计算机系统概述

计算机系统概述

1.操作系统的基本概念

2.操作系统的分类和发展

3.操作系统的运行环境

4.操作系统的体系结构

1.操作系统的基本概念

1.什么是操作系统？

操作系统是计算机中控制和管理软件和硬件资源，合理地组织、调度计算机工作与资源的分配，为用户和上层软件提供方便和环境的程序的集合。

2.操作系统的特征?

并发：两个或多个程序在同一时间间隔内发生
共享：即资源共享，指系统中的资源可以供内存中的多个并发执行的进程共同使用，有互斥共享方式、同时访问方式
虚拟：指把物理中的实体变为若干逻辑上的对应物，虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外部设备；虚拟技术=时分复用技术+空分复用技术
异步：程序并发执行，但是受限于资源，所以进程的执行不是一贯到底，而是走走停停，各个进程已不可预知的速度向前推进，即异步性

3.操作系统的目标和功能？

功能1：处理机管理、内存管理、文件管理、设备管理；

1.处理机管理：归结为对进程的管理。进程的创建销毁、如何管理、如何避免冲突、合理共享就是进程管理上的最主要的任务。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通行、进程调度、死锁处理等
2.存储器管理：主要包括内存的分配与回收、地址映射、内存保护与共享、内存扩充等
3.文件管理：文件系统的组织形式，存储空间管理，目录管理，文件读写管理和保护，访问权限等
4.设备管理：缓冲管理，虚拟设备、设备分配与回收等

功能2：为了方便用户使用，还需要向用户提供接口

1.命令接口：联机命令接口、脱机命令接口（批处理命令接口）
2.程序接口：编程人员可以用来请求操作系统的服务。由一组系统调用（广义指令）组成

功能3：操作系统换可以用来扩充机器，已提供更方便的服务，更高效的资源利用率

2.操作系统的分类和发展

1.手工操作阶段

特点：
1.用户独占全机，资源利用率低
2.CPU等待手工操作，CPU利用不充分
人机矛盾

2.批处理系统

解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间的速度不匹配问题

1.单道批处理系统
内存中始终保存一道作业，特点如下：
（1）自动性：一批作业可以自动顺序执行，无需人工干预
（2）顺序性：按照进入内存的顺序依次执行
（3）弹道性：内存中只有一道程序执行
缺点：处理请求发送前后都会使CPU空闲等待，CPU利用率低，因此出现了多道批处理系统

2.多到批处理系统
多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许他们在CPU中交替执行，共享系统中的各种软硬件资源，特点如下：
（1）多道
（2）宏观并行
（3）微观串行
多道程序设计技术需要解决的问题如下：
（1）如何分配处理器
（2）内存分配
（3）I/O设备分配
（4）如何组织存放大量的程序和数据

优点：资源利用率高
缺点：用户响应时间长，不提供人机交互能力

3.分时操作系统

分时技术：将处理器的运行时间划分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各个联机作业使用。

分时系统也支持多道程序设计的系统，但不同的是分时系统提供了人机交互的功能

特点：
（1）同时性：多路性，多个用户仿佛独占一台计算机
（2）交互性：通过终端可以方便和计算机进行对话
（3）独立性：系统中的用户之间相互独立，互不干扰
（4）及时性：用户请求能在很短的时间内获得响应

4.实时操作系统

一些应用场合，需要系统能对外部的信息在规定时间（比时间片还短）内作出处理（如飞机订票系统和导弹制导系统）

分类：
（1）硬实时系统：在规定时间内必须提供绝对保证（飞行器自动控制系统）
（2）软实时系统：能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害（银行管理系统，飞机订票系统）

优点：及时可靠

5.网络操作系统

通过网络将计算机有机结合在一起，实现信息数据互相传送

6.分布式操作系统

系统中的任意两台计算机通过通信方式交换信息，系统中的计算机都有同样的地位，任何工作都可以分布在几台计算机上，并由它们并行工作、协同完成。

主要特点是：分布性和并行性

3.操作系统的运行环境

1.操作系统的运行环境

计算机系统中，CPU通常执行两种不同性质的程序：

（1）操作系统内核程序——>特权指令

（2）应用程序

特权指令：不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、置中断指令等
用户态：目态，用户编写的程序运行在用户态
核心态：管态，内核程序运行

操作系统内核主要包括：

1.始终管理：计时、想用户提供标准时间、通过计时实现进程切换

2.中断机制：
中断技术初衷是为了提高多到程序运行环境中CPU的利用率，主要针对外部设备。后来得到发展。应用于键盘或者鼠标的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等；
中断机制中，只有一小部分功能属于内核，负责保护和恢复中断现场信息，转移控制权到相关的处理程序，减少中断处理时间，提高系统的并行处理能力

3.源语：程序的运行具有原子性，要么全做，要么不做，用时短，调用频繁

4.系统控制的数据结构和处理：
系统中用来登记状态信息的数据结构有：作业控制块、进程控制块、设备控制块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等
为实现对以上数据结构的管理，需要实现的功能如下：
（1）进程管理
（2）存储器管理
（3）设备管理

2.中断和异常

中断和异常，是实现用户态和核心态切换的唯一途径

1.中断：
也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生；如设备发出的I/O结束中断，表示设备输入输出已处理完毕，时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。

2.异常：
也称内中断：指来自CPU执行指令内部的事件；如非法操作码、地址越界、算术溢出、缺页、专门的陷入指令（trap又称访管指令）

3.中断处理过程：
（1）关中断
（2）保存断点（中断程序的断点由中断隐指令自动保存）
（3）中断服务程序寻址（初始化中断向量表）
（4）保存现场和屏蔽字
（5）开中断
（6）执行中断服务程序（允许中断嵌套）
（7）关中断
（8）恢复现场和屏蔽字
（9）开中断
（10）中断返回

3.系统调用

操作系统提供的方便用户请求系统服务的接口，主要功能如下：

1.设备管理
2.文件管理
3.进程控制
4.进程通信
5.内存管理

用户可以通过调用trap指令来发起系统调用，请求操作系统提供的服务，在用户态进行命令解释和系统调用参数传递，之后执行陷入指令，进行用户态到内核态的切换，进入核心态运行响应的中断服务程序

传递系统调用参数->执行陷入指令->执行响应的服务程序->返回用户态

4.操作系统的体系结构

1.大内核

将操作系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而提高性能的系统服务

2.微内核

将内核中最基本的功能保留在内核，将不需要在核心态执行的程序转移到用户态，从而降低内核设计的复杂性。