计算基础技术及导论 9

项目4操作系统基础知识目标1）了解操作系统原理，熟悉操作系统的基本组成。2）了解现代操作系统，熟悉Windows、安卓、鸿蒙操作系统。3）熟悉其他操作系统的一般知识。学习目标思政元素重视融入思政教育，帮助学生形成全面的素质，为未来技术贡献社会打下坚实的基础。（1）系统观与全局意识：操作系统作为计算机系统的中枢，管理硬件资源和软件运行，强调系统思维，要有全局视角，平衡考虑问题，促进团队合作与协调，形成整体大于部分之和的观念。（2）安全性与隐私保护：通过权限管理、防火墙、加密、安全协议等技术，强调数据保护和用户隐私重要性，培养法律意识，尊重和维护信息安全，理解技术在维护社会稳定中的作用。学习目标（3）创新与开放精神：介绍Linux开源运动，强调开放共享、协作创新的推动作用，培养探索精神，鼓励参与开源项目，理解合作与分享的正面价值，促进技术民主化。（4）责任与伦理：在操作系统使用与设计中嵌入伦理考量，如用户界面设计的人性化、无障碍性，理解技术的人文关怀，强调技术应用中的道德责任，尊重多样性，促进公平、包容性。（5）自主可控与国家战略：熟悉国产操作系统的发展背景，强调自主可控对国家安全、信息主权的意义，提升国家意识，理解技术自主对国家战略的重要性，支持国产软硬件。学习目标（6）终身学习：操作系统技术快速更新，强调技术日新，培养学生适应变化，树立终身学习态度，跟随技术进步，不断探索新知。（7）国际视野：通过比较不同操作系统、标准和国际间合作，培养国际视野，理解全球化背景下技术竞争与合作，鼓励跨文化沟通与交流。学习目标学习难点1）操作系统原理。2）其他操作系统的知识。学习目标操作系统（简称OS）是控制计算机中所有活动的核心系统软件，它是任何一个计算机系统都不可缺少的关键软件部件，是计算机系统中发生的所有活动的总控制器，也是决定计算机兼容性和平台的关键因素之一，它从根本上影响着计算机的使用方式。目前，主流的操作系统包括MicrosoftWindows、MacOS、UNIX、Linux、安卓、鸿蒙等，曾经主流的操作系统还有DOS等。这些操作系统具有不同的用户界面，并且只允许计算机运行与之兼容的软件。比如，使用Windows操作系统的计算机只运行与Windows和DOS兼容的软件；使用UNIX操作系统的计算机通常只运行UNIX软件。项目4操作系统基础01操作系统概述02现代操作系统目录/CONTENTS03其他操作系统PART01操作系统概述如果把硬件设想成计算机系统的核心，那么操作系统的主要任务是协助计算机完成基本硬件操作，并且和更外层的应用软件进行交互，完成诸如打印和存储数据等应用操作。操作系统执行不同任务的过程通常称为“服务”，可以分为“外部”和“内部”两种服务。操作系统提供外部服务以协助用户启动程序、管理被存储的数据和维护安全。操作系统提供选择程序的方法，也能帮助查找、重命名与删除文档和处理在其他存储介质中的数据。一些操作系统在允许用户访问程序和数据之前，还会检查用户ID和口令以维护程序和数据的安全。4.1操作系统概述操作系统提供内部服务来保证计算机系统有效运行，这些内部服务只受操作系统本身的控制。操作系统控制输入/输出、分配系统资源、管理程序和数据的存储空间以及检测设备是否失效；它负责分配系统资源，如磁盘空间、内存量或者处理器时间等，以便程序可以有效地运行。个人计算机通常在销售时预装操作系统（如MacOS或MicrosoftWindows）。虽然操作系统也是软件，但诸如Windows软件、Mac软件和Linux软件之类的术语一般指的是应用软件。例如MicrosoftWord，它是运行在Windows操作系统中的文字处理程序。4.1操作系统概述操作系统最明显的职责就是为运行软件提供环境。操作系统、应用软件和设备驱动程序的工作方式类似于军队中命令的逐级下达，当用户使用某个应用软件发出命令后，应用软件就会命令操作系统该做什么，操作系统再命令设备驱动程序，最后由设备驱动程序驱动硬件，硬件开始工作。右图说明了打印文档或相片时，命令的链式结构。图4-1

