1.1.1 计算机系统概述
冯诺依曼结构
1.1.2 计算机硬件系统
计算机系统包括硬件子系统和软件子系统
硬件系统
- 中央处理器
- 运算单元
- 控制单元
- 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
存储程序计算机在体系结构上主要特点
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以运算单元为中心，控制流由指令流产生
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采用存储程序原理，面向主存组织数据流
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主存是按地址访问、线性编址的空间
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指令由操作码和地址码组成
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数据以二进制编码
总线（Bus）
总线是计算机各种功能部件之间传递信息的公共通信干线，是CPU主存、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
根据所传输信息种类，总线包括
- 一组控制线
- 一组数据线
- 一组地址线
总线类型
- 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的通信
中央处理器（CPU）
是计算机的运算核心（Core）和控制单元（Control Unit）
- 运算逻辑部件：一个或多个运算器
- 寄存器部件：包括通用寄存器、控制与状态寄存器、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
处理器和寄存器
1.1.3 计算机软件系统
计算机软件系统的组成
- 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
- 也可认为是系统软件的一部分
- 应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序
1.2.1计算机操作技术的发展
简单批处理系统的操作控制
- 引入作业控制语言，用户编写作业说明书，描述对一次计算机求解（作业）的控制
操作系统与自动化操作控制
- 电子计算速度与机械I/O速度的矛盾
- 设备在慢慢输，CPU在等
- 在程序执行过程中能否同时输入其他作业，实现时间重叠，提高处理器利用率
- 需要多道程序同时执行
- 程序切换需要高速的外存储设备
- 磁盘设备出现
- 计算机操作系统浓墨登场，实现了计算机系统的自动化控制
1.2.2 计算机操作系统
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
- OS是计算机系统的公共软件基础设施，所有应用程序共用OS服务，且OS内核是反应式reactive机制(中断驱动的)
操作系统的类型
- 多道批处理操作系统，脱机控制方式 内存中存放多道程序，当某道程序因某种原因如执行I/O操作时而不能继续运行放弃CPU时，操作系统便调度另一程序运行，这样CPU就尽量忙碌，达到提高系统效率的目的 宏观上并行
- 分时操作系统，交互式控制方式 允许在一台主机上同时连接多个终端，各个用户可以通过各自的终端交互使用计算机 是一种基于时间片轮转调度算法的操作系统。它将时间分成若干个时间片，每个时间片分配给一个任务，任务在该时间片内运行。当时间片用完时，操作系统会把任务挂起，然后将CPU分配给下一个任务，以此类推。在分时操作系统中，每个任务都有相同的时间片，因此任务的处理时间并不是非常关键 Unix操作系统是第一个实用化的分时操作系统
- 实时操作系统 为了满足实时性要求而设计的操作系统。它可以确保任务在规定的时间内得到响应和完成，因此在实时操作系统中，任务的处理时间是非常关键的。在实时操作系统中，任务分为硬实时和软实时两种类型。硬实时任务必须在固定的时间内完成，而软实时任务则有一定的容忍度，但是必须在允许的时间范围内完成。
1.3.1 资源管理的视角
计算机系统的资源
- 硬件资源
- 处理器、内存、外设
- 信息资源
- 数据、程序
管理计算机系统的软硬件资源
- 处理器资源：那个程序占有处理器运行?
- 内存资源：程序/数据在内存中如何分布?
- 设备管理：如何分配、去配和使用设备?
- 信息资源管理：如何访问文件信息?
- 信号量资源：如何管理进程之间的通信?
屏蔽资源使用的底层细节
- 驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件(或文件)资源的部分
- 职责是隐藏底层硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口
资源的共享方式
- 独占使用方式
- 如打印机在一个时间段内只能被一个进程独立使用
- 并发使用方式
- 如一个文件可以被多个进程一起读
资源分配策略
- 静态分配方式：进程运行前一次拿到全部独占资源
- 资源使用效率低
- 动态分配方式：使用资源前临时申请
- 可能产生竞争资源的死锁
- 资源抢占方式
- 被抢夺资源的进程需要回滚执行
1.3.2 控制程序执行的视角
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
单道程序设计
缺点在于单个程序没有结束之前独占CPU，该程序在做输入输出时，CPU空闲，性能浪费
多道程序设计 在一台处理机上并发运行多个程序
指让多个程序同时进入计算机的主存储器，交替使用处理器，进行计算
多道程序系统的实现
- 为进入内存执行的程序建立管理实体：进程
- OS应能管理与控制进程程序的执行OS协调管理各类资源在进程间的使用
- 处理器的管理和调度
- 主存储器的管理和调度
- 其他资源的管理和调度
多道程序系统的实现要点
- 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)
1.3.3 操作控制计算机的视角
计算机系统操作方式
- 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(offline):作业控制语言
- 联机作业控制方式(online):操作控制命令
脱机作业控制方式
- 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：联机输入操作控制命令，直接控制作业步的执行
1.3.4人机交互的视角
操作系统的人机交互部分
- OS改善人机界面，为用户使用计算机提供良好的环境
- 人机交互设备包括传统的终端设备和新型的模式识别设备
- OS的人机交互部分用于控制有关设备运行和理解执行设备传来的命令
- 人机交互功能是决定计算机系统友善性的重要因素，是当今OS研发热点
趋势：行命令->全屏->GUI界面
1.3.5程序接口的视角
操作系统的程序接口
- 操作系统的程序接口：操作系统为程序运行扩充的编程接口
- 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 操作系统向用户程序提供的接口
- POSIX支持 Portable Operating System Interface，可移植操作系统接口
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
系统调用的实现要点
- 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
1.3.6系统结构的视角
操作系统软件的结构设计
- 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
