3.主存储器管理

　　主存储器是现代计算机系统运行的核心。主存储器是由字或字节组成的大型队列，每个字或字节都有它自己的地址。主存储器是CPU 和I/O 设备共享的大容量快速存储器。中央处理器在取指令周期中从主存储器中读取指令，而且在取数据周期中从主存储器中读/写数据。通过DMA(动态内存存取)，I/O操作也实现了对主存储器的数据读/写。通常主存储器是CPU唯一能够直接寻址和访问的大容量存储空间。例如，CPU要处理磁盘中的数据，那么CPU首先发出I/O调用将这些数据传送到主存储器中。同样，指令必须在存储器中才能够由CPU执行。

　　必须要把程序映射到绝对地址并载入内存中才可以执行。在程序运行时，它通过产生绝对地址来从内存中访问程序指令和数据。最后，程序结束，释放所占的内存空间，方便下一个程序载入。

　　为了提高CPU利用率和计算机响应速度，必须在内存中保留多个程序。有许多不同的内存管理策略，而且不同算法的效率取决于具体的环境。为具体的系统选择内存管理策略要考虑许多因素——尤其是系统的硬件设计。每种算法都需要自己的硬件支持。

　　操作系统要负责下列与内存管理相关的工作：

　　— 跟踪内存使用情况，明确哪一部分正在使用和为谁所用;

　　— 在内存空间有效时决定将哪个进程载入内存;

　　— 根据需要分配和释放内存空间。

　　4.文件管理

　　文件管理是操作系统中可视性最强的组件之一。计算机能够将数据存储在各种类型的物理介质上。磁带、磁盘和光盘是最常用的介质。每种介质都有自己的特性和物理结构。每个存储媒体由一个驱动器控制(如磁盘驱动器或磁带驱动器)，这种驱动器也有自己的独有特性。这些特性包括访问速度、容量、数据传输率和存取方式(顺序的或随机的)。

　　为了便于使用计算机系统，操作系统提供了一个计算机系统的整体逻辑层面。操作系统把存储设备的物理属性抽象定义为一个逻辑存储单元——文件。文件被映像到物理媒介中，通过存储设备来访问这些文件。

　　文件是由其创建者定义的相关信息的集合。一般的文件表现为程序(源程序和目标代码)和数据。数据文件可能是数字的、字母的或二者混合的。文件可能是形式自由的(如文本文件)，也可能有严格定义的格式(如固定字段)。由字、字节、行或记录组成的文件结构是其创建者定义的。文件概念具有相当广泛的含义。

　　操作系统通过管理大容量存储体(如由驱动器控制的磁盘和磁带)实现了文件的抽象概念。另外，为了更简易地使用文件，通常将他们组织到目录中。最后，如果有多个用户访问文件，可能需要控制谁以什么样的方式访问(例如：读、写、追加)。

　　操作系统要负责下列与文件管理相关的工作：

　　— 创建和删除文件;

　　— 创建和删除目录;

　　— 将文件映像到辅助存储器中;

　　— 将文件备份到永久(非易失性)存储体中。

　　5.I/O系统管理

　　操作系统的目的之一就是要向用户隐藏具体的硬件特性。例如，在UNIX 中，通过I/O 子系统向操作系统隐藏了I/O设备的特性。I/O子系统由以下几个方面组成：

　　— 一个内存管理模块，这包括Buffering、Caching 和SPOOLing;

　　— 一个通用设备驱动程序接口;

　　— 针对具体硬件设备的驱动程序。

　　6.辅助存储器管理

　　操作系统的主要目的是执行程序。这些程序在运行时(以及它们要访问的数据)都必须在主存储器中。因为主存储器的容量太小不能存储所有的程序和数据，而且掉电后会丢失所有的存储信息，所以计算机系统必须要提供辅助存储器作为主存储器的后备。大多数现代计算机系统使用磁盘作为存储程序和数据的主要联机存储体。大多数程序(包括编译程序、汇编程序、排列程序、编辑程序和格式化程序)在载入内存之前存储在磁盘上，并且在运行时利用磁盘存储它们所处理的源文件和目标文件。因此，合理的磁盘管理对一个计算机系统来说是至关重要的。

　　操作系统要负责下列与辅助存储器管理相关的工作：

　　— 空闲空间管理;

　　— 空间分配;

　　— 磁盘调度。

　　因为频繁地使用辅助存储器，所以必须要能够高效运行。而且计算机的整体运行速度取决于磁盘子系统的速度和该子系统实现算法的效率。

　　7.网络管理

　　分布式系统是一个处理机的集合，这些处理机既不共享内存和外围设备，也不共享时钟。而是每个处理机拥有自己的本地内存和时钟，并且这些处理机可以通过各种通信线路(如高速总线或网络)进行通信。一个分布式系统中的处理机在规模和功能上有所不同，其中可能包括小型微处理器、工作站、小型机和大型通用计算机。

