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操作系統(tǒng)的主要功能

發(fā)布時(shí)間: 2012/9/13 17:45:51

　　操作系統(tǒng)的主要功能是資源管理，程序控制和人機(jī)交互等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源可分為設(shè)備資源和信息資源兩大類。設(shè)備資源指的是組成計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備，如中央處理器，主存儲(chǔ)器，磁盤存儲(chǔ)器，打印機(jī)，磁帶存儲(chǔ)器，顯示器，鍵盤輸入設(shè)備和鼠標(biāo)等。信息資源指的是存放于計(jì)算機(jī)內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，如文件，程序庫(kù)，知識(shí)庫(kù)，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等。

操作系統(tǒng)位于底層硬件與用戶之間，是兩者溝通的橋梁。用戶可以通過(guò)操作系統(tǒng)的用戶界面，輸入命令。操作系統(tǒng)則對(duì)命令進(jìn)行解釋，驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用戶要求。以現(xiàn)代觀點(diǎn)而言，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)個(gè)人電腦的OS應(yīng)該提供以下的功能：

進(jìn)程管理（Processing management）

記憶空間管理（Memory management）

文件系統(tǒng)（File system）

網(wǎng)絡(luò)通訊（Networking）

安全機(jī)制（Security）

使用者界面（User interface）

驅(qū)動(dòng)程序（Device drivers）

資源管理

系統(tǒng)的設(shè)備資源和信息資源都是操作系統(tǒng)根據(jù)用戶需求按一定的策略來(lái)進(jìn)行分配和調(diào)度的。操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理就負(fù)責(zé)把內(nèi)存單元分配給需要內(nèi)存的程序以便讓它執(zhí)行，在程序執(zhí)行結(jié)束后將它占用的內(nèi)存單元收回以便再使用。對(duì)于提供虛擬存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)還要與硬件配合做好頁(yè)面調(diào)度工作，根據(jù)執(zhí)行程序的要求分配頁(yè)面，在執(zhí)行中將頁(yè)面調(diào)入和調(diào)出內(nèi)存以及回收頁(yè)面等。

處理器管理或稱處理器調(diào)度，是操作系統(tǒng)資源管理功能的另一個(gè)重要內(nèi)容。在一個(gè)允許多道程序同時(shí)執(zhí)行的系統(tǒng)里，操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)一定的策略將處理器交替地分配給系統(tǒng)內(nèi)等待運(yùn)行的程序。一道等待運(yùn)行的程序只有在獲得了處理器后才能運(yùn)行。一道程序在運(yùn)行中若遇到某個(gè)事件，例如啟動(dòng)外部設(shè)備而暫時(shí)不能繼續(xù)運(yùn)行下去，或一個(gè)外部事件的發(fā)生等等，操作系統(tǒng)就要來(lái)處理相應(yīng)的事件，然后將處理器重新分配。

操作系統(tǒng)的設(shè)備管理功能主要是分配和回收外部設(shè)備以及控制外部設(shè)備按用戶程序的要求進(jìn)行操作等。對(duì)于非存儲(chǔ)型外部設(shè)備，如打印機(jī)、顯示器等，它們可以直接作為一個(gè)設(shè)備分配給一個(gè)用戶程序，在使用完畢后回收以便給另一個(gè)需求的用戶使用。對(duì)于存儲(chǔ)型的外部設(shè)備，如磁盤、磁帶等，則是提供存儲(chǔ)空間給用戶，用來(lái)存放文件和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)性外部設(shè)備的管理與信息管理是密切結(jié)合的。

信息管理是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要的功能，主要是向用戶提供一個(gè)文件系統(tǒng)。一般說(shuō)，一個(gè)文件系統(tǒng)向用戶提供創(chuàng)建文件，撤銷文件，讀寫文件，打開和關(guān)閉文件等功能。有了文件系統(tǒng)后，用戶可按文件名存取數(shù)據(jù)而無(wú)需知道這些數(shù)據(jù)存放在哪里。這種做法不僅便于用戶使用而且還有利于用戶共享公共數(shù)據(jù)。此外，由于文件建立時(shí)允許創(chuàng)建者規(guī)定使用權(quán)限，這就可以保證數(shù)據(jù)的安全性。

程序控制

一個(gè)用戶程序的執(zhí)行自始至終是在操作系統(tǒng)控制下進(jìn)行的。一個(gè)用戶將他要解決的問(wèn)題用某一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫了一個(gè)程序后就將該程序連同對(duì)它執(zhí)行的要求輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，操作系統(tǒng)就根據(jù)要求控制這個(gè)用戶程序的執(zhí)行直到結(jié)束。操作系統(tǒng)控制用戶的執(zhí)行主要有以下一些內(nèi)容：調(diào)入相應(yīng)的編譯程序，將用某種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫的源程序編譯成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的目標(biāo)程序，分配內(nèi)存儲(chǔ)等資源將程序調(diào)入內(nèi)存并啟動(dòng)，按用戶指定的要求處理執(zhí)行中出現(xiàn)的各種事件以及與操作員聯(lián)系請(qǐng)示有關(guān)意外事件的處理等。

