1、操操 作作 系系 統統 功功 能能主要功能簡要介紹主要功能簡要介紹總述總述 在多道程序環境下，系統通常無法同時滿足所有作業的資源要求，為使多道程序能有條不紊地運行，操作系統應具有這樣幾方面的功能，以實現對資源的管理：處理機管理功能、存儲器管理功能、設備管理功能、文件管理功能和作業管理功能。此外，為了方便用戶使用操作系統，還須向用戶提供一個使用方便的用戶接口。用戶接口用戶接口（命令接口，程序接口，圖形用戶接口）（命令接口，程序接口，圖形用戶接口）對對象操縱和管理的軟件集合（處理機管理軟件、存儲器管理軟件、設備管理軟件、文件管理軟件）操作系統對象（處理機、存儲器、設備、文件和作業）核心存儲器管理的

2、功能存儲器管理的功能 存儲器管理的主要任務，是為多道程序的運行提供良好的環境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用率，以及能從邏輯上來擴充內存。為此，存儲器管理應具有以下功能：內存分配、內存保護、地址映射和內存擴充等。存儲器管理的功能存儲器管理的功能一、內存分配 內存分配的主要任務，是為每道程序分配內存空間，使它們“各得其所”，提高存儲器的利用率，以減少不可用的內存空間，允許正在運行的程序申請附加的內存空間，以適應程序和數據動態增長的需要。 OS在實現內存分配時，可采取以下兩種方式： 1.靜態分配：每個作業的內存空間是在作業裝入時確定的。 2.動態分配：每個作業所要求的基本內存空間，是在裝入時

3、確定的，但允許作業在運行過程中，繼續申請新的附加內存空間，以適應程序和數據的動態增長，也允許作業在內存中的“移動”。 為了實現內存分配，在內存分配的機制中應具有以下結構和功能： 1.內存分配數據結構：該結構用于記錄內存空間的使用情況，作為內存分配的依據。 2.內存分配功能：系統按照一定的內存分配算法為用戶程序分配內存空間。 3.內存回收功能：系統對用戶不再需要的內存，通過用戶的釋放請求，去完成系統的回收功能。存儲器管理的功能存儲器管理的功能二、內存保護 內存保護的主要任務，是確保每道用戶程序都在自己的內存空間中運行，互不干擾。進一步說，絕不允許用戶程序訪問操作系統的程序和數據；也不允許轉移到非

4、共享的其它用戶程序中去執行。 一種比較簡單的內存保護機制，是設置兩個界限寄存器，分別用于存放正在執行程序的上界和下界。系統需要對每條指令所訪問的地址進行越界檢查，發果發生越界，便發出越界中斷請求，以停止該程序的執行。如果這種檢查完全用軟件實現，則每執行一條指令，便需要增加若干條指令去進行越界檢查，這將顯著地降低程序的運行速度。因此，越界檢查都由硬件實現。當然，對發生越界后的處理，還須與軟件配合來完成。存儲器管理的功能存儲器管理的功能三、地址映射 一個應用程序（源程序）經編譯后，通常會形成若干個目標程序；這些目標程序再經過鏈接而形成可裝入程序。這些程序的地址都是從“0”開始的，程序中的其它地址都

5、是相對于起始地址計算的；由這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間”；其中的地址稱為“邏輯地址”或“相對地址”。此外，由內存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內存空間”；其中的地址稱為“物理地址”。 在多道程序環境下，地址空間中的邏輯地址和內存空間中的物理地址是不可能一致的。因此，存儲器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉換為內存空間中與這對應的物理地址。該功能同樣應在硬件的支持下完成。存儲器管理的功能存儲器管理的功能四、內存擴充 由于物理內存的容量有限，因而難于滿足用戶的需要，勢必影響到系統的性能。在存儲器管理中的內在擴充任務，并非是去增加物理內存的容量，而是借助于虛擬存儲技

6、術，從邏輯上擴充內存容量，使用戶所感覺到的內存容量比實際內存容量大得多。 為了能從邏輯上擴充內存，系統必須具有內存擴充機制，用于實現下述功能：1.1.請求調入功能。請求調入功能。允許在僅裝入一部分用戶程序和數據的情況下，啟動該程序運行。在運行過程中當發現繼續運行時所需的程序和數據尚未裝入內存時，可向OS發出請求，由OS將所需部分調入內存，以便繼續運行。2.2.置換功能。置換功能。若內存中已無足夠的空間來裝入需要調入的部分時，系統應能將內存中的一部分暫時不用的程序和數據調至磁盤上，以便騰出內存空間，然后再將所需部分調入內存。處理機管理的功能處理機管理的功能 處理機管理的主要任務，是對處理機進行分