　　在(分布式)系统中，处理机通过通信网络相连接，有多种不同的方法可以配置该网络。这种网络可以完全或部分地连接。通信网络的设计必须要考虑报文路由选择和连接策略，以及争用和安全的问题。

　　分布式系统将物理上相互独立的可能不同种类的系统集合成为一个独立相连的系统，它具有向用户提供访问由系统维护的各种资源的能力。对共享资源的访问加快了计算速度、增强了系统功能、提高了数据的可用性并加强了可靠性。操作系统把网络细节包含在了网络接口设备驱动程序中，于是将网络访问泛化为一种文件访问的形式。因此，分布式系统所使用的协议在很大程度上影响到系统的效率和普及。

　　8.系统保护

　　如果一个计算机系统有多个用户并允许并行执行多个进程，那么必须要保护各个进程免受其他进程的侵扰。为此，需要提供一种机制来保证只有那些从操作系统获取了合适权限的进程能够操作文件、存储段、CPU和其他资源。

　　例如，内存寻址硬件确保了一个进程只能在自己的地址空间内执行，计时器确保进程最终能够放弃对CPU的控制，用户不能够访问设备控制寄存器;这样，就保护了各种外围设备的完整性。

　　保护是操作系统定义的控制程序，是进程或用户访问的机制。这个机制必须要提供一种方法来描述要施加的控制，以及强制执行的方法。

　　通过检测子系统接口中潜伏的错误，保护能够增强系统的可靠性。对接口错误的早期检测常常能够阻止一个子系统故障波及到其他正常的子系统。一个未受保护的资源难以防止未授权或不适当的用户的使用(或误用)。一个面向保护的系统提供了一种区分授权的和未授权的使用方法。

　　9.操作系统服务

　　操作系统提供了程序运行的环境。它为程序和程序用户提供了特定的服务。当然，不同的操作系统提供的具体服务不同，但是我们能够找出其共同部分。提供的这些操作系统服务是为了便于程序员设计程序。具体如下。

　　— 程序执行：系统必须能够将程序载入内存并运行它。程序必须能够正常地或异常地(指示错误)结束运行。

　　— I/O 操作：一个正在运行的程序可能要请求I/O 操作。这可能会涉及文件或I/O 设备。针对具体的设备，需要特定的功能(如倒卷一个磁带驱动器或清空一个CRT屏幕显示)。出于系统效率和保护的原因，用户通常不能够直接控制I/O 设备。因此，操作系统必须要提供一种I/O 运行机制。

　　— 文件系统处理：文件系统相当有意思。显然，程序需要能够读写文件，也要能够创建和删除文件。

　　— 通信：在很多情况下，一个进程需要与另外一个进程交换信息。通信有两种主要的方式。第一种方式是在运行在同一台计算机上的进程间通信;另外一种方式是运行在由一个计算机网络连接的不同的计算机系统上的进程间通信。可以通过共享存储器或报文传送(这种方式中，操作系统在进程之间将信息打包移动)的方式实现进程间的通信。

　　— 错误检测：操作系统需要经常注意可能发生的错误。错误可能发生在CPU、内存(如存储错误或电源故障)、I/O 设备(如磁带奇偶检验错误、连结网络失败或打印机缺纸)及用户程序(如运算溢出、试图访问非法存储器地址或过多占用CPU 时间)中。对于每种类型的错误，操作系统应该能够采取针对性措施以确保计算的正确性和相容性。

　　另外，操作系统还存在另外一些功能，它们不是为了帮助用户工作，而是为了确保系统本身的高效运行。如：

　　— 资源分配：当多个用户登录到系统中或同时有多个作业运行时，必须要在它们之间分配资源。操作系统管理许多不同类型的资源。有些资源(如CPU 周期、主存储器和外存储器)可能有专用的分配代码，而其他的(如I/O 设备)可能有更通用的请求和释放代码。例如，在决定如何最好地使用CPU 的问题上，操作系统的CPU 调度程序要考虑CPU 速度、必须要执行的作业、有效的寄存器数量和其他的一些因素;

　　— 账户管理：我们希望跟踪记录每个用户使用哪些类型的计算机资源和用了多少。这个记录保持可能用于记账(以便用户付账)或简单地用于累加使用率统计。对于研究者来说，使用率统计可能是个有效的工具。利用使用率统计，研究者可以重新配制系统以改善计算服务;

　　— 保护：存储在多用户计算机系统上的信息的所有者希望能够控制对该信息的使用。当多个不相关的进程并发执行时，一个进程不应该能够干扰其他进程或操作系统本身。保护包括了监控所有对系统资源的访问。对来自外界的系统安全检测(security)也是非常重要的。这种保护往往通过密码的方式，用户向系统验证口令才能访问资源。它也包括了保护外部I/O 设备(包括调制解调器和网络适配器)免于非法的访问企图和记录所有这样的非法闯入。如果一个系统受到保护并且是安全的，那么就必须要建立预防措施。一般，系统的安全强度与其最薄弱的一个环节密切相关。