1.1.3 操作系統的作用與功能

　　操作系統是用戶與計算機硬件之間的接口。可以認為操作系統是對計算機硬件系統的第一次擴充，用戶通過操作系統來使用計算機系統。換句話說，操作系統緊靠計算機硬件并在其基礎上提供了許多新的設施和能力，從而，使得用戶能夠方便、可靠、安全、高效地操作計算機硬件和運行自己的程序。例如，改造各種硬件設施，使之更容易使用;提供原語和系統調用，擴展機器的指令系統;而這些功能到目前為止還難以由硬件直接實現。操作系統還合理地組織計算機的工作流程，協調各個部件有效工作，為用戶提供一個良好的運行環境。經過操作系統改造和擴充過的計算機不但功能更強，使用也更為方便，用戶可以直接調用操作系統提供的各種功能，而無須了解許多軟硬件本身的細節，對于用戶來講操作系統便成為它與計算機硬件之間的一個接口。

　　操作系統為用戶提供了虛擬計算機(Virtual Machine)。許多年以前，人們就認識到必須找到某種方法把硬件的復雜性與用戶隔離開來，經過不斷的探索和研究，目前采用的方法是在計算機裸機上加上一層又一層的軟件來組成整個計算機系統;同時，為用戶提供一個容易理解和便于程序設計的接口。在操作系統中，類似地把硬件細節隱藏并把它與用戶隔離開來的情況非常普遍，如I/O管理軟件、文件管理軟件和窗口軟件向用戶提供了一個越來越方便的使用I/O 設備的方法。由此可見，每當在計算機上覆蓋了一層軟件，提供了一種抽象，系統的功能便增加一點，使用就更加方便一點，用戶可用的運行環境就更加好一點。所以，當計算機上覆蓋了操作系統后，可以擴展基本功能，為用戶提供一臺功能顯著增強、使用更加方便、安全可靠性好、效率明顯提高的機器，對用戶來說好像可以使用的是一臺與裸機不同的虛擬計算機。

　　操作系統是計算機系統的資源管理者。在計算機系統中，能分配給用戶使用的各種硬件和軟件設施總稱為資源。資源包括兩大類：硬件資源和信息資源。其中，硬件資源分為處理器、存儲器、I/O 設備等;I/O設備又分為輸入型設備、輸出型設備和存儲型設備;信息資源則分為程序和數據等。操作系統的重要任務之一是對資源進行抽象研究，找出各種資源的共性和個性，有序地管理計算機中的硬件、軟件資源，跟蹤資源使用情況，監視資源的狀態，滿足用戶對資源的需求，協調各程序對資源的使用沖突;研究使用資源的統一方法，為用戶提供簡單、有效的資源使用手段，最大限度地實現各類資源的共享，提高資源利用率，從而使得計算機系統的效率有很大提高。

　　操作系統是計算機系統的資源管理者，主要負責管理計算機系統中的軟硬件資源，調度系統中各種資源的使用。具體地講，其主要功能包括以下6種。

　　1.處理機管理

　　處理機管理的主要任務是對處理機的分配和運行實施有效的管理。在多道程序環境下，處理機的分配和運行是以進程為基本單位的。因此，對處理機的管理可歸結為對進程的管理。進程管理應具有下述主要功能：

　　(1)進程控制：負責進程的創建、撤銷及狀態轉換;

　　(2)進程同步：對并發執行的進程進行協調;

　　(3)進程通信：負責完成進程間的信息交換;

　　(4)進程調度：按一定算法進行處理機分配。

　　2.存儲器管理

　　存儲器管理的主要任務是對內存進行分配、保護和擴充，為多道程序運行提供有力的支撐，便于用戶使用存儲資源，提高存儲空間的利用率。存儲管理的主要功能包括：

　　(1)內存分配：按一定的分配策略為每道程序分配內存;

　　(2)存儲共享：存儲管理能讓內存儲器中的多個用戶程序實現存儲資源的共享，以提高存儲器的利用率;

　　(3)內存保護：保證各程序在自己的內存區域內運行而不相互干擾;

　　(4)內存擴充：為允許大型作業或多作業的運行，必須借助虛擬存儲技術來實現增加內存的效果。

　　3.設備管理

　　設備管理的主要任務是管理各類外圍設備，完成用戶提出的I/O請求，加快I/O信息的傳送速度，發揮I/O設備的并行性，提高I/O設備的利用率，以及提供每種設備的設備驅動程序和中斷處理程序，為用戶隱蔽硬件細節、提供方便簡單的設備使用方法。設備管理應具有下述功能：

　　(1)設備分配：根據一定的設備分配原則對設備進行分配。為了使設備與主機并行工作，常需采用緩沖技術和虛擬技術;

　　(2)設備傳輸控制：實現物理的輸入/輸出操作，即啟動設備、中斷處理、結束處理等;

　　(3)設備獨立性：即用戶向系統申請的設備與實際操作的設備無關。

　　4.文件管理

　　在現代計算機中，通常把程序和數據以文件形式存儲在外存儲器(又叫輔存儲器)上，供用戶使用;這樣，外存儲器上保存了大量文件，對這些文件如不能采取良好的管理方式，就會導致混亂或破壞，造成嚴重后果。為此，在操作系統中配置了文件管理，操作系統中負責文件管理的部分稱為文件系統。其主要功能如下：

　　(1)文件存儲空間的管理：負責對文件存儲空間進行管理，包括存儲空間的分配和回收等功能;

　　(2)目錄管理：目錄是為方便文件管理而設置的數據結構，它能提供按文件名存儲的功能;

　　(3)文件操作管理：實現文件的操作，負責完成數據的讀/寫;

　　(4)文件保護：提供文件保護功能，防止文件遭到破壞。

　　5.網絡與通信管理

　　計算機網絡源于計算機與通信技術的結合，近20年來，從單機與終端之間的遠程通信，到今天全世界成千上萬臺計算機聯網工作，計算機網絡的應用已十分廣泛。聯網操作系統至少應具有以下管理功能：

　　(1)網上資源管理功能。計算機網絡的主要目的之一是共享資源，網絡操作系統應實現網上資源的共享，管理用戶應用程序對資源的訪問，保證信息資源的安全性和完整性;

　　(2)數據通信管理功能。計算機聯網后，節點之間可以互相傳送數據，進行通信，通過通信軟件，按照通信協議的規定，完成網絡上計算機之間的信息傳送;

　　(3)網絡管理功能。包括故障管理、安全管理、性能管理、記賬管理和配置管理等。

　　6.用戶接口

　　為了使用戶能靈活、方便地使用計算機和系統功能，操作系統還提供了一組友好的使用其功能的手段稱用戶接口。通常，操作系統為用戶提供以下兩種接口：命令接口和程序接口。

　　(1)命令接口：提供一組命令供用戶直接或間接控制自己的作業，近年來出現的圖形接口是命令接口的圖形化。

　　(2)程序接口：提供一組系統調用，供用戶程序和其他系統程序調用。

　　1.1.4 操作系統提供的服務

　　操作系統要為用戶程序的執行提供一個良好的運行環境，因此，操作系統為程序和用戶提供了一系列的操作系統服務，而且這些服務可使程序員更容易地完成他的工作。操作系統提供的服務類型主要有公共服務類型和系統調用的類型。

　　1.操作系統的公共服務類型

　　操作系統的公共服務類型主要有：程序執行，I/O操作，文件系統操作，資源分配，擁擠和保護，通信和差錯檢測。

　　2.系統調用的類型

　　系統調用的類型是根據操作系統所提供服務的功能來決定的。系統調用分為進程管理、設備管理、文件操作、信息維護及通信。