- 硬體核心 => CPU
- 軟體核心 => 作業系統 （系統軟體）
1. 主要目標：
- 方便性：在硬體（裸機）上跑程式很麻煩（得用機器語言）
- 有效性：
- 提高系統資源利用率：沒有 OS 的時候，諸如 I/O 等裝置常處於空閒狀態，沒有得到有效的利用
- 提高系統吞吐量：合理組織工作流程，縮短程式的執行週期
- 可擴充性：方便地增添新的功能和模組
- 開放性：遵循世界標準規範，達到彼此相容
2. 發展過程
2.1 無作業系統：
階段一 —— 人工操作：
- 獨佔全機的問題：一個使用者搞定之後，後面的使用者才有機會使用
- 資源利用率低的問題：
- 紙帶的輸入輸出的速度相對於CPU 的處理速度很慢，這導致 CPU 把大量空閒時間浪費在等待輸入輸出上
- 人工將程式、資料存進紙帶的速度相對於紙帶的輸入輸出很慢（人機矛盾）
階段二 —— 離線輸入/輸出：
在紙帶與 CPU 之間增加一個外圍機，這個外圍機協助將資料讀入磁帶，而磁帶能夠快速地將資料輸入到記憶體中進行處理。
- 外圍機上有一個監督程式負責控制輸入輸出的流程，這個程式就是後來作業系統的雛形。
2.2 單道批處理系統
單道批處理系統通過連續處理儘可能地減少機器的空閒等待時間，但存在 CPU 和 IO 使用忙閒不均（總有一個人沒做事）的情況，仍然沒有做到充分利用資源。用一個例子來說明：
假如計算機現在需要處理 J1，J2，J3 三個作業，每個作業都需要經歷輸入（1秒）、計算（1秒）、輸出（1秒）的過程。
如果計算機是單道批處理系統，那麼處理過程大概是這樣的：
（圖源：《王道考研》視訊）
可以看到，輸入裝置，CPU，輸出裝置這三者只能序列工作，不存在其中兩者並行使用的情況。雖然系統儘可能地連續處理三個作業，但是可以看到，就同一時刻而言，輸入裝置，CPU，輸出裝置中總有至少一方無事可做，而這是對資源的浪費。
2.3 多道程式批處理系統
作業存放在外存，形成“後備佇列”，由作業排程程式選擇若干個作業調入記憶體，使他們共享 CPU 和系統資源。由於有多道程式，可以及時補位 CPU 的空閒。
- 特點：無序性（先進入記憶體的作業不一定先完成）、多道性、排程性
- 優點：資源利用率高、系統吞吐量大
- 缺點：平均週轉時間長、無法互動
用一個例子來說明：
假如計算機現在需要處理 J1，J2，J3 三個作業，每個作業都需要經歷輸入（1秒）、計算（1秒）、輸出（1秒）的過程。
如果計算機是多道批處理系統，那麼處理過程大概是這樣的：
（圖源：《王道考研》視訊）
可以看到，輸入裝置，CPU，輸出裝置這三者是可以並行使用的。J1 輸入完成後開始計算，此時輸入裝置空閒，可用於進行 J2 的輸入工作，J1 計算完成後開始輸出，此時 CPU 空閒，可用於 J2 的計算工作，J2 進行計算的時候，輸入裝置空閒，可用於 J3 的輸入工作，以此類推........可以看到，多道批處理系統儘可能在同一時刻讓輸入裝置，CPU，輸出裝置這三者都有事可做，將資源充分呼叫起來。相比單道批處理系統耗時 9 秒，完成相同的工作，多道批處理系統只需要 5 秒即可。
2.4 分時系統（Time sharing system）
需求：人機互動（要能修改、能控制）、共享主機（有“獨佔”的感覺）
人機互動的關鍵：系統要及時接受並處理使用者輸入，所以作業不能再放在外存（磁碟），而要直接進入記憶體；另外，需要採用輪轉執行方式。引入時間片的概念，時間片可以看作一個時間限制，每次每個作業（使用者）只有一個時間片的執行時間，過了這個時間片，就必須讓給其它作業（使用者）執行。
特點：
- 多路性：一主機，多終端，多個使用者按照分時原則共享一臺計算機
- 獨立性：一使用者一終端，互不打擾，有一種“獨佔”的感覺
- 及時性：及時響應使用者請求
- 互動性：使用者請求系統提供某些服務
分時系統的缺點是，它對每個使用者/作業都是公平的，迴圈地為它們執行一個時間片，不區分輕重緩急，因此不能優先處理緊急任務。
2.5 實時系統 （Real time system）
實時即“及時”。這裡要注意和分時系統的區別：實時系統能夠及時響應外部事件的請求，指的是緊急任務可以不需要時間片的排隊而優先得到處理。
實時任務：
- 任務是否週期性？週期性實時任務：非週期性實時任務（開始截止時間、完成截止時間）
- 對截止時間的要求？硬實時任務（不能錯過截止時間）：軟實時任務（允許錯過截止時間）
特點：
- 多路性：系統週期性地採集多路現場資訊
- 獨立性：對資訊得采集、對物件得控制，互不干擾
- 及時性：控制物件所要求的截止時間
- 互動性：僅限於某些系統特定的服務
- 可靠性：多級容錯措施
2.6 微機作業系統
......
