计算机系统概述
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结合，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
计算机硬件系统
计算机硬件系统的组成
- 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：负责将上述的三种硬件组织在一起
存储程序计算机
- 冯·诺依曼等人在 1946 年总结并明确提出，被称为冯·诺依曼计算机模型
- 存储程序计算机在体系结构上的主要特点：
- 以运算单元为中心，控制由指令流产生
- 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
当今计算机硬件的经典结构和主流组织方式
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
总线的组成
总线是传输各类通信信号的线路，按照所传输的信息种类，总线包括：
- 一组控制线
- 一组数据线
- 一组地址线
总线的类型
- 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通信
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、控制以及状态的内部总线；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
I/O 控制方式
- 轮询方式：CPU 忙式控制 I/O，CPU 执行内存数据交换
- 中断方式：CPU 启动 I/O 设备，设备进行 I/O，设备中断 CPU 以善后，CPU 执行内存数据交换。
- DMA 方式：CPU 启动 DMA，DMA 独立进行 I/O 和内存数据交换，DMA 中断 CPU 以善后。
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
-
也可以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
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
计算机操作系统
操作系统的概念
- 操作系统（Operating System），简称 OS
- 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
操作系统是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统程序集合，在整个计算机系统中具有承上启下的地位。
- 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
- 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
操作系统的组成
- 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
操作系统的类型
- 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
资源管理的视角
计算机系统的资源包括：
- 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。
- 比如说：打印一段文字或一个文件，既不需知道文件信息存储在硬盘上的细节，也不必知道具体打印机类型和控制细节
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：一个文件可以同时被多个进程一起读
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
- 并发访问的难题
- 资源抢占方式：被抢夺资源的进程需要回滚执行
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。
多道程序设计
指让多个程序同时进入计算机的主存储器进行计算
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
- 但是，单道程序的运算时间会增加
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
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）
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：作业控制语言
- 联机作业控制方式：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
- 例：分时OS的交互控制方式
程序接口的视角 – 重点
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
- POSIX支持
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
- 陷入处理机制需要开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场。
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、层次化、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
Reference
- 南京大学软件学院本科三年级课程《计算机与操作系统》