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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)
• 硬件：借助電、磁、光、機(jī)械等原理構(gòu)成的各 種物理部件的有機(jī)組合，是系統(tǒng)工作的實(shí)體
• CPU，主存儲器，I/O控制系統(tǒng)，外圍設(shè)備
• 軟件：各種程序和文件，用于指揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 按指定的要求進(jìn)行協(xié)同工作

包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件
關(guān)鍵系統(tǒng)軟件是：操作系統(tǒng)與語言處理程序

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的用戶視圖

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成

• 中央處理器

運(yùn)算單元 控制單元 :解譯機(jī)器指令

• 主存儲器
• 外圍設(shè)備

輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 存儲設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

• 總線

存儲程序計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

存儲器是這個(gè)模型的核心

• 以運(yùn)算單元為中心，控制流由指令流產(chǎn)生
• 采用存儲程序原理，面向主存組織數(shù)據(jù)流
• 主存是按地址訪問、線性編址的空間
• 指令由操作碼和地址碼組成
• 數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼

總線

• 總線（Bus）是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳 送信息的公共通信干線，它是CPU、內(nèi)存、 輸入輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道
• 計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件通過總線相連接，外圍設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)
• 按照所傳輸?shù)男畔⒎N類，總線包括一組控制線、一組數(shù)據(jù)線和一組地址線
• 內(nèi)部總線：用于CPU芯片內(nèi)部連接各元件
• 系統(tǒng)總線：用于連接CPU、存儲器和各種 I/O模塊等主要部件
• 通信總線：用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信（網(wǎng)絡(luò)）
  
  
  為了加快通信效率，系統(tǒng)總線也是分級的，PCI連接塊設(shè)備（較快），E（ISA）總線連接字符設(shè)備（較慢）。

中央處理器（CPU）

中央處理器是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和 控制單元（ Control Unit），主要包括：

• 運(yùn)算邏輯部件：一個(gè)或多個(gè)協(xié)運(yùn)算器
• 寄存器部件：包括通用寄 存器、控制與狀態(tài)寄存器，以及高速緩沖存儲器（Cache）
• 控制部件：實(shí)現(xiàn)各部件間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的內(nèi)部總線；負(fù)責(zé)對指令譯碼、 發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行操作的控制信號、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿牟考?br>

存儲器

L0 L1 L2 L3 L4都是揮發(fā)性存儲，加電存儲，斷電失效

外圍設(shè)備

• 設(shè)備類型

輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 存儲設(shè)備 機(jī)機(jī)通信設(shè)備(本質(zhì)上屬于輸入輸出設(shè)備，但是不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備塊大小不一致（包，塊，字）)

• 設(shè)備控制方式

輪詢方式：CPU忙式控制+數(shù)據(jù)交換
中斷方式：CPU啟動外圍設(shè)備/中斷+數(shù)據(jù)交換
DMA方式：CPU啟動/中斷，DMA獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

軟件系統(tǒng)組成

• 系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、實(shí)用程序、語言處理程 序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

操作系統(tǒng)實(shí)施對各種軟硬件資源的管理控制
實(shí)用程序?yàn)榉奖阌脩羲O(shè)，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(zhí)行的機(jī)器語言程序

• 支撐軟件有接口軟件、工具軟件、環(huán)境數(shù)據(jù)庫， 支持用戶使用計(jì)算機(jī)的環(huán)境，提供開發(fā)工具
• 應(yīng)用軟件是用戶按其需要自行編寫的專用程序

軟件開發(fā)的不同層次

• 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)：機(jī)器語言
• 操作系統(tǒng)之資源管理：機(jī)器語言+廣義指令（擴(kuò)充了硬件資源管理）
• 操作系統(tǒng)之文件系統(tǒng)：機(jī)器語言+系統(tǒng)調(diào)用（擴(kuò)充了信息資源管理）
• 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：+數(shù)據(jù)庫語言（擴(kuò)充了功能更強(qiáng)的信息資源管理）
• 語言處理程序：面向問題的語言

