计算机与操作系统

 概念

如图1-1给出了一个逻辑上的简化视图，图的底部是硬件，硬件包括芯片、电路板、磁盘、键盘、显示器以及类似的设备，在硬件的顶部是软件。

多数计算机有两种运行模式：内核态和用户态。软件中最基础也是最核心的部分是操作系统，它运行在内核态，在这个模式中，操作系统具有对所有硬件的安全访问权，可以执行机器能够运行的任

何指令；软件的其余部分运行在用户态下，只使用机器指令中的一个子集；用户接口程序如GUI处于用户态程序中最低层次，允许用户使用或运行其他程序，诸如web浏览器等。

如图1-1所示，操作系统运行在裸机之上，为所有软件提供基础的运行环境。

操作系统与普通软件区别

1、用户不喜欢某个普通软件，如XX阅读器，他可以换或者自己写一个；操作系统是很难编写的，操作系统源代码有500万行甚至更高数量级的。

2、操作系统更加大型、复杂、长寿；普通软件更加小型、简单、寿命周期短。

操作系统定义

操作系统定义：是一种运行在内核态的软件，是一组控制和管理计算机软硬件资源，同时为用户提供使用计算机应用程序的集合。

操作系统的两大基本职能：面向机器管理计算机；面向用户使用计算机。

主要两大作用：管理和使用计算机

主要特征：并发性；共享性；虚拟性和不确定性

操作系统的主要功能有：进程管理；存储管理；设备管理；文件管理，用户接口等等。

计算机与操作系统的发展史

第一台真正纯机械的数字计算机是英国数学家Charles Babbage（1792~1871）设计的，但是他始终未能让机器正常运转，毫无疑问，这台数字计算机是没有操作系统的。

第一代（1945~1955）：真空管和穿孔卡片， 数字计算机

艾奥瓦州立大学的John Atanasoff教授和他的学生Clifford Berry建造了被认为是第一台可工作的数字计算机，该机器使用了300个真空管。

大约在同时，Konrad Zuse在柏林用继电器构建了Z3计算机。

1944年，一群科学家在英格兰布莱切利庄园构建了Colossus并为其编程；Howard Aiken在哈佛大学构建了Mark I;

世界上第一台通用的电子计算机“ENIAC”于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学诞生。发明人是美国人莫克利（JohnW.Mauchly）和艾克特（J.PresperEckert）。美国国防部用它来进行弹道计算。它是一个庞然大物，用了18000个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦，每秒钟可进行5000次运算，这在现在看来微不足道，但在当时却是破天荒的。 ENIAC以电子管作为元器件，所以又被称为电子管计算机，是计算机的第一代。电子管计算机由于使用的电子管体积很大，耗电量大，易发热，因而工作的时间不能太长。

这些机器有的是二进制，有的使用真空管，有的可以编程，但都是非常原始，甚至需要花费数秒时间才能完成最简单的运算。20世纪50年代初，出现穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入计

算机而不用插件板，但其他过程依旧。

第二代（1955~1965）：晶体管和批处理系统， 大型计算机

20世纪50年代，晶体管出现，厂商可以成批生产并销售机器给用户，用户可以指望机器长时间运行，完成一些有用的工作，这些机器，被称为“大型计算机”，由专业操作人员运行，只有少数大公司、重要的政府部门或大学才接受数百万美元的标价。由于机器非常昂贵，为减少机时浪费而采用批处理系统的解决办法。如下图：

第二代大型计算机主要用于科学与工程计算，典型的操作系统有：FMS（FORTRAN监控系统）和IBSYS（IBM为7094机配备的操作系统）。

第三代（1965~1980）：集成电路和多道程序设计， 小型计算机崛起

20世纪60年代初，大多数计算机厂商都有两条不同并且完全不兼容的生产线。一条是面向数字的大型科学用计算机如：IBM 7094，操作系统是IBSYS，主要用于工业强度的科学和工程计算；另一条是面向字符的商用计算机如：IBM 1401，银行和保险公司主要用它从事磁带归档和打印服务。由于开发和维护两种完全不同的产品，对厂商来说是昂贵的，另外，用户一开始时需要一台小计算机，后来又需要一台大计算机。IBM公司试图通过引入Syetem/360来一次性解决这两个问题，360是一个软件兼容的计算机系列，是第一个采用集成电路的主流机型，操作系统是OS/360。OS/360和其他公司类似的第三代操作系统最重要的是采用多道程序设计，将内存分为几个部分，每部分存放不同作业，当一个作业等待I/O操作完成时，另一个作业可以使用CPU，减少CPU空闲时间的浪费。

第三代计算机另外一个特性是：任何时刻当一个作业运行结束时，操作系统就能将一个新作业从磁盘读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫同时的外部设备联机操作，即SPOOLing技术。

第三代操作系统很适用于大型科学计算和繁忙商务数据处理，实质上仍旧是批处理系统。

而对第三代计算机而言，一个作业提交到运算结果取回往往长达数小时，浪费程序员的时间，这种需求导致了分时系统的出现，实际上是多道程序设计的一个变体，每个用户都有一个联机终端。

