課程地址

南京大學(xué)的駱斌老師主講的逻族，考研可能會(huì)用得上

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)
• 硬件：借助電温技、磁茁彭、光国瓮、機(jī)械等原理構(gòu)成的各 種物理部件的有機(jī)組合，是系統(tǒng)工作的實(shí)體
• CPU播瞳，主存儲(chǔ)器掸刊，I/O控制系統(tǒng)，外圍設(shè)備
• 軟件：各種程序和文件赢乓，用于指揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 按指定的要求進(jìn)行協(xié)同工作

包括系統(tǒng)軟件忧侧、支撐軟件和應(yīng)用軟件
關(guān)鍵系統(tǒng)軟件是：操作系統(tǒng)與語(yǔ)言處理程序

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的用戶(hù)視圖

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成

• 中央處理器

運(yùn)算單元 控制單元 :解譯機(jī)器指令

• 主存儲(chǔ)器
• 外圍設(shè)備

輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 存儲(chǔ)設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

• 總線

存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

存儲(chǔ)器是這個(gè)模型的核心

• 以運(yùn)算單元為中心，控制流由指令流產(chǎn)生
• 采用存儲(chǔ)程序原理牌芋，面向主存組織數(shù)據(jù)流
• 主存是按地址訪問(wèn)蚓炬、線性編址的空間
• 指令由操作碼和地址碼組成
• 數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼

總線

• 總線（Bus）是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳 送信息的公共通信干線，它是CPU躺屁、內(nèi)存肯夏、 輸入輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道
• 計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件通過(guò)總線相連接，外圍設(shè)備通過(guò)相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)
• 按照所傳輸?shù)男畔⒎N類(lèi)驯击，總線包括一組控制線烁兰、一組數(shù)據(jù)線和一組地址線
• 內(nèi)部總線：用于CPU芯片內(nèi)部連接各元件
• 系統(tǒng)總線：用于連接CPU、存儲(chǔ)器和各種 I/O模塊等主要部件
• 通信總線：用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信（網(wǎng)絡(luò)）
  
  
  為了加快通信效率余耽，系統(tǒng)總線也是分級(jí)的，PCI連接塊設(shè)備（較快）苹熏，E（ISA）總線連接字符設(shè)備（較慢）碟贾。

中央處理器（CPU）

中央處理器是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和 控制單元（ Control Unit），主要包括：

• 運(yùn)算邏輯部件：一個(gè)或多個(gè)協(xié)運(yùn)算器
• 寄存器部件：包括通用寄 存器轨域、控制與狀態(tài)寄存器袱耽，以及高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）
• 控制部件：實(shí)現(xiàn)各部件間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的內(nèi)部總線干发；負(fù)責(zé)對(duì)指令譯碼朱巨、 發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行操作的控制信號(hào)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿牟考?br>

存儲(chǔ)器

L0 L1 L2 L3 L4都是揮發(fā)性存儲(chǔ)枉长，加電存儲(chǔ)冀续，斷電失效

外圍設(shè)備

• 設(shè)備類(lèi)型

輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 存儲(chǔ)設(shè)備 機(jī)機(jī)通信設(shè)備(本質(zhì)上屬于輸入輸出設(shè)備，但是不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備塊大小不一致（包必峰，塊洪唐，字）)

• 設(shè)備控制方式

輪詢(xún)方式：CPU忙式控制+數(shù)據(jù)交換
中斷方式：CPU啟動(dòng)外圍設(shè)備/中斷+數(shù)據(jù)交換
DMA方式：CPU啟動(dòng)/中斷，DMA獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

軟件系統(tǒng)組成

• 系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)吼蚁、實(shí)用程序凭需、語(yǔ)言處理程 序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

操作系統(tǒng)實(shí)施對(duì)各種軟硬件資源的管理控制
實(shí)用程序?yàn)榉奖阌脩?hù)所設(shè)肝匆，如文本編輯等
語(yǔ)言處理程序把用匯編語(yǔ)言/高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě) 的程序粒蜈，翻譯成可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言程序

