计算机操作系统概述

计算机系统概论

计算机系统

电子数字计算机，是一种能够自行按照已设定的程序进行数据处理的电子设备，是软件与硬件相结合、面向系统、侧重应用的自动化求解工具，计算机技术迅猛发展，从科学计算、数据处理等应用领域，迅速扩展到实时控制、辅助设计、智能模拟等诸多领域，今天计算机无所不在，深入社会生活的各个领域，深深改变了当今人类社会的组织行为

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；硬件是指借助电、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，硬件系统有 CPU，主存储器，I/O 控制系统，外围设备；软件是指各种程序和文件，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，关键系统软件是指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

存储程序计算机

冯·诺伊曼等人在1946年总结并明确提出，被称为冯·诺伊曼计算机模型,存储程序计算机在体系结构上主要特点有：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

当今计算机硬件的经典结构和主流组织方式

总线及其组成

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

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（ControlUnit），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

处理器与寄存器

存储器的组织层次

外围设备及其控制

设备类型包括有：输入设备，输出设备，存储设备和机机通信设备

设备控制方式有：

• 轮询方式：CPU忙式控制+数据交换
• 中断方式：CPU启动/中断+数据交换
• MA方式：CPU启动/中断，DMA数据交换

计算机软件系统

计算机软件系统的组成

系统软件包括：操作系统、实用程序、语言处理程序、数据库管理系统，其中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，支撑软件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

计算机系统视图

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

计算机操作技术的发展

计算机的手工操作

问题：手工操作速度与电子计算速度不匹配

装入程序的引进

• 引入卡片和纸带描述程序指令与数据
• 引入装入程序(Loader)
  • 自动化执行程序装入，必要时进行地址转换
  • 通常存放在ROM中

引入高级语言后的计算机控制

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,操作员控制计算机成批输入作业，成批执行作业,这一方式明显缩短了手工操作的时间，提高了计算机系统利用率,这一阶段，磁带的出现，使得卡片与纸带等机械输入方式得以进一步提高

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:你在输，我在等,在程序执行过程中能否同时输入作业，重叠时间,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

计算机操作系统

操作系统的概念

操作系统(OperatingSystem)，简称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,简而言之，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.

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

• 从操作控制方式看
  • 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
• 从应用领域看
  • 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

资源管理

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,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

程序控制

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

多道程序同时计算的宏观分析

甲、乙两道程序,独占计算机单道运行时均需1小时，占用CPU时间18分钟，CPU利用率为30％,按多道程序设计方法同时运行，CPU利用率50%，由于要提供36分钟的CPU时间，大约运行72分钟。考虑到OS调度开销，实际花费时间还要长些，如80分钟,就处理两道作业而言，提高效率33％,就单道作业而言，延长执行时间20分钟,即延长了33％的时间

多道程序设计及优点

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

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)