操作系统是计算机系统中不可或缺的核心软件，它作为用户与计算机硬件之间的桥梁，管理和协调计算机系统中的各种资源。本章将探讨操作系统的基础概念，重点介绍计算机系统的构成以及操作系统提供的核心服务。
一、计算机系统的层次结构
计算机系统通常由硬件、操作系统、应用程序和用户四个基本层次组成。硬件层包括中央处理器（CPU）、内存、存储设备和输入/输出设备等物理组件。操作系统层直接管理这些硬件资源，并为上层应用程序提供统一的接口。应用程序层包括各种用户程序，如文字处理软件、浏览器等。用户层则是通过应用程序与计算机系统交互的最终使用者。操作系统在这一结构中扮演着“管理者”的角色，确保资源的高效、安全使用。
二、操作系统的基本服务
操作系统通过一系列服务来支持计算机系统的运行，主要包括以下几个方面：
- 进程管理：操作系统负责创建、调度和终止进程，确保CPU时间被合理分配。进程是程序执行的一个实例，操作系统通过进程控制块（PCB）来跟踪每个进程的状态、优先级和资源使用情况。多道程序环境中，操作系统还需处理进程间的同步与通信，避免资源冲突。
- 内存管理：内存是计算机系统中的关键资源，操作系统负责分配和回收内存空间，确保多个程序能够同时运行而不相互干扰。虚拟内存技术允许程序使用比物理内存更大的地址空间，通过分页或分段机制提高内存利用率。
- 文件系统管理：操作系统提供文件创建、读写、删除和权限控制等功能，使用户和应用程序能够方便地存储和访问数据。文件系统通常采用目录结构来组织文件，并支持磁盘空间分配与碎片整理。
- 设备管理：操作系统通过设备驱动程序控制外部设备（如打印机、键盘、磁盘等），处理输入/输出请求，并提供抽象接口，隐藏硬件细节。中断处理和缓冲机制常用于提高设备使用效率。
- 安全与保护：操作系统实施访问控制策略，防止未经授权的用户或程序访问敏感资源。这包括用户身份认证、文件权限管理和内存保护机制，确保系统的完整性和保密性。
三、操作系统的目标
操作系统的设计目标主要包括效率、可靠性、便利性和可扩展性。效率指最大化资源利用率，减少空闲时间；可靠性要求系统稳定运行，能处理错误和异常；便利性体现在为用户提供友好的界面和简单的操作方式；可扩展性则允许系统适应硬件和软件的变化。
操作系统通过其核心服务，使计算机系统能够高效、安全地运行，为用户和应用程序提供一个稳定的平台。理解这些基础概念是深入学习操作系统后续章节的关键。在下一部分中，我们将进一步讨论操作系统的类型、发展历史及其在现代计算中的重要性。
