3.主存儲器管理

　　主存儲器是現代計算機系統運行的核心。主存儲器是由字或字節組成的大型隊列，每個字或字節都有它自己的地址。主存儲器是CPU 和I/O 設備共享的大容量快速存儲器。中央處理器在取指令周期中從主存儲器中讀取指令，而且在取數據周期中從主存儲器中讀/寫數據。通過DMA(動態內存存取)，I/O操作也實現了對主存儲器的數據讀/寫。通常主存儲器是CPU唯一能夠直接尋址和訪問的大容量存儲空間。例如，CPU要處理磁盤中的數據，那么CPU首先發出I/O調用將這些數據傳送到主存儲器中。同樣，指令必須在存儲器中才能夠由CPU執行。

　　必須要把程序映射到絕對地址并載入內存中才可以執行。在程序運行時，它通過產生絕對地址來從內存中訪問程序指令和數據。最后，程序結束，釋放所占的內存空間，方便下一個程序載入。

　　為了提高CPU利用率和計算機響應速度，必須在內存中保留多個程序。有許多不同的內存管理策略，而且不同算法的效率取決于具體的環境。為具體的系統選擇內存管理策略要考慮許多因素——尤其是系統的硬件設計。每種算法都需要自己的硬件支持。

　　操作系統要負責下列與內存管理相關的工作：

　　— 跟蹤內存使用情況，明確哪一部分正在使用和為誰所用;

　　— 在內存空間有效時決定將哪個進程載入內存;

　　— 根據需要分配和釋放內存空間。

　　4.文件管理

　　文件管理是操作系統中可視性最強的組件之一。計算機能夠將數據存儲在各種類型的物理介質上。磁帶、磁盤和光盤是最常用的介質。每種介質都有自己的特性和物理結構。每個存儲媒體由一個驅動器控制(如磁盤驅動器或磁帶驅動器)，這種驅動器也有自己的獨有特性。這些特性包括訪問速度、容量、數據傳輸率和存取方式(順序的或隨機的)。

　　為了便于使用計算機系統，操作系統提供了一個計算機系統的整體邏輯層面。操作系統把存儲設備的物理屬性抽象定義為一個邏輯存儲單元——文件。文件被映像到物理媒介中，通過存儲設備來訪問這些文件。

　　文件是由其創建者定義的相關信息的集合。一般的文件表現為程序(源程序和目標代碼)和數據。數據文件可能是數字的、字母的或二者混合的。文件可能是形式自由的(如文本文件)，也可能有嚴格定義的格式(如固定字段)。由字、字節、行或記錄組成的文件結構是其創建者定義的。文件概念具有相當廣泛的含義。

　　操作系統通過管理大容量存儲體(如由驅動器控制的磁盤和磁帶)實現了文件的抽象概念。另外，為了更簡易地使用文件，通常將他們組織到目錄中。最后，如果有多個用戶訪問文件，可能需要控制誰以什么樣的方式訪問(例如：讀、寫、追加)。

　　操作系統要負責下列與文件管理相關的工作：

　　— 創建和刪除文件;

　　— 創建和刪除目錄;

　　— 將文件映像到輔助存儲器中;

　　— 將文件備份到永久(非易失性)存儲體中。

　　5.I/O系統管理

　　操作系統的目的之一就是要向用戶隱藏具體的硬件特性。例如，在UNIX 中，通過I/O 子系統向操作系統隱藏了I/O設備的特性。I/O子系統由以下幾個方面組成：

　　— 一個內存管理模塊，這包括Buffering、Caching 和SPOOLing;

　　— 一個通用設備驅動程序接口;

　　— 針對具體硬件設備的驅動程序。

　　6.輔助存儲器管理

　　操作系統的主要目的是執行程序。這些程序在運行時(以及它們要訪問的數據)都必須在主存儲器中。因為主存儲器的容量太小不能存儲所有的程序和數據，而且掉電后會丟失所有的存儲信息，所以計算機系統必須要提供輔助存儲器作為主存儲器的后備。大多數現代計算機系統使用磁盤作為存儲程序和數據的主要聯機存儲體。大多數程序(包括編譯程序、匯編程序、排列程序、編輯程序和格式化程序)在載入內存之前存儲在磁盤上，并且在運行時利用磁盤存儲它們所處理的源文件和目標文件。因此，合理的磁盤管理對一個計算機系統來說是至關重要的。

　　操作系統要負責下列與輔助存儲器管理相關的工作：

　　— 空閑空間管理;

　　— 空間分配;

　　— 磁盤調度。

　　因為頻繁地使用輔助存儲器，所以必須要能夠高效運行。而且計算機的整體運行速度取決于磁盤子系統的速度和該子系統實現算法的效率。

　　7.網絡管理

　　分布式系統是一個處理機的集合，這些處理機既不共享內存和外圍設備，也不共享時鐘。而是每個處理機擁有自己的本地內存和時鐘，并且這些處理機可以通過各種通信線路(如高速總線或網絡)進行通信。一個分布式系統中的處理機在規模和功能上有所不同，其中可能包括小型微處理器、工作站、小型機和大型通用計算機。

