操作系统的基本功能

提纲

1. 计算机系统结构与操作系统的关系
2. 影响操作系统的几个计算机技术
3. 操作系统的主要功能

   计算机系统结构与操作系统的关系

   计算机系统的硬件基础是经典的冯·诺依曼体系，操作系统则是构成计算机系统的另一个重要的系统软件，他负责管理计算机的硬件、软件资源并控制整个计算机的工作流程。
   定义:** 操作系统是一个大型的程序系统，负责计算机系统软硬件资源的分配和管理，控制和协调并发活动，提供用户接口，使用户获得良好的工作环境

   计算机几个关键技术

• 通道技术

通道是一种专用的处理部件，负责电脑外设的工作，负责外设与内存之间的信息传输，独立于CPU运行。一个独立于CPU的专门I/O控制的处理机，控制设备与内存直接进行数据交换。它有自己的通道命令，可由CPU执行相应指令来启动通道，并在操作结束时向CPU发出中断信号。

• 中断技术

指处理机处理程序运行中出现的紧急事件的整个过程.程序运行过程中，系统外部、系统内部或者现行程序本身若出现紧急事件，处理机立即中止现行程序的运行，自动转入相应的处理程序(中断服务程序)，待处理完后，再返回原来的程序运行，这整个过程称为程序中断。
举个例子：某天下午，按计划CPU正打算做一下午作业，做了一段时间，突然来了个突发事件，桌上的水杯倒了把作业本给打湿了，这个时候立即停下手中的笔，转而去处理水杯倒出来的水，处理完毕，再回头按照原计划去做作业，如下图所示

• 多道程序设计技术

多道程序设计技术是在内存中同时存放几道相互独立的程序，使他们在管理程序控制下，相互穿插运行。当某程序因为某原因不能继续运行时，管理程序便将另一道程序投入运行。使CPU尽量处在忙碌状态。
这就使得几道程序能够在系统内同时并行工作，当然，实质并行是违反冯·诺伊曼计算机的顺序过程计算模型的。微观上，在同一时刻，也只能一个程序在处理机上运行。从宏观上看，几道程序都处于执行状态，有的在处理机上运行，有的在进行I/O操作，工作都在向前推进。是逻辑上的并行。即宏观上并行，而微观上串行。
举个例子：现在我，作为一个学生，有一堆工作要在今天下午完成，数据库实验，数学作业，python实验。
我开始写数据库的实验报告，第一步是先下载一个数据库的安装包，然后就操作电脑开始下载。这时候，我也不闲着，等下载的时候，我去写数学作业，写着写着，数据库下载完了，但是数学题又有点思路了，直接去弄数据库也不好，那就继续写数学作业，写完了那题，然后就转身去做数据库实验去了，做着做着，发现下一个步骤中仍需要东西下载，继续下载，这时候继续做数学题，做完了，发现还在下载，转手又开始做python 实验，发现python 实验也要下载文件，开始下载，这时候，就没我啥事了，在做作业这件事情上，我空闲了下来，知道一个实验的文件下载完成，我继续工作，按照这样的流程，最终我把所有的作业做完了。从那一个下午的小的时间尺度来看，我一段时间内，只做了一件事。但是放到大的时间尺度来看， 我在那一个下午之内，我完成了数据库实验，数学作业，python实验三门作业，同时做了三件事。

• 分时技术

虽然在多道程序设计技术中，实现了逻辑上的并行，但是作业处理过于集中，用户将作业提交后，不能及时了解作业的状况，而且作业的周转周期也太长，对于短耗时的作业，用户提交后可能仍需要很长一段时间等待结果。
分时技术则很好的解决了这个问题，分时技术将CPU的单位时间划分为若干个跨度极小的时间段(称为时间片)，小到人脑无法感知的地步，按时间片轮流把CPU分配给各联机用户使用，这样，每个用户都能在很短时间内得到计算机的服务，彼此感觉不到别的用户存在，好像整个系统为他独占。
分时技术是多道程序设计技术的进一步发展，不以完成阶段性的任务为切换点了。将时间跨度固定到一定小的长度。
举个例子：还是做那三门作业，我算定了，在这段时间内，我每隔一分钟切换一次，第一分钟，我做数据库实验，一分钟没做完，不管了，去做数学作业，一分钟过去，数学作业也没做完，于是使用一些手段快速记当前状态。进入下一个任务，如此循环，直到任务全部解决。

现代操作系统的主要功能(解决的问题)

• 处理机管理
  • 制定调度策略(调度原则)

确定将CPU先分给那个用户程序，占用多长时间，下一个又该轮到那个程序运行等问题。

• 给出进程调度算法
• 进行处理机的分派

使选择进程能真正获得CPU的使用权

• 存储器管理
  • 存储分配和存储无关性

确定各应用程序在主存中的位置及所占区域的大小，应用程序无需关系存储细节，由存储管理模块提供地址重定位能力

• 存储保护

为了防止程序之间互相干扰，破坏其他用户程序，存储管理必须保证每个用户程序只能访问自己的存储空间。存储保护由硬件提供支持，具体保护办法有基址，界限寄存器法、存储键和锁

• 存储扩充

通过虚拟存储机制和软件去扩充主存空间，以缓解主存资源紧张。即虚拟存储技术

• 设备管理
  • 实现设备无关性

用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关，以达到方便用户提高设备利用率的目的。两层，一层虚拟，一层实际，进行映射(用户调用的设备，与实际的物理设备达成一种映射)
如下图所示，用户使用操作系统调用物理设备时，是通过操作系统调用虚拟设备，再调用的物理设备

• 设备分配

向各应用程序和运行实体分配各种设备，设备分配通常采用三种基本技术：独享，共享以及虚拟技术

• 设备的传输控制

实现物理I/O操作，组织使用设备的有关信息，启动设备、中断处理、结束处理等。

• 文件管理

用户提供一种简便的、统一的存储和管理信息的方法，并要解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。信息组织、存取方法、文件共享、文件安全、文件完整性、磁盘空间分配