打印文档的命令经过多层软件接力传递，直到到达打印机4.1.1操作系统活动操作系统通过与应用软件、设备驱动程序和硬件之间的交互来管理计算机资源。在计算机系统中，资源是指任何能够根据要求完成任务的部件。例如，处理器就是资源，RAM、存储空间和外设也是资源。当用户使用应用软件时，操作系统也在幕后忙着处理各种资源管理任务，例如管理处理器资源、管理内存、记录存储器资源、确保输入输出有序地进行，以及确立用户界面的基本要素等。4.1.1操作系统活动（1）操作系统管理处理器资源。微处理器的每个周期都是可以用来完成任务的资源。当控制单元指导微处理器内部活动时，操作系统也以稍微高级的形式控制着微处理器的工作。许多称为“进程”的计算机活动都会争取微处理器的资源。用键盘和鼠标输入时，正在运行的程序会发出命令。与此同时，数据必须传送给显示设备或打印机，来自因特网的网页也会到达计算机，操作系统必须确保每一个进程都能够分享到必要的微处理器周期。4.1.1操作系统活动在使用Windows时，可以打开“任务管理器”查看正在执行的进程列表。同时按下Ctrl、Alt和Del键后，Windows操作系统会显示出进程列表。多数进程是在后台运行的程序，它们可以为操作系统、设备驱动程序和应用软件执行各种任务。而机器人程序和蠕虫有时也会产生异常进程。如果想知道进程是否是正当的，可以使用各种搜索引擎来查询进程名称。4.1.1操作系统活动（2）操作系统处理多进程。在普通的计算会话中，计算机平均运行50个进程。在理想状态下，操作系统能帮助微处理器无缝地切换多个进程。而根据操作系统和计算机硬件的性能差异，管理进程的方式有多任务、多线程以及多重处理。4.1.1操作系统活动多任务提供了进程和内存管理服务，允许两个或多个任务、作业和程序同时运行。多数操作系统都提供了多任务服务，其中包括个人计算机操作系统。在一个程序中，多线程允许多个部分或线程同时运行。例如，电子表格程序的一个线程可能在等待用户的输入，而其他线程则在后台进行长时间的计算。多线程可以提升单处理器或多处理器计算机的性能。许多新计算机都装有多核处理器或多个处理器。操作系统的多重处理能力会将任务平均分配给所有处理单元。4.1.1操作系统活动（3）操作系统管理内存。内存是计算机中最重要的资源之一，微处理器处理的数据和执行的指令都存储在内存中。当用户想要同时运行多个程序时，操作系统就必须在内存中为不同程序分配出特定的空间。当多个程序在运行时，操作系统需要避免内存泄漏，确保指令和数据不从内存中的一个区域“溢出”到已经分配给其他程序的另一个区域。数据被破坏，程序可能崩溃，计算机将显示出错信息如“一般性保护错误”或“程序没有响应”。4.1.1操作系统活动（4）操作系统联系存储器资源。它在幕后负责存储和检索计算机硬盘和其他存储设备上的文件，能记住计算机中所有文件的名字和位置，知道哪里有可以存储新文件的空闲空间。（5）操作系统联系外围设备。每个与计算机相连接的设备都可视作输入或输出资源。操作系统会与设备驱动程序通信，确保数据在计算机和外围设备间可以顺畅地传输。如果外围设备或其驱动程序不能正常运行，操作系统会采取适当措施，并在屏幕上显示警告信息。4.1.1操作系统活动操作系统会确保有序地处理输入和输出，并在计算机忙于其他任务时使用“缓冲区”来收集和存放数据。例如，通过使用键盘缓冲区，无论用户敲击键盘的速度有多快，或者计算机同时还在做其他事情，计算机都不会漏掉用户按下的任何一个键。所谓“缓冲区”指的是内存中用来存放正在等待从一个设备传输到另一个设备中的数据的区域。4.1.1操作系统活动尽管操作系统的主要目的是在幕后控制计算机系统的运作，但是许多操作系统仍然提供了称为实用程序的有用工具，帮助用户来控制和定制计算机设备和工作环境。例如，MicrosoftWindows为用户提供了对以下行为的控制：·启动程序。在启动计算机时，Windows会显示图形对象（如图标、“开始”按钮、“程序”菜单等），用户可以使用这些图形对象来启动程序。·管理文件。“Windows资源管理器”是个有用的实用程序，它允许用户查看文件列表、将文件移动到不同的存储设备上，以及复制、重命名和删除文件。4.1.1操作系统活动·获得帮助。Windows提供了“帮助”系统，用户可以用它来了解各种命令是如何执行的。·定制用户界面和配置设备。Windows“控制面板”提供了帮助用户定制屏幕显示和工作环境的实用程序，还提供了对实用程序的访问，来帮助用户安装和配置计算机的硬件及外围设备。许多Windows实用程序都可以从“控制面板”访问。在“桌面”上找到“控制面板”项，双击打开后，其中以图标形式显示了实用程序。4.1.1操作系统活动有一些数字设备（如游戏机）的操作系统很小，以至于可以存储在只读存储器（ROM）上。而大多数计算机的操作系统都非常庞大，其大部分内容都存储在硬盘上。在开启计算机与计算机准备完毕并能接受用户发出的命令之间所发生的一系列事件称为引导过程，这时，操作系统内核会加载到内存中，在计算机运行时内核会一直驻留在内存中。内核提供的是操作系统中最重要的服务（如内存管理和文件访问）。操作系统的其他部分（如定制实用程序）则只有当需要时才载入。4.1.2引导过程计算机的小型引导程序内置于计算机系统单元内专门的ROM电路中。开启计算机时，ROM电路通电并通过执行引导程序启动引导过程。引导过程有以下6个主要步骤：（1）通电。打开电源开关，指示灯变亮，电源开始给计算机电路供电。（2）启动引导程序。微处理器开始执行存储在ROM中的引导程序。（3）开机自检。计算机对系统的几个关键部件进行诊断测试。（4）识别外围设备。计算机能识别与之相连接的外围设备，并检查设备的设置。4.1.2引导过程（5）加载操作系统。将操作系统从硬盘读取并复制到随机存取存储器（RAM）中。（6）检查配置文件并对操作系统进行定制。微处理器读取配置数据，并执行由用户设置的启动程序。计算机内存大都属于“易失存的”RAM，如果掉电，存放在RAM上的数据会立刻丢失，存放在RAM中的操作系统副本也会丢失。除了RAM，计算机还有“非易失存的”内存电路（ROM和EEPROM），这种内存在掉电时也能够保存数据，但其大小不足以存储整个操作系统。4.1.2引导过程由于RAM是易失存的，而ROM和EEPROM的容量又太小，所以操作系统存储在计算机的硬盘上。在引导过程中，操作系统的一个副本被传送到RAM中，计算机在执行输入、输出或存储等操作时，就能够按需要从RAM中快速访问操作系统。

