通用操作系統(tǒng)

通用操作系統(tǒng)(GPOS)是一種比專用操作系統(tǒng)更通用的操作系統(tǒng)，它可以運行多種應用程序，而不需要特定的硬件要求。通用操作系統(tǒng)可以安裝在許多不同的設備上，它通常側重于進程和硬件管理，以確保應用程序可以可靠地使用各種計算硬件。常見的通用操作系統(tǒng)有Windows、macOS、Unix、Linux等。截至2023年1月，Windows是最常用的通用操作系統(tǒng)。

50年代末60年代初，世界上開始出現(xiàn)大量的多通道批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)。隨著上述兩個系統(tǒng)的不斷完善，實時系統(tǒng)也出現(xiàn)了，操作系統(tǒng)的市場也逐漸完善。通用操作系統(tǒng)是在多通道批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)不斷改進的基礎上發(fā)展起來的。

從60年代中期開始，國際上開發(fā)了大規(guī)模的通用操作系統(tǒng)，可以具有多批分時和實時處理的功能，也可以具有兩種以上的功能。例如，將實時處理和批處理結合起來，形成實時批處理系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，它首先確保任務被賦予優(yōu)先級，并且批處理作業(yè)被處理。通常，實時任務稱為前臺作業(yè)，批處理作業(yè)稱為后臺作業(yè)。批處理和分時處理相結合，形成分時批處理系統(tǒng)，優(yōu)先考慮分時用戶。沒有分時用戶時，可以處理批量作業(yè)，前臺和后臺也可以處理分時用戶和批量作業(yè)。

原有的通用操作系統(tǒng)非常復雜龐大，其可靠性、可維護性和可理解性都比較困難，因此很難普及。直到1969年，美國美國電話電報公司公司的貝爾實驗室發(fā)布了Unix系統(tǒng)，這是一種基于內核的通用操作系統(tǒng)，可以支持內核之外的龐大軟件系統(tǒng)，從而滿足了各行各業(yè)的需求，對現(xiàn)代操作系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。隨后的Windows和Linux也是基于Unix開發(fā)的。

80年代，一方面迎來了個人計算機時代，另一方面向計算機網(wǎng)絡、分布式處理、超級計算機、智能化方向發(fā)展。20世紀90年代后期，由于個人電腦硬件功能的急劇增加以及用戶對安全和網(wǎng)絡功能要求的增強，個人電腦的操作系統(tǒng)也從單用戶單任務操作系統(tǒng)向單用戶多任務操作系統(tǒng)轉變，如微軟公司的DOS系統(tǒng)向Windows系統(tǒng)轉變。1992年，太陽微系統(tǒng)發(fā)布的Solaris 2.0是當時典型的通用操作系統(tǒng)。它也是基于UNIX開發(fā)的，是一個32位分布式計算環(huán)境，支持完全對稱的多處理器、多任務和混合多線程策略。

模塊化組合結構：這種結構常見于軟件工程出現(xiàn)之前的早期操作系統(tǒng)和目前的一些小型操作系統(tǒng)，其中MS-DOS系統(tǒng)采用模塊組合結構。在模塊組合結構中，整個操作系統(tǒng)是進程的集合，它沒有一致的系統(tǒng)調用接口。模塊之間通過外部接口傳遞信息，隱藏的程序單元在模塊內部實現(xiàn)，對其他流程模塊透明。通用操作系統(tǒng)有許多管理模塊，如作業(yè)管理、存儲管理、設備管理和文件管理。

勞動管理：作業(yè)管理可以提供用戶界面，做好作業(yè)執(zhí)行前的各種準備和作業(yè)完成后的清理，為他們申請各種必要的資源，保證作業(yè)運行。

在作業(yè)管理模塊中，有一個專門接收用戶命令的處理程序，負責響應用戶的每一次鍵盤操作。另外，負責作業(yè)調度的程序會根據(jù)一定的算法，從已經(jīng)輸入的多個作業(yè)中選擇一個或多個作業(yè)，為其申請內存和外部設備，準備在CPU上運行。當作業(yè)完成后，后處理程序取消作業(yè)，即調用存儲管理系統(tǒng)和設備管理系統(tǒng)來回收作業(yè)占用的資源，并從系統(tǒng)中刪除作業(yè)。

