操作系统

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第374页（3067字）

3．2．1 操作系统的作用

操作系统是管理计算机系统的程序。它对微型计算机的硬件资源、软件资源以及作业和进程进行管理。硬件资源包括CPU以及内、外存储器和辅助存储器及各种外部设备，软件资源主要指的是文件。所有的系统程序以及用户要求长期保存的程序和数据都以文件的形式存放在系统内，因此，从资源管理的角度，可以把操作系统分成以下几部分：

①存储管理：现代的微型计算机系统，多数为多道程序系统，(即有多个程序同时在机内运行的系统)，存储器管理，主要指在多道程序之间分配和回收内存空间，以及作为内存的扩展和延伸的辅助空间。

②CPU调度(即微处理器管理)：在多道程序之间分配CPU，以使每道程序都能得以运行。

③设备管理：统一管理各种已登入系统的外部设备，负责外设和主机之间的信息交换。

④文件系统：统一管理各种以文件形式保存在外存的信息，负责文件的建立、读、写、删除等。

操作系统是为用户服务的程序，它通常可以为用户提供的服务有：

①程序执行，即将用户程序装入内存，并在CPU上运行。

②输入／输出操作，包括运行程序的输入，在程序运行前和运行中的数据输入，以及运行结果的输出。

③信息保存，使用户能方便的存取和使用自己的文件，并能防止文件的泄密和丢失。

④对用户程序在运行过程中可能出现的各种错误(如算术运算溢出、程序中出现非法指令、访存储器地址越界等)及机器本身可能出现的各种软、硬件故障，及时地进行检测并作出处理。

目前，较流行的有CP／M、CP／M86、DOS、MVS、VMS和UNIX操作系统等。

3．2．2 操作系统的分类

按其功能特征，可以把操作系统分成以下三类：

①批处理操作系统(也称作业流处理系统)。该类系统采用Spooling技术将作业逐批地输入主机进行处理。在作业处理过程中，不需用户的控制和干预。这类系统总是力求作业周转的时间短，系统的吞吐量大，资源的使用效率高等。由其特点可以看出，该系统主要供用于科学计算的大型机上使用。

②分时操作系统。它是多用户共享系统，可连接多个键盘显示终端。系统按分时原则，以合理的响应时间为每个终端用户服务，使每个用户感到机器只为他个人服务。

③实时操作系统。该系统的特点是“实时”，要求对外部输入信号作出速度的反应，要能跟得上发出的控制信号。实时操作系统主要用于计算机控制系统中。

3．2．3 操作系统的结构

操作系统可分为外结构和内结构。操作系统的外结构，是指操作系统与其它系统软件的关系，如图1．8－3表示。

图1．8－3 操作系统的外结构

计算机系统有两种运行状态：1．核心态，或称系统态、管态。当操作系统内的程序模块运行时，机器处于核心态。2．用户态，或称目态。当操作系统以外的其它系统程序或用户程序运行时，机器处在用户态。通常把上述的系统程序和用户程序叫作用户态程序。状态界面(即操作系统的用户态界面)，指的是操作系统与其它用户态程序之间的分界面，分界面以内的程序(即操作系统)运行在核心态下，分界面以外的程序运行在用户态下。状态界面由系统调用指令SC(System Call Instruction)组成(有的系统叫访管指令SVC)。任一用户态程序若需执行操作系统内的程序模块，以获得操作系统提供的服务，必须执行相应的系统调用指令。

人—机界面是人与计算机之间的接口，也是人与操作系统之间的接口。用户只能通过该界面得到计算机的服务。对于批处理系统，该界面就是作业控制语言JCL(Job Control Languages)，用户使用这种语言(或类似语言)编制作业控制程序，以脱机方式控制作业的运行。对于多用户分时系统，该界面由键盘命令组成，终端用户使用这些命令以交互方式与计算机联系，并运行各自的程序。

操作系统的内结构，是指其内部程序模块的层次结构。操作系统由功能各异的数百块程序模块组成。这些程序模块按其功能及其之间的调用关系，可以分成以下一些层次：

每一层都由若干个数量不等的程序模块组成。高层模块可以调用它的所有低层模块，同层次的模块可以互相调用，而低层模块则不能调用高层模块。这就是所谓的半序结构。

3．2．4 操作系统的特征

操作系统有如下特征：

①并发(Concurrence)，是指在一段时间内，多道程序同时运行，应该指出的是，对于只有一个微处理器的微型计算机，在任一时刻只能有一道程序在真正运行，因此，所谓多道程序同时运行，是指各程序都处在已经开始运行和尚未结束运行的过程中。现代操作系统是并发系统的管理机构，其本身也是并发执行的，它与用户程序以及其它用户态程序一起并发执行。

②虚拟(Virtua1)，就是指把物理上的一个变成逻辑上的多个。如把一个统一编址的物理存储器变成多个逻辑上独立编址的存储器就是一例。应该指出，虚拟出的现象，只是用户的错觉，并非客观存在。

③共享(Sharing)，有互斥共享和同时共享两种类型。互斥共享是指资源必须以作业(或进程)为单位分配，在一个作业(或进程)未使用完之前，另一个作业(或进程)不得使用(所有的字符设备都是这类资源)，同时共享是指多个作业可同时使用资源，所谓同时，是说多个作业都已开始了使用，但都未使用完毕(在某一具体时刻，是不会真正同时使用的)，例如，磁盘就是同时共享设备，多个作业可同时从磁盘上读取信息。

④不确定性(nondetermin1stic)。操作系统的不确定性，是指在操作系统控制下的多个作业的执行顺序及每个作业的执行时间是不确定的。系统内部的各种活动的错综复杂，与这些活动有关的事件(诸如从外部设备来的中断、输入／输出请求、程序运行时出现的故障)的不可预测，是造成操作系统的不确定性的基本原因。