操作系统概念及常见的操作系统

一、什么是操作系统

操作系统（Operating System，简称OS）是一种系统软件，它是计算机硬件和应用软件之间的桥梁。它管理计算机的硬件和软件资源，为应用程序提供接口和服务，并协调应用程序的运行。操作系统是计算机系统中最基本的软件之一，它控制着计算机的所有活动，包括输入输出、处理数据、管理存储、协调进程和网络通信等。常见的操作系统包括Windows、macOS、Linux、Unix等。后面我们主要讨论Linux操作系统和其他的一些嵌入式操作系统。

应用程序不会去直接访问显示器、键盘、磁盘或者主存，而是依靠操作系统提供的服务。所有应用程序对硬件的操作尝试都必须通过操作系统。操作系统提供两个基本功能：1、防止硬件被失控的应用程序滥用。2、向应用程序提供简单一致的机制，来控制复杂而又常常差别很大的底层硬件设备。操作系统通过几个基本的抽象概念(进程、虚拟内存、文件)来实现这两个功能。文件是对I/O设备的抽象表示，虚拟内存是对主存和磁盘I/O设备的抽象表示，进程则是对处理器、主存和I/O设备的抽象表示。

二、为什么需要操作系统

操作系统是计算机系统中最基本的软件之一，它可以管理计算机的硬件和软件资源，为用户提供一个友好的界面来与计算机交互。

以下是为什么需要操作系统的几个原因：
管理硬件资源：操作系统可以管理计算机的各种硬件资源，如CPU、内存、硬盘、打印机等等。操作系统会调度和分配这些资源，以确保它们被有效地利用。
提供用户界面：操作系统可以提供用户友好的界面来与计算机交互，如命令行界面、图形界面等等。这使得用户可以更方便地使用计算机，而不必深入了解计算机底层的运行方式。
管理文件系统：操作系统可以管理计算机的文件系统，包括文件的创建、修改、删除、移动等等。这使得用户可以更方便地组织和管理自己的文件。
提供网络功能：操作系统可以提供网络功能，如连接到互联网、共享文件和打印机等等。这使得用户可以更方便地与其他计算机和设备进行通信和协作。

三、什么是实时操作系统

实时操作系统（RTOS）是一种专门为实时应用程序设计的操作系统。与通用操作系统不同，RTOS具有极低的延迟和可预测的响应时间，这对于需要快速响应输入和输出的应用程序非常重要。这些应用程序包括航空航天、工业自动化、医疗设备、通信设备、嵌入式系统等。
实时操作系统的主要特征包括：
实时性：RTOS能够在严格的时间限制内完成操作，能够及时地响应外部事件。
可靠性：RTOS能够保证系统的可靠性和稳定性，尽可能地避免系统崩溃和死锁。
多任务处理：RTOS能够同时处理多个任务，保证系统的高效性和灵活性。
低延迟：RTOS能够实现非常低的响应延迟，从而提高系统的实时性。
可裁剪性：RTOS可以根据具体的应用需求进行定制和裁剪，

四、什么是硬实时操作系统

硬实时操作系统（Hard Real-Time Operating System）是一种能够保证在预定时间内处理任务的操作系统。与软实时操作系统不同，硬实时操作系统可以在特定时间限制内精确地处理任务，任何任务都不能超过其规定的时间限制。
硬实时操作系统的设计目标是尽可能地缩短任务响应时间，以满足需要高度可靠性和严格实时性的应用场景。硬实时操作系统通常使用静态优先级调度算法，为每个任务分配优先级，以保证高优先级任务能够优先得到处理。此外，硬实时操作系统还支持中断处理、任务同步和通信等功能。
硬实时操作系统广泛应用于需要严格保证任务响应时间的领域，如飞行控制系统、机器人控制系统、医疗设备、军事系统等。但是，硬实时操作系统的设计复杂性和开发成本较高，因此通常用于对时间响应要求特别高的领域。

