1.1　操作系统的目标和作用

L01

学习目标

操作系统配置在硬件第一层，追求方便性、有效性、可扩充性、开放性四个目标；同时充当用户与硬件的接口、资源管理者、硬件抽象三种角色，并受资源利用率、用户需求、器件更新换代、体系结构发展、新应用需求五方面动力推动。

OS 的四个目标：方便性——用命令和程序而非机器语言操作计算机；有效性——提高资源利用率和系统吞吐量；可扩充性——模块化和层次化结构便于增改功能；开放性——遵循国际标准实现软硬件兼容。
OS 的三个作用：作为用户与硬件系统之间的接口（命令、系统调用、图形界面）；作为计算机资源的管理者（处理机、存储器、I/O 设备、文件）；实现对硬件的抽象（在裸机上叠加 I/O 软件等，形成扩充机器/虚拟机）。
推动 OS 发展的五个动力：不断提高资源利用率、方便用户、器件更新换代、计算机体系结构发展、新的应用需求。
OS 的目标随应用环境不同而各有侧重，但四个基本目标共同构成设计追求；可通过分层动画对照「应用→系统调用→内核→驱动→硬件」理解 OS 在系统中的位置。

操作系统要达到的目标取决于计算机的应用环境：交互式系统要求使用方便，实时系统要求在截止时间内响应，但方便性是共同的基本要求。本节先阐述操作系统的目标，再说明操作系统在系统中所处的层次。

操作系统的目标可归纳为四点。方便性是指用户可通过编译程序和操作系统命令使用计算机，而不必直接操作硬件；有效性是指提高系统资源利用率和吞吐量；可扩充性是指采用模块化和层次化结构，便于增加和修改功能；开放性是指遵循国际标准，使软硬件兼容互联。

有效性包含两个层面：一是提高资源利用率，二是提高系统吞吐量。两者相关但不等同——利用率高也可能存在反复操作，吞吐量才是单位时间内实际完成的工作量。

方便性

用高级语言和操作系统提供的命令就能操纵计算机。

有效性

提高资源利用率，同时提高系统吞吐量。

可扩充性

便于增加或修改功能。微内核一类结构比较容易做到这一点，但不是唯一做法。

开放性

遵循开放系统互连等国际标准，软硬件才能彼此兼容、互联。

第一层作用：操作系统是用户和计算机硬件之间的接口。用户并不直接操作 CPU 和设备，而是通过命令、系统调用或图形界面，请操作系统去驱使硬件。

可以把它看成夹在用户与裸机中间的一层：向上承接用户的意图，向下把意图翻译成对硬件的操作。下图就是这个位置。

图1-1 OS作为接口的示意图

第二层作用：操作系统是资源的管理者。处理机、存储器、I/O 设备和文件，都要由它分配、回收、防止冲突。没有这一层，多道程序会立刻竞争资源。

第三层作用：操作系统把硬件细节藏起来，露出一层更好用的虚拟机。I/O 软件先挡住寄存器级的操作，文件软件再挡住磁盘块，窗口环境再挡住命令细节。用户看见的是一层层更友好的接口，而不是芯片本身。下图从硬件往上叠了这几层。

图1-2 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节

操作系统持续发展，其动力包括：提高资源利用率、方便用户使用、器件更新换代、计算机体系结构发展、新的应用需求。后续各章均可从这些角度理解操作系统不断演进的原因。

操作系统的目标和作用

用控件单步操作；日志区记下每一步发生了什么。