1.1.3 操作系统的作用与功能

操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。可以认为操作系统是对计算机硬件系统的第一次扩充，用户通过操作系统来使用计算机系统。换句话说，操作系统紧靠计算机硬件并在其基础上提供了许多新的设施和能力，从而，使得用户能够方便、可靠、安全、高效地操作计算机硬件和运行自己的程序。例如，改造各种硬件设施，使之更容易使用;提供原语和系统调用，扩展机器的指令系统;而这些功能到目前为止还难以由硬件直接实现。操作系统还合理地组织计算机的工作流程，协调各个部件有效工作，为用户提供一个良好的运行环境。经过操作系统改造和扩充过的计算机不但功能更强，使用也更为方便，用户可以直接调用操作系统提供的各种功能，而无须了解许多软硬件本身的细节，对于用户来讲操作系统便成为它与计算机硬件之间的一个接口。

操作系统为用户提供了虚拟计算机(Virtual Machine)。许多年以前，人们就认识到必须找到某种方法把硬件的复杂性与用户隔离开来，经过不断的探索和研究，目前采用的方法是在计算机裸机上加上一层又一层的软件来组成整个计算机系统;同时，为用户提供一个容易理解和便于程序设计的接口。在操作系统中，类似地把硬件细节隐藏并把它与用户隔离开来的情况非常普遍，如I/O管理软件、文件管理软件和窗口软件向用户提供了一个越来越方便的使用I/O 设备的方法。由此可见，每当在计算机上覆盖了一层软件，提供了一种抽象，系统的功能便增加一点，使用就更加方便一点，用户可用的运行环境就更加好一点。所以，当计算机上覆盖了操作系统后，可以扩展基本功能，为用户提供一台功能显著增强、使用更加方便、安全可靠性好、效率明显提高的机器，对用户来说好像可以使用的是一台与裸机不同的虚拟计算机。

操作系统是计算机系统的资源管理者。在计算机系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源。资源包括两大类：硬件资源和信息资源。其中，硬件资源分为处理器、存储器、I/O 设备等;I/O设备又分为输入型设备、输出型设备和存储型设备;信息资源则分为程序和数据等。操作系统的重要任务之一是对资源进行抽象研究，找出各种资源的共性和个性，有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突;研究使用资源的统一方法，为用户提供简单、有效的资源使用手段，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而使得计算机系统的效率有很大提高。

操作系统是计算机系统的资源管理者，主要负责管理计算机系统中的软硬件资源，调度系统中各种资源的使用。具体地讲，其主要功能包括以下6种。

1.处理机管理

处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行是以进程为基本单位的。因此，对处理机的管理可归结为对进程的管理。进程管理应具有下述主要功能：

(1)进程控制：负责进程的创建、撤销及状态转换;

(2)进程同步：对并发执行的进程进行协调;

(3)进程通信：负责完成进程间的信息交换;

(4)进程调度：按一定算法进行处理机分配。

2.存储器管理

存储器管理的主要任务是对内存进行分配、保护和扩充，为多道程序运行提供有力的支撑，便于用户使用存储资源，提高存储空间的利用率。存储管理的主要功能包括：

(1)内存分配：按一定的分配策略为每道程序分配内存;

(2)存储共享：存储管理能让内存储器中的多个用户程序实现存储资源的共享，以提高存储器的利用率;

(3)内存保护：保证各程序在自己的内存区域内运行而不相互干扰;

(4)内存扩充：为允许大型作业或多作业的运行，必须借助虚拟存储技术来实现增加内存的效果。

3.设备管理

设备管理的主要任务是管理各类外围设备，完成用户提出的I/O请求，加快I/O信息的传送速度，发挥I/O设备的并行性，提高I/O设备的利用率，以及提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序，为用户隐蔽硬件细节、提供方便简单的设备使用方法。设备管理应具有下述功能：

(1)设备分配：根据一定的设备分配原则对设备进行分配。为了使设备与主机并行工作，常需采用缓冲技术和虚拟技术;

(2)设备传输控制：实现物理的输入/输出操作，即启动设备、中断处理、结束处理等;

(3)设备独立性：即用户向系统申请的设备与实际操作的设备无关。

4.文件管理

在现代计算机中，通常把程序和数据以文件形式存储在外存储器(又叫辅存储器)上，供用户使用;这样，外存储器上保存了大量文件，对这些文件如不能采取良好的管理方式，就会导致混乱或破坏，造成严重后果。为此，在操作系统中配置了文件管理，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统。其主要功能如下：

(1)文件存储空间的管理：负责对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配和回收等功能;

(2)目录管理：目录是为方便文件管理而设置的数据结构，它能提供按文件名存储的功能;

(3)文件操作管理：实现文件的操作，负责完成数据的读/写;

(4)文件保护：提供文件保护功能，防止文件遭到破坏。

5.网络与通信管理

计算机网络源于计算机与通信技术的结合，近20年来，从单机与终端之间的远程通信，到今天全世界成千上万台计算机联网工作，计算机网络的应用已十分广泛。联网操作系统至少应具有以下管理功能：

(1)网上资源管理功能。计算机网络的主要目的之一是共享资源，网络操作系统应实现网上资源的共享，管理用户应用程序对资源的访问，保证信息资源的安全性和完整性;

(2)数据通信管理功能。计算机联网后，节点之间可以互相传送数据，进行通信，通过通信软件，按照通信协议的规定，完成网络上计算机之间的信息传送;

(3)网络管理功能。包括故障管理、安全管理、性能管理、记账管理和配置管理等。

6.用户接口

为了使用户能灵活、方便地使用计算机和系统功能，操作系统还提供了一组友好的使用其功能的手段称用户接口。通常，操作系统为用户提供以下两种接口：命令接口和程序接口。

(1)命令接口：提供一组命令供用户直接或间接控制自己的作业，近年来出现的图形接口是命令接口的图形化。

(2)程序接口：提供一组系统调用，供用户程序和其他系统程序调用。

1.1.4 操作系统提供的服务

操作系统要为用户程序的执行提供一个良好的运行环境，因此，操作系统为程序和用户提供了一系列的操作系统服务，而且这些服务可使程序员更容易地完成他的工作。操作系统提供的服务类型主要有公共服务类型和系统调用的类型。

1.操作系统的公共服务类型

操作系统的公共服务类型主要有：程序执行，I/O操作，文件系统操作，资源分配，拥挤和保护，通信和差错检测。

2.系统调用的类型

系统调用的类型是根据操作系统所提供服务的功能来决定的。系统调用分为进程管理、设备管理、文件操作、信息维护及通信。