计算机基础系列教程二：操作系统简介

一. 为什么需要操作系统（Operating System，OS）

　　第一代计算机（1940~1955）使用真空管和穿孔卡片，是直接对硬件进行操作，同时只能运行一个程序，当时根本没有操作系统的概念。随着计算机硬件的急速发展，计算机系统已经由一个或者多个处理器，主存，硬盘，键盘，鼠标，显示器，打印机，网络接口及其他输入输出设备组成。面对如此繁多、复杂的硬件，如果要求每位应用程序员都必须掌握该系统所有的细节，那就不可能再编写代码了（严重影响了程序员的开发效率：全部掌握这些细节可能需要一万年....）。因为管理这些部件并加以优化使用，是一件极富挑战性的工作，于是，计算安装了一层软件（系统软件），称为操作系统。它的任务就是为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理刚才提到的所有设备。

二. 什么是操作系统

　　操作系统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。

　　操作系统的位置：位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件。操作系统由操作系统的内核（运行于内核态，管理硬件资源）以及系统调用（运行于用户态，为应用程序员写的应用程序提供系统调用接口）两部分组成，所以，单纯的说操作系统是运行于内核态的，是不准确的。

图1

操作系统的功能：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。主要功能为以下两点：

　　1. 隐藏了丑陋的硬件调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源的更好，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）。应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操作硬件的细节，专心开发自己的应用程序即可。

　　　比如，磁盘资源的抽象是文件系统（C盘，D盘，E盘...下的目录及文件），有了文件的概念，我们直接打开文件，读或者写就可以了，无需关心记录是否应该使用修正的调频记录方式，以及当前电机的状态等细节。

图2

　　2. 管理硬件资源，即将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化。现代的操作系统同时运行多道程序，操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配。

例如：同一台计算机上同时运行三个程序，它们三个想在同一时刻在同一台计算机上输出结果，那么开始的几行可能是程序1的输出，接着几行是程序2的输出，然后又是程序3的输出，最终将是一团糟（程序之间是一种互相竞争资源的过程）。操作系统将打印机的结果送到磁盘的缓冲区，在一个程序完全结束后，才将暂存在磁盘上的文件送到打印机输出，同时其他的程序可以继续产生更多的输出结果（这些程序的输出没有真正的送到打印机），这样，操作系统就将由竞争产生的无序变得有序化。

三. 操作系统的发展

第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代计算机的产生背景：

第一代之前人类是想用机械取代人力，第一代计算机的产生是计算机由机械时代进入电子时代的标志，从Babbage失败之后一直到第二次世界大战，数字计算机的建造几乎没有什么进展，第二次世界大战刺激了有关计算机研究的爆炸性进展。lowa州立大学的John Atanasoff教授和他的学生Clifford Berry建造了据认为是第一台可工作的数字计算机。该机器使用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，英格兰布莱切利园的一个小组在1944年构建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大学建造了Mark 1，宾夕法尼亚大学的William Mauchley和他的学生J.Presper Eckert建造了ENIAC。这些机器有的是二进制的，有的使用真空管，有的是可编程的，但都非常原始，设置需要花费数秒钟时间才能完成最简单的运算。

在这个时期，同一个小组里的工程师们，设计、建造、编程、操作及维护同一台机器，所有的程序设计是用纯粹的机器语言编写的，甚至更糟糕，需要通过成千上万根电缆街道插件板上连成电路来控制机器的基本功能。没有程序设计语言（汇编也没有），操作系统则是从来都没听说过。使用机器的过程更加原始。

特点：
a. 没有操作系统的概念
b. 所有的程序设计都是由纯粹的机器语言编写的

工作过程：
程序员在墙上的机时表预约一段时间，然后程序员拿着他的插件版到机房里，将自己的插件板街道计算机里，这几个小时内他独享整个计算机资源，后面的一批人都得等着(两万多个真空管经常会有被烧坏的情况出现)。后来出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入机而不用插件板

优点：程序员在申请的时间段内独享整个资源，即时的调试自己的程序，如果有bug可以即时处理。

缺点：这对于计算机提供商来说是一种浪费（你买一台电脑4000块，那 一年中你用365比只用1天，肯定是省成本的，物尽其用）你有一台电脑你往外租，你一次租2个小时，那么即便是用户在第一个小时就已经完成工作了，剩下的1个小时你的电脑就空闲了，而一天你只能租给12个人，相当于要浪费12个小时。

注意：同一时刻只有一个程序在内存中，被cpu调用执行，比如说10个程序的执行，是串行的。

第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统

第二代计算机的产生背景：

由于当时的计算机非常昂贵，自认很自然的想办法较少机时的浪费。通常采用的方法就是批处理系统。

特点：
设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员直接有了明确的分工，计算机被锁在专用空调房间中，由专业操作人员运行，这便是“大型机”。

有了操作系统的概念，下图就是最早期的操作系统：是人力与计算机结合的系统，需要人参与。

有了程序设计语言：FORTRAN语言或汇编语言，写到纸上，然后穿孔打成卡片，再讲卡片盒带到输入室，交给操作员，然后喝着咖啡等待输出接口

工作过程：插图

图3

第一代计算机的问题是：
人机交互太多了（人机交互过程：输入-》计算-》输出）
一个人的交互：输入-》计算-》输出

10个人的交互：
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出

第二代如何解决第一代的问题：
1.把一堆人的输入攒成一大波输入，
2.然后顺序计算（这是有问题的，但是第二代计算也没有解决）
3.把一堆人的输出攒成一大波输出