操作系统简介

操作系统简介

一.为什么要有操作系统？

电脑是由硬件和软件组成的，缺了任何一样都无法运行。我们对电脑进行操作，都是利用操作系统来完成。最初的电脑没有操作系统，人们通过各种操作按钮来控制计算机，后来出现了汇编语言，并将它的编译器内置到电脑中，操作人员通过有孔的纸带将程序输入电脑进行编译。这些将语言内置的电脑只能由操作人员自己编写程序来运行，不利于设备、程序的共用。为了解决这种问题，就出现了操作系统，这样就很好实现了程序的共用，以及对计算机硬件资源的管理，使人们可以从更高层次对电脑进行操作，而不用关心其底层的运作。 操作系统是现代电脑必不可少的系统软件，是电脑的灵魂所在。现代的电脑都是通过操作系统来解释人们的命令，从而达到控制电脑的目的。几乎所有的应用程序也是基于操作系统的。

二.什么是操作系统?

 

1.操作系统的定义：操作系统（Operating System）是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。

 

2.操作系统的位置：操作系统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。

 

 

3.操作系统的功能：

(1)进程管理（Processing management

(2)内存管理（Memory management)

(3)文件系统（File system）

(4)网络通讯（Networking）

(5)安全机制（Security）

(6)用户界面（User interface）

(7)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。

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。

 

用户界面

用户界面（User Interface）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。

三. 操作系统的发展

1.第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代计算机基于真空管技术，典型产品有1951生产的UNIVAC，由Mauchly and Eckert设计

第一代计算机的主要特点是：

• 采用电子管作基础元件；
• 使用汞延迟线作存储设备，后来逐渐过渡到用磁芯存储器；
• 输入、输出设备主要是用穿孔卡片，用户使用起来很不方便；
• 系统软件还非常原始，用户必须掌握用类似于二进制机器语言进行编程的方法.

2.第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统

第二代电子计算机采用晶体管制造的电子计算机。国外第二代电子计算机的生存期大约是1957-1964年。其软件开始使用面向过程的程序设计语言，如fortran、algol等。

特点：（1）采用晶体管

晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。

（2）出现高级语言中央处理单元

第二代计算机语言仍然是“面向机器”的语言，但它已注定要成为机器语言向更高级语言进化的桥梁。

 

第二代电子计算机是用晶体管制造的计算机。在20世纪50年代之前，计算机都采用电子管作元件。电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机的设想也就更容易实现了。 
　　1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。1955年，美国在阿 塔拉斯洲际导弹上装备了以晶体管为主要元件的小型计算机。10年以后，在美国生产的同一型号的导弹中，由于改用集成电路元件，重量只有原来的1/100，体积与功耗减少到原来的1/300。1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件，及快速磁芯存储器，计算机速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存贮量，从几千提高到10万以上。1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的的电子计算机IBM7090。1958-1964年，晶体管电子计算机经历了大范围的发展过程。从印刷电路板到单元电路和随机存储器，从运算理论到程序设计语言，不断的革新使晶体管电子计算机日臻完善。1961年，世界上最大的晶体管电子计算机ATLAS安装完毕。1964年， 中国制成了第一台全晶体管电子计算机441-B型。

 

3.第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计

采用中、小规模集成电路制造的电子计算机。1964年开始出现，60年代末大量生产。

特点：采用集成电路（每个电路片有4一100个门）和软设备系统化时代。

基本技术：以操作系就为中心，进行软备系统化研究，成果之一即为分时系挽的研制，广泛使用小型计算机。

其机种多样化、系列化，外部设备品种繁多，并开始与通信设备相结合而发展为由多机组成的计算机网。运算速度可达每秒几百万次，甚至几千万次、上亿次。

 

4.第四代计算机（1980~至今）：个人计算机

 

四.多路复用

 

数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量往往会大于传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(Multiplexing)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)是两种最常用的多路复用技术。

 

 

多路复用是指以同一传输媒质（线路）承载多路信号进行通信的方式。各路信号在送往传输媒质以前，需按一定的规则进行调制，以利于各路已调信号在媒质中传输，并不致混淆，从而在传到对方时使信号具有足够能量，且可用反调制的方法加以区分、恢复成原信号。多路复用常用的方法有频分多路复用和时分多路复用，码分多路复用的应用也在不断扩大。

 

举个例最简单的例子：

从A地到B地

坐公交2块。打车要20块

为什么坐公交便宜呢

这里所讲的就是“多路复用”的原理。

 

