操作系统的目标和功能

目录

一、管理功能

（一）处理机管理的主要功能

（二）存储器管理的主要功能

（三）文件管理的主要功能

（四）设备管理的主要功能

二、接口功能

（一）命令接口

（二）程序接口

三、操作系统用作扩充机器

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操作系统是计算机系统中的核心软件，它主要负责管理和协调计算机硬件资源，为上层应用程序提供服务。其目标和功能主要包括以下3个方面。

一、管理功能

处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理。

（一）处理机管理的主要功能

处理机管理是操作系统中最重要的部分之一，它负责管理和调度计算机系统中的处理器资源，以确保各个进程能够得到公平、高效的处理器时间片。

1. 进程调度：操作系统需要对运行中的进程进行调度，以确保它们能够得到公平的处理器时间片。常见的进程调度算法有先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、时间片轮转等。

2. 进程同步：多个进程可能会竞争同一个处理器资源，因此操作系统需要提供进程同步机制，以避免竞争导致的死锁、饥饿等问题。常见的进程同步机制有信号量、互斥锁等。

3. 中断处理：当计算机系统发生硬件中断时，操作系统需要及时响应并进行处理，以确保系统的稳定和安全。中断处理的过程包括中断向量的识别、中断处理程序的执行等。

4. 多核处理器管理：现代计算机系统普遍采用多核处理器，因此操作系统需要管理和调度多个处理器核心，以确保它们能够高效地协同工作。

（二）存储器管理的主要功能

存储器管理负责管理计算机系统中的内存和外存资源，以确保数据能够被高效地存取和管理。

1. 内存分配：当进程需要使用内存时，操作系统需要为其分配一定的内存空间。内存分配的过程包括内存空间的申请、分配和释放等。

2. 内存保护：操作系统需要保护进程的内存空间不被其他进程或系统恶意访问，以确保数据的安全性。常见的内存保护机制有地址空间隔离、访问权限控制等。

3. 虚拟内存管理：当物理内存不足时，操作系统需要提供虚拟内存机制，以将部分进程数据从内存移出到硬盘等外存设备上，以释放物理内存空间。常见的虚拟内存算法有页面置换算法、工作集算法等。

4. 文件系统管理：操作系统需要管理硬盘等外存设备上的文件系统，包括文件的创建、读写、删除等操作，以确保数据能够被高效地存取和管理。常见的文件系统有FAT、NTFS、EXT等。

（三）文件管理的主要功能

文件管理负责管理计算机系统中的文件和目录结构，以便用户能够方便地创建、访问、修改和删除文件。

1. 文件创建和删除：操作系统提供了创建和删除文件的接口，使用户能够方便地创建新文件或删除不再需要的文件。在创建文件时，操作系统会分配相应的存储空间，并记录文件的元数据信息。

2. 文件读写：操作系统提供了读取和写入文件的接口，使用户能够通过应用程序对文件进行读取和修改操作。这包括顺序读写、随机读写等方式，以满足不同应用场景的需求。

3. 文件共享和保护：操作系统允许多个进程或用户同时访问同一个文件，并提供了相应的共享和保护机制。共享机制可以实现多个进程之间的数据共享，而保护机制则确保只有获得访问权限的进程才能对文件进行读写操作。

4. 文件目录管理：文件目录是用于组织和管理文件的一种结构，操作系统通过目录管理功能提供了对文件的层次化组织和查找。常见的目录管理方式包括层次目录结构、索引节点等。

5. 文件存储管理：操作系统需要负责管理文件在存储介质上的物理存储方式，包括磁盘块的分配和回收、磁盘空间管理等。这样可以确保文件能够被高效地存储和检索。

（四）设备管理的主要功能

设备管理是操作系统中负责管理计算机系统中各种硬件设备的一部分，它的主要任务是协调和控制设备的访问、分配和操作，以满足用户和应用程序的需求。

1. 设备驱动程序管理：设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口，它负责将操作系统的请求转换为硬件设备能够理解和执行的指令。设备管理需要加载、初始化和管理设备驱动程序，以确保操作系统能够正确地与硬件设备进行通信。

2. 设备分配和释放：当应用程序需要使用设备时，操作系统需要为其分配相应的设备资源。设备管理需要跟踪设备的使用情况，分配空闲设备给请求的应用程序，并在使用完毕后释放设备资源，以便其他应用程序可以继续使用。

3. 设备状态管理：设备管理需要监控和管理设备的状态，包括设备是否可用、设备是否出现故障等。如果设备出现故障或不可用，设备管理需要采取相应的措施，如重新初始化设备、重新分配设备资源等。

4. 设备中断处理：设备管理需要处理设备产生的中断信号，以及响应和处理这些中断。中断处理程序负责与设备驱动程序交互，处理设备的中断请求，并将结果返回给应用程序。

5. 设备性能优化：设备管理需要优化设备的使用效率和性能，以提高系统的整体性能。这包括合理调度设备的访问顺序、减少设备的等待时间、实现设备的并行操作等。

二、接口功能

（一）命令接口

• 联机控制方式：交互式命令接口，适用于分时或实时系统。
• 脱机控制方式：又称批处理系统，提交一组作业，系统进行处理，用户不能干预作业的运行。

（二）程序接口

由一组系统调用命令组成（也称系统调用或者广义指令），用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务。

三、操作系统用作扩充机器

操作系统在计算机系统中扮演了扩充机器的角色，它通过提供抽象层和管理功能，使得计算机系统能够更高效地利用硬件资源，并为应用程序提供统一的接口和环境。