　　在(分布式)系統中，處理機通過通信網絡相連接，有多種不同的方法可以配置該網絡。這種網絡可以完全或部分地連接。通信網絡的設計必須要考慮報文路由選擇和連接策略，以及爭用和安全的問題。

　　分布式系統將物理上相互獨立的可能不同種類的系統集合成為一個獨立相連的系統，它具有向用戶提供訪問由系統維護的各種資源的能力。對共享資源的訪問加快了計算速度、增強了系統功能、提高了數據的可用性并加強了可靠性。操作系統把網絡細節包含在了網絡接口設備驅動程序中，于是將網絡訪問泛化為一種文件訪問的形式。因此，分布式系統所使用的協議在很大程度上影響到系統的效率和普及。

　　8.系統保護

　　如果一個計算機系統有多個用戶并允許并行執行多個進程，那么必須要保護各個進程免受其他進程的侵擾。為此，需要提供一種機制來保證只有那些從操作系統獲取了合適權限的進程能夠操作文件、存儲段、CPU和其他資源。

　　例如，內存尋址硬件確保了一個進程只能在自己的地址空間內執行，計時器確保進程最終能夠放棄對CPU的控制，用戶不能夠訪問設備控制寄存器;這樣，就保護了各種外圍設備的完整性。

　　保護是操作系統定義的控制程序，是進程或用戶訪問的機制。這個機制必須要提供一種方法來描述要施加的控制，以及強制執行的方法。

　　通過檢測子系統接口中潛伏的錯誤，保護能夠增強系統的可靠性。對接口錯誤的早期檢測常常能夠阻止一個子系統故障波及到其他正常的子系統。一個未受保護的資源難以防止未授權或不適當的用戶的使用(或誤用)。一個面向保護的系統提供了一種區分授權的和未授權的使用方法。

　　9.操作系統服務

　　操作系統提供了程序運行的環境。它為程序和程序用戶提供了特定的服務。當然，不同的操作系統提供的具體服務不同，但是我們能夠找出其共同部分。提供的這些操作系統服務是為了便于程序員設計程序。具體如下。

　　— 程序執行：系統必須能夠將程序載入內存并運行它。程序必須能夠正常地或異常地(指示錯誤)結束運行。

　　— I/O 操作：一個正在運行的程序可能要請求I/O 操作。這可能會涉及文件或I/O 設備。針對具體的設備，需要特定的功能(如倒卷一個磁帶驅動器或清空一個CRT屏幕顯示)。出于系統效率和保護的原因，用戶通常不能夠直接控制I/O 設備。因此，操作系統必須要提供一種I/O 運行機制。

　　— 文件系統處理：文件系統相當有意思。顯然，程序需要能夠讀寫文件，也要能夠創建和刪除文件。

　　— 通信：在很多情況下，一個進程需要與另外一個進程交換信息。通信有兩種主要的方式。第一種方式是在運行在同一臺計算機上的進程間通信;另外一種方式是運行在由一個計算機網絡連接的不同的計算機系統上的進程間通信。可以通過共享存儲器或報文傳送(這種方式中，操作系統在進程之間將信息打包移動)的方式實現進程間的通信。

　　— 錯誤檢測：操作系統需要經常注意可能發生的錯誤。錯誤可能發生在CPU、內存(如存儲錯誤或電源故障)、I/O 設備(如磁帶奇偶檢驗錯誤、連結網絡失敗或打印機缺紙)及用戶程序(如運算溢出、試圖訪問非法存儲器地址或過多占用CPU 時間)中。對于每種類型的錯誤，操作系統應該能夠采取針對性措施以確保計算的正確性和相容性。

　　另外，操作系統還存在另外一些功能，它們不是為了幫助用戶工作，而是為了確保系統本身的高效運行。如：

　　— 資源分配：當多個用戶登錄到系統中或同時有多個作業運行時，必須要在它們之間分配資源。操作系統管理許多不同類型的資源。有些資源(如CPU 周期、主存儲器和外存儲器)可能有專用的分配代碼，而其他的(如I/O 設備)可能有更通用的請求和釋放代碼。例如，在決定如何最好地使用CPU 的問題上，操作系統的CPU 調度程序要考慮CPU 速度、必須要執行的作業、有效的寄存器數量和其他的一些因素;

　　— 賬戶管理：我們希望跟蹤記錄每個用戶使用哪些類型的計算機資源和用了多少。這個記錄保持可能用于記賬(以便用戶付賬)或簡單地用于累加使用率統計。對于研究者來說，使用率統計可能是個有效的工具。利用使用率統計，研究者可以重新配制系統以改善計算服務;

　　— 保護：存儲在多用戶計算機系統上的信息的所有者希望能夠控制對該信息的使用。當多個不相關的進程并發執行時，一個進程不應該能夠干擾其他進程或操作系統本身。保護包括了監控所有對系統資源的訪問。對來自外界的系統安全檢測(security)也是非常重要的。這種保護往往通過密碼的方式，用戶向系統驗證口令才能訪問資源。它也包括了保護外部I/O 設備(包括調制解調器和網絡適配器)免于非法的訪問企圖和記錄所有這樣的非法闖入。如果一個系統受到保護并且是安全的，那么就必須要建立預防措施。一般，系統的安全強度與其最薄弱的一個環節密切相關。