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3.2 操作系统的基本概念
我们将未配置任何软件的计算机称为裸机，即由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）设备等硬件组成的计算机。裸机是无法充分发挥硬件性能的，不适合一般的用户使用，只有配备了软件以后，计算机才可以更好地完成对信息的存储、检索和处理等一系列工作。如上一节所述，我们把计算机系统划分为两部分：硬件和软件。硬件是计算机系统的物质基础，它包括多种多样的物理设备；软件可以分为应用软件和系统软件。系统软件是指使计算机能够工作的一些基础软件，只有在系统软件的支持下，应用软件才能正常的运行。操作系统就是系统软件的典型代表。操作系统在计算机系统中的地位如图3-2所示。
图3-2 操作系统在计算机系统中的地位
从图3-2可知，操作系统在计算机系统中所处的位置是在硬件与其他软件之间的一个特殊位置上，它紧贴系统硬件上，所有其他软件下，是其他软件的共同环境。
为此，我们可以给出操作系统如下的定义：
操作系统是为了方便用户和提高计算机的利用率，而对计算机系统资源进行组织和管理的程序集合。用户是一个广义的概念，包括一般用户和软件开发人员等；资源包括处理器、存储器、输入/输出设备等硬件资源和程序、数据等软件资源。
操作系统有各种分类方法，通常按其系统功能、运行环境及服务对象来分类。尽管分类方法不同，迄今为止的各种操作系统均属于这些操作系统之一或它们的组合：单用户操作系统、批量处理系统、分时系统、实时系统、网络操作系统、分布式操作系统和并行操作系统等。
批处理操作系统中，用户的作业分批提交并处理，即系统将作业成批输入系统并暂存在外存中，组成后备作业队列，每次按一定的调度原则从后备作业中选择一个或多个装入主存进行处理，作业完成后退出。这些操作由系统自动实现，在系统中形成了一个自动转接的作业流，当一批作业运行完毕，输出结果后，系统便接收下一批作业。
在批处理系统中，用户不能直接干预作业的运行过程，而是将其对作业的控制意图在作业提交前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运行时的资源请求，或是对可能产生的运行错误的相应处理等。作业说明书或作业控制卡在提交作业时，与程序和数据一起提交给系统，由作业控制程序或命令解释程序解释执行，并且提供相应的服务。
批处理操作系统，又分单道批处理系统和多道批处理系统。单道批处理系统比较简单，相当于单用户操作系统。在批处理系统中引入多道程序设计技术后，具有以下的特征。
（1）多道性：在内存中同时驻留多道程序，它们可以并发执行，以提高系统的资源利用率和系统的吞吐量。
（2）无序性：作业的执行顺序与作业进入系统的先后顺序没有严格的对应关系。
（3）调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。作业调度是指按照一定作业调度算法，从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存。进程调度是指按照一定进程调度算法，从在内存的进程中选择一个进程，将处理机分配给它，使其执行。
批处理系统，特别是多道批处理系统的主要优点是资源利用率高，提高了系统的吞吐量。批处理系统的缺点主要体现在以下两个方面：
（1）平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直到作业完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业需要排队来依次进行处理，因而作业的周转时间较长。
（2）无交互能力。在作业提交后，用户便失去了对作业运行的控制能力，不能与自己的作业进行交互，不便于对作业的控制。
所谓“分时”，就是把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（Time Slice），每个用户依次轮流使用时间片。分时系统具有如下特征。
（1）多路性：多个用户同时工作。它们共享系统资源，提高了资源利用率。
（2）独立性：各用户独立操作，互不干扰。微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片；宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源。每个终端用户都有一个共同的感觉，即它独占了整个系统资源，好像整个系统专为它服务。
（3）交互性：一个计算机系统与若干台本地或远程终端相连，每个用户可以在所使用的终端上以人—机会话的交互方式使用计算机。系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率，缩短了周转时间。目前尽管批处理系统仍然在某些方面继续使用，但是分时系统作为多道程序系统的一个典型代表，集中体现了多道程序系统的一些技术特征，成为当今的计算机操作系统主流。
实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。“实时”是指系统能够及时响应发生的外部事件（一般是一些随机事件），并以足够快的速度完成对事件的处理。在对时间响应的要求上，实时系统比分时系统要严格得多，一般在毫秒级、微秒级，而批处理系统甚至可以不作响应时间的要求。为了保证程序可靠运行，系统应提供安全措施，比如多级容错、硬件冗余等，避免因发生错误或丢失信息而造成重大经济损失甚至导致灾难性的后果。因此，实时操作系统有下列特性。
（1）实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能。
（2）过载保护功能：“过载”是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。实时操作系统应有足够的处理能力，使其能及时处理系统中的所有任务。但是由于被处理的任务进入系统时带有很大的随机性，使得在某段时间内系统中的任务数可能超出了它的处理能力，从而产生所谓的“过载”问题。为此实时系统必须具备某种防护机构，以保证即使出现过载，系统仍能正常工作。
（3）高度可靠性和安全性：系统具有容错能力（例如故障自动复位等）和冗余备份（包括双机备份及关键部件备份）等功能。
实时操作系统与批处理系统和分时系统有以下区别：
（1）系统设计的目标不同。许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统。
（2）响应时间的长短。实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。分时系统对响应时间的要求，一般以人能接受的等待时间为准。
（3）交互性的强弱。分时系统通常是通用性很强的计算机系统，用户和系统之间有较强的会话能力，交互性强；而实时系统是专用系统，交互性较弱。
（4）实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余，如双机系统。
（5）实时系统可与通用系统结合成通用实时系统，将实时处理作为前台作业执行，后台作业做批处理。
较早的计算机系统基本上都是单处理机系统，后来出现了多处理机系统，从计算机体系结构上来改善系统性能。随着系统中处理机数目的增多，既提高了系统的吞吐量，又可以共用其他部件以节约成本。而且多处理机系统的系统重构功能提高了系统的可靠性，即当其中任何一台处理机发生故障时，系统能立即将该处理机上所处理的任务迁移到其他的一个或多个处理机上去处理，整个系统仍能正常运行，仅使系统的性能略有降低。根据各处理机之间的紧密程度，我们可以把多处理机系统从硬件结构上分为紧密耦合型和松散耦合型两大类。
多处理机系统所配置的操作系统可以分为对称式和非对称式（又称为主—从式）的。对称式是每个处理机上运行着同一操作系统的备份，这些备份可以与其他备份之间根据任务需要进行通信。非对称式是指每个处理机执行特定的任务，由一台主处理机控制整个系统，其他处理机根据主处理机的指令完成指定的任务，主处理机和其他处理机之间具有主—从关系。目前大多数多处理机系统采用的是对称式操作系统。
网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机提供方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需的各种服务软件和相关规程的集合。
分布式系统是以计算机网络为基础的，由多个分散的处理单元经互联网络的连接而形成的，可以实现分布处理的系统。它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式系统中的每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协调，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配任务，并能并行地运行分布式程序。在分布式系统上配置的操作系统，称为分布式操作系统。分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内任务的分配并自动调度各处理机的工作负载。
个人计算机操作系统是针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。个人计算机操作系统主要应用在事务处理、个人娱乐等。具有使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信等）、效率要求不必很高等特点。
常用的个人计算机操作系统有单用户单任务MS-DOS；单用户多任务OS/2、MS Windows 3.X、Windows 95、Windows 98和多用户多任务UNIX等。