时会出现诸如音效断续或鼠标跳格的情况（称做崩溃（Thrashing），一种OS只能不停执行自己的管理程序并耗尽系统资源的状态，其他使用者或硬件的程序皆无法执行）。进程管理通常实现了分时的概念，大部分的OS可以利用指定不同的特权等级（priority），为每个进程改变所占的分时比例。特权越高的进程，执行优先级越高，单位时间内占的比例也越高。交互式OS也提供某种程度的回馈机制，让直接与使用者交互的进程拥有较高的特权值。

内存管理

根据帕金森定律：“你给程序再多内存，程序也会想尽办法耗光”，因此程序员通常希望系统给他无限量且无限快的存储器。大部分的现代计算机存储器架构都是层次结构式的，最快且数量最少的暂存器为首，然后是高速缓存、存储器以及最慢的磁盘存储设备。而操作系统的存储器管理提供查找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换存储器和低速存储设备的内含物……等功能。此类又被称做虚拟内存管理的功能大幅增加每个进程可获得的记忆空间（通常是4GB，即使实际上RAM的数量远少于这数目）。然而这也带来了微幅降低运行效率的缺点，严重时甚至也会导致进程崩溃。

存储器管理的另一个重点活动就是借由CPU的帮助来管理虚拟位置。如果同时有许多进程存储于记忆设备上，操作系统必须防止它们互相干扰对方的存储器内容（除非通过某些协定在可控制的范围下操作，并限制可访问的存储器范围）。分区存储器空间可以达成目标。每个进程只会看到整个存储器空间（从0到存储器空间的最大上限）被配置给它自己（当然，有些位置被操作系统保留而禁止访问）。CPU事先存了几个表以比对虚拟位置与实际存储器位置，这种方法称为标签页（paging）配置。

借由对每个进程产生分开独立的位置空间，操作系统也可以轻易地一次释放某进程所占据的所有存储器。如果这个进程不释放存储器，操作系统可以退出进程并将存储器自动释放。

虚拟内存

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

用户接口

用户接口包括作业一级接口和程序一级接口。作业一级接口为了便于用户直接或间接地控制自己的作业而设置。它通常包括联机用户接口与脱机用户接口。程序一级接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，通常由一组系统调用组成。

在早期的单用户单任务操作系统（如DOS）中，每台计算机只有一个用户，每次运行一个程序，且次序不是很大，单个程序完全可以存放在实际内存中。这时虚拟内存并没有太大的用处。但随着程序占用存储器容量的增长和多用户多任务操作系统的出现，在程序设计时，在程序所需要的存储量与计算机系统实际配备的主存储器的容量之间往往存在着矛盾。例如，在某些低档的计算机中，物理内存的容量较小，而某些程序却需要很大的内存才能运行；而在多用户多任务系统中，多个用户或多个任务更新全部主存，要求同时执行独断程序。这些同时运行的程序到底占用实际内存中的哪一部分，在编写程序时是无法确定的，必须等到程序运行时才动态分配。[3]

用户界面

用户界面（User Interface，简称 UI，亦称使用者界面[1]）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

用户界面是介于用户与硬件而设计彼此之间交互沟通相关软件，目的在使得用户能够方便有效率地去操作硬件以达成双向之交互，完成所希望借助硬件完成之工作，用户界面定义广泛，包含了人机交互与图形用户接口，凡参与人类与机械的信息交流的领域都存在着用户界面。用户和系统之间一般用面向问题的受限自然语言进行交互。目前有系统开始利用多媒体技术开发新一代的用户界面。

系统软件的核心应该应该操作系统，困为计算机软件都是要以操作系统为平台的。软件系统(Software Systems)是指由系统软件、支撑软件和应用软件组成的计算机软件系统，它是计算机系统中由软件组成的部分。它包括操作系统、语言处理系统、数据库系统、分布式软件系统和人机交互系统等。操作系统用于管理计算机的资源和控制程序的运行。语言处理系统是用于处理软件语言等的软件，如编译程序等。数据库系统是用于支持数据管理和存取的软件，它包括数据库、数据库管理系统等。数据库是常驻在计算机系统内的一组数据，它们之间的关系用数据模式来定义，并用数据定义语言来描述；数据库管理系统是使用户可以把数据作为轴象项进行存取、使用和修改的软件。分布式软件系统包括分布式操作系统、分布式程序设计系统、分布式文件系统、分布式数据库系统等。人机交互系统是提供用户与计算机系统之间按照一定的约定进行信息交互的软件系统，可为用户提供一个友善的人机界面。操作系统的功能包括处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理。其主要研究内容包括：操作系统的结构、进程(任务)调度、同步机制、死锁防止、内存分配、设备分配、并行机制、容错和恢复机制等。

语言处理系统的功能是各种软件语言的处理程序，它把用户用软件语言书写的各种源程序转换成为可为计算机识别和运行的目标程序，从而获得预期结果。其主要研究内容包括：语言的翻译技术和翻译程序的构造方法与工具，此外，它还涉及正文编辑技术、连接编辑技术和装入技术等。

数据库系统的主要功能包括数据库的定义和操纵、共享数据的并发控制、数据的安全和保密等。按数据定义模块划分，数据库系统可分为关系数据库、层次数据库和网状数据库。按控制方式划分，可分为集中式数据库系统、分布式数据库系统和并行数据库系统。数据库系统研究的主要内容包括：数据库设计、数据模式、数据定义和操作语言、关系数据库理论、数据完整性和相容性、数据库恢复与容错、死锁控制和防止、数据安全性等。

分布式软件系统的功能是管理分布式计算机系统资源和控制分布式程序的运行，提供分布式程序设计语言和工具，提供分布式文件系统管理和分布式数据库管理关系等。分布式软件系统的主要研究内容包括分布式操作系统和网络操作系统、分布式程序设计、分布式文件系统和分布式数据库系统。

人机交互系统的主要功能是在人和计算机之间提供一个友善的人机接口。其主要研究内容包括人机交互原理、人机接口分析及规约、认知复杂性理论、数据输入、显示和检索接口、计算机控制接口等。

软件 系统

分布式软件系统(Distributed Software Systems)是支持分布式处理的软件系统,是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统。它包括分布式操作系统、分布式程序设计语言及其编译(解释)系统、分布式文件系统和分布式数据库系统等。

分布式操作系统负责管理分布式处理系统资源和控制分布式程序运行。它和集中式操作系统的区别在于资源管理、进程通信和系统结构等方面。

分布式程序设计语言用于编写运行于分布式计算机系统上的分布式程序。一个分布式程序由若干个可以独立执行的程序模块组成,它们分布于一个分布式处理系统的多台计算机上被同时执行。它与集中式的程序设计语言相比有三个特点：分布性、通信性和稳健性。

分布式文件系统具有执行远程文件存取的能力,并以透明方式对分布在网络上的文件进行管理和存取。

分布式数据库系统由分布于多个计算机结点上的若干个数据库系统组成,它提供有效的存取手段来操纵这些结点上的子数据库。分布式数据库在使用上可视为一个完整的数据库,而实际上它是分布在地理分散的各个结点上。当然,分布在各个结点上的子数据库在逻辑上是相关的。