四.多路复用分类

1 频分复用

(FDM) 频分复用按频谱划分信道，多路基带信号被调制在不同的频谱上。因此它们在频谱上不会重叠，即在频率上正交，但在时间上是重叠的，可以同时在一个信道内传输。在频分复用系统中，发送端的各路信号m1(t)，m2(t)，…,mn(t)经各自的低通滤波器分别对各路载波f1(t)，f2(t)，…，fn(t)进行调制,再由各路带通滤波器滤出相应的边带（载波电话通常采用单边带调制），相加后便形成频分多路信号。在接收端，各路的带通滤波器将各路信号分开，并分别与各路的载波f1(t)，f2(t)，…，fn(t)相乘，实现相干解调,便可恢复各路信号,实现频分多路通信。

为了构造大容量的频分复用设备，现代大容量载波系列的频谱是按模块结构由各种基础群组合而成。根据国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议,基础群分为前群、基群、超群和主群。

①前群，又称3路群。它由3个话路经变频后组成。各话路变频的载频分别为12，16，20千赫。取上边带，得到频谱为12～24千赫的前群信号。

②基群,又称12路群。它由4个前群经变频后组成。各前群变频的载频分别为84，96，108，120千赫。取下边带，得到频谱为 60～108千赫的基群信号。基群也可由12个话路经一次变频后组成。

③超群,又称60路群。它由5个基群经变频后组成。各基群变频的载频分别为420，468，516，564，612千赫。取下边带,得到频谱为312～552千赫的超群信号。

④主群，又称300路群。它由5个超群经变频后组成。各超群变频的载频分别为1364,1612,1860，2108，2356千赫。取下边带,得到频谱为812～2044千赫的主群信号。3个主群可组成 900路的超主群。4个超主群可组成3600路的巨群。

频分复用的优点是信道复用率高，允许复用路数多，分路也很方便。

因此，频分复用已成为现代模拟通信中最主要的一种复用方式，在模拟式遥测、有线通信、微波接力通信和卫星通信中得到广泛应用。

2 时分复用

若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率,则可采用时分多路复用TDM技术,也即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用,而不像FDM那样,同一时间同时发送多路信号。这样,利用每个信号在时间上的交叉,就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的,也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。如图中的多路复用器有8个输入,每个输入的数据速率假设为9.616ps,那么一条容量达76.8kbps的线路就可容纳8个信号源。该图描述的时分多路复用四M方案,也称同步(Synchronous)时分多路复用TDM,它的时间片是预先分配好的,而且是固定不变的,因此各种信号源的传输定时是同步的。与此相反,异步时分多路复用1DM允许动态地分配传输媒体的时间片。

时分多路复用TDM不仅仅局限于传输数字信号,也可以同时交叉传输模拟信号。另外,对于模拟信号,有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。一个传输系统,可以频分成许多条子通道,每条子通道再利用时分多路复用技术来细分。在宽带局域网络中可以使用这种混合技术。

3 波分复用

光的波分多路复用是指在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长解复用器将各路波长分解出来。所选器件应具有灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、功耗小、体积小、重量轻、器件可替换性强等优点。光源输出的光信号带宽为40nm，在此宽带基础上可实现多个通道传感器的大规模复用。

4 码分多址

码分多址通信原理：

码分多址（CDMA，Code－DivisionMultiple Access）通信系统中，用户传输信息所用的信号不是靠频率或时隙的不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。

在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。 类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。

更为详细的、更为系统的介绍

CDMA是码分多址（Code Division Multiple Access）技术的缩写，是近年来在数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通信技术，它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。

CDMA最早由美国高通公司推出，近几年由于技术和市场等多种因素作用得以迅速发展，目前全球用户已突破5000万。

5 空分多址

空分多址　空分多址(SDMA)，也称为多光束频率复用。它通过标记不同方位的相同频率的天线光束来进行频率的复用。

SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍的提高频谱使用效率。

技术持点

1．CDMA是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点：

（1）抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。

（2）宽带传输，抗衰落能力强。

（3）由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。

（4）利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。

2．在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点：

（1）采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。

（2）采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。

（3）采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。

（4）采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。

（5）具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。

（6）兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。

（7）COMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。

（8）CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。OCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbit/S和13kbit/S两种速率的序列。8kbit/S序列从1.2kbit/s到9.6kbit/s可变，13kbit/S序列则从1.8kbt/s到14.4kbt/S可变。最近，又有一种8kbit/sEVRC型编码器问世，也具有8kbit/s声码器容量大的特点，话音质量也有了明显的提高。