計算機操做系統概述

計算機系統概論

計算機系統

電子數字計算機，是一種可以自行按照已設定的程序進行數據處理的電子設備，是軟件與硬件相結合、面向系統、側重應用的自動化求解工具，計算機技術迅猛發展，從科學計算、數據處理等應用領域，迅速擴展到實時控制、輔助設計、智能模擬等諸多領域，今天計算機無所不在，深刻社會生活的各個領域，深深改變了當今人類社會的組織行爲

計算機系統的組成

計算機系統包括硬件子系統和軟件子系統；硬件是指藉助電、磁、光、機械等原理構成的各類物理部件的有機組合，是系統工做的實體，硬件系統有 CPU，主存儲器，I/O 控制系統，外圍設備；軟件是指各類程序和文件，用於指揮計算機系統按指定的要求進行協同工做，包括系統軟件、支撐軟件和應用軟件，關鍵系統軟件是指操做系統與語言處理程序

計算機硬件系統

計算機硬件系統的組成：

• 中央處理器
  • 運算單元
  • 控制單元
• 主存儲器
• 外圍設備
  • 輸入設備
  • 輸出設備
  • 存儲設備
  • 網絡通訊設備
• 總線

存儲程序計算機

馮·諾伊曼等人在1946年總結並明確提出，被稱爲馮·諾伊曼計算機模型,存儲程序計算機在體系結構上主要特色有：以運算單元爲中心，控制流由指令流產生，採用存儲程序原理，面向主存組織數據流，主存是按地址訪問、線性編址的空間，指令由操做碼和地址碼組成，數據以二進制編碼

當今計算機硬件的經典結構和主流組織方式

總線及其組成

總線（Bus）是計算機各類功能部件之間傳送信息的公共通訊幹線，它是CPU、內存、輸入輸出設備傳遞信息的公用通道,計算機的各個部件經過總線相鏈接，外圍設備經過相應的接口電路再與總線相鏈接，從而造成了計算機硬件系統,按照所傳輸的信息種類，總線包括一組控制線、一組數據線和一組地址線

總線的類型

• 內部總線：用於CPU芯片內部鏈接各元件
• 系統總線：用於鏈接CPU、存儲器和各類I/O模塊等主要部件
• 通訊總線：用於計算機系統之間通訊

中央處理器（CPU）

中央處理器是計算機的運算核心（Core）和控制單元（ControlUnit），主要包括:

• 運算邏輯部件：一個或多個運算器
• 寄存器部件：包括通用寄存器、控制與狀態寄存器，以及高速緩衝存儲器（Cache）
• 控制部件：實現各部件間聯繫的數據、控制及狀態的內部總線；負責對指令譯碼、發出爲完成每條指令所要執行操做的控制信號、實現數據傳輸等功能的部件

處理器與寄存器

存儲器的組織層次

外圍設備及其控制

設備類型包括有：輸入設備，輸出設備，存儲設備和機機通訊設備

設備控制方式有：

• 輪詢方式：CPU忙式控制+數據交換
• 中斷方式：CPU啓動/中斷+數據交換
• MA方式：CPU啓動/中斷，DMA數據交換

計算機軟件系統

計算機軟件系統的組成

系統軟件包括：操做系統、實用程序、語言處理程序、數據庫管理系統，其中操做系統實施對各類軟硬件資源的管理控制，實用程序爲方便用戶所設，如文本編輯等，語言處理程序把用匯編語言/高級語言編寫的程序，翻譯成可執行的機器語言程序

支撐軟件有接口軟件、工具軟件、環境數據庫，支持用戶使用計算機的環境，提供開發工具，支撐軟件也可認爲是系統軟件的一部分

應用軟件是用戶按其須要自行編寫的專用程序

計算機系統視圖

軟件開發的不一樣層次

• 計算機硬件系統：機器語言
• 操做系統之資源管理：機器語言+廣義指令（擴充了硬件資源管理）
• 操做系統之文件系統：機器語言+系統調用（擴充了信息資源管理）
• 數據庫管理系統：+數據庫語言（擴充了功能更強的信息資源管理）
• 語言處理程序：面向問題的語言

計算機程序的執行過程

計算機操做技術的發展

計算機的手工操做

問題：手工操做速度與電子計算速度不匹配

裝入程序的引進

• 引入卡片和紙帶描述程序指令與數據
• 引入裝入程序(Loader)
  • 自動化執行程序裝入，必要時進行地址轉換
  • 一般存放在ROM中

引入高級語言後的計算機控制

簡單批處理系統的操做控制

引入做業控制語言，用戶編寫做業說明書，描述對一次計算機求解(做業)的控制,操做員控制計算機成批輸入做業，成批執行做業,這一方式明顯縮短了手工操做的時間，提升了計算機系統利用率,這一階段，磁帶的出現，使得卡片與紙帶等機械輸入方式得以進一步提升

