操作系统（Operating System，OS）是计算机系统中的核心系统软件，负责管理计算机的硬件和软件资源，并为用户和应用程序提供一个方便、高效、安全的运行环境。本章作为操作系统学习的开篇，旨在建立对计算机系统整体架构和操作系统核心角色的宏观认识。

一、 计算机系统的基本组成

一个完整的计算机系统由硬件（Hardware）和软件（Software）两大部分集成而成。

1. 硬件层：是计算机系统的物理基础，包括中央处理器（CPU）、内存（主存储器）、输入/输出（I/O）设备以及连接这些部件的总线（Bus）等。硬件提供了计算、存储和通信的基本能力。
2. 软件层：建立在硬件之上，可分为系统软件和应用软件。

• 系统软件：主要用于管理和控制硬件，为应用软件提供支持。操作系统是系统软件中最核心的部分，其他还包括编译程序、数据库管理系统等。

• 应用软件：为解决特定问题或满足用户需求而设计的软件，如办公软件、浏览器、游戏等。

操作系统位于硬件与所有其他软件之间，承上启下，是用户与计算机硬件之间的接口，也是计算机资源的管理者。

二、 操作系统的定义与目标

从不同视角看，操作系统扮演着不同角色：

• 资源管理者：操作系统负责高效、公平地管理CPU、内存、I/O设备和文件等系统资源，确保多个程序能有序、共享地使用资源，防止冲突。
• 用户与计算机硬件之间的接口（扩展机/虚拟机）：操作系统通过命令接口（CLI）、图形用户接口（GUI）和程序接口（系统调用）等方式，屏蔽了硬件的复杂性和差异性，为用户和程序员提供了一个更简洁、功能更强大的虚拟机器。
• 系统目标：其主要目标是方便性（使计算机更易用）、有效性（提高资源利用率和系统吞吐量）、可扩展性（便于增加新功能）和开放性（遵循标准，便于互连）。

三、 操作系统的发展与主要类型

操作系统的发展与硬件技术、应用需求紧密相关，主要经历了以下阶段和类型：

1. 手工操作阶段：无操作系统，用户独占全机，CPU等待人工操作，效率极低。
2. 批处理系统：分为单道批处理（内存中仅一道程序，解决了人机速度矛盾）和多道批处理（内存中同时驻留多道程序，共享CPU和I/O设备，显著提高了资源利用率和系统吞吐量）。多道程序设计技术的引入是操作系统发展史上的里程碑。
3. 分时系统：将CPU时间划分为很短的时间片，并以轮转方式分配给各联机用户作业。其特点是多路性、独立性、及时性和交互性，实现了人机交互，典型代表如UNIX。
4. 实时系统：能够及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成处理。强调及时性和可靠性，分为硬实时系统（绝对截止时间）和软实时系统（可容忍超时），广泛应用于工业控制、航空航天等领域。
现代通用操作系统（如Linux、Windows）通常融合了多道批处理、分时和实时等多种技术特性。

四、 操作系统的特征

多道程序环境下，现代操作系统呈现出四大基本特征：

1. 并发（Concurrency）：指宏观上多个程序在同时运行。操作系统通过进程管理等机制实现并发，这是它与并行（微观上同时执行）的主要区别，也是操作系统最重要的特征。
2. 共享（Sharing）：系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。主要共享方式有互斥共享（如打印机）和同时访问共享（如磁盘文件）。并发和共享是操作系统两个最基本的特征，互为存在条件。
3. 虚拟（Virtual）：通过某种技术将一个物理实体映射为若干个逻辑上的对应物。主要技术有时分复用技术（如虚拟处理器）和空分复用技术（如虚拟存储器）。
4. 异步（Asynchronism）：也称不确定性，指多道程序环境下，进程以不可预知的速度向前推进。但操作系统必须保证在相同环境下多次运行同一程序，结果应相同。

五、 操作系统的运行环境与主要功能

1. 运行环境：

• 内核态与用户态：CPU执行状态分为内核态（管态，可执行一切指令）和用户态（目态，仅能执行非特权指令）。操作系统内核运行在内核态，用户程序运行在用户态。通过中断/异常和系统调用机制实现从用户态到内核态的切换，这是操作系统执行服务的唯一入口。

• 中断、异常和系统调用：

• 中断（外中断）：来自CPU外部（如I/O完成、时钟中断），异步发生。

• 异常（内中断）：来自CPU内部，由正在执行的指令引发（如除零、缺页、陷入指令），同步发生。

• 系统调用：应用程序主动向操作系统请求服务（如文件读写、进程创建）而触发异常（陷入指令）。

1. 主要功能：从资源管理角度，操作系统主要包括以下几大管理功能（后续章节将详细展开）：

• 进程管理：包括进程控制、同步、通信和调度。

• 内存管理：包括内存的分配与回收、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。

• 文件管理：管理外存上的文件，实现“按名存取”，提供文件操作接口和存储空间管理。

• 设备管理：完成用户的I/O请求，包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。

本章小结

本章概述了计算机系统的层次结构，明确了操作系统的核心地位、定义、目标与发展历程。重点理解了操作系统作为资源管理者和接口的双重角色，掌握了多道程序设计、分时、实时等关键概念，并深刻理解了操作系统并发、共享、虚拟、异步四大特征。明确了内核态/用户态、中断/异常/系统调用这些操作系统运行的基础机制，为后续深入学习进程管理、内存管理等具体模块奠定了坚实的理论基础。

核心要点回顾：多道程序系统、操作系统特征、中断/异常/系统调用区别与联系、内核态与用户态切换。