第1章 操作系統概述1.1認識操作系統1.2操作系統的發展與現狀1.3Linux操作系統概述

1.1認識操作系統

1.1.1操作系統的概念

計算機系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成一臺計算機的各個部件，包括中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）、內存和設備。軟件包括系統軟件和應用軟件。軟件的靜態形式是存儲在存儲設備中的程序、數據和文檔信息；軟件的動態形式是運行于CPU和內存中的指令流。在計算機系統中，硬件與軟件相互依賴：硬件提供了執行計算的能力，軟件控制和使用硬件完成特定的計算任務。

從資源的角度看，計算機系統內的所有硬件以及存儲設備中的數據都被看作資源。計算機系統的用戶和系統中運行的程序都是這些資源的使用者。計算機系統的資源分為4類，如圖1-1所示。圖1-1計算機系統的資源

操作系統（OperatingSystem）是計算機系統中最基本的軟件。它直接管理和控制計算機的資源，合理地調度資源，使之得到充分的利用，并為用戶使用這些資源提供一個方便的操作環境和良好的用戶界面。

從資源角度看，操作系統是管理和控制計算機資源的軟件。

從用戶角度看，操作系統是用戶與計算機之間的接口。

從系統結構上看，操作系統是在硬件之上的第一層軟件。

可以看出，操作系統在計算機系統中起到支撐應用程序運行以及提供用戶操作環境的作用，它是計算機系統的核心與基石。所有其他軟件都要倚賴操作系統才能運行。圖1-2示意了操作系統在計算機系統中的重要地位。圖1-2操作系統在計算機系統中的地位

1.1.2 操作系統的功能

操作系統作為計算機系統的資源管理器，它的功能就是管理系統資源。操作系統作為系統與用戶之間的接口，它要為用戶提供一個良好的使用環境。這些功能可以歸納為以下5項：

（1）CPU管理。CPU是計算機硬件的核心。

（2）存儲管理。存儲器指的是計算機的內存，是計算機中比較寶貴的資源。

（3）文件管理。文件是程序和數據在存儲設備中的存放形式。

（4）設備管理。設備是實現計算機與外界交換數據功能的部件，因此也稱為I/O（Input/Output）設備。

（5）用戶接口。用戶接口的功能是向用戶提供一個使用系統的良好環境，使用戶能方便有效地利用系統完成自己的工作。

1.2操作系統的發展與現狀

1.2.1操作系統的發展操作系統的發展與計算機硬件體系結構和工藝技術的發展分不開。按照計算機硬件的4個時代的劃分，操作系統的發展經歷了以下幾個階段。

1.第一代計算機（20世紀40年代中至50年代末）

第一代計算機采用電子管器件設計，體積龐大，運行速度也很慢，主要用于數值計算。這個時期的機器沒有操作系統，采用機器語言編寫程序，完全靠手工方式來操作。具體的操作方式有手工操作和手工批處理操作兩種。

1）手工操作

2）手工批處理操作

2.第二代計算機（20世紀50年代末至60年代中）

20世紀50年代末，計算機進入了晶體管時代，計算機的運行速度和可靠性都有了明顯的提高，大型機誕生，并開始進入實際應用領域，如少數大型公司、政府部門和大學等。這個時期的計算機主要用于科學和工程計算，大多用FORTRAN語言和匯編語言編程。由于機器價格昂貴，因此減少處理器的空閑等待時間成為這個時期主要的研究目標。解決方案就是批處理系統和執行程序系統。

1）批處理系統

2）執行程序系統

3.第三代計算機（20世紀60年代中至70年代初）

計算機進入集成電路時代后，系統體積明顯減小，系統性能進一步提高，價格逐漸降低。此時，大型機開始進入商業領域，小型機也逐漸崛起，高級語言誕生。這一時期也是操作系統的興盛期，涌現出大批操作系統，包括多道批處理系統、分時系統和實時系統。這些奠定了現代操作系統的基礎框架。