存儲管理：因為多道程序的存儲資源是內存，所以存儲管理一般以內存為基礎，主要包括用一定的數(shù)據(jù)結構記錄內存的使用情況，按照一定的策略分配內存，實現(xiàn)內存保護和容量擴展。操作系統(tǒng)管理內存有多種方式，如分區(qū)、分頁和分段。

設備管理：設備管理負責管理各種外圍設備，按照一定的分配策略將設備分配給某個應用程序，并在適當?shù)臅r候收回設備分配給其他應用程序。此外，設備管理還包括輸入和輸出程序假脫機、設備驅動程序和中斷處理程序。此外，由于外部設備的處理速度遠低于CPU，如何避免主機時間的浪費，充分發(fā)揮外設和主機的并行工作能力，也是設備管理中必須考慮的問題。

文件管理：文件是計算機的軟件資源，程序和數(shù)據(jù)以文件的形式存儲在外部存儲設備上。應該是一個獨立的系統(tǒng)，組織結構簡單，用戶使用方便，有安全保護措施，用戶維護方便。功能主要包括外部存儲空間的管理和回收，文件的訪問、檢索和更新，以及有效的文件共享。

任務和流程管理：在多道程序環(huán)境中，通常進程管理包括一個負責進程調度的程序，按照特定的策略將CPU分配給一個具備運行資格的程序，使其運行。此外，系統(tǒng)還應包含一個進程控制程序，用于注冊和管理各個進程的狀態(tài)，實現(xiàn)進程的互斥操作和同步操作，協(xié)助進程調度器管理作業(yè)對CPU的競爭。

分級結構

在層級結構中，會對操作系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)中的所有模塊進行分類，基本模塊放在最基層(或最底層和第一級)。在此基礎上，將一些模塊放在第二層，第二層的模塊在基礎模塊提供的環(huán)境中工作。它只能調用基層的模塊為它工作，反之亦然。在分層操作系統(tǒng)中，每個模塊都有相對固定的位置和相對固定的層次結構。同級各模塊相對位置的概念可能不是很清楚。一般來說，不同層次的模塊之間不能互換位置，只有單向調用和單向依賴，其中最典型的操作系統(tǒng)是Unix/Linux系統(tǒng)和Windows 9x。

虛擬機結構

虛擬機的基本思想是系統(tǒng)可以提供兩種功能，一是處理多個程序的能力，二是為計算機提供比計算機更方便的擴展接口。“虛擬機”的概念來源于操作系統(tǒng)是覆蓋在裸機硬件上的一層軟件，它通過系統(tǒng)調用為位于其上的用戶應用服務。從應用的角度來看，操作系統(tǒng)就像一個“計算書”，但它的功能比裸機硬件更強，它的指令系統(tǒng)是一套系統(tǒng)調用。因此，從概念上講，操作系統(tǒng)是一個“虛擬機”。

操作系統(tǒng)為每個獨立運行的進程創(chuàng)建一個“虛擬機”。在這個“虛擬機”中，進程擁有了自己的“CPU”和“內存”，同時，進程獲得了硬件無法提供的文件系統(tǒng)功能。虛擬機操作系統(tǒng)就是基于這種思想。

虛擬機操作系統(tǒng)不提供傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的功能。原來的虛擬機只是為進程提供了一個訪問底層的接口。它通過重用硬件為每個進程提供了硬件的副本，因此所有可以直接在硬件上運行的程序都可以直接在虛擬機上運行。后來出現(xiàn)了虛擬機的另外三種架構:機器虛擬指令映射組成的虛擬機。

微核結構

微內核架構的基本思想是將操作系統(tǒng)中與硬件直接相關的部分提取出來作為一個公共層，稱為硬件抽象層(HAL)。這個硬件抽象層實際上是一個虛擬機，它通過API接口向基于這個層的所有其他層提供一系列標準服務。在微內核中，它把傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內核的一些組件(如文件管理系統(tǒng)、進程管理、設備管理、虛擬內存和網(wǎng)絡等。)在內核之外，只保留了處理器調度、存儲管理、消息通信等少數(shù)組件。因此，操作系統(tǒng)的大部分代碼都可以設計在統(tǒng)一的硬件架構上。

