《计算机操作系统》MOOC笔记1-计算机系统概论
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计算机系统的组成
- 计算机系统：包括硬件子系统和软件子系统
- 硬件：借助电、磁、光、机械等原理构成的各 种物理部件的有机组合，是系统工作的实体
- CPU，主存储器，I/O控制系统，外围设备
- 软件：各种程序和文件，用于指挥计算机系统 按指定的要求进行协同工作
包括系统软件、支撑软件和应用软件
关键系统软件是：操作系统与语言处理程序
计算机系统的用户视图
计算机硬件系统组成
- 中央处理器
运算单元 控制单元 :解译机器指令
- 主存储器
- 外围设备
输入设备 输出设备 存储设备 网络通信设备
- 总线
存储程序计算机体系结构
存储器是这个模型的核心
- 以运算单元为中心，控制流由指令流产生
- 采用存储程序原理，面向主存组织数据流
- 主存是按地址访问、线性编址的空间
- 指令由操作码和地址码组成
- 数据以二进制编码
总线
- 总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传 送信息的公共通信干线，它是CPU、内存、 输入输出设备传递信息的公用通道
- 计算机的各个部件通过总线相连接，外围设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统
- 按照所传输的信息种类，总线包括一组控制线、一组数据线和一组地址线
- 内部总线：用于CPU芯片内部连接各元件
- 系统总线：用于连接CPU、存储器和各种 I/O模块等主要部件
- 通信总线：用于计算机系统之间通信（网络）
为了加快通信效率，系统总线也是分级的，PCI连接块设备（较快），E（ISA）总线连接字符设备（较慢）。
中央处理器（CPU）
中央处理器是计算机的运算核心（Core）和 控制单元（ Control Unit），主要包括：
- 运算逻辑部件：一个或多个协运算器
- 寄存器部件：包括通用寄 存器、控制与状态寄存器，以及高速缓冲存储器（Cache）
- 控制部件：实现各部件间联系的数据、控制及状态的内部总线；负责对指令译码、 发出为完成每条指令所要执行操作的控制信号、实现数据传输等功能的部件
存储器
L0 L1 L2 L3 L4都是挥发性存储，加电存储，断电失效
外围设备
- 设备类型
输入设备 输出设备 存储设备 机机通信设备(本质上属于输入输出设备，但是不同网络设备块大小不一致（包，块，字）)
- 设备控制方式
轮询方式：CPU忙式控制+数据交换
中断方式：CPU启动外围设备/中断+数据交换
DMA方式：CPU启动/中断，DMA独立进行数据交换
软件系统组成
- 系统软件：操作系统、实用程序、语言处理程 序、数据库管理系统
操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制
实用程序为方便用户所设，如文本编辑等
语言处理程序把用汇编语言/高级语言编写 的程序，翻译成可执行的机器语言程序
- 支撑软件有接口软件、工具软件、环境数据库， 支持用户使用计算机的环境，提供开发工具
- 应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序
软件开发的不同层次
- 计算机硬件系统：机器语言
-操作系统之资源管理：机器语言+广义指令（扩充了硬件资源管理） - 操作系统之文件系统：机器语言+系统调用（扩充了信息资源管理）
- 数据库管理系统：+数据库语言（扩充了功能更强的信息资源管理）
- 语言处理程序：面向问题的语言
计算机程序的执行过程
操作系统的概念
OS是计算机系统最基础的系统软件，管理软硬件 资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计 算机工作流程，为用户使用计算机提供良好运行环 境
- 从用户角度看，OS管理计算机系统的各种 资源，扩充硬件的功能，控制程序的执行
- 从人机交互看，OS是用户与机器的接口， 提供良好的人机界面，方便用户使用计算机， 在整个计算机系统中具有承上启下的地位
- 从系统结构看，OS是一个大型软件系统， 其功能复杂，体系庞大，采用层次式、模块 化的程序结构
- 操作系统组成
进程调度子系统
进程通信子系统
内存管理子系统
设备管理子系统
文件管理子系统
网络通信子系统
作业控制子系统
- 从操作控制方式分类
多道批处理操作系统，脱机控制方式
分时操作系统，交互式控制方式
实时操作系统
- 从应用领域分类
服务器操作系统、并行操作系统
网络操作系统、分布式操作系统
个人机操作系统、手机操作系统
