第一章 计算机系统概述

第一章 计算机系统概述

1.1 操作系统

1.1.1 操作系统的概念和功能

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概念

操作系统（Operating System， OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。

功能和目标

①操作系统是系统资源的管理者

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处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理。

②向上层提供方便易用的服务 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

命令接口：用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行

① 联机控制方式 （交互式命令接口） 用户每输入一条指令，然后命令解释程序解释并执行输入的命令，完成指定功能。

② 脱机命令接口 （批处理命令接口） 用户将作业连同说明书一起提交给系统，系统中的命令解释程序逐条解释命令。

程序接口：编程人员可以使用它们来请求操作系统服务

用户通过在程序中使用这些系统调用，来请求服务。

如GUI（图形用户界面）

封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可。

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GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）
用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。
例子：在Windows 操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。

联机命令接口=交互式命令接口：用户说一句，系统跟着做一句

脱机命令接口=批处理命令接口：用户说一堆，系统跟着做一堆

程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。

如：写C语言“Hello world”程序时，在printf 函数的底层就使用到了操作系统提供的显式相关的“系统调用”

③是最接近硬件的一层软件 用作扩充机器

需要实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统，
可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器
通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机

1.1.2 操作系统的特征

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基本特征

并发、共享、虚拟、异步

并发

两个或者多个事件在同一时间间隔内发生

使得系统具有处理和调度多个程序同时执行的能力

操作系统的并发是通过分时实现的

注意：并发是指在一个时间段，并行是指在同一个时刻系统具有同时执行或操作（硬件支持：多流水线或者多处理机）

重要考点

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行

多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

共享

互斥共享方式

例如打印机、磁带，同一时刻只能供一个进程对资源进行访问

这种资源称作：临界资源或者独占资源

同时访问方式

一段时间内允许多个进程对资源进行访问

宏观：同时。 微观：交替。

典型代表：磁盘设备重入码编写的文件

虚拟

一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物，这种技术也被称为虚拟技术

虚拟处理器：采用多道程序并发的方式，让每个终端用户感觉到有多个处理器 时分复用技术

虚拟存储器：将物理存储变为虚拟存储器，逻辑上扩充存储器用 空分复用技术

也可以将一台IO设备虚拟为多台逻辑上的IO设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的IO设备

异步

在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，

多道程序走走停停，进程以不可预知的速度向前进

并发和共享的关系

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

互为存在条件

并发和虚拟的关系

如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性

并发和异步的关系

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

1.1.3 操作系统的发展与分类

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手工操作阶段

所有的操作都要人工干预

缺点：1 用户独占全机 2 CPU等待手工操作。

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单道批处理

省去人工阶段

① 自动性 磁带上的一批作业能自动地逐个运行。

② 顺序性

③ 单道性 内存中仅有一道程序运行。

缺点：每一次主机内存中仅存放一道作业，每当他在运行期间发出输入输出请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态。

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多道批处理

多道程序允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU中交替运行。

当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。

①多道

②宏观上并行

③微观上串行

缺点：①用户的响应时间长 ②不提供人机交互能力。

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分时操作系统

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分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

① 同时性 允许多个终端用户同时使用一台计算机

② 交互性 方便进行人机对话

③ 独立性 多个用户可以彼此独立独立进行操作，互不干扰

④ 及时性 用户请求能在很短时间获得响应

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。
主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

实时操作

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主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信 后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性

其他几种操作系统

络操作系统：是伴随着计算机 络的发展而诞生的，能把 络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现 络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT 就是一种典型的 络操作系统， 站服务器就可以使用）

分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

个人计算机操作系统：如Windows XP、MacOS，方便个人使用。

1.1.4 操作系统的运行机制

运行机制

两种指令：特权指令v.s. 非特权指令

• “指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令，指二进制机器指令

• 应用程序只能使用“非特权指令””，如：加法指令、减法指令等

• 操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用

两种程序

我们普通程序员写的程序就是==“应用程序”==
微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是==“内核程序”==
由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核（Kernel）”

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两种处理器状态：内核态v.s. 用户态

• CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”

  处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
  处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

• 内核态、用户态的切换

  内核态–用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
  用户态–内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信 意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

内核

时钟管理 （提供标准的管理，实现进程的切换）

中断处理 （提高多道程序运行环境中的CPU利用率）

原语

原语是一种特殊的程序。是最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性。

① 处于操作系统最低层，是最接近硬件的部分

② 这些程序的运行具有原子性，其操作都只能一气呵成

③ 这些程序的运行时间都比较短，调用频繁。

对系统资源进行管理的功能

进程管理

存储器管理

设备管理

体系结构

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内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接
大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高；缺点是组织结构混乱，难以维护。
微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的一些工作。优点是组织结构清晰，方便维护；缺点是效率低。