7、配，并對其運行進行有效的控制和管理。在多道程序環境下，處理機的分配和運行都是以進程為基本單位，因而對處理機的管理可歸結為進程的管理。它包括以下幾個方面：（一）進程控制（二）進程同步（三）進程通信（四）調度處理機管理的功能處理機管理的功能（一）進程控制 在多道程序環境下，要使作業運行，必須先為它創建一個或幾個進程，并為之分配必要的資源。進行運行結束時，要立即撤消該進程，以便及時回收該進程所占用的各類資源。進程控制的主要任務，便是為作業創建進程，撤消已結束的進程，以及控制進程在運行過程中的狀態轉換。 在OS中通常是利用若干條進程控制原語或系統調用，來實現進程控制。所謂“原語”，是指用以完成特定功能

8、的，具有“原子性”的一段程序。“原子性”是指在程序中的一組動作，要么全做，要么全不做，是不可分割的。在進程控制中所使用的最基本的原語有：用于創建一個新進程的創建進程原語。用于撤消一個已結束的進程的撤消進程原語。處理機管理的功能處理機管理的功能（二）進程同步 進程是以異步方式運行的，并以人們不可預知的速度向前推進。為使多個進程能有條不紊地運行，系統中必須設置進程同步機制。進程同步的主要任務是對諸進程的運行進行協調。有兩種協調方式：1.進程互斥方式。這是指諸進程在對臨界資源進行訪問時，應采用互斥方式。最簡單的用于實現進程互斥的機制，是為每一種臨界資源配置一把鎖w，并為該鎖設置一對關鎖原語Lock(

9、w)和開鎖原語Unlock(w)。當鎖已打開時，進程可以對臨界資源進行訪問；而關上時，則禁止進程訪問該臨界資源。2.進程同步方式。指在相互合作完成共同任務的進程間，由同步機構對它們的執行次序加以協調。處理機管理的功能處理機管理的功能（三）進程通信 在多道程序環境下，可由系統為一個應用程序建立多個進程。這些進程相互合作去完成一個共同任務，而在這些相互合作的進程之間，往往需要交換信息。進程通信的任務，就是用來實現在相互合作進程之間的信息交換。 當相互合作的進程處于同一計算機系統時，通常是采用直接通信方直接通信方式式。即由源進程利用發送命令直接將消息(message)掛到目標進程的消息隊列上，以后由

10、目標進程利用接收命令從其消息隊列中取出消息。 當相互合作的進程處于不同的系統中時，常采用間接通信方式間接通信方式，即由源進程利用發送命令將消息送入一個存放消息的中間實體中，以后由目標進程利用接收命令從中間實體中取走消息。該中間實體通常稱為郵箱，相應的通信系統稱為電子郵件系統。處理機管理的功能處理機管理的功能（四）調度 等待在后備隊列上的每個作業，通常要經過調度，包括作業調度和進程調度兩步，才能執行。 作業調度的基本任務，是從后備隊列中按照一定的算法，選擇出若干個作業，為它們分配必要的資源（首先是分配內存）。在將它們調入內存后，便為它們建立進程，使之成為可能獲得處理機的就緒進程；并將它們按一定算

11、法插入就緒隊列。 進程調度的任務，則是從進程的就緒隊列中，按照一定的算法選出一新進程，把處理機分配給它，并為它設置運行現場，使進程投入運行。設備管理的功能設備管理的功能 設備管理的主要任務，是完成用戶提出的I/O請求，為用戶分配I/O設備；提高CPU和I/O設備的利用率；提高I/O速度；以及方便用戶使用I/O設備。為實現上述任務，設備管理應具有緩沖管理、設備分配和設備處理，以及虛擬設備等功能。設備管理的功能設備管理的功能（一）緩沖管理 緩沖管理的基本任務是管理好各種類型的緩沖區，如字符緩沖區和字符塊緩沖區，以緩和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最終達到提高CPU和I/O設備利用率，進而提高系統