操做系統與自動化操做控制

電子計算速度與機械I/O速度的矛盾:你在輸，我在等,在程序執行過程當中可否同時輸入做業，重疊時間,須要多道程序同時執行,程序切換須要高速的外存儲設備,磁盤設備出現:計算機操做系統濃墨登場，實現了計算機系統的自動化控制

計算機操做系統

操做系統的概念

操做系統(OperatingSystem)，簡稱OS,是計算機系統最基礎的系統軟件，管理軟硬件資源、控制程序執行，改善人機界面，合理組織計算機工做流程，爲用戶使用計算機提供良好運行環境,簡而言之，操做系統是方便用戶、管理和控制計算機軟硬件資源的系統程序集合.

從用戶角度看，OS管理計算機系統的各類資源，擴充硬件的功能，控制程序的執行,從人機交互看，OS是用戶與機器的接口，提供良好的人機界面，方便用戶使用計算機，在整個計算機系統中具備承上啓下的地位,從系統結構看，OS是一個大型軟件系統，其功能複雜，體系龐大，採用層次式、模塊化的程序結構

操做系統的組成

• 進程調度子系統
• 進程通訊子系統
• 內存管理子系統
• 設備管理子系統
• 文件管理子系統
• 網絡通訊子系統
• 做業控制子系統

操做系統的類型

• 從操做控制方式看
  • 多道批處理操做系統，脫機控制方式
  • 分時操做系統，交互式控制方式
  • 實時操做系統
• 從應用領域看
  • 服務器操做系統、並行操做系統
  • 網絡操做系統、分佈式操做系統
  • 我的機操做系統、手機操做系統
  • 嵌入式操做系統、傳感器操做系統

資源管理

計算機系統的資源

硬件資源:處理器、內存、外設

信息資源:數據、程序

管理計算機系統的軟硬件資源:

• 處理器資源：那個程序佔有處理器運行？
• 內存資源：程序/數據在內存中如何分佈？
• 設備管理：如何分配、去配和使用設備？
• 信息資源管理：如何訪問文件信息？
• 信號量資源：如何管理進程之間的通訊？

屏蔽資源使用的底層細節

驅動程序：最底層的、直接控制和監視各種硬件(或文件)資源的部分,職責是隱藏底層硬件的具體細節，並向其餘部分提供一個抽象的、通用的接口,好比說：打印一段文字或一個文件，既不需知道文件信息存儲在硬盤上的細節，也沒必要知道具體打印機類型和控制細節

資源的共享與分配方式

• 資源共享方式
  • 獨佔使用方式
  • 併發使用方式
• 資源分配策略
  • 靜態分配方式
  • 動態分配方式
  • 資源搶佔方式

程序控制

多道程序同時計算

CPU速度與I/O速度不匹配的矛盾，很是突出,只有讓多道程序同時進入內存爭搶CPU運行，才能夠夠使得CPU和外圍設備充分並行，從而提升計算機系統的使用效率

多道程序同時計算的宏觀分析

甲、乙兩道程序,獨佔計算機單道運行時均需1小時，佔用CPU時間18分鐘，CPU利用率爲30％,按多道程序設計方法同時運行，CPU利用率50%，因爲要提供36分鐘的CPU時間，大約運行72分鐘。考慮到OS調度開銷，實際花費時間還要長些，如80分鐘,就處理兩道做業而言，提升效率33％,就單道做業而言，延長執行時間20分鐘,即延長了33％的時間

多道程序設計及優勢

多道程序設計：指讓多個程序同時進入計算機的主存儲器進行計算

多道程序設計的特色:

• CPU與外部設備充分並行
• 外部設備之間充分並行
• 發揮CPU的使用效率
• 提升單位時間的算題量

多道程序系統的實現

• 爲進入內存執行的程序創建管理實體：進程
• OS應能管理與控制進程程序的執行
• OS協調管理各種資源在進程間的使用
  • 處理器的管理和調度
  • 主存儲器的管理和調度
  • 其餘資源的管理和調度

多道程序系統的實現要點

• 如何使用資源：調用操做系統提供的服務例程(如何陷入操做系統)
• 如何複用CPU：調度程序(在CPU空閒時讓其餘程序運行)
• 如何使CPU與I/O設備充分並行：設備控制器與通道(專用的I/O處理器)
• 如何讓正在運行的程序讓出CPU：中斷(中斷正在執行的程序，引入OS處理)