計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過程

操作系統(tǒng)的概念

OS是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件，管理軟硬件 資源、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，合理組織計(jì) 算機(jī)工作流程，為用戶使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán) 境

• 從用戶角度看，OS管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種 資源，擴(kuò)充硬件的功能，控制程序的執(zhí)行
• 從人機(jī)交互看，OS是用戶與機(jī)器的接口， 提供良好的人機(jī)界面，方便用戶使用計(jì)算機(jī)， 在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中具有承上啟下的地位
• 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，OS是一個(gè)大型軟件系統(tǒng)， 其功能復(fù)雜，體系龐大，采用層次式、模塊 化的程序結(jié)構(gòu)
• 操作系統(tǒng)組成

進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)
進(jìn)程通信子系統(tǒng)
內(nèi)存管理子系統(tǒng)
設(shè)備管理子系統(tǒng)
文件管理子系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)
作業(yè)控制子系統(tǒng)

• 從操作控制方式分類

多道批處理操作系統(tǒng)，脫機(jī)控制方式
分時(shí)操作系統(tǒng)，交互式控制方式
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

• 從應(yīng)用領(lǐng)域分類

服務(wù)器操作系統(tǒng)、并行操作系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)
個(gè)人機(jī)操作系統(tǒng)、手機(jī)操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)、傳感器操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)的資源

• 硬件資源 處理器、內(nèi)存、外設(shè)
• 信息資源 數(shù)據(jù)、程序

資源的共享與分配方式

• 資源共享方式

獨(dú)占使用方式
并發(fā)使用方式

• 資源分配策略

靜態(tài)分配方式
動態(tài)分配方式
資源搶占方式

多道程序同時(shí)計(jì)算

• CPU速度與I/O速度不匹配的矛盾，非常突出
• 只有讓多道程序同時(shí)進(jìn)入內(nèi)存爭搶CPU運(yùn)行，才 可以夠使得CPU和外圍設(shè)備充分并行，從而提高 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率
• 多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

CPU與外部設(shè)備充分并行
外部設(shè)備之間充分并行
發(fā)揮CPU的使用效率
提高單位時(shí)間的算題量

• 多道程序的實(shí)現(xiàn)

為進(jìn)入內(nèi)存執(zhí)行的程序建立管理實(shí)體：進(jìn)程
如何使用資源：調(diào)用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)例程(如何陷入操作系統(tǒng))
如何復(fù)用CPU：調(diào)度程序(在CPU空閑時(shí)讓其他程序運(yùn)行)
如何使CPU與I/O設(shè)備充分并行：設(shè)備控制器與通 道(專用的I/O處理器)
如何讓正在運(yùn)行的程序讓出CPU：中斷(中斷正在 執(zhí)行的程序，引入OS處理)

計(jì)算機(jī)的操作方式

OS規(guī)定了合理操作計(jì)算機(jī)的工作流程
OS的操作接口——系統(tǒng)程序 OS提供給用戶的功能級接口，為用戶提供的解決操作計(jì)算機(jī)和計(jì)算共性問題的所有服務(wù)的集合
OS的兩類作業(yè)級接口

• 脫機(jī)作業(yè)控制方式：作業(yè)控制語言
• 聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式：操作控制命令

脫機(jī)作業(yè)的控制方式

• OS：提供作業(yè)說明語言
• 用戶：編寫作業(yè)說明書，確定作業(yè)加工控制步驟， 并與程序數(shù)據(jù)一并提交
• 操作員：通過控制臺輸入作業(yè)
• OS：通過作業(yè)控制程序自動控制作業(yè)的執(zhí)行
• 例：批處理OS的作業(yè)控制方式，UNIX的shell程序， DOS的bat文件

聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式

• 計(jì)算機(jī)：提供終端（鍵盤/顯示器）
• 用戶：登錄系統(tǒng)
• OS：提供命令解釋程序
• 用戶：聯(lián)機(jī)輸入命令，直接控制作業(yè)步的執(zhí)行
• 例：分時(shí)OS的交互控制方式

