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考核说明： 本节主要介绍操作系统概述、操作系统的类型、操作系统的研究方法、操作系统的硬件环境及操作系统的基本功能，包括进程管理、存储管理、文件管理和设备管理。其中，操作系统的基本功能是本节的重点，也是本章的重点内容。
一台没有安装任何软件的计算机称为“裸机”，它仅仅是构成计算机系统的物质基础，不能完成任何有实际意义的工作。计算机软件包括系统软件和应用软件，操作系统是配置在计算机上必不可少的最基本的系统软件，它是对硬件系统功能的首次扩充。无论是个人计算机还是巨型计算机，都配置了至少一种操作系统，其他的软件都是建立在操作系统基础之上的。
操作系统是这样一组程序模块的集合：它们有效地控制和管理计算机系统中的硬件和软件资源；合理地组织计算机工作流程，以改善系统性能；提供一个易于使用、功能强大的工作环境，从而在计算机和用户之间起到交流平台的作用。配置操作系统的目的有两个方面：从系统资源管理的角度看，操作系统能合理地组织和管理计算机工作流程，最大限度地发挥计算机资源的利用率。计算机的很多资源是可以为多个用户共享的，如 CPU、内存和输出/输入设备等。操作系统必须准确、高效、公平地分配调用资源，尽可能使多个操作和任务并发地进行。从方便用户的角度看，直接使用一台“裸机”是很不现实的，操作系统是在“裸机”上扩充的最基本的系统软件，是系统软件的核心。它使得计算机便于使用，在计算机和用户之间提供一个良好的界面和接口。
操作系统的分类方法有多种，我们可以从不同的角度对操作系统进行分类。例如，按用户数目可以分为单用户操作系统和多用户操作系统；按硬件系统的大小可以分为微型机操作系统，中、小型机操作系统和大型机操作系统；按使用范围可以分为实时操作系统和作业处理系统。比较常用的是依据计算机的硬件结构和提供给用户的使用环境来进行分类，大致可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、单机操作系统、多机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统和多媒体操作系统等。
研究操作系统可以有几种不同的观点。
从资源管理的观点来看，操作系统的管理对象是计算机系统的资源，操作系统则是管理系统资源的程序集合。根据资源类别来考虑操作系统的结构，即在共享的前提下，以资源分配、使用和回收为出发点，考虑操作系统各部分程序的功能和算法，解决并发环境中的资源管理问题。通常，把操作系统分为处理机管理、存储管理、设备管理、作业管理、文件管理五个主要部分，由这几部分程序的协调配合运行来完成用户的作业要求。
进程观点把操作系统看做由若干个可以同时独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心所组成，这些同时运行的程序称为进程。每个进程都完成某一特定任务；而操作系统的核心则控制和协调这些进程的运行，解决进程之间的通信。它从系统各部分可以并行工作为出发点，考虑管理任务的分割和相互之间的关系，通过进程之间的通信来解决共享资源时所带来的竞争问题。
从服务用户的机器扩充的观点来看，操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境。用户不再直接使用硬件机器，而是通过操作系统来控制和使用计算机，从而把计算机扩充为功能更强、使用更加方便的计算机系统（虚拟计算机）。操作系统的全部功能，如系统调用、命令、作业控制语言等，称为操作系统虚机器。
操作系统是对于计算机硬件的第一次补充，它直接与硬件打交道。所以说，硬件是构造操作系统的基础，硬件对操作系统的构造提供必要的支持。通常，操作系统所涉及的硬件环境主要包括以下几个方面：
每个机器都有自己的指令系统。在多道程序设计环境中，为了保证系统安全，将指令系统中的指令分成两部分：特权指令和非特权指令。
CPU交替执行操作系统程序和用户程序。在执行不同程序时，根据运行程序对机器指令的使用权限而将CPU置为不同的状态。CPU的状态属于程序状态字PSW的一位。大多数计算机系统将CPU执行状态划分为管态和目态。
所谓中断，是指CPU对系统发生的某个事件做出的一种反应——CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应的处理程序，处理完该事件后再返回断点继续执行被“打断”的程序。中断机制是现代计算机系统中的基础设施之一，它在系统中起着通信联络作用，以协调系统对各种外部事件的响应和处理。
引起中断的事件称为中断源。中断源向CPU提出进行处理的请求称为中断请求。发生中断时被打断程序的暂停点称为断点。CPU暂停现行程序而转去相应中断请求的过程称为中断响应。处理中断源的程序称为中断处理程序。CPU执行有关的中断处理程序称为中断处理，而返回断点的过程称为中断返回。
为了实现系统管理和维护，硬件必须提供时钟，即定时装置。硬件时钟通常分为两类：绝对时钟和相对时钟。
在计算机科学中，“程序”是指令的有序集合，它反映了用户要求计算机系统完成的各种操作和这些操作的执行顺序。在早期的单道程序系统中，所编的程序是依据人们的思维方式顺序排列的。