微內核架構的主要特點是:(1)內核非常小。(2)很多操作系統(tǒng)服務不屬于內核，而是運行在內核上，這樣在高層模塊更新的時候內核就不需要重新編譯了。(3)有硬件抽象層，內核可以很容易的移植到其他硬件架構上。因為當需要移植到新的軟件或硬件環(huán)境時，只需對硬件相關部分稍加修改，就可以將微內核嵌入到新的硬件環(huán)境中，大多數(shù)情況下不需要移植外部服務器或客戶端應用。(4)微內核具有很強的靈活性和可擴展性。如果想實現(xiàn)另一種視圖，可以添加外部服務器。如果要擴展功能，可以添加和擴展內部服務器。

桌面通用操作系統(tǒng)：桌面通用操作系統(tǒng)可以安裝在許多不同型號的臺式機和筆記本電腦上，并運行從會計系統(tǒng)到數(shù)據(jù)庫到網(wǎng)絡瀏覽器到游戲的應用程序。通用操作系統(tǒng)通常側重于進程(線程)和硬件管理，以確保應用程序能夠可靠地共享現(xiàn)有的計算硬件。軟件架構主要可以分為兩類，即類Unix操作系統(tǒng)(macOS、Linux等。)和Windows操作系統(tǒng)。Unix的流行版本包括美國電話電報公司和SCO推出的UNIXSVR3.2、UNIXSVR4.0和Univell推出的UNIXSVR4.2。Linux的發(fā)行版本有CentOS、Ubuntu、Ubuntu Kylin、Deepin等。MacOS主要包括OS X Yosemite、macOS Sierra等產(chǎn)品。常用的Windows版本有Windows7、Windows 8/8.1、Windows 10和Windows Server2016/2019服務器系統(tǒng)。截至2023年1月，Windows是最常用的通用操作系統(tǒng)。

通用操作系統(tǒng)

移動通用操作系統(tǒng)：移動操作系統(tǒng)旨在滿足智能手機和平板電腦等以移動計算和通信為中心的設備的獨特需求。與傳統(tǒng)PC相比，移動設備通常提供有限的計算資源，操作系統(tǒng)必須減小尺寸和復雜性，以最大限度地減少其自身的資源使用，同時確保為設備上運行的一個或多個應用程序提供足夠的資源。移動操作系統(tǒng)傾向于強調高效的性能、用戶響應能力和對數(shù)據(jù)處理任務的密切關注。手機通用操作系統(tǒng)有安卓、iOS等。其中，Android從2008年發(fā)布1.0版本開始，每年都有更新優(yōu)化，iOS是蘋果在2007年發(fā)布的操作系統(tǒng)，經(jīng)歷了iOS6/7/8/9等多個版本。

其他操作系統(tǒng)：分布式/網(wǎng)絡/網(wǎng)格操作系統(tǒng)

分布式操作系統(tǒng)/網(wǎng)格系統(tǒng)是分布式計算的重要基礎，它為分布式和網(wǎng)絡系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的管理平臺。具有較高的性價比；高速；高可靠性和高可擴展性，其中典型代表有阿米巴、馬赫、合唱團等。

阿米巴是一個分布式操作系統(tǒng)，它使多個CPU和輸入/輸出設備像計算機一樣協(xié)同工作。阿米巴主要是針對以下兩個硬件假設而設計的:①系統(tǒng)有大量的CPUs②每個CPU都有幾十兆的內存。

嵌入式/實時操作系統(tǒng)：嵌入式/實時操作系統(tǒng)廣泛應用于電話系統(tǒng)、工業(yè)控制、數(shù)碼相機和其他智能電器。它具有體積小、占用資源少的優(yōu)點；多樣性；實時；穩(wěn)定性強，相互作用弱；固化代碼的特點典型的有VxWorks/pSOS、Symbian系統(tǒng)、Windows Mobile、嵌入式Linux、Nucleus、PalmOS、QNX等。VxWorks是美國風河系統(tǒng)公司推出的實時操作系統(tǒng)。VxWorks是一個實時操作系統(tǒng)，具有可擴展性、裁剪性和高可靠性，也適用于所有流行的目標CPU平臺。

安全操作系統(tǒng)：安全操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)安全的基礎，用于防范各種安全威脅。具有高安全性的特點，典型代表是Adept-50。Adept-50誕生于1969年，由C.Weissman開發(fā)，Adept-50運行在IBM/360硬件平臺上。基于正式的高水位模型，它實現(xiàn)了美國的軍事安全系統(tǒng)模型。