图4-3引导程序将操作系统复制到RAM中4.1.2引导过程操作系统软件是我们所见到的最优秀、最复杂和最庞大的软件之一，所以，真正领会操作系统的概念、原理、方法和技巧等是有一定困难的。操作系统的设计和实现是所有其他程序设计和实现的基础。程序员如果能理解操作系统的工作原理，就能够编写出更好的中间件和应用程序。此外，无论是为新设备编写驱动程序、创建新的微内核服务器，还是提供能够高效处理发展需求的新系统等，都需要理解基本的操作系统原理和技术。4.1.3操作系统组成操作系统原理所涉及的相关主题如下图所示。现代操作系统至少具有以下四种职能：存储管理、进程管理、设备管理和文件管理。图4-4操作系统的相关主题组成4.1.3操作系统组成操作系统的用户界面（GUI）或命令解释程序（shell）负责操作系统与外界的联系。

图4-5操作系统的基本组成4.1.3操作系统组成（1）内存管理。现代操作系统的一个重要职责是存储管理。计算机中存储容量激增，同样所处理的数据和程序也越来越大。存储分配必须进行管理以避免“内存不足”的错误。4.1.3操作系统组成（2）进程管理。现代操作系统进程管理有三个重要术语：程序、作业和进程。①程序。是由程序员编写的一组指令，保存在硬盘上，它可能会成为作业。4.1.3操作系统组成②作业。从程序被选中执行，到其运行结束这段过程中，程序被称为作业。整个过程中作业可能被执行，它驻留在硬盘上等待被装入内存，或者在内存中等待被CPU执行，或者驻留在硬盘或内存中等待I/O事件。在所有这些情况下，程序才被称为作业。作业执行完毕，又作为程序并再次驻留在硬盘中。每个作业都是程序，但并不是所有程序都成为作业。③进程。是指执行中的程序，只要作业被装入内存就成为进程，它是从众多等待作业中选取出来并装入内存中的作业。进程可以处于运行状态或者等待CPU调用。每个进程都是作业，而每个作业未必都是进程。4.1.3操作系统组成（3）设备管理，又称“输入/输出管理”，负责有效地使用I/O设备。在计算机系统中，I/O设备在数量和速度上受到限制。由于这些设备与CPU和内存比起来速度要慢很多，所以当进程访问I/O设备时，在该段时间内这个设备对其他进程而言是不可用的。设备管理的职责是：①持续监视所有I/O设备，以保证它们能够正常运行。需要知道设备什么时候完成一个进程的服务，准备为队列中的下一个进程服务。4.1.3操作系统组成②为每一个或是类似的I/O设备维护一个队列或多个队列。例如，如果系统中有两个高速打印机，管理器能够分别用一个队列维护一个设备，或是用一个队列维护两个设备。③使用不同方式访问I/O设备。例如，可以用先入先出法来访问一个设备，而用最短长度优先来访问另一个设备。4.1.3操作系统组成（4）文件管理。用来控制对文件的访问。文件管理的职能是：①控制对文件的访问。只有那些获得允许的文件才能够访问，访问方式也可以不同。例如，进程也许可以读取文件但不允许写（改变）文件，另一个进程也许允许执行文件但不允许查看文件内容。②管理文件的创建、删除和修改。③给文件命名。④管理文件存储：怎样存储，存在哪里等。⑤负责归档和备份。4.1.3操作系统组成PART02现代操作系统因特网Web站点的计算机通常称为“服务器”，它通过分散的计算机向人们提供信息，人们在家中或办公室使用的计算机通常称为“桌面”或者“客户端”计算机。服务器操作系统（也称“网络操作系统”或“后台操作系统”）是专门为那些在网络和Web站点提供集中化存储机制和通信功能的计算机而设计的；桌面操作系统（也称“个人操作系统”）是专门为个人计算机设计的。一般用户通常与桌面操作系统交互，而不直接使用服务器操作系统，但是，了解主流的服务器操作系统也是很有必要的。4.2现代操作系统世界上多数个人计算机都安装了MicrosoftWindows操作系统。基于屏幕桌面上的矩形工作区称为窗口，每个工作区窗口显示不同的文档或程序，为操作系统的多任务处理能力提供可视化模型。不同版本的操作系统使用相似的GUI控件，只是图形元素的外观看起来有细微差别。从一开始Windows操作系统就是为使用英特尔（或者兼容）处理器的计算机设计的。随着芯片体系结构的发展，Windows始终跟随发展了很多版本。此外，还添加和升级了各种功能，例如连接网络和文件系统、对用户界面进行改进以使用户界面外观更漂亮且更容易使用。4.2.1