进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程有以下的特征：
进程是程序的一次执行过程，它有一个“创建—执行—撤销”的生存周期，动态地产生和消亡。
系统中可以有多个进程同时存在，这些进程并发地运行，在时间上可以重叠，即下一个进程可以在前一个进程结束之前开始。
进程在逻辑上是独立的，在获得所必需的资源后就可以按照各自的、不可预知的速度向前推进。
进程之间是相互制约的。进程之间存在竞争，在某些资源的使用上是相互排斥的。当可供使用的资源只有一个时，后面一个进程只有等前一个进程执行完毕才能开始使用。当一个进程需要另一个进程的运行结果时，更是产生直接的制约。
解决进程的同步与互斥的工具有多种，既可用硬件实现也可用软件实现。这里讲解如何用信号量和P-V操作来实现进程间的互斥和同步。
在系统中信号量（S）是一个整数。当S≥0时，表示可供并发进程使用的资源实体数；当S＜0时，表示等待使用临界区的进程数。定义一个信号量应该说明所建信号量代表的意义。
信号量的数值只能由P、V原语操作改变，P操作和V操作都是低级进程通信原语。P操作表示当前进程申请某种资源，V操作代表当前进程释放所占用的资源。
（1）P操作原语P(S)的定义为
S:=S-1
当S≥0时，则进程继续执行。
当S＜0时，则该进程被封锁后插入与该信号相对应的等待队列中，然后系统转进程调度。
（2）V操作原语V(S)的定义为
S:=S+1
当S＞0时，则进程继续执行；
当S≤0时，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，使之从阻塞状态变为就绪状态，并将它插入到就绪队列中，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
存储管理的主要目的和功能有如下几点。
在多道程序系统中，要存放操作系统和若干个用户作业，存储管理要能适当地对它们分配内存空间，使它们互不干扰、顺利运行，并提供合理的分配算法，以解决资源的回收问题和提高存储器的利用率。
当用户的程序调入主存时，必须将程序的逻辑地址变换为物理地址，包括对程序中有关地址的指令做相应的调整，这个过程称为地址重定位。重定位的方法有两种：静态地址重定位和动态地址重定位。
（1）静态地址重定位：它是在程序执行之前由装配程序完成的地址映射工作，这个转换在程序的运行过程中不能再改变。
（2）动态地址重定位：它是在程序执行过程中，每当CPU访问内存时才将要访问的程序或数据地址转换成内存地址。
在多道程序并发运行的环境下，内存中的若干个用户的系统程序和数据段可供不同的用户进程共享。为了保护存储区内各类程序和信息不受某些错误程序的破坏和干扰，保证系统的安全和进程对内存信息的正确访问，需对内存中的程序和数据段采取保护措施。基本的内存保护方式有两种：越界保护和存取控制保护。
（1）越界保护。系统为每个进程设置一对上下界寄存器，寄存器中装有被保护程序与数据段的起始地址和终止地址。用地址寄存器来判断当前内存的程序是否在规定的上下界内，若在规定的范围之内，则访问是合法的；若越界，则为非法访问且产生越界中断。
（2）存取控制保护。系统对各个进程在共享存储区内的信息存取规定了一个存取权限，不能产生侵权行为。
由于系统中内存容量是有限的，为了满足用户的作业对内存空间的需要，操作系统采取某种措施，将内、外存联合起来，向用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器。
实现虚拟存储器的关键是能提供快速有效地进行自动地址变换的硬件机构和相应的软件算法。
为了实现“按名”存取文件，系统需要为所有存入的文件建立一个从文件名到文件存储地址的映射。映射信息和其他管理信息组成了文件的说明，这个说明称为文件控制块。当用户要存取某一个文件时，系统通过文件的控制块，得到所在的物理位置以完成操作。文件控制块的有序集合称为文件目录，文件目录提供了用户与文件系统之间的接口。
按照设备的类型和合理的分配算法，把设备和其他相关的硬件分配给请求该设备的进程，并在使用完后将其收回，以便以后的进程使用。
由于计算机CPU的执行速度和访问内存的速度比外围设备的数据流通速度高很多，系统中通常设有缓冲区来暂存数据，以缓解CPU与外设速度不匹配的问题。设备管理程序负责对缓冲区进行分配、管理和释放工作。
当进程要求设备资源时，由设备管理程序控制具体的设备进行实际的I/O操作，并实现设备的中断处理。
【试题1-7】 操作系统有多种功能，其中对处理机进行管理的功能属于_____。（2011年3月）
A．存储管理
B．进程管理
C．文件管理
D．设备管理
答案： B
解析： 进程管理主要是对处理机进行管理。CPU是计算机系统中最宝贵的硬件资源，为了提高CPU的利用率，采用多道程序设计技术。
【试题1-8】 中断的实现需要硬件和软件结合完成。构成中断系统的两个部分是中断装置和_____。（2010年3月）
A．中断屏蔽
B．中断定时装置
C．中断源
D．中断处理程序
答案： D
解析： 必须由硬件和软件结合才能实现中断。硬件部分称为中断装置，软件部分称为中断处理程序。