2.1.3 操作系统的组成及功能
为了解决多道环境的计算机资源分配问题,操作系统定义为系统软件的基本部分,它统一管理计算机资源,协调系统各部分之间、系统与使用者之间、使用者与使用者之间的关系,以利于发挥系统的效率,使用户方便使用系统。
操作系统主要由五部分组成,如图2-11所示,它们的功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口(早期还有作业管理功能)。前4个功能主要是为了有效管理利用系统资源,最后的用户接口功能是为用户使用计算机提供方便。下面以单机多用户(多作业)为运行环境讨论操作系统的功能。
图2-11 操作系统组成
处理机管理,面对多道程序环境,处理机管理最主要的问题是如何将一台处理机分配给多个程序使用。既要做到多个程序能够及时运行,又要做到处理机得到最充分的利用。操作系统处理机管理采用一种微观上串行、宏观上并行的操作方式,按照一定策略将处理机分配给要求的用户程序使用,解决处理机什么时间分配给哪个作业,分配多长时间,下一个轮到谁等问题,主要完成进程管理和调度,具体包括进程控制、进程同步、进程通信、进程调度等功能。
存储器管理,主要指内存储器管理,在采用多道程序设计的系统中,要决定将哪一部分内存分配给哪一道作业,分配多少空间。既要包括物理空间的分配,又要包括逻辑空间的扩充,并且考虑内存保护及数据安全,等等,具体包括内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充等功能。
设备管理是操作系统最复杂的部分,计算机的设备种类繁多、物理特性差异巨大、使用方法各异,设备管理功能要在多道环境下保证所有设备都可以并行工作,并且要为多个用户程序共享。设备管理不仅要解决设备分配问题,还要解决设备分配的无关性,能够按照各类设备的不同特点和不同策略把设备分配给要求的作业使用,具体包括假脱机、缓冲管理等功能。
文件管理,确切地说是信息资源管理,包括系统中各类程序和数据,它们都是以文件的形式存储在外存储器中的,因此通常称为文件管理,这是操作系统对最接近用户的资源的管理。文件管理主要管理文件存储器及文件用户接口,具体包括文件的逻辑组织和物理组织、文件存取、文件目录以及对文件使用操作等功能。
以上的操作系统功能都是对计算机资源的管理,目标是有效协调、使用资源;操作系统的另一大目标——方便用户使用,由用户接口完成,它支持用户与操作系统之间进行交互,提供用户交互式接口及程序编程接口。
操作系统作为一个大型的系统软件,尽管随着时间的推移和技术的进步,操作系统在持续发展,不断加入新的功能和特性,但是从构成元素来看变化不大,只减少了初始时的作业管理功能。
操作系统的基本组成部分各有功能,但是相互之间并不是独立的,它们协同工作,共同完成操作系统的总任务。例如,用户通过操作系统提供的接口发出打开文件命令,文件管理模块接收文件名字,通过目录找到文件在磁盘中的所有存储单位的实际位置(物理地址),设备管理模块使用这些物理地址从磁盘上读取文件,即将文件读入内存供程序使用,内存管理模块要保证内存中有足够的空间来存储该文件,而处理机管理模块负责分配处理机来完成I/O操作。
操作系统作为软件,其软件架构有多种,包括最早的简单层次模块结构,以及现在的微内核、客户机/服务器结构,等等。