MicrosoftWindows在Windows上运行的程序的数量和多样性是其他任何操作系统都无法匹敌的，这使得Windows成为使用最广泛的桌面操作系统。运行Windows的硬件平台的多样化也是其显著优势之一。用户可以使用桌面计算机、笔记本电脑、移动终端来运行具有相似图标和菜单的各种版本的Windows。Windows为硬件和外设的内置驱动程序和即插即用功能提供了极好的支持。4.2.1

MicrosoftWindowsWindows存在的主要问题是其可靠性和安全性。在各种主要的桌面操作系统中，Windows是公认的最容易受病毒、蠕虫和其他攻击侵扰的系统。之所以如此，部分是因为其庞大的用户群使之成为最大的目标，Windows有许多安全漏洞被黑客发现并利用。微软公司通常会针对不同市场发行多个版本的Windows操作系统。桌面计算机版（如家庭版、专业版和企业版）是为个人计算机设计的，而服务器版则是为网络服务器设计的，还有为移动终端等设备设计的嵌入式设备版本。4.2.1

MicrosoftWindows1984年，苹果计算机公司迈出开创性一步，发布了苹果Lisa计算机。该计算机提供图形化用户界面，包含可以通过鼠标进行操作的菜单、图标等，但Lisa计算机在商业上并不成功。下一个产品，即麦金塔计算机取得了很大的成绩，具有图形化用户界面的MacOS操作系统是其成功的决定性因素。1998年苹果公司发布的iMac计算机也包含MacOS（Mac操作系统）。像Windows一样，MacOS经历了多个版本的改进，能提供多任务功能并支持小型网络。4.2.2

MacOS与iOS与MacOS兼容的软件被称为简称Mac软件。尽管MacOS的开发比Windows早几年，但是其应用软件的数量远小于Windows操作系统下可以运行的软件数量。与Windows一样，MacOS也经历过一系列的修订。2006年麦金塔硬件做了重大改变，即用英特尔处理器代替PowerPC处理器。第一个支持英特尔架构的MacOS版本是MacOSX10.4.4版。MacOSX被公认为是易用、可靠的操作系统。MacOS的开发人员一直都走在直观的用户界面设计领域的前列。4.2.2

MacOS与iOSMacOSX的操作系统内核是基于UNIX的，它从UNIX身上继承了很强的安全基础。另一个让使用MacOS有助于计算机安全的因素是，只有少数病毒是针对MacOS的用户群的。iOS是由苹果公司开发的移动操作系统。苹果公司最早于2007年1月9日的Macworld大会上公布这个系统，最初是设计给iPhone使用的，后来陆续套用到iPodtouch、iPad上。iOS与苹果的macOS操作系统一样，属于类Unix的商业操作系统。原本这个系统名为iPhoneOS，2010年苹果全球开发者大会上宣布改名为iOS。4.2.2

MacOS与iOSMac操作系统（macOS）和iOS系统主要用于苹果公司的不同设备，它们之间既有区别也有联系，它们服务于不同类型的设备和使用情境，但它们共享某些技术和设计原则，形成了苹果独特的生态系统。4.2.2

MacOS与iOSUNIX操作系统是1969年由AT&T公司的贝尔实验室开发的，它是一个在专业领域中较为流行的非常强大的操作系统。它有三个显著的特点：第一，UNIX是可移植的操作系统，它只需经过较小的改动就能方便地从一个平台移植到另一个平台。这主要是因为它的主要部分是由C语言编写的（而不是机器语言）；第二，UINX拥有一套功能强大的工具（命令），能够组合起来（在可执行文件中被称为脚本）去解决许多问题，而这一工作在其他操作系统中则需要通过编程来完成；4.2.3

