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操作系統的主要功能

發布時間: 2012/9/13 17:45:51

　　操作系統的主要功能是資源管理，程序控制和人機交互等。計算機系統的資源可分為設備資源和信息資源兩大類。設備資源指的是組成計算機的硬件設備，如中央處理器，主存儲器，磁盤存儲器，打印機，磁帶存儲器，顯示器，鍵盤輸入設備和鼠標等。信息資源指的是存放于計算機內的各種數據，如文件，程序庫，知識庫，系統軟件和應用軟件等。

操作系統位于底層硬件與用戶之間，是兩者溝通的橋梁。用戶可以通過操作系統的用戶界面，輸入命令。操作系統則對命令進行解釋，驅動硬件設備，實現用戶要求。以現代觀點而言，一個標準個人電腦的OS應該提供以下的功能：

進程管理（Processing management）

記憶空間管理（Memory management）

文件系統（File system）

網絡通訊（Networking）

安全機制（Security）

使用者界面（User interface）

驅動程序（Device drivers）

資源管理

系統的設備資源和信息資源都是操作系統根據用戶需求按一定的策略來進行分配和調度的。操作系統的存儲管理就負責把內存單元分配給需要內存的程序以便讓它執行，在程序執行結束后將它占用的內存單元收回以便再使用。對于提供虛擬存儲的計算機系統，操作系統還要與硬件配合做好頁面調度工作，根據執行程序的要求分配頁面，在執行中將頁面調入和調出內存以及回收頁面等。

處理器管理或稱處理器調度，是操作系統資源管理功能的另一個重要內容。在一個允許多道程序同時執行的系統里，操作系統會根據一定的策略將處理器交替地分配給系統內等待運行的程序。一道等待運行的程序只有在獲得了處理器后才能運行。一道程序在運行中若遇到某個事件，例如啟動外部設備而暫時不能繼續運行下去，或一個外部事件的發生等等，操作系統就要來處理相應的事件，然后將處理器重新分配。

操作系統的設備管理功能主要是分配和回收外部設備以及控制外部設備按用戶程序的要求進行操作等。對于非存儲型外部設備，如打印機、顯示器等，它們可以直接作為一個設備分配給一個用戶程序，在使用完畢后回收以便給另一個需求的用戶使用。對于存儲型的外部設備，如磁盤、磁帶等，則是提供存儲空間給用戶，用來存放文件和數據。存儲性外部設備的管理與信息管理是密切結合的。

信息管理是操作系統的一個重要的功能，主要是向用戶提供一個文件系統。一般說，一個文件系統向用戶提供創建文件，撤銷文件，讀寫文件，打開和關閉文件等功能。有了文件系統后，用戶可按文件名存取數據而無需知道這些數據存放在哪里。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據。此外，由于文件建立時允許創建者規定使用權限，這就可以保證數據的安全性。

程序控制

一個用戶程序的執行自始至終是在操作系統控制下進行的。一個用戶將他要解決的問題用某一種程序設計語言編寫了一個程序后就將該程序連同對它執行的要求輸入到計算機內，操作系統就根據要求控制這個用戶程序的執行直到結束。操作系統控制用戶的執行主要有以下一些內容：調入相應的編譯程序，將用某種程序設計語言編寫的源程序編譯成計算機可執行的目標程序，分配內存儲等資源將程序調入內存并啟動，按用戶指定的要求處理執行中出現的各種事件以及與操作員聯系請示有關意外事件的處理等。

人機交互

操作系統的人機交互功能是決定計算機系統“友善性”的一個重要因素。人機交互功能主要靠可輸入輸出的外部設備和相應的軟件來完成。可供人機交互使用的設備主要有鍵盤顯示、鼠標、各種模式識別設備等。與這些設備相應的軟件就是操作系統提供人機交互功能的部分。人機交互部分的主要作用是控制有關設備的運行和理解并執行通過人機交互備傳來的有關的各種命令和要求。

進程管理

不管是常駐程序或者應用程序，他們都以進程為標準執行單位。當年運用馮紐曼架構建造電腦時，每個中央處理器最多只能同時執行一個進程。早期的OS（例如DOS）也不允許任何程序打破這個限制，且DOS同時只有執行一個進程（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題）。現代的操作系統，即使只擁有一個CPU，也可以利用多進程（multitask）功能同時執行復數進程。進程管理指的是操作系統調整復數進程的功能。

由于大部分的電腦只包含一顆中央處理器，在單內核（Core）的情況下多進程只是簡單迅速地切換各進程，讓每個進程都能夠執行，在多內核或多處理器的情況下，所有進程通過許多協同技術在各處理器或內核上轉換。越多進程同時執行，每個進程能分配到的時間比率就越小。很多OS在遇到此問題時會出現諸如音效斷續或鼠標跳格的情況（稱做崩潰（Thrashing），一種OS只能不停執行自己的管理程序并耗盡系統資源的狀態，其他使用者或硬件的程序皆無法執行）。進程管理通常實現了分時的概念，大部分的OS可以利用指定不同的特權等級（priority），為每個進程改變所占的分時比例。特權越高的進程，執行優先級越高，單位時間內占的比例也越高。交互式OS也提供某種程度的回饋機制，讓直接與使用者交互的進程擁有較高的特權值。

內存管理

根據帕金森定律：“你給程序再多內存，程序也會想盡辦法耗光”，因此程序設計師通常希望系統給他無限量且無限快的內存。大部分的現代電腦內存架構都是階層式的，最快且數量最少的寄存器為首，然后是高速緩存、內存以及最慢的磁盤儲存設備。而OS的內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存和低速儲存設備的內含物……等功能。此類又被稱做虛擬內存管理的功能大幅增加每個進程可獲得的記憶空間（通常是4GB，即使實際上RAM的數量遠少于這數目）。然而這也帶來了微幅降低執行效率的缺點，嚴重時甚至也會導致進程崩潰。

內存管理的另一個重點活動就是借由CPU的幫助來管理虛擬位置。如果同時有許多進程儲存于記憶設備上，操作系統必須防止它們互相干擾對方的內存內容（除非通過某些協議在可控制的范圍下操作，并限制可存取的內存范圍）。分割內存空間可以達成目標。每個進程只會看到整個內存空間（從0到內存空間的最大上限）被配置給它自己（當然，有些位置被OS保留而禁止存取）。CPU事先存了幾個表以比對虛擬位置與實際內存位置，這種方法稱為分頁（paging）配置。

借由對每個進程產生分開獨立的位置空間，OS也可以輕易地一次釋放某進程所占據的所有內存。如果這個進程不釋放內存，OS可以退出進程并將內存自動釋放。

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