1）多道批處理系統

2）分時系統

3）實時系統

4.第四代計算機（20世紀70年代初至今）

20世紀70年代初，計算機進入大規模集成電路時代，20世紀80年代又進入超大規模集成電路時代。此時計算機的性能和可靠性大幅提高，體積和價格大幅下降。這些因素促使個人計算機和嵌入式設備飛速地發展和普及，同時計算機網絡也在興起和迅速擴大。伴隨這些發展，操作系統向著個人計算、網絡與分布式計算、移動計算方向高速發展。操作系統的理論日益完善，性能愈加穩定，操作更為方便。

1）PC操作系統

2）網絡操作系統

3）嵌入式操作系統

縱觀操作系統的發展歷史，可以看到主導其發展的兩條主要線索，即硬件和應用。早期操作系統的發展緊密依賴于硬件，動力在于提高昂貴的硬件資源的利用率。而隨著硬件價格的下降，操作系統更加注重系統的易用性，致力于構造方便、安全和可靠的應用環境。值得注意的是，近年來操作系統的發展已逐漸走出依附于硬件發展的局面，形成自身的一套理論體系，并推動整個軟件產業走向成熟。

1.2.2 操作系統的分類與現狀

操作系統的分類主要有以下幾種方式。

1. 按處理方式分

1）多道批處理系統

多道批處理系統（BatchProcessingOS）主要用于大型機系統。多道是指在內存中存在多個作業，同時處于運行狀態，共享系統資源。

多道批處理系統的設計目標是充分利用系統資源，縮短作業周轉時間，提高系統吞吐量。其代表是IBM大型機操作系統VM、MVS和OS/390。

2）分時操作系統

多道批處理系統追求的目標是充分地利用系統資源。但從用戶的角度看，多道批處理系統的使用很不方便，它有以下缺點：

（1）用戶響應時間長。

（2）用戶無法干預運行中出現的狀況。

分時操作系統具有以下特點：

（1）多路性：多個用戶同時使用一臺主機，各用戶的作業都在同時進行著。

（2）獨立性：多個用戶作業之間互不干擾，用戶感覺好像是在獨立使用計算機。

（3）及時性：系統對用戶有足夠快的響應時間，用戶覺察不出作業的停頓。

（4）交互性：用戶直接與系統交互，發布命令，觀察作業的運行狀態和結果。

3）實時操作系統

實時操作系統（RealTimeOS）是指具有一定實時資源調度能力的操作系統。實時是指對特定事件的響應和處理時間是可預知的，在任何情況下都不會超出操作系統所承諾的上限。實時系統的響應時間比分時系統更短，更苛刻，往往要達到毫秒或微秒級。

實時操作系統主要關注系統的響應性。它的交互能力比較差，不強調資源利用率，但對響應時間和可靠性的要求很高，通常應用在需要精細的過程控制能力的領域，如航空航天、軍事、醫療和工業控制。

2. 按規模和用途分

1）主機操作系統

主機操作系統（MainframeOS）通常是指運行在IBM公司的大型機以及其他廠商制造的兼容主機上的操作系統。

2）通用操作系統

最常用的操作系統是通用操作系統（GeneralPurposeOS），它是分時操作系統與批處理系統的結合。通用操作系統的原則是分時優先，批處理在后，即在“前臺”以分時方式響應用戶的交互作業，在“后臺”以批處理方式處理時間性要求不強的作業。

3）個人操作系統

個人操作系統（PersonalOS）是為個人應用而設計的操作系統，通常是單用戶多任務系統。與其他操作系統相比，個人操作系統更注重的是系統的易用性，而不是系統的利用率。它們的交互界面都十分美觀且便于操作，強調對多媒體和網絡訪問功能的支持，以滿足用戶日常辦公、學習和娛樂等方面的需求。