UNIX和Linux第三，它具有设备无关性，因为操作系统本身就包含了驱动程序，这意味着它可以方便地配置来运行任何设备。4.2.3

UNIX和Linux概括来说，UNIX具有一个强大的操作系统所拥有的一切特点，包括多道程序、虚拟内存和设计得非常优秀的文件和目录系统。UNIX凭借其在多用户环境下的可靠性获得了良好的声誉，它的众多版本也被大型机和微型计算机所使用。4.2.3

UNIX和LinuxLinux是芬兰的莱纳斯·托瓦兹最初在1991年开发的基于UNIX的操作系统。事实上，Linux的灵感来自于由安德鲁·塔南鲍姆编写的从UNIX衍生出的MINIX。Linux和UNIX非常接近以至于被人称为UNIX的复制品，整个设计是为了让UNIX在英特尔微处理器上更有效地运行。如今Linux可以运用到各种平台上，而且在程序员和商业用户中变得越来越流行。4.2.3

UNIX和LinuxLinux的源代码是带着通用公共许可证（GPL）发布的，即允许任何人为个人使用而复制、转送他人或出售。这种许可政策鼓励了编程人员继续开发Linux的实用程序、软件和改进版本。Linux保留有许多UNIX的技术特点，例如，多任务处理和多用户功能。它也是一种安全可靠的系统。Linux主要在Web上发布。4.2.3

UNIX和LinuxLinux通常比Windows和Mac桌面操作系统需要更多的修补。Linux下能运行的程序数量相对有限，这也使得非技术用户在为他们的桌面计算机和笔记本电脑挑选操作系统时，不倾向于选择Linux。现在有数量不断增加的高质量的开源软件可以在Linux平台上使用，但许多应用软件都是面向企业和专业用户的。许多网站会提供Linux发行版，即一个包括了Linux内核、系统实用程序、图形用户界面、应用程序和安装程序的软件包。4.2.3

