计算机操作系统（一）——概览

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计算机组成

计算机系统

概念

1. 操作系统（Operating System，OS）
2. 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
   
   1. 用户角度：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
   2. 人机交互：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
   3. 系统结构：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

组成

1. 进程调度子系统
2. 进程通信子系统
3. 内存管理子系统
4. 设备管理子系统
5. 文件管理子系统
6. 网络通信子系统
7. 作业控制子系统

类型

1. 操作控制方式
   
   1. 多道批处理操作系统，脱机控制方式
   2. 分时操作系统，交互式控制方式
   3. 实时操作系统
2. 应用领域
   
   1. 服务器操作系统、并行操作系统
   2. 网络操作系统、分布式操作系统
   3. 个人机操作系统、手机操作系统
   4. 嵌入式操作系统、传感器操作系统

资源

1. 硬件资源
   
   1. 处理器资源：哪个程序占有处理器运行
   2. 内存资源：程序/数据在内存中如何分布
   3. 设备管理：如何分配、去配和使用设备
2. 信息资源
   
   1. 数据、程序
   2. 信息资源管理：如何访问文件信息
   3. 信号量资源：如何管理进程之间的通信
3. 屏蔽资源使用的底层细节
   
   1. 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
   2. 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
4. 共享与分配方式
   
   1. 资源共享方式
      
      1. 独占使用方式
      2. 并发使用方式
   2. 资源分配策略
      
      1. 静态分配方式
      2. 动态分配方式
      3. 资源抢占方式

操作方式

1. OS规定了合理操作计算机的工作流程
2. 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几何
3. OS的两类作业级接口
   
   1. 脱机作业控制方式：作业控制语言
      
      1. OS：提供作业说明语言
      2. 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
      3. 操作员：通过控制台输入作业
      4. OS：通过作业控制程序自动控制作业的执行
   2. 联机作业控制方式：操作控制命令
      
      1. 计算机：提供终端（键盘/显示器）
      2. 用户：登陆系统
      3. OS：提供命令解释程序
         
         1. 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
         2. 处理过程
            
            1. 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
            2. 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
            3. 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
            4. 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
            5. 后台命令处理启动后，即可接收下条命令
      4. 用户：联机输入命令，直接控制作业步的执行

程序接口

1. 系统调用
   
   1. 操作系统实现的完成某种特定功能的过程
   2. 为所有运行程序提供访问操作系统的接口
2. 系统调用实现机制
   
   1. 陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用的机制
   2. 陷入指令（访管指令，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
   3. 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
3. 结构设计
   
   1. OS构件
      
      1. 内核、进程、线程、管程等
   2. 设计概念
      
      1. 模块化、层次化、虚拟化
   3. 内核设计是OS设计中最为复杂的部分
4. 系统调用实现要点
   
   1. 编写系统调用处理程序
   2. 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
   3. 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

内核

1. 单内核：内核中各部件杂然混居的形态
2. 微内核：结构性部件与功能性部件的分离
3. 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
4. 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

层次式结构

1. 第一种
   
   1. 用户模式
      
      1. 用户
      2. 文件系统
   2. 内核模式
      
      1. 进程交互
      2. I/O设备管理
      3. 虚存
      4. 基本进程管理
      5. 硬件
2. 第二种
   
   1. 用户
      
      1. 命令、进程、库、环境
   2. 文件系统调用
      
      1. 用户进程管理
      2. 目录管理
      3. 设备文件
      4. 文件系统
      5. 管道等高阶通信
      6. 内存与虚拟内存管理
   3. 软硬件协同内核
      
      1. 块设备管理、I/O控制
      2. 核心进程管理、控制与通信原语
      3. 中断管理
      4. 过程机制
   4. 硬件电路
      
      1. 指令解译
      2. 电路执行

硬件系统

中央处理器

1. 中央处理器（CPU）是计算机的运算核心（Core）和控制单元（Control Unit），主要包括：
   
   1. 运算逻辑部件：一个或多个运算器
   2. 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）
   3. 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
2. 处理器与寄存器
   
   1. 运算单元
   2. 控制单元
   3. 内部总线
   4. PC/IR/Flag（程序计数器/指令暂存器/标志寄存器）
   5. MAR/MDR（内存地址寄存器MAR/内存数据寄存器MDR）
   6. 寄存器
      
      1. 用户程序可见寄存器
         
         1. 可以使程序员减少访问主存储器的次数，提高指令执行的效率
         2. 所有程序可使用，包括应用程序和系统程序
            
            1. 数据寄存器：又称通用寄存器
            2. 地址寄存器：索引、栈指针、段指针等寄存器
      2. 控制与状态寄存器
         
         1. 用于控制处理器的操作；主要被具有特权的操作系统程序使用，以控制程序的执行
         2. 程序计数器PC：存储将取指令的地址
         3. 指令寄存器IR：存储最近使用的指令
         4. 条件码CC：CPU为指令操作结果设置的位，标志正/负/零/溢出等结果
         5. 标志位：中断位、中断允许位、中断屏蔽位、处理器模式位、内存保护位等
      3. 程序状态字PSW
         
         1. PSW既是操作系统的概念，指记录当前程序运行的动态信息，通常包含：
            
            1. 程序计数器，指令寄存器，条件码
            2. 中断字，中断运行/禁止，中断屏蔽，处理器模式，内存保护、调试控制
         2. PSW也是计算机系统的寄存器
            
            1. 通常设置一组控制与状态寄存器
            2. 也可以专设一个PSW寄存器
   7. Cache
   8. IOAR/IODR

主存储器

1. 存储器的组织层次（由上到下，容量更大、速度更慢、价格更低，单位都是字节）
   
   1. L0：寄存器
   2. L1：L1 Cache（SRAM，静态随机存储器）
   3. L2：L2 Cache（SRAM）
   4. L3：L3 Cache（SRAM）
   5. L4：主存（DRAM，动态随机存储器）
   6. L5：SSD（本地固态硬盘）
   7. L6：本地外存储器（本地硬盘）
   8. L7：远程外存储器（分布式文件系统、Web服务器）

外围设备

1. 类型
   
   1. 输入设备
   2. 输出设别
   3. 存储设备
   4. 网络通信设备
2. 控制方式
   
   1. 轮询方式：CPU忙式控制+数据交换
   2. 中断方式：CPU启动/中断+数据交换
   3. DMA方式：CPU启动/中断，DMA数据交换

总线

1. 定义及其组成
   
   1. 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
   2. 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
   3. 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
2. 类型
   
   1. 内部总线：用于CPU芯片内部连接各元件
   2. 系统总线：用于连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件
   3. 通信总线：用于计算机系统之间的通信

软件系统

1. 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
   
   1. 操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制
   2. 实用程序为方便用户所设，如文本编辑等
   3. 语言处理程序把汇编语言/高级语言编写的程序，翻译成可执行的机器语言程序
2. 支撑软件的有接口软件、工具软件、环境数据库
3. 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
4. 应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序