五、什么是软实时操作系统

软实时操作系统（Soft Real-Time Operating System）是一种折中方案，它是介于实时操作系统和一般操作系统之间的一种操作系统类型。与硬实时操作系统不同，软实时操作系统不能保证每个任务都能在确定的时间内完成，但是可以在尽可能短的时间内完成，并尽量减少任务响应的延迟。
软实时操作系统通常采用时间片轮转调度算法，以实现在任务之间的时间共享。软实时操作系统通常用于处理一些相对不紧急、可容忍一定延迟的任务，如音视频播放、图形处理等。
软实时操作系统适用于大多数应用场景，因为它能够满足大多数任务的响应需求，并且还能够提供更好的可用性和灵活性。同时，它的成本也比硬实时操作系统更低。

六、什么是微内核操作系统

微内核操作系统（Microkernel Operating System）是一种操作系统设计架构，它将操作系统的核心功能分解成多个独立的、可插拔的模块，其中核心部分仅仅包含最基本的功能，如内存管理、进程管理和通信机制等。而其他高级功能，如文件系统、网络协议栈和驱动程序等则运行在操作系统的用户空间。
微内核操作系统的设计目标是提高操作系统的可维护性、可扩展性、可移植性和安全性。与传统的单内核操作系统相比，微内核操作系统具有以下优点：
灵活性：模块化设计使得微内核操作系统更加灵活，可以根据应用程序的需要选择性地加载和卸载功能模块。
可扩展性：由于核心部分非常小，因此微内核操作系统可以很容易地扩展新的功能模块。
可维护性：微内核操作系统的设计使得对核心部分的修改和更新变得更加容易。
安全性：由于操作系统的核心部分非常小，所以攻击者的攻击面也会降低，从而提高了系统的安全性。

七、什么是宏内核操作系统

宏内核操作系统是操作系统的另一种设计方法，与微内核相对。在宏内核操作系统中，所有的操作系统服务都运行在操作系统内核中，形成一个庞大的内核，宏内核包括文件系统、网络协议栈、设备驱动程序等服务都运行在内核态，与内核本身共同组成一个单一的执行环境。
在宏内核操作系统中，各个服务之间的通信和交互都是直接的，这意味着它们之间的耦合度非常高，如果其中一个服务出现问题，可能会影响到整个操作系统的稳定性。此外，宏内核设计方法不利于操作系统的可扩展性和可维护性。
与微内核相比，宏内核操作系统的优点在于效率高，因为它避免了在用户空间和内核空间之间频繁切换的开销。但是，随着硬件技术的不断进步，这个优点的影响已经逐渐减少，因此，现代操作系统普遍采用微内核设计方法。

八、常见的嵌入式操作系统及其特点

FreeRTOS：一个基于实时内核的开源操作系统，适用于嵌入式设备和实时应用程序。
uC/OS：一个用于嵌入式系统的实时操作系统，支持多任务、消息传递、定时器、信号量、互斥量等功能。
Linux及其衍生系统：一个基于Linux内核的开源操作系统，适用于嵌入式设备和系统，具有良好的可移植性和可扩展性，支持多任务、多线程、进程管理、文件系统等功能。
VxWorks：一个实时操作系统，具有可靠性高、可定制性强、支持多任务、多线程等特点，广泛用于工业自动化、网络设备等领域。
Nucleus RTOS：一种实时操作系统，适用于高性能嵌入式系统，支持多任务、多线程、消息队列等功能，具有低延迟、低开销的特点。
ThreadX：一个实时嵌入式操作系统，具有低开销、可裁剪的特点，适用于内存受限的嵌入式设备。
embOS：一种实时嵌入式操作系统，支持多任务、多线程、定时器、信号量等功能，适用于对实时性要求高的应用。
QNX：一种实时操作系统，具有可靠性高、可定制性强、支持多任务、多线程等特点，广泛用于汽车、航空、医疗等领域。
这些嵌入式操作系统各有优点和特点，适用于不同的应用场景。在选择嵌入式操作系统时，需要考虑应用的实时性、资源需求、功能要求等多个因素。