UNIX和Linux安卓（Android）是一种基于Linux内核（不包含类Unix的GNU组件）的自由及开放源代码的移动操作系统。主要应用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由美国谷歌公司和开放手机联盟领导及开发。安卓操作系统最初由安迪·鲁宾开发，主要支持手机。2005年8月由谷歌收购注资。2007年11月，谷歌与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟共同研发改良安卓系统。随后谷歌以Apache开源许可证的授权方式，发布了安卓的源代码。4.2.4安卓第一部安卓智能手机发布于2008年10月。安卓逐渐扩展到平板电脑及其他领域上，如电视、数码相机、游戏机、智能手表等。2013年第四季度，安卓平台手机的全球市场份额达到78.1%。2024年2月15日，Android15的首个开发者预览版发布。4.2.4安卓开放原子开源基金会（简称“开源基金会”，/）是由华为、阿里、腾讯、百度、浪潮、招商银行、360等十家互联网企业共同发起组建，于2020年6月15日在国家民政部注册的致力于开源产业公益事业的非营利性独立法人机构。开源基金会的服务范围包括开源软件、开源硬件、开源芯片及开源内容等，为各类开源项目提供中立的知识产权托管，保证项目的持续发展不受第三方影响，通过开放治理寻求更丰富的社区资源的支持与帮助，包括募集并管理资金，提供法律、财务等专业支持。4.2.5鸿蒙OpenHarmony是由开源基金会进行管理一个开源项目，它主要包括两部分：（1）华为捐献的“鸿蒙操作系统”的基础能力；（2）其他参与者的贡献。可见，OpenHarmony是鸿蒙操作系统的底座。4.2.5鸿蒙鸿蒙操作系统（HarmonyOS，简称“鸿蒙OS”）是华为公司在2019年8月9日于东莞举行的华为开发者大会（HDC.2019）上正式发布的一款全新的面向全场景的分布式智能终端操作系统，意在创造一个超级虚拟终端互联的世界，将人、设备、场景有机地联系在一起，将消费者在全场景生活中接触的多种智能终端，实现极速发现、极速连接、硬件互助、资源共享，用合适的设备提供场景体验。2023年8月4日，鸿蒙4（HarmonyOS4）操作系统正式发布。4.2.5鸿蒙鸿蒙操作系统具有以下特征：（1）一套操作系统可以满足大大小小设备需求，实现统一OS，弹性部署；（2）搭载该操作系统的设备在系统层面融为一体、形成超级终端，让设备的硬件能力可以弹性扩展，实现设备之间硬件互助，资源共享；（3）面向开发者，实现一次开发，多端部署。4.2.5鸿蒙这里需要注意：（1）鸿蒙OS不是开源项目，而是基于OpenHarmony、AOSP等开源项目的商用版本。（2）鸿蒙OS手机和平板之所以能运行安卓系统，是因为鸿蒙OS实现了现有安卓生态应用（即AOSP）的运行。所谓“鸿蒙生态”包括OpenHarmony和鸿蒙OS，还包括开发工具以周边的一些开发库。当我们在说“鸿蒙”时，也许就是指鸿蒙生态。4.2.5鸿蒙PART03其他操作系统进入20世纪80年代，大规模集成电路工艺技术进步神速，微处理机的出现掀起了计算机大发展、大普及的浪潮。这一方面迎来了个人计算机时代，同时又向计算机网络、分布式处理、巨型计算机和智能化方向发展。随之，操作系统也有了长足的进步，如个人计算机操作系统、网络操作系统、嵌入式操作系统、分布式操作系统、云操作系统和机器人操作系统等。4.3其他操作系统个人计算机操作系统是联机交互的单用户多任务操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统提供的功能很相似。由于是个人专用，因此一些功能会简单得多。然而，由于个人计算机的应用普及，对提供更方便友好的用户接口和丰富功能的文件系统的要求会愈来愈迫切。网络操作系统是在原有操作系统基础上，按照网络体系结构的各个协议标准增加网络管理模块，其中包括通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务。4.3其他操作系统嵌入式操作系统（EOS）是指一种广泛用于嵌入式系统的重要操作系统。嵌入式系统配置环境独特、对操作系统独特和苛刻的要求与设计策略，与构建普通操作系统大不相同。嵌入式操作系统用途广泛，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软硬件资源分配、任务调度，控制、协调并发活动，它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。