操作系统提供环境以便执行程序。操作系统的内部结构差别很大，有许多不同的组织方式。新操作系统的设计是一项重大任务。在开始设计前，系统目标的明确定义非常重要。这些目标是选择各种算法和策略的依据。
我们可以从多个方面来分析操作系统：第一个方面注重系统提供的服务；第二个方面关注用户和程序员采用的接口；第三个方面是系统组件及其相互关系。本章探讨操作系统的这三个方面，以便展示用户观点、程序员观点和操作系统设计人员的观点。我们研究以下问题:操作系统提供什么服务，如何提供服务，如何调试，操作系统设计的各种方法是什么。最后，我们描述如何生成操作系统以及如何启动计算机的操作系统。
操作系统的服务、
操作系统提供环境以便执行程序。它为程序及程序用户提供某些服务。当然，提供的具体服务随操作系统不同而不同，但还是有些是共同的。这些操作系统服务方便了程序员，使得编程更加容易。
操作系统有一组服务,用于提供用户功能:
- 用户界面：几乎所有操作系统都有用户界面（User Interface，UI)。这种界面可有多种形式。一种是命令行界面（Command-Line Interface，CLI)，它采用文本命令，并用某一方法输入（例如，键盘可按一定格式和选项来输入命令)。另一种是批处理界面( batch interface)，命令以及控制这些命令的指令可以编成文件以便执行。最为常用的是图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)。这种界面是一种视窗系统，它具有通过定位设备控制IO、通过菜单选择、通过键盘输入文本和选择等。有些系统还提供了两种甚至所有三种界面。
- 程序执行：系统应能加载程序到内存，并加以运行。程序应能结束执行，包括正常或不正常（并给出错误)。
- IO操作：程序运行可能需要I/O，这些IO可能涉及文件或设备。对于特定设备，可能需要特殊功能（如烧录CD、DVD或者清屏)。为了效率和保护，用户通常不应直接控制1/O设备。因此，操作系统必须提供手段以便执行1/O。
- 文件系统操作：用户对文件系统特别感兴趣。显然，程序需要读写文件和目录，也需要根据文件名称来创建和删除文件，搜索某个给定文件，列出文件信息等。最后,有些操作系统具有权限管理，根据文件所有者允许或拒绝对文件和目录的访问。许多操作系统提供多种文件系统，有的允许个人选择，有的提供特殊功能或性能。
- 通信：在许多情况下，一个进程需要与另一个进程交换信息。这种通信可能发生在运行于同一台计算机的两个进程之间，也可能发生在运行于通过网络连接的不同计算机的进程之间。通信实现可以通过共享内存(shared memory)(两个或多个进程读写共享内存区域)，也可以通过消息交换(message passing)(符合预先定义格式的信息分组可以通过操作系统在进程之间移动)。
- 错误检测：操作系统需要不断检测错误和更正错误。错误可能源于：CPU或内存硬件（如内存错误或电源故障)、IO设备（如磁盘奇偶检验出错、网络连接故障、打印机缺纸)、用户程序（如算术溢出、企图非法访问内存地址、占用CPU时间太长)等。对于每类错误，操作系统必须采取适当动作，确保计算的正确和一致。有时，它只能停机。也有时，它可以终结出错进程，或者将出错码返给进程以便进程检测或纠正。
- 资源分配：当多个用户或多个作业同时运行时，每个都应分配资源。操作系统管理许多不同类型的资源。有的资源（如CPU周期、内存和文件存储)可能要有特殊的分配代码，而其他资源(如IO设备)可能只需通用的请求和释放代码。例如，为了更好地使用CPU，操作系统需要采用CPU调度算法，以便考虑CPU的速度、要执行的作业、可用寄存器的数量和其他因素。还有一些其他程序可以分配打印机、USB存储器和其他外设。
- 记账：我们需要记录用户使用资源的类型和数量。这种记录可以用于记账(以便向用户收费)，或统计使用量。统计使用量对研究人员很有用，可用于重新配置系统以提高计算服务。
- 保护与安全：对于保存在多用户或联网的计算机系统的信息，用户可能需要控制信息使用。当多个独立进程并发执行时，一个进程不应干预其他进程或操作系统本身。保护应该确保可以控制系统资源的所有访问。系统安全而不受外界侵犯，也很重要。这种安全要求用户向系统认证自己（利用密码)，以获取系统资源的访问权限。安全还包括保护外部IO设备（如网络适配器）不受非法访问，并记录所有非法的闯入企图。如果一个系统需要保护和安全，那么系统的所有部分都要预防。一条链的强度与其最弱的环节一样。
用户与操作系统的界面、
正如前面所述，用户与操作系统的界面有多种方式。这里，讨论两种基本方案。一种提供命令行界面或命令解释程序（ command interpreter)，允许用户直接输入命令，以供操作系统执行。另一种允许用户通过图形用户界面(GUI)与操作系统交互。