12、吞吐量的目的。在不少系統中，還通過增加緩沖存儲容量的辦法，來改善文件系統的性能。 對于不同的系統，可以采用不同類型的緩沖區機制。最常見的緩沖區機制有單緩沖機制，能實現雙向同時傳送數據的雙緩沖機制，以及能供多個設備同時使用的公用緩沖池機制。設備管理的功能設備管理的功能（二）設備分配 設備分配的基本任務，是根據用戶的I/O請求，為之分配其所需的設備。如果在I/O設備和CPU之間還存在著設備控制器和I/O通道時，還須為分配出去的設備分配相應的控制器和通道。 在進行設備分配時，應針對不同的設備類型而采用不同的設備分配方式。對于獨占設備（臨界資源）的分配，還應考慮到該設備被分配出去后，系統是否安全。設備

13、用完后，還應立即加以回收。設備管理的功能設備管理的功能（三）設備處理 設備處理程序又稱為設備驅動程序。其基本任務通常是實現CPU和設備控制器之間的通信。即由CPU向設備控制器發出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作；并能接收由設備控制器發來的中斷請求，給予及時的響應和相應的處理。 處理過程是：設備處理程序首先檢查I/O請求的合法性、了解設備的狀態是否空閑、了解有關傳遞參數以及設置設備的工作方式。然后，便向設備控制器發出I/O命令，啟動I/O設備去完成指定的I/O操作。最后是及時響應由控制器發來的中斷請求，并根據該中斷請求的類型，調用相應的中斷處理程序進行處理。對于設置了通道的計算機系統，設備

14、處理程序還應能根據用戶的I/O請求，自動地構成通道程序。設備管理的功能設備管理的功能（四）設備獨立性和虛擬設備1.設備獨立性：基本含義是指應用程序獨立于物理設備，以使用戶編制的程序與實際使用物理設備無關。這種獨立性不僅能提高用戶程序的可適應性，使程序不局限于某具體的物理設備，而且易于實現輸入、輸出的重定向。即，在I/O操作中所使用的設備可方便地重新指定，而無須改變原有程序。2.虛擬設備功能：可把每次僅允許一個進程使用的物理設備，改造為能同時供多個進程共享的設備。或者說，它能把一個物理設備變換為多個對應的邏輯設備，以使一個物理設備能供多個用戶共享。這樣，不僅提高 了設備的利用率，而且還加速了程序

15、的運行，使每個用戶都感到自己在獨占該設備。文件管理的功能文件管理的功能 在現代計算機系統中，總是把程序和數據以文件的形式存儲在磁盤上，供所有的或指定的用戶使用。 文件管理的主要任務，是對用戶文件和系統文件進行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。為此，文件管理應具有對文件存儲空間的管理，目錄管理，文件的讀、寫管理以及文件的共享與保護等功能。文件管理的功能文件管理的功能（一）文件存儲空間的管理 其主要任務是為每個文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統的工作速度。 為了提高存儲空間的利用率，對存儲空間的分配通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭，并以盤塊為基本分配單位

16、。盤塊的大小通常為512字節至4K字節。文件管理的功能文件管理的功能（二）目錄管理 為了使用戶能方便地在外存上找到他所需的文件，通常由系統為每個文件建立一個目錄項。目錄項包含文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等。由若干個目錄項又可構成一個目錄文件。 目錄管理的主要任務是為每個文件建立其目錄項，并對眾多的目錄項加以有效的組織，以實現方便的按名存取。其次，目錄管理還應能實現文件共享，這樣，只需在外存上保留一份該共享文件的副本。此外，還應能提供快速的目錄查詢手段，以提高對文件的檢索速度。文件管理的功能文件管理的功能（三）文件的讀、寫管理和存取控制1.文件的讀、寫管理 讀、寫管理是最基本的功能。這是根據用戶的請求，從外存中讀取數據；或將數據寫入外存。 在進行文件讀（寫）時，系統先根據用戶給出的文件名，去檢索文件目錄，從中獲得文件在外存中的位置。然后，利用文件讀（寫）指針，對文件進行讀（寫）。一旦讀（寫）完成，便修改讀（寫）指針，為下一次讀（寫）做好準備。由于讀和寫操作不會同時進行，故可以合用一個讀/寫指針。文件管理的功能文件管理的功能（三）文件的讀、寫管理和存取控制2.文件的存取控制為了防止系統中的文件被非法竊取和破壞，在文件系統中必須提供有效的存取控制功能，以實現下述目標：（1）防止未經核準的用戶存取文件；（2）防止冒名頂替存取文件；（3）防止以不正確的方式使用文件。 多級保護設