4.3.1嵌入式操作系统在嵌入式领域得到广泛应用的操作系统有嵌入式Linux以及应用在智能手机和平板计算机的安卓（Android）、鸿蒙等。“嵌入式系统”的定义涉及产品中电子属性和软件的使用情况，是为了完成某个特定功能而设计的，可以有附加机械或其他部件的计算机硬件和软件的组合体。或者，是指在电子设备中使用的具有特定功能或功能集的电子设备和软件。也可以把嵌入式系统定义为除了通用计算机设备之外的任何包含计算机芯片的设备。4.3.1嵌入式操作系统在许多情况下，它是一个更大系统或产品中的一部分，如汽车中的防抱死系统。这些系统的需求和约束情况有很大的不同，例如：·从小规模到大规模系统，这意味着非常不同的成本限制，对优化和复用有不同需求。·从很宽松到非常严格的需求以及不同的品质需求组合，如安全、可靠性、实时性、灵活和合法性等方面。·从很短到很长的使用期限。·不同的环境条件，比如涉及辐射、振动、湿度等方面。4.3.1嵌入式操作系统·不同的应用特点，从静态到动态装载，从慢到快的速度，从计算密集型任务到交互密集型任务或者两者的组合。·不同的计算模型，从离散事件系统到包含连续时间的动态系统（通常也称为混合系统）。·不同的接口，以便使系统能进行测量、计算，或者与外部环境进行交互。·用户界面，可以像闪烁灯一样简单，或者像实时机器视觉那样复杂。4.3.1嵌入式操作系统·诊断端口，可用于诊断系统是否已经处于受控状态，而不只是诊断嵌入式计算机。·专用的现场可编程阵列（FPGA）、集成电路（ASIC）甚至非数字硬件都可用于增强性能或安全性。·软件通常具有固定的功能，并且专用于某个应用。4.3.1嵌入式操作系统嵌入式系统旨在支持众多应用程序并执行各种功能，它通常与其所在的环境紧密地联系在一起。由于与环境交互的需要，产生了实时性约束。这些约束，如响应速度、测量精度、持续时间等，决定了软件操作的时限。如果多个活动必须同时进行管理，就需要更复杂的实时限制。4.3.1嵌入式操作系统下图显示了嵌入式系统的一般组织结构。除了处理器和存储器，还有很多不同于普通台式或笔记本计算机的部分。图4-6嵌入式系统的一般组织结构4.3.1嵌入式操作系统虚拟化技术使得单个PC或服务器能够同时运行多个操作系统或一个操作系统的多个会话。本质上，主操作系统能支持多个虚拟机，每个虚拟机都具有一个特定操作系统的特征。某些版本的虚拟化还会结合硬件平台的特点。虚拟化是通过在软件和物理硬件之间提供一个软件转换层（抽象层）来管理计算资源的一组技术。虚拟化将物理资源转换为逻辑资源或虚拟资源，使得在抽象层之上运行的用户、应用程序和管理软件能够管理与使用资源，而无须知道底层资源的物理细节。在操作系统设计中，实现虚拟化的两种主要方法是虚拟机和容器。4.3.2虚拟机应用程序通常在个人计算机（PC）或服务器的操作系统上运行，PC或服务器一次只运行一个操作系统。因此，应用程序供应商必须为其运行和支持的每个OS/平台重写部分程序，从而增大了程序编写工作量、产生缺陷的可能性和质量测试工作量。为了支持多个操作系统，应用程序供应商需要创建、管理和支持多个硬件与操作系统基础架构，这是一个代价高昂且资源密集的过程。处理此问题的一种有效策略称为硬件虚拟化。4.3.2虚拟机虚拟化技术使单个PC或服务器能够同时运行多个操作系统或单个操作系统的多个会话。具有虚拟化软件的计算机可以在单个平台上托管多个在不同操作系统上运行的应用程序。本质上，主机操作系统可以支持多个虚拟机（VM），它是虚拟化的系统硬件。虚拟机具有特定操作系统的特征，并且在某些虚拟化版本中具有特定硬件平台的特征。4.3.2虚拟机早在20世纪70年代，IBM大型机系统就提供了第一个允许程序仅使用一部分系统资源的功能。虚拟化在21世纪初进入主流计算领域，在x86服务器上商用。由于MicrosoftWindows驱动的“一个应用程序，一个服务器”策略，企业一直承受着服务器过多所带来的危害。摩尔定律推动了硬件的快速进步，超越了软件的能力所需，使得大多数服务器未得到充分利用，过量的服务器填满了数据中心并消耗大量电力和冷却资源，降低了企业管理和维护基础设施的能力。虚拟化则有助于缓解这种压力。4.3.2虚拟机支持虚拟化的解决方案是虚拟机监视器（VMM），通常称为虚拟机管理程序。该软件位于硬件和VM之间，充当资源代理，它允许多个VM安全地共存在单个物理服务器主机上，并共享该主机的资源。