命令解释程序、
有的操作系统内核包括命令解释程序。其他操作系统，如 Windows和 UNIX，将命令解释程序当作一个特殊程序，当一个任务开始或用户首次登录时(交互系统)，该程序就会运行。对于具有多个可选命令解释程序的系统，解释程序称为外壳(shell)。例如，UNIX和Linux系统有多种不同外壳可供用户选择，包括Bourne shell、C shell、Bourne-Again shell、Korn shell等。也有第三方的外壳和用户自己编写的免费外壳。大多数外壳都提供相似功能,用户外壳的选择通常基于个人偏好。
命令解释程序的主要功能是，获取并执行用户指定的下一条命令。这层提供了许多命令来操作文件:创建、删除、列出、打印、复制、执行等。MS-DOS和UNIX的外壳就是这么工作的。这些命令的实现有两种常用方法。
一种方法是，命令解释程序本身包含代码以执行这些命令。例如，删除文件的命令可让命令解释程序跳转到相应的代码段，以设置参数并执行相应系统调用。对于这种方法，所能提供命令的数量决定命令解释程序的大小，因为每个命令都要有实现代码。
另一种方法是，通过系统程序实现大多数的命令，常用于许多操作系统，如 UNIX。这样，命令解释程序不必理解命令，而只要通过命令确定一个文件，以加载到内存并执行。因此，UNIX删除文件的命令
rm fuke.txt -r
会查找名为rm的文件，将该文件加载到内存，并用参数file.txt,-r 来执行。与rm命令相关的功能是完全由文件rm的代码决定的。这样，程序员可以通过创建合适名称的新文件，轻松地向系统增加新命令。这种命令解释程序可能很小，而且在增加新命令时无需修改。
linux下的命令程序基本上都保存在/bin和/sbin目录下，两者的区别是sbin下的命令是root才能使用的，bin下的是普通用户能使用的。
图形用户界面、
与操作系统交互的第二种方法是，采用用户友好的图形用户界面(GUI)。因此，用户不是通过命令行界面直接输入命令，而是利用桌面（desktop)概念，即采用基于鼠标的视窗和菜单系统。用户移动鼠标，定位指针到屏幕（桌面)上的图标(icon)，而这些图标代表程序、文件、目录和系统功能。根据鼠标指针的位置，按下鼠标按钮可以调用程序，选择文件和目录（也称为文件夹( folder))，或打开菜单命令。
图形用户界面首次出现于20世纪70年代，部分源于Xerox PARC研究中心的研发工作。首个GUI于1973年出现在Xerox Alto计算机上。不过，直到20世纪80年代，随着Apple Macintosh计算机的出现，图形界面才更为普及。多年来，Macintosh操作系统（MacOS)的用户界面经历了很多变化，最重要的是Mac OS X采纳了Aqua界面。微软公司的首个Windows版本，即版本1.0，为MS-DOS操作系统提供了GUI。后来版本的 Windows改进了GUI外观，并增强了许多功能。
由于鼠标不适用于大多数的移动系统，因此智能手机和手持平板电脑通常采用触摸屏界面。这样，用户交互就是在触摸屏上做手势( gesture)，例如，在触摸屏上用手指点击和滑动等。图2-3为Apple iPad的触摸屏。虽说早期智能手机有键盘，但现在大多数智能手机只有触摸屏的模拟键盘。
界面的选择、
选择命令行界面CLI或GUI主要取决于各人喜好。管理计算机的系统管理员( system admi-nistrator)和了解系统很透彻的高级用户( power user）经常使用命令行界面。对他们来说，这样效率更高。事实上，有的系统只有部分功能可通过GUI使用，而其他不常用的功能则通过命令行来使用。再者，命令行界面对重复性的任务更为容易，其部分原因是它具有可编程的功能。例如，某个常见任务包括一组命令行步骤，而且这些步骤可编成一个文件，而该文件可像程序一样运行。这种程序不是编译成可执行代码，而是由命令行界面来解释执行的。这些外壳脚本(shell script)较常用于以命令行为主的系统，如 UNIX和Linux。
相比之下，大多数Windows用户喜欢使用Windows GUI环境，而几乎从不使用MSDOS命令行外壳界面。Macintosh操作系统经历的各种变化提供了一个很好的对比研究。最初，Mac OS没有提供命令行界面，而总是要求用户通过GUI与之交互。不过，随着MacOS X的发行(其部分实现采用了UNIX内核)，它包括了Aqua界面和命令行界面。
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