人機(jī)交互

操作系統(tǒng)的人機(jī)交互功能是決定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“友善性”的一個(gè)重要因素。人機(jī)交互功能主要靠可輸入輸出的外部設(shè)備和相應(yīng)的軟件來(lái)完成�？晒┤藱C(jī)交互使用的設(shè)備主要有鍵盤顯示、鼠標(biāo)、各種模式識(shí)別設(shè)備等。與這些設(shè)備相應(yīng)的軟件就是操作系統(tǒng)提供人機(jī)交互功能的部分。人機(jī)交互部分的主要作用是控制有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行和理解并執(zhí)行通過(guò)人機(jī)交互備傳來(lái)的有關(guān)的各種命令和要求。

進(jìn)程管理

不管是常駐程序或者應(yīng)用程序，他們都以進(jìn)程為標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行單位。當(dāng)年運(yùn)用馮紐曼架構(gòu)建造電腦時(shí)，每個(gè)中央處理器最多只能同時(shí)執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程。早期的OS（例如DOS）也不允許任何程序打破這個(gè)限制，且DOS同時(shí)只有執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程（雖然DOS自己宣稱他們擁有終止并等待駐留（TSR）能力，可以部分且艱難地解決這問(wèn)題）。現(xiàn)代的操作系統(tǒng)，即使只擁有一個(gè)CPU，也可以利用多進(jìn)程（multitask）功能同時(shí)執(zhí)行復(fù)數(shù)進(jìn)程。進(jìn)程管理指的是操作系統(tǒng)調(diào)整復(fù)數(shù)進(jìn)程的功能。

由于大部分的電腦只包含一顆中央處理器，在單內(nèi)核（Core）的情況下多進(jìn)程只是簡(jiǎn)單迅速地切換各進(jìn)程，讓每個(gè)進(jìn)程都能夠執(zhí)行，在多內(nèi)核或多處理器的情況下，所有進(jìn)程通過(guò)許多協(xié)同技術(shù)在各處理器或內(nèi)核上轉(zhuǎn)換。越多進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行，每個(gè)進(jìn)程能分配到的時(shí)間比率就越小。很多OS在遇到此問(wèn)題時(shí)會(huì)出現(xiàn)諸如音效斷續(xù)或鼠標(biāo)跳格的情況（稱做崩潰（Thrashing），一種OS只能不停執(zhí)行自己的管理程序并耗盡系統(tǒng)資源的狀態(tài)，其他使用者或硬件的程序皆無(wú)法執(zhí)行）。進(jìn)程管理通常實(shí)現(xiàn)了分時(shí)的概念，大部分的OS可以利用指定不同的特權(quán)等級(jí)（priority），為每個(gè)進(jìn)程改變所占的分時(shí)比例。特權(quán)越高的進(jìn)程，執(zhí)行優(yōu)先級(jí)越高，單位時(shí)間內(nèi)占的比例也越高。交互式OS也提供某種程度的回饋機(jī)制，讓直接與使用者交互的進(jìn)程擁有較高的特權(quán)值。

內(nèi)存管理

根據(jù)帕金森定律：“你給程序再多內(nèi)存，程序也會(huì)想盡辦法耗光”，因此程序設(shè)計(jì)師通常希望系統(tǒng)給他無(wú)限量且無(wú)限快的內(nèi)存。大部分的現(xiàn)代電腦內(nèi)存架構(gòu)都是階層式的，最快且數(shù)量最少的寄存器為首，然后是高速緩存、內(nèi)存以及最慢的磁盤儲(chǔ)存設(shè)備。而OS的內(nèi)存管理提供尋找可用的記憶空間、配置與釋放記憶空間以及交換內(nèi)存和低速儲(chǔ)存設(shè)備的內(nèi)含物……等功能。此類又被稱做虛擬內(nèi)存管理的功能大幅增加每個(gè)進(jìn)程可獲得的記憶空間（通常是4GB，即使實(shí)際上RAM的數(shù)量遠(yuǎn)少于這數(shù)目）。然而這也帶來(lái)了微幅降低執(zhí)行效率的缺點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程崩潰。

內(nèi)存管理的另一個(gè)重點(diǎn)活動(dòng)就是借由CPU的幫助來(lái)管理虛擬位置。如果同時(shí)有許多進(jìn)程儲(chǔ)存于記憶設(shè)備上，操作系統(tǒng)必須防止它們互相干擾對(duì)方的內(nèi)存內(nèi)容（除非通過(guò)某些協(xié)議在可控制的范圍下操作，并限制可存取的內(nèi)存范圍）。分割內(nèi)存空間可以達(dá)成目標(biāo)。每個(gè)進(jìn)程只會(huì)看到整個(gè)內(nèi)存空間（從0到內(nèi)存空間的最大上限）被配置給它自己（當(dāng)然，有些位置被OS保留而禁止存取）。CPU事先存了幾個(gè)表以比對(duì)虛擬位置與實(shí)際內(nèi)存位置，這種方法稱為分頁(yè)（paging）配置。

借由對(duì)每個(gè)進(jìn)程產(chǎn)生分開獨(dú)立的位置空間，OS也可以輕易地一次釋放某進(jìn)程所占據(jù)的所有內(nèi)存。如果這個(gè)進(jìn)程不釋放內(nèi)存，OS可以退出進(jìn)程并將內(nèi)存自動(dòng)釋放。

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