操作系统是计算机科学中的核心组成部分，它负责管理和控制计算机硬件及软件资源，为用户提供服务，并作为硬件与应用软件之间的桥梁。本章重点讨论操作系统在处理机调度和存储管理方面的功能。
一、操作系统的概念与目标
操作系统（OS）是计算机系统的基础软件，其主要职责包括：
1. 管理系统资源：确保硬件和软件资源的有效利用，如处理器、内存、外设等。
2. 提高系统效率：通过优化工作流程，提升计算性能，减少资源浪费。
3. 方便用户使用：提供友好的用户界面，简化用户与计算机的交互。
4. 增强机器功能：通过扩展硬件功能，提供新服务。
5. 构建开放环境：遵循标准，支持跨平台应用的移植和互操作。
二、操作系统的主要功能
1. 处理机管理：处理机管理是操作系统的关键任务。早期的计算机系统为单用户单任务设计，而现在则采用多任务机制，允许多个程序或用户同时使用处理器。操作系统负责处理机的调度，确保在多任务环境下高效、公平地分配和回收处理机时间。
2. 存储器管理：
- 存储分配：根据程序需求分配内存，平衡空间利用率和用户便利性。
- 存储共享：允许多个任务或用户共享内存，促进数据交换。
- 存储保护：防止程序非法访问关键区域，保护系统稳定。
- 存储扩充：通过虚拟内存技术，创建逻辑地址空间，实现物理内存与辅助存储器之间的映射。
3. 设备管理：设备管理包括设备调度、I/O请求协调以及设备驱动程序的提供，以提高设备利用率，降低处理机与I/O设备之间的等待时间。
三、操作系统的特性与挑战
操作系统需要处理并发性、共享性、随机性等问题，以确保多任务并行执行的正确性和效率。处理机状态控制是关键，通过设置状态标志区分管理状态和用户状态，防止用户程序滥用特权指令，破坏系统稳定性。特权指令是只能由操作系统执行的特殊指令，用于保护系统资源免受非授权访问。
四、操作系统的硬件环境
处理机状态控制的实现依赖于硬件的支持，如状态寄存器，它允许操作系统在需要时切换到管理状态执行特权操作。此外，硬件还提供了中断机制，使得操作系统能够及时响应外部事件，如设备I/O完成或定时器超时，确保系统的实时响应能力。
总结，操作系统在计算机系统中起着至关重要的作用，它通过精细的管理和控制，使得硬件资源得以高效利用，用户能够方便、安全地使用计算机。理解操作系统与硬件的交互对于深入理解计算机系统的运作至关重要。
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