19、操作系统：原理、类型与运行机制

操作系统：原理、类型与运行机制

1. 无操作系统编程的挑战

在没有操作系统的设备上编程和使用设备，软件可直接访问硬件。以早期视频游戏机为例，如Atari 2600、任天堂娱乐系统（NES）或世嘉Genesis，这些游戏机运行卡带中的代码，没有操作系统。其使用方式简单，插入卡带并开机即可开始游戏，且一次只能运行一个程序（当前卡带中的游戏）。若开机时未插入卡带，CPU 没有可运行的指令，系统不会有任何反应。若要切换游戏，需关机、更换卡带再开机，系统运行时无法在程序间切换，也没有后台运行的程序。

对于程序员而言，为这类系统开发游戏意味着要直接用代码控制硬件。系统上电后，CPU 开始运行卡带上的代码，开发者不仅要编写游戏逻辑软件，还要初始化系统、控制视频硬件、读取控制器输入的硬件状态等。不同游戏机的硬件设计差异很大，开发者需深入了解目标硬件的细节。不过，在游戏机生产的几年中，其硬件设计基本保持不变，例如所有 NES 游戏机都采用相同类型的处理器、RAM、图像处理器（PPU）和音频处理器（APU），这使开发者能针对特定硬件优化代码以榨取系统性能。但将游戏移植到其他类型的游戏机时，往往需要重写大量代码，且每个游戏卡带都需包含完成基本任务（如硬件初始化）的相似代码，不同开发者会反复解决相同的挑战。

2. 操作系统概述

操作系统为编程提供了不同的模式，解决了直接针对特定硬件编写代码所面临的诸多挑战。它是与计算机硬件通信并为程序执行提供环境的软件，允许程序请求系统服务（如从存储设备读取数据或通过网络通信），处理计算机系统的初始化并管理程序的执行，包括多程序并行运行（多任务处理），确保多个程序能共享处理器时间和系统资源。操作系统还会设置边界，确保程序之间以及程序与操作系统相互