命令解釋程序

• 命令解釋程序：接受和執(zhí)行一條用戶提 出的對作業(yè)的加工處理命令
• 當(dāng)一個(gè)新的批作業(yè)被啟動，或新的交互 型用戶登錄進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)就自動地執(zhí)行命令解釋程序，負(fù)責(zé)讀入控制卡或命令行，作出相應(yīng)解釋，并予以執(zhí)行
• 會話語言：可編程的命令解釋程序 （shell）
• 圖形化的命令控制方式
• 多通道交互的命令控制方式

命令解釋程序的處理過程

• OS啟動命令解釋程序，輸出命令提示符，等待鍵盤中斷/鼠標(biāo)點(diǎn)擊/多通道識別
• 每當(dāng)用戶輸入一條命令(暫存在命令緩沖區(qū))并 按回車換行時(shí)，申請中斷
• CPU響應(yīng)后，將控制權(quán)交給命令解釋程序， 接著讀入命令緩沖區(qū)內(nèi)容，分析命令、接受 參數(shù)，執(zhí)行處理代碼
• 前臺命令執(zhí)行結(jié)束后，再次輸出命令提示符， 等待下一條命令
• 后臺命令處理啟動后，即可接收下條命令

操作系統(tǒng)的程序接口

操作系統(tǒng)的程序接口——系統(tǒng)調(diào)用
操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的完成某種特定功能的過程；為所有 運(yùn)行程序提供訪問操作系統(tǒng)的接口
系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

• 陷入處理機(jī)制：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中控制和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用 的機(jī)制
• 陷入指令：也稱訪管指令，或異常中斷指令，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用而引起處理器中斷的指令
• 每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都事先規(guī)定了編號，并在約定寄存器 中規(guī)定了傳遞給內(nèi)部處理程序的參數(shù)

系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)：

• 編寫系統(tǒng)調(diào)用處理程序
• 設(shè)計(jì)一張系統(tǒng)調(diào)用入口地址表，每個(gè)入口地址指向 一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的處理程序，并包含系統(tǒng)調(diào)用自帶參 數(shù)的個(gè)數(shù)

• 陷入處理機(jī)制需開辟現(xiàn)場保護(hù)區(qū)，以保存發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時(shí)的處理器現(xiàn)場

  
  

操作系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

-OS構(gòu)件 內(nèi)核、進(jìn)程、線程、管程等

• 設(shè)計(jì)概念 模塊化、層次式、虛擬化
• 內(nèi)核設(shè)計(jì)是OS設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜的部分

操作系統(tǒng)內(nèi)核

• 單內(nèi)核：內(nèi)核中各部件雜然混居的形態(tài)，始 于1960年代，廣泛使用；如Unix/Linux，及 Windows(自稱采用混合內(nèi)核的CS結(jié)構(gòu))
• 微內(nèi)核：1980年代始，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)性部件與功 能性部件的分離，大部分OS研究都集中在此
• 混合內(nèi)核：微內(nèi)核和單內(nèi)核的折中，較多組 件在核心態(tài)中運(yùn)行，以獲得更快的執(zhí)行速度

• 外內(nèi)核：盡可能減少內(nèi)核的軟件抽象化和傳 統(tǒng)微內(nèi)核的消息傳遞機(jī)制，使得開發(fā)者專注 于硬件的抽象化；部分嵌入式系統(tǒng)使用
  層次結(jié)構(gòu)

  
  

操作系統(tǒng)的規(guī)模

• 在計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展史上，OS是第一個(gè)大規(guī)模的軟件系統(tǒng)
• 1960年代，由OS開發(fā)所衍生的體系結(jié)構(gòu)、模塊化 開發(fā)、測試與驗(yàn)證、演化與維護(hù)等研究，直接催生 了軟件工程這一新興研究領(lǐng)域（另一個(gè)催生來源是 DB應(yīng)用引發(fā)的需求與規(guī)格）