2.7 網路作業系統
......
PS：同時具有批處理、分時、實時處理的功能，叫做通用作業系統
3. 基本特性
3.1 併發：
提高資源利用率、增加系統吞吐量，依靠的就是程式的併發執行。
並行和併發的區別
並行(parallel)：指在同一時刻，有多條指令在多個處理器上同時執行。比如下圖的 ABC 三個人同時吃麵包，1分鐘後都吃完了，無論是從微觀角度（聚焦於一秒）還是從巨集觀角度（聚焦於幾十秒），這三者都是同時執行的
- 程式：在系統中能夠獨立執行並作為資源分配的基本單位，程式建立程式後才能併發執行
3.2 共享
多個併發程式共同使用系統資源，資源在同一個時間段內交替地被多個程式使用
- 互斥共享方式（例如印表機，僅當 A 程式訪問完並釋放系統資源後，才允許另一程式訪問該資源）
- 同時訪問方式（如磁碟裝置，一段時間內是可以同時訪問的。這裡的同時是巨集觀層面上的）
PS：併發和共享互為存在條件，是 OS 最基本的特徵：程式併發是資源共享的前提，對共享資源的訪問保證了程式併發的順利執行
3.3 虛擬
通過虛擬技術把一個物理上地實體變為若干個邏輯上的對應物
- 分時多工技術：把一個單一的大時間段分成多個時間片，交替執行各個程式。比如說虛擬處理器技術就是分時多工技術的一種 —— 單核計算機同時開啟多個軟體，在使用者看來感覺像是多個 CPU 在跑這些軟體。
- 空間多工技術：虛擬儲存器技術就是空間多工技術的一種 —— 計算機只有 4G 記憶體，雖然各個執行的軟體消耗的總的記憶體遠不止 4G，但它們還是可以正常執行，在使用者看來感覺像是實體記憶體超過了 4G。
3.4 非同步
多個程式併發執行，但是由於資源有限，程式的執行不是一貫到底的，以不可預知的速度向前推進。
4. 基本功能
4.1 處理機管理功能
- 程式控制：為作業建立、撤銷、種植程式，控制程式的狀態轉換
- 程式同步：為多個程式的執行進行協調
- 程式互斥方式
- 程式同步方式
- 程式通訊：程式之間的資訊交換
- 排程：作業排程、程式排程
4.2 儲存器管理功能
- 記憶體分配：靜態記憶體分配（執行過程中不可申請新的記憶體空間）和動態記憶體分配（執行過程中允許申請新的記憶體空間）
- 記憶體保護：每個程式只在自己的記憶體區執行
- 地址對映：邏輯地址 => 實體地址
- 記憶體擴充：藉助虛擬儲存技術，從邏輯上進行記憶體擴充
4.3 裝置管理功能
- 緩衝管理：在 I/O 和 CPU 之間引入緩衝，提高資源利用率和系統吞吐量。緩衝區機制包括：單緩衝機制、雙緩衝機制、公用緩衝池機制
- 裝置分配：根據使用者請求的裝置型別和採用的分配演算法，對裝置進行分配
- 裝置處理：實現 CPU 與裝置控制器之間的通訊。
4.4 檔案管理功能
- 檔案儲存空間的管理：為檔案分配外存空間
- 目錄管理：為檔案建立一個目錄項
- 檔案讀寫管理和保護：對外存中的檔案進行讀寫，提供防護
4.5 作業系統與使用者之間的介面
- 命令介面（使用者直接使用）：聯機使用者介面、離線使用者介面
- 程式介面（使用者通過程式間接使用）：讓使用者程式在執行中訪問系統資源，是使用者程式取得 OS 服務的唯一途徑，有時候也叫做系統呼叫
- 圖形使用者介面
4.6 現代 OS 的新功能
- 系統安全：認證技術、密碼技術、訪問控制技術、反病毒技術
- 網路功能和服務：網路通訊、資源管理、應用互操作
- 支援多媒體：接納控制功能、實時排程、多媒體檔案的儲存