《计算机操作系统》MOOC笔记1-计算机系统概论
南京⼤学的骆斌⽼师主讲的，考研可能会⽤得上
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
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）。
处理器（CPU）
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）