第一个通用的分时系统——CTSS，是麻省理工学院在一台改装过的7094机上开发成功的，接着，MULTICS系统出现，即能够同时支持数百名分时用户的一种机器。

第三代计算机主要的进展是：由大型计算机向小型计算机过渡，小型计算机崛起，如：1961年的PDP-1计算机，很热销，顶峰为PDP-11。

第四代（1980年至今）：个人计算机

随着LSI（大规模集成）电路的发展，个人计算机时代到来了。

以往，公司的一个部门或大学里的一个院系才能配备一台小型计算机，多人一起使用；

而微处理器确使每个人都能拥有自己的个人计算机（那个时候叫微型计算机）了。

20世纪60年代，Doug Engelbart发明了图形用户界面（GUI），包括窗口、图标、菜单以及鼠标。这些思想首先于1973年被Xerox公司应用到经过改进的Alto电脑系统中，但是遗憾的是，当时这些系统都是实验用的，完全被用于研究工作，并没有向大众推广。

1970年，UNIX操作系统（尤尼斯）诞生，是一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于分时操作系统，最早由KenThompson、Dennis Ritchie和Douglas McIlroy于1969年在AT&T的贝尔实验室开发。目前它的商标权由国际开放标准组织所拥有，只有符合单一UNIX规范的UNIX系统才能使用UNIX这个名称，否则只能称为类UNIX（UNIX-like）。1970年可称为"UNIX元年"。

1974年，Intel 8080第一代通用8位CPU出现时，Intel希望有一个8080操作系统，请求其顾问Gary Kildall编写，kildall和一位朋友构造了第一台配有磁盘的微型计算机，并为它写了一个基于磁盘的CP/M操作系统。Kildall于是组建了一家公司Digital Research，进一步开发和销售CP/M，1977年，Digital Research重写CP/M，使其可以在使用8080、Zilog Z80以及其他CPU芯片的多种微型计算机运行，从而完全控制了微型计算机世界长达5年之久，成为当时主宰操作系统的公司。

1981年，DOS操作系统出现，DOS，是磁盘操作系统的缩写，是个人计算机上的一类操作系统。20世纪80年代早期，IBM设计了IBM PC，并寻找可在PC上运行的操作系统，后来，IBM购买了计算机制造商Seattle Computer Products的操作系统DOS，同时，IBM雇佣写DOS作者Tim Paterson进行修改，修改版为MS-DOS，并且很快主导了IBM PC市场。1983年，IBM PC后续机型IBM PC/AT推出，配有Intel 80286 CPU,此时，MS-DOS在IBM PC兼容机市场中占有举足轻重的地位，而CP/M只剩下最后的支撑。

1991年，Linux由Linus Benedict Torvalds开发，于当年10月在comp.os.minix新闻组上发布消息，正式向外宣布Linux操作系统的诞生，严格上讲这时只是个内核还不能称其为一个完整的系统，之后在网上广泛流传，许多程序员参与了开发与修改，后来Linux内核结合GNU软件才诞生了现在的Linux。为什么Linus Benedict Torvalds要开发Linux呢，主要还是因为当时Unix的商业限制导致的，如果Unix当时不闭源的话，可能就没有现在的Linux系统了。

1993年，FreeBSD操作系统发展起来，FreeBSD是一种类UNIX操作系统，是由经过BSD、386BSD和4.4BSD发展而来的Unix的一个重要分支。FreeBSD 为不同架构的计算机系统提供了不同程度的支持。并且一些原来BSD UNIX的开发者后来转到FreeBSD的开发，使得FreeBSD在内部结构和系统API上和UNIX有很大的兼容性。由于FreeBSD宽松的法律条款，其代码被好多其他系统借鉴包括苹果公司的OS X，正是由于OS X的UNIX兼容性，使得OS X获得了UNIX商标认证

注意：早期的操作系统CP/M、DOS、Unix还是其他操作系统，是通过键盘输入命令操作的，那个时候计算机还没有图形用户（GUI）界面，图形界面的特点是人们不需要记忆和键入繁琐的命令，只需要使用鼠标直接操纵界面。

1979年，苹果公司创始人Steve Jobs被Xerox公司邀请观看Alto以及执行在该系统上的软件。Steve Jobs被自己所看到的电脑技术所震撼，他意识到这些技术代表了电脑未来的发展潮流。这些技术就包括使用鼠标作为指点输入设备和操作系统使用的GUI(Graphics User Interface，图形用户界面)。苹果公司立即将这些功能加入自己的系统中，准备开发新型的家用电脑，并且高薪挖到了十几位Xerox公司的技术人员。 1981年，Xerox公司推出了使用鼠标，并应用GUI操作系统的Star 8010电脑，这是大众首次了解鼠标，可惜由于这种电脑价格过于昂贵，销量很小。尽管如此，鼠标已经引起了不少人的注意，并开始为人们所掌握。

1983年，苹果公司正式推出LISA电脑，这是Apple公司自己的第一台使用鼠标的电脑，进一步把鼠标介绍给了广大用户，让用户认识到了鼠标的作用。

1984年，LISA的升级产品--Macintosh问世。这是Apple公司的一个里程碑，也是电脑发展史上的一个里程碑，它为Apple公司带来丰厚收入的同时，也让鼠标走进了前家万户。

1999年，苹果公司采用了一种内核，来自本是替换BSD UNIX内核而开发的卡内基.梅隆大学的Mach微核，尽管有着截然不同的界面，但MAC OS X操作系统是基于UNIX的操作系统。

Mac OS操作系统演变历程：