嵌入式操作系统、传感器操作系统
计算机的资源
-硬件资源 处理器、内存、外设
- 信息资源 数据、程序
资源的共享与分配方式
- 资源共享方式
独占使用方式
并发使用方式
- 资源分配策略
静态分配方式
动态分配方式
资源抢占方式
多道程序同时计算
- CPU速度与I/O速度不匹配的矛盾，非常突出
- 只有让多道程序同时进入内存争抢CPU运行，才 可以够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高 计算机系统的使用效率
- 多道程序设计的特点
CPU与外部设备充分并行
外部设备之间充分并行
发挥CPU的使用效率
提高单位时间的算题量
- 多道程序的实现
为进入内存执行的程序建立管理实体：进程
如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程(如何陷入操作系统)
如何复用CPU：调度程序(在CPU空闲时让其他程序运行)
如何使CPU与I/O设备充分并行：设备控制器与通 道(专用的I/O处理器)
如何让正在运行的程序让出CPU：中断(中断正在 执行的程序，引入OS处理)
计算机的操作方式
OS规定了合理操作计算机的工作流程
OS的操作接口——系统程序 OS提供给用户的功能级接口，为用户提供的解决操作计算机和计算共性问题的所有服务的集合
OS的两类作业级接口
- 脱机作业控制方式：作业控制语言
- 联机作业控制方式：操作控制命令
脱机作业的控制方式
- OS：提供作业说明语言
- 用户：编写作业说明书，确定作业加工控制步骤， 并与程序数据一并提交
- 操作员：通过控制台输入作业
- OS：通过作业控制程序自动控制作业的执行
- 例：批处理OS的作业控制方式，UNIX的shell程序， DOS的bat文件
联机作业控制方式
- 计算机：提供终端（键盘/显示器）
- 用户：登录系统
- OS：提供命令解释程序
- 用户：联机输入命令，直接控制作业步的执行
- 例：分时OS的交互控制方式
命令解释程序
- 命令解释程序：接受和执行一条用户提 出的对作业的加工处理命令
- 当一个新的批作业被启动，或新的交互 型用户登录进系统时，系统就自动地执行命令解释程序，负责读入控制卡或命令行，作出相应解释，并予以执行
- 会话语言：可编程的命令解释程序 （shell）
- 图形化的命令控制方式
- 多通道交互的命令控制方式
命令解释程序的处理过程
- OS启动命令解释程序，输出命令提示符，等待键盘中断/鼠标点击/多通道识别
- 每当用户输入一条命令(暂存在命令缓冲区)并 按回车换行时，申请中断
- CPU响应后，将控制权交给命令解释程序， 接着读入命令缓冲区内容，分析命令、接受 参数，执行处理代码
- 前台命令执行结束后，再次输出命令提示符， 等待下一条命令
- 后台命令处理启动后，即可接收下条命令
操作系统的程序接口
操作系统的程序接口——系统调用
操作系统实现的完成某种特定功能的过程；为所有 运行程序提供访问操作系统的接口
系统调用的实现机制
- 陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用 的机制
- 陷入指令：也称访管指令，或异常中断指令，计算机系统为实现系统调用而引起处理器中断的指令
- 每个系统调用都事先规定了编号，并在约定寄存器 中规定了传递给内部处理程序的参数
系统调用实现：
- 编写系统调用处理程序
- 设计一张系统调用入口地址表，每个入口地址指向 一个系统调用的处理程序，并包含系统调用自带参 数的个数
- 陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场
操作系统的系统结构
-OS构件 内核、进程、线程、管程等
- 设计概念 模块化、层次式、虚拟化
- 内核设计是OS设计中最为复杂的部分
操作系统内核
- 单内核：内核中各部件杂然混居的形态，始 于1960年代，广泛使用；如Unix/Linux，及 Windows(自称采用混合内核的CS结构)
- 微内核：1980年代始，强调结构性部件与功 能性部件的分离，大部分OS研究都集中在此
- 混合内核：微内核和单内核的折中，较多组 件在核心态中运行，以获得更快的执行速度
- 外内核：尽可能减少内核的软件抽象化和传 统微内核的消息传递机制，使得开发者专注 于硬件的抽象化；部分嵌入式系统使用
- 层次结构
操作系统的规模
- 在计算机软件发展史上，OS是第一个大规模的软件系统
- 1960年代，由OS开发所衍生的体系结构、模块化 开发、测试与验证、演化与维护等研究，直接催生 了软件工程这一新兴研究领域（另一个催生来源是 DB应用引发的需求与规格）