大内核

微内核

1.1.5 中断和异常

中断的作用

CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

中断的类型

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中断机制的基本原理

不同的中断信 ，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信 后，会根据中断信 的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

1.1.6 系统调用

“系统调用”是是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

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1.1.7 操作系统的体系结构

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PPT小题整理

操作系统的地位

紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下

操作系统的目标

方便性、有效性、可扩充性、开放性

操作系统的作用

• OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（命令方式、图标窗口方式、系统调用方式）
• OS是计算机资源的管理者（CPU、存储器、外部设备、信息）
• OS实现对计算机资源的抽象

操作系统的概念

系统软件、程序模块的集合、资源管理、用户与计算机的接口

操作系统的发展过程

推动操作系统发展的主要动力

1. 不断提高计算机资源利用率
2. 方便用户
3. 器件的不断更新换代
4. 计算机体系结构的不断发展
5. 不断提出新的引用需求

无操作系统的计算机系统

人工操作方式

用户独占全机

CPU等待用户

脱机输入/输出方式

为了解决人机矛盾及CPU与I/O设备之间不匹配，通过外围机

减少CPU的空闲时间

提高了I/O速度

单道批处理系统

自动性

顺序性

单道性

CPU和I/O设备使用忙闲不均

• 已计算为主的作业，外设空闲
• 以I/O为主的作业，CPU空闲

多道批处理系统

后备队列 -》作业调度 -》调入内存

多道性

无序性

调度性

优点

资源利用率高

作业吞吐量大

缺点

用户交互性差

作业平均周转时间长

分时系统

解决人机交互，多个用户能同时使用主机

及时接收、及时处理

分时技术：时间片轮转

多路性

独立性

及时性

交互性

实时系统

及时响应外部事件的请求，在规定时间内进行处理

多路性

独立性

及时性

交互性

可靠性

微机操作系统

单用户单任务操作系统（一个用户、用户程序作为一个任务运行）

单用户多任务操作系统（并发）

多用户多任务操作系统

操作系统的基本特征

并发（基本）

共享（并发和共享护卫存在的条件）

虚拟（并发和共享资源为前提）

异步（并发、共享必然结果）

并发与并行

并行：指两个或多个事件在同一时刻发生

并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生

主要功能

资源管理

• 硬件资源（处理机、内存、外设、文件）
• 软件资源（信息、数据）

用户接口

进程管理

进程控制

进程同步

进程通信

进程调度

存储管理

内存分配

内存保护

地址映射

内存扩充

设备管理

缓冲区管理

设备分配

虚拟设备

设备处理

文件管理

文件存储空间管理

目录管理

文件的读写管理和存取控制

操作系统结构设计

设计原则：可维护性、可靠性、可理解性、性能

无结构

优点：具有一定灵活性，在运行中高效率

缺点：不利于调试、可读性差、难维护

模块化结构

优点：提高了正确性、可理解性、可维护性、OS可适应性，加速开发过程

缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理、模块依赖关系复杂、降低模块之间相对独立性

分层结构

优点：功能明确、调用关系清晰。低层高层分别实现

缺点：降低运行效率

微内核结构

客户/服务器技术+面向对象技术

优点：良好灵活性和可扩充性、可靠性好、适合分布式系统

事件在同一时刻发生

并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生

主要功能

资源管理

• 硬件资源（处理机、内存、外设、文件）
• 软件资源（信息、数据）

用户接口

进程管理

进程控制

进程同步

进程通信

进程调度

存储管理

内存分配

内存保护

地址映射

内存扩充

设备管理

缓冲区管理

设备分配

虚拟设备

设备处理

文件管理

文件存储空间管理

目录管理

文件的读写管理和存取控制

操作系统结构设计

设计原则：可维护性、可靠性、可理解性、性能

无结构

优点：具有一定灵活性，在运行中高效率

缺点：不利于调试、可读性差、难维护

模块化结构

优点：提高了正确性、可理解性、可维护性、OS可适应性，加速开发过程

缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理、模块依赖关系复杂、降低模块之间相对独立性

分层结构

优点：功能明确、调用关系清晰。低层高层分别实现

缺点：降低运行效率

微内核结构

客户/服务器技术+面向对象技术

优点：良好灵活性和可扩充性、可靠性好、适合分布式系统

缺点：消息传递比直接调用效率低