操作系统（OS）（一）

操作系统（OS）(一)

计算机系统概述——Chapter One

目录

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。
• 电子数字计算机，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。
• 1946年，首台计算机ENLAC诞生与美国。
• 短短70年，计算机技术迅猛发簪，从科学技术、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，深入社会的各个领域，深深改变了当今人类社会的组织行为。

计算机发展史

• 1945-：电子真空管、机器语言，应用于科学计算
• 1956-：晶体管、批处理控制、Fortran/COBOL，扩展到数据处理领域
• 1959-：集成电路、多道程序、操作系统/数据库/高级语言，应用领域继续拓展
• 1976-：大规模/超大规模集成电路，向快速化/小型化/系统化/网络化/智能化等方面发展
• 1980-：微机出现，廉价化促使应用领域快速膨胀
• 1990-：图形化人机交互技术，有善化推动了应用人群的快速扩展
• 2000-：移动计算的出现，计算无处不在

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、机械等原理构造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、支撑软件的应用软件
  • 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

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·诺伊曼等人再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
  • 以运算单元为u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

存储程序计算机的结构

当中计算机引荐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，外围设备通过想要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CPI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模块等主要不见
• 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，以及告诉缓冲存储器（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

• 处理器：
  • 运算单元
  • 控制单元
  • 内部总线
  • PC/IR/Flag
  • MAR/MDR
• 寄存器
• Cache
• IOAR/IODR

存储器的组织层次

外围设备及其控制

• 设备类型
  • 输入设备
  • 输出设备
  • 存储设备
  • 机机通信设备
• 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/终端 + 数据交换
  • DMA方式：CPU启动/中断，DMA数据交换

计算机软件系统

• 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控制
  • 实用程序为方便所设，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
• 支持软件由接口软件、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

程序员的计算机系统视图

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）
• 操作系统值文件系统：机器语言 + 系统调用（扩充了信息资源管理）
• 数据库管理系统：机器语言 + 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

操作平台与操作系统

• 任何一台机器都有其操作平台与操作系统
  • 例子：洗衣机
    • 确定水量、洗衣时间、洗涤强度、洗衣粉；
    • 启动按钮；
    • 指示灯显示工作状态
  • 这一方式可以总结为：开关表示，按钮控制，亮灯显示
  • 操作平台的精细化和系统化，产生了操作系统
• 计算机也不例外，由此产生了极为系统的计算机操作平台–计算机操作系统

计算机的手工操作

开关表示，按钮控制，亮灯显示

装入程序的引进

• 引入卡片和纸袋描述程序指令与数据
• 映入装入程序（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

引入汇编语言后的计算机控制

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，用户边写作业说明书，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，我再等
• 在程序执行过程中能否同时输入作业，重叠时间
  • 需要多到程序同时执行
  • 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（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。

操作系统

• 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
• 内容管理子系统
• 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
  • 分时操作系统
• 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

资源管理的角度

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：哪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、去配合使用设备？
• 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、通用的结构
• 比如说：打印一段文字或一个文件，既不需要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

程序控制的角度

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

多道程序同时计算案例

单道算题工作

两道程序同时工作

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军需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20分钟，即延长了33%的时间

多道程序设计及有点

• 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）
• 如何让这周运行的程序让出CPU：中断（终端正在执行的程序，引入OS处理）

操作系统控制计算机的角度

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：登陆系统
• 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，做出相对应解释，并予以执行
• 会话语言：可编程的命令解释程序
• 图形化地命令控制方式
• 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

人机交互的角度

操作系统的人机交互部分

• OS改善人机界面，为用户使用计算机提供良好的环境。
• 人机交互设备包括传统的终端设备和新型的模式识别设备
• OS的人机交互部分用于控制有关设备运行和理解执行设备传来的命令
• 人机交互功能是决定计算机系统友善性的重要因素，是当今OS研发热点

人机交互的初期发展

• 交互式控制方式
  • 行命令控制方式：1960年代开始使用
  • 全屏幕控制方式：1970年代开始使用
• 斯坦福研究所提出的发展计划
  • 始于1960年代，1980年代广泛应用
  • 强调人而不是就是是人机交互的中心
  • 代表性成果：鼠标、菜单与窗口控制

人机交互发展-WIMP界面

• 缘起：70年底啊后期Xerox的原型机Star
• 特征：窗口（Windows）、图标（Icons）、菜单（Menu）和指示装置（Pointing Devices）为基础的图形用户界面WIMP
• 得益：Apple最初采用并大力推动
• 时间：1990年代开始广泛使用
• 不足：不允许同时使用多个交互通道，从而产生人-机交互的不平衡

人机交互发展-多媒体计算机

• 缘起：1985年的MPC
• 把音频视频、图形图像和人机交互控制结合起来，进行综合处理的计算机系统
• 构成：多媒体硬件平台、多媒体OS、图形用户接口、多媒体数据开发工具
• 提供与时间有关的变媒体界面，既控制信息呈现，也控制何时呈现/如何呈现
• 人机交互界面需要使用多种媒体，同时支持多通道交互整合，改善那用户体验

人机交互发展-虚拟现实系统

• 缘起：1980年代的虚拟现实新型用户界面
• VR通过计算机模拟三维虚拟世界，根据观察点、观察点改变的导航和周围对象的操作，来模拟临境（身临其境）的感觉
• 支持多通道交互整合，提供良好的用户体验
• 支持用户主动参与的高度自然的三维HCI，以及语音识别、头部跟着、视觉跟踪、姿势跟踪识别等新型HCI
• 容许用户产生模糊和不精确的输入

程序接口的角度

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：计算机操作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
• 陷入处理机制需避开现场保护区，以保持发生系统调用时的处理器现场

系统调用的实现流程

系统结构的角度

计算机操作系统软件的规模

• 在计算机软件发展史上，OS是单元格大规模的软件系统
• 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）
• OS作为大型软件，结构设计是关键

操作系统软件的结构设计

• OS构件
  • 内核、进程、线程、管程等
• 设计概论
  • 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：内核中个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不见得分离，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，以及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

操作系统实现的一种层次结构

操作系统实现的第二种层次结构