3. 按體系結構分

1）網絡操作系統

網絡操作系統（NetworkOS）是指運行在網絡服務器上的操作系統，因此也稱為服務器操作系統。

網絡操作系統主要有UNIX、Linux和Windows。UNIX主要應用于高端服務器，如大型數據庫系統和關鍵事務應用系統等。

2）分布式操作系統

分布式系統由若干臺計算機組成，它們通過高速局域網互連，形成一個緊密耦合的集群，在同一操作系統的控制下運行，這個操作系統就是分布式操作系統（DistributedOS）。分布式操作系統負責管理分布式系統的各個節點的資源，并控制分布式程序的運行。在分布式操作系統的控制下，各節點機協同工作，并行計算，相互可以充分共享資源，均衡負載，從而獲得極高的整體運算能力。分布式操作系統的另一個優勢是它的可靠性。機群中的一個節點失效，不會影響整個系統的運作。

3）嵌入式操作系統

嵌入式操作系統（EmbededOS）是運行在嵌入式系統環境中，對整個嵌入式系統的資源進行調度和控制的系統。嵌入式操作系統具有以下特點：

（1）體積小。嵌入式系統大多使用閃存（flashmemory）作為存儲介質。

（2）可靠性高。嵌入式系統大多工作在較差的環境中。

（3）實時性強。大多數用于過程控制的嵌入式操作系統都是實時系統，很多還是強實時多任務系統。

（4）智能化。嵌入式系統通常內建地具有支持設備各項智能特性的能力，如觸摸感應、遙控、GPS和無線通信等。

1.3 Linux操作系統概述

1.3.1 Linux的發展背景與歷史1. Linux的背景Linux的誕生和發展與UNIX系統、Minix系統、Internet、GNU計劃有著不可分割的關系，它們對于Linux有著深刻的影響和促進作用。1）UNIX系統1971年，UNIX操作系統正式誕生于AT&T公司的Bell實驗室。它是一個多用戶多任務的分時操作系統。

UNIX堪稱操作系統設計的典范。它的許多優秀的設計思想和理念對后來的操作系統產生了深刻的影響。Linux就是許多類UNIX系統中的一個佼佼者。由于Linux的開發者都具有各種UNIX的背景，因此Linux繼承了UNIX的優秀設計思想，也集中了UNIX的各種優點。

2）Minix系統

UNIX是一個商用軟件，雖然它的源代碼是公開的，但不是免費的。UNIX高昂的源碼許可證費用令普通用戶無法接受。另外，UNIX對硬件平臺的要求也比較高，這限制了它在教學和研究領域的使用。

3）Internet

20世紀80年代中期，互聯網Internet逐漸形成，它將全球計算機網絡連接在一起，使世界各地的用戶能夠通過Internet交流和獲取信息。

Linux就是這樣一個誕生于互聯網時代的產物，它的開發者是遍布世界各地的無數個軟件高手，是網絡把他們的力量匯聚在一起，推動Linux不斷地發展和壯大起來。

4）GNU

20世紀80年代初，自由軟件（freesoftware）運動興起。自由軟件運動的目標是減少對軟件使用上的限制，使軟件的發展更具靈活性。自由軟件提倡四大自由，即運行軟件的自由、獲取源代碼修改軟件的自由、發布（免費/少許收費）軟件的自由以及發布后修改軟件的自由。

2. Linux的發展歷史

1991年初，芬蘭赫爾辛基大學的學生LinusTorvalds出于個人愛好，決定自己編寫一個類似Minix的操作系統。

短短二十多年的發展歷史表明，憑借其優秀的設計、不凡的性能和開源的優勢，加上知名企業的大力支持，Linux已從一個為滿足個人愛好而設計的產物成長為一個充滿競爭力和活力的主流操作系統。

