计算机底层知识之操作系统

操作系统功能的历史

在计算机中尚不存在操作系统的年代，完全没有任何程序，因此程序员就需要编写出处理相关的所有程序。用机器语言编写程序，然后再使用开关将程序输入，这个过程非常麻烦。于是，有人开发出仅具有 「加载」 和 「运行功能」 的 「监控程序」 ，这就是操作系统的原型。

通过事先启动监控程序，程序员就可以根据需要将各种程序加载到内存中运行。

随着时代的发展，人们在利用 「监控程序」 编写程序的过程中，发现很多程序都有 「共通」 的部分。例如，键盘输入、显示器输出文字等。因此，基本的 「输入输出」 部分的程序被追加到了监控程序中。因此，初期的操作系统就应用而生了。

初期的操作系统 = 监控程序 + 基本的输入输出程序

之后，开始有更多的功能被追加到监控程序中。例如，硬件控制程序、语言处理器（汇编、编译、解析）以及各种实用程序等。从此可知， 「操作系统本身并不是单独的程序，而是多个程序的集合体」 。

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意识到操作系统的存在

我们希望制作应用的程序员意识到一点，那就是他们制作的不是硬件，而是 「利用操作系统功能的应用」 。

虽然，对程序员来说，掌握硬件的基本知识是必需的，不过，在操作系统诞生后，就没有必要再编写直接控制硬件的程序了。不过，「要想成为一个全面的程序员，有一点需要清楚的是，掌握基本的硬件知识，并借助操作系统进行抽象化，可以大大提高编程效率。」

❝在操作环境这个运行环境下，应用并不是直接控制硬件，而是通过操作系统来 「间接」 控制硬件。

❞

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系统调用和高级编程语言的移植性

操作系统的硬件控制功能，通常是通过一些小的 「函数集合」 的形式来提供的。这些函数及调用函数的行为统称为系统调用System Call,也就是应用对操作系统的功能进行调用。

C语言等高级编程语言并不依存于特定的操作系统。这是因为无论Windows还是Linux都能使用几乎相同的源代码。因此， 「高级编程语言的机制就是，使用独自的函数名，然后再在编译时将其转换成相应操作系统的系统调用」 。

用高级编程语言编写的应用在 「编译后」 ，就转换成了利用系统调用的 「本地代码」 。

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操作系统和高级编程语言使硬件抽象化

通过使用操作系统提供的 「系统调用」 ，程序员就没必要编写直接控制硬件的程序了。而且，通过使用高级编程语言，有时甚至也无需考虑系统调用的存在。这是因为 「操作系统和高级编程语言能够使硬件抽象化」 。

我们用C语言编写一个往文件中写入字符串的应用。

#include 

void main(){
  //打开文件
  FILE *fp = fopen("MyFile.txt","w");
  
  /写入文件
  fputs("前端柒八九",fp);
  // 关闭文件
  fclose(fp);
}

• fopen()是用来打开文件的函数
• fputs()是用来往文件中写入字符串的函数
• fclose()是用来关闭文件的函数

在应用被编译运行后，MyFile文件中就会被写入前端柒八九字符串。

❝文件是操作系统对磁盘媒介空间的抽象化

❞

正如前面介绍过，硬件被划分为了多个扇区，并以扇区为单位对磁盘进行读写。

变量fp中被赋予的是fopen()函数的返回值。该值称为 「文件指针」 。应用打开文件后，操作系统就会自动申请分配用来管理文件读写的内存空间。这个内存空间的地址可以通过fopen()函数的返回值获得。用fopen()打开文件后，接下来就是通过指定文件指针来对文件进行操作。

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Windows 操作系统的特征

1. 32/64位操作系统
2. 通过 「API函数集」 来提供系统调用
3. 提供采用了图形用户界面Graphical User Interface的用户界面
4. 通过WYSIWYG实现打印输出
5. 提供多任务功能
6. 提供网络功能及数据库功能
7. 通过 「即插即用」 实现设备驱动的自动设定

我们来挑几个我们比较感兴趣的来简单讲讲。

通过WYSIWYG实现打印输出

WYSIWYG是What You See Is What You Get的缩写。翻译成中文就是 「所见即所得」 。

WYSIWYG指的是显示器上显示的内容可以直接通过打印机打印输出。在Windows中，显示器和打印机是被作为同等的图形输出设备处理的，而该功能也就为WYSIWYG的实现提供了条件。

借助WYSIWYG功能，基本上在同一个程序中就可以实现显示和打印这两方面的操作了。

提供多任务功能

❝ 「多任务」 指的是同时运行多个程序的功能。Windows是通过 「时钟分割」 技术来实现多任务功能的。

❞

时钟分割指的是在短时间间隔内，多个程序切换运行的方式。在用户看来，就是多个任务在同时运行。而Windows会自动切换多个程序的运行。此外，Windows还具有 「以程序中的函数为单位来进行时钟分割的多线程功能」 。

提供网络功能及数据库功能

Windows中，网络功能是作为 「标准功能」 提供的。数据库功能有时也会在之后进行追加。网络功能和数据库功能，虽并不是操作系统本身不可欠缺的功能，但因为它们和操作系统很接近，所以被统称为 「中间件」 而不是应用。

❝中间件的意思是处于 「操作系统和应用的中间」 。

❞

操作系统和中间件合在一起，也称为**「系统软件」**

通过即插即用实现设备驱动的自动设定

即插即用Plug-and-Play指的是新的设备连接(Plug)后立刻就可以使用(Play)的机制。新的设备连接到计算机后，系统就会自动安装和设定用来控制该设备的 「设备驱动」 程序。

设备驱动是操作系统的一部分，提供了同硬件进行基本的输入输出的功能。