图4-7虚拟机概念4.3.2虚拟机在硬件平台上有一些虚拟化软件，包括主机操作系统和专用虚拟化软件，或者只是一个包含主机操作系统功能和虚拟化功能的软件包。虚拟化软件提供所有物理资源（如处理器、内存、网络和存储）的抽象，从而使多个计算堆栈（虚拟机）能够在单个物理主机上运行。每个VM包括一个客户操作系统，它可以与主机操作系统相同或不同。例如，一个客户Windows操作系统可以在Linux主机操作系统的VM中运行。反过来，客户操作系统支持一组标准库函数和其他二进制文件与应用程序。从应用程序和用户的角度来看，该堆栈看起来是具有硬件和操作系统的实际机器。4.3.2虚拟机单个主机上可以存在的客户虚拟机数量称为整合率。例如，支持4个VM的主机的整合率为4比1。最初的商用虚拟机管理程序可以支持4:1～12:1的整合率，即使对于最低的整合率4:1，若虚拟化了所有服务器，企业也可以从数据中心中移除75％的服务器。更重要的是，还可以消除相应的成本，如可以使用更少的电力、更少的电缆、更少的网络交换机和更少的占地面积。服务器整合成为解决代价高昂且浪费问题的极有价值的方法。如今，世界上部署的虚拟服务器数量已超过物理服务器。4.3.2虚拟机企业使用虚拟化的关键原因如下：·传统硬件：通过虚拟化（仿真）老硬件来运行旧的应用程序，从而淘汰老硬件。·快速部署：在基础架构中部署新服务器可能需要数周或更长时间，但部署新VM只需要几分钟。VM由文件组成，复制这些文件，在虚拟环境中就可以获得可用服务器的完美副本。·多功能性：可以通过最大化单台计算机能够处理的应用程序类型来优化硬件使用。4.3.2虚拟机·整合：在多个应用程序之间同时共享，可以更有效地使用大容量或高速资源的服务器。·聚合：可以轻松地将多个资源组合到一个虚拟资源中，如存储虚拟化。·动态：可以轻松地以动态方式分配硬件资源，增强负载平衡和容错能力。·易于管理：便于软件的部署和测试。4.3.2虚拟机·提高可用性：虚拟机主机聚集在一起形成计算资源池，每个服务器上都托管了多个VM，若某个物理服务器出现故障，则故障主机上的VM可以在群集中的其他主机上快速自动重新启动。与物理服务器相比，虚拟环境可以以更低的成本和更低的复杂性提供更高的可用性。4.3.2虚拟机除了在一台计算机上运行多个VM的功能外，还可以将VM视为网络资源。服务器虚拟化从服务器用户端屏蔽服务器资源，包括各个物理服务器、处理器、操作系统的数量和身份认证。使得将单个主机分区为多个独立服务器成为可能，从而节省硬件资源。它还可以将服务器从一台机器快速迁移到另一台机器以实现负载平衡，或者在机器故障的情况下进行动态切换。服务器虚拟化已成为处理“大数据”应用程序和实施云计算基础架构的核心要素。4.3.2虚拟机许多组织中都有一个日益明显的趋势，那就是将大量的信息技术操作转移到互联网连接基础设施（企业云）上。在这个情况下，针对特定环境需求定制的操作系统也在不断发展。4.3.3云操作系统云操作系统（见图4-8）是云计算后台数据中心的整体管理运营系统，是指构架于基础硬件资源（服务器、存储、网络等）和基础软件资源（单机操作系统、中间件、数据库等）管理海量的基础硬件、软件资源之上的云平台综合管理系统，旨在将大型基础架构集合（CPU、存储、网络）作为一个无缝、灵活和动态的操作环境进行全面管理。4.3.3云操作系统图4-8云操作系统4.3.3云操作系统与普通操作系统管理单独计算机的复杂性类似，云操作系统管理着数据中心的复杂性。虽然可以采用其他方法，但通常认为虚拟化是实现云计算的关键支撑技术。4.3.3云操作系统云操作系统简化了计算的复杂性，它允许IT专业人员进行如下操作：（1）通过为所有应用程序提供内置的可用性、安全性和性能保证，从而按照预先定义自动管理应用程序。（2）在由可更换的行业标准组件构成的高度统一、可靠、高效的基础架构上运行应用程序。（3）跨内部或外部计算云移动应用程序并保持相同的服务级别预期，以实现最低的总体拥有成本和最高的运营效益。4.3.3云操作系统云操作系统可实现极为简化和更加高效的计算模型，在其中，客户定义所需的结果，计算基础架构则保证准确地获得这些结果。IT专业人员可以部署应用程序，例如指定服务级别、响应时间、安全策略和可用性，云操作系统则以低成本实现这些规范，并将维护降至最低限度。4.3.3云操作系统云计算定义了3种服务模型，软件即服务（SaaS）、平台即服务（PaaS）和基础设施即服务（IaaS），可以将它们视为嵌套的服务替代方案。（1）软件即服务。SaaS以软件的形式为客户提供服务，特别是应用软件，这些软件在云上运行并可在云中访问。SaaS遵循Web服务模型，使客户能够使用在云基础设施上运行的云服务提供商的应用程序。可以通过简单的接口（如Web浏览器）从各种客户机设备访问应用程序。4.3.3云操作系统企业无须从其使用的软件产品获得桌面和服务器许可证，而从云服务获得相同的功能。SaaS的使用避免了软件安装、维护、升级和补丁程序的复杂性。此级别的服务示例包括GoogleGmail、Microsoft365等。SaaS的普通订阅者是希望为员工提供典型办公软件（如文档管理和电子邮件）访问权限的组织。个人通常也使用SaaS模型来获取云资源。订阅者根据需要使用特定的应用程序。云服务提供商还提供与数据相关的功能，如自动备份和订阅者之间的数据共享。4.3.3云操作系统（2）平台即服务。PaaS以平台的形式向客户提供服务，客户的应用程序可以在该平台上运行。PaaS使客户能够将客户创建或获取的应用程序部署到云基础设施上。PaaS云提供了有用的软件构建块以及许多开发工具，如编程语言工具、运行时环境以及其他有助于部署新应用程序的工具。PaaS对于希望开发新应用程序或定制应用程序，同时只在需要时支付所需计算资源的组织非常有用。AppEngine、EngineYard、MicrosoftAzure和ApacheStratos就是PaaS的例子。4.3.3云操作系统（3）基础设施即服务。用户借助IaaS能够使用底层云基础设施。云服务用户不管理或者控制底层的云基础设施的资源，但是可以控制操作系统、部署的应用程序，并且可能具有对某些网络组件（如主机防火墙）的有限控制。IaaS提供虚拟机以及其他虚拟硬件和操作系统，为客户提供处理、存储、网络和其他基础计算资源，以便客户能够部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。IaaS能让用户将基本的计算服务（如数字处理、数据存储等）整合起来构建适应性很强的计算机系统。4.3.3云操作系统客户通常可以使用基于Web的图形用户界面自行配置此基础设施，该界面用作整个环境的IT运营管理控制台。对基础设施访问的API也是可选的。IaaS的例子有亚马逊的弹性计算云（AmazonEC2）、微软的WindowsAzure、谷歌的计算引擎（GCE）和Rackspace。4.3.3云操作系统右图比较了3种云服务模型实现的功能。图4-93种云服务墨模型实现的功能4.3.3云操作系统物联网（IoT）是一个用于描述智能设备拓展互联的术语，这里的“智能设备”大到电器，小到微型传感器。物联网是计算和通信领域长期革命中的最新进展，它的规模、普遍性以及对日常生活、企业和政府的影响，使得过去的技术进步都相形见绌。

图4-10物联网4.3.4物联网操作系统物联网的一个主要主题是将短距离移动收发器嵌入各种小工具和日常生活用品，从而实现人与物、物与物之间的新型通信形式。今天，通过云系统，因特