1.3.2 Linux操作系統的特點

總的來說，Linux是一個遵循POSIX標準的，多用戶、多任務的自由操作系統。與其他操作系統相比，它有以下顯著特點：

（1）基于UNIX設計，性能出色。Linux繼承了UNIX的優秀品質，具有出色的性能、可靠性和穩定性，為系統的安全運行提供了保證。

（2）遵照GPL許可，是自由軟件。Linux遵循GNU的GPL許可證，是自由軟件家族中最重要的一員。

（3）符合POSIX標準，兼容性好。POSIX是基于UNIX制定的針對操作系統應用接口的國際標準，目的是獲得不同操作系統在源代碼級上的軟件兼容性。

4）可移植性好。可移植性是指將操作系統從一種計算機硬件平臺轉移到另一種計算機硬件平臺后仍能正常運行的能力。

（5）網絡功能強大。Linux是在互聯網上發展起來的，它有著與生俱來的強大的網絡功能。

（6）安全性好。Linux系統是針對多用戶和網絡環境設計的，在設計之初就充分考慮了安全性。

盡管有這些優秀的特性，但Linux系統還是存在一些問題。目前的主要問題是：入門要求比較高，普及率受到限制；發行版本比較多，各版本間不盡兼容；許多自由軟件的開發者大部分不是盈利型團體，缺乏技術支持。

1.3.3 Linux操作系統的組成

Linux的基本系統由3個主要部分組成：

內核：運行程序和管理基本硬件設備的核心程序。

Shell：系統的命令行用戶界面，負責接收、解釋和執行用戶輸入的命令。

文件系統：按一定的組織結構存放在磁盤上的文件集合。

以上部分構成的基本系統是Linux系統的最小配置，它使用戶可以運行程序、管理文件和使用設備。在基本系統之上，用戶可以通過有選擇地附加一些系統和應用軟件（如X圖形用戶界面、系統工具軟件、應用軟件等）來擴展系統，使其滿足不同的應用需求。圖1-3描述了Linux系統的基本結構，其中Shell、內核和硬件設施（包括存有文件系統的磁盤）構成了系統的最基本配置。圖1-3Linux系統的基本結構示意圖

1.3.4 Linux操作系統的版本

Linux的開發和發布模式是：內核程序由Linus帶領的核心組成員負責更新和發布，驅動程序和應用軟件由軟件開發商、系統集成商、社團組織以及眾多Linux愛好者自行開發或移植。因此，Linux的版本也有兩類，即Linux內核版本與Linux系統版本。內核版本是指由內核團隊維護和發布的內核的版本；系統版本是指以Linux內核為基礎構造的、由各發行商或社團組織維護和發布的完整的操作系統的版本，也稱為發行版本。

1. Linux內核版本

Linux內核版本號由三或四個數字表示，基本格式是“主版本號.次版本號.修訂號”，如4.10.26。主版本號和次版本號標識了一個內核的系列，如4.10內核系列。內核系列的升級標志著在結構上或功能上有重要的更新。修訂號代表修改的次數。修訂號的升級表示內核在缺陷修正及驅動程序等方面的更新。

2. Linux發行版本

Linux的知名發行版本多達幾百種，可謂是百花齊放。每種發行版本都在Linux內核的基礎上集成了圖形界面、各種系統工具和應用程序。由于在設計理念、發展策略及面向的目標等方面的差異，發行版本均各具特色，帶給用戶的體驗也各不相同。

目前流行的發行版本主要有以下幾種：

1）RedHat、Fedora和CentOS

2）Debian、Ubuntu和LinuxMint

3）SUSELinux和openSUSE

4）Slackware

5）Arch和Manjaro

3. 選擇Linux版本

雖然同屬一個家族，但各個發行版卻樣貌不同，性格各異。它們彼此間既相互參照，又各自獨立，構成Linux獨有的生態環境。

Slackware和Arch具有高度的可配置性，可將系統的效能與個性發揮到極致，但手工配置的難度會令許多初學者望而卻步。所以它們更適合于那些有經驗的用戶和技術愛好者使用。openSUSE、