• 支撐軟件有接口軟件、工具軟件旗国、環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)枯怖， 支持用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)的環(huán)境，提供開(kāi)發(fā)工具
• 應(yīng)用軟件是用戶(hù)按其需要自行編寫(xiě)的專(zhuān)用程序

軟件開(kāi)發(fā)的不同層次

• 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)：機(jī)器語(yǔ)言
• 操作系統(tǒng)之資源管理：機(jī)器語(yǔ)言+廣義指令（擴(kuò)充了硬件資源管理）
• 操作系統(tǒng)之文件系統(tǒng)：機(jī)器語(yǔ)言+系統(tǒng)調(diào)用（擴(kuò)充了信息資源管理）
• 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：+數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言（擴(kuò)充了功能更強(qiáng)的信息資源管理）
• 語(yǔ)言處理程序：面向問(wèn)題的語(yǔ)言

計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過(guò)程

操作系統(tǒng)的概念

OS是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件能曾，管理軟硬件 資源嫁怀、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面借浊，合理組織計(jì) 算機(jī)工作流程塘淑，為用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán) 境

• 從用戶(hù)角度看，OS管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種 資源蚂斤，擴(kuò)充硬件的功能存捺，控制程序的執(zhí)行
• 從人機(jī)交互看，OS是用戶(hù)與機(jī)器的接口， 提供良好的人機(jī)界面捌治，方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)岗钩， 在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中具有承上啟下的地位
• 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，OS是一個(gè)大型軟件系統(tǒng)肖油， 其功能復(fù)雜兼吓，體系龐大，采用層次式森枪、模塊 化的程序結(jié)構(gòu)
• 操作系統(tǒng)組成

進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)
進(jìn)程通信子系統(tǒng)
內(nèi)存管理子系統(tǒng)
設(shè)備管理子系統(tǒng)
文件管理子系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)
作業(yè)控制子系統(tǒng)

• 從操作控制方式分類(lèi)

多道批處理操作系統(tǒng)视搏，脫機(jī)控制方式
分時(shí)操作系統(tǒng)，交互式控制方式
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

• 從應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)

服務(wù)器操作系統(tǒng)县袱、并行操作系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)浑娜、分布式操作系統(tǒng)
個(gè)人機(jī)操作系統(tǒng)、手機(jī)操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)式散、傳感器操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)的資源

• 硬件資源 處理器筋遭、內(nèi)存、外設(shè)
• 信息資源 數(shù)據(jù)暴拄、程序

資源的共享與分配方式

• 資源共享方式

獨(dú)占使用方式
并發(fā)使用方式

• 資源分配策略

靜態(tài)分配方式
動(dòng)態(tài)分配方式
資源搶占方式

多道程序同時(shí)計(jì)算

• CPU速度與I/O速度不匹配的矛盾漓滔，非常突出
• 只有讓多道程序同時(shí)進(jìn)入內(nèi)存爭(zhēng)搶CPU運(yùn)行，才 可以夠使得CPU和外圍設(shè)備充分并行乖篷，從而提高 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率
• 多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

CPU與外部設(shè)備充分并行
外部設(shè)備之間充分并行
發(fā)揮CPU的使用效率
提高單位時(shí)間的算題量

• 多道程序的實(shí)現(xiàn)

為進(jìn)入內(nèi)存執(zhí)行的程序建立管理實(shí)體：進(jìn)程
如何使用資源：調(diào)用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)例程(如何陷入操作系統(tǒng))
如何復(fù)用CPU：調(diào)度程序(在CPU空閑時(shí)讓其他程序運(yùn)行)
如何使CPU與I/O設(shè)備充分并行：設(shè)備控制器與通 道(專(zhuān)用的I/O處理器)
如何讓正在運(yùn)行的程序讓出CPU：中斷(中斷正在 執(zhí)行的程序次和，引入OS處理)

計(jì)算機(jī)的操作方式

OS規(guī)定了合理操作計(jì)算機(jī)的工作流程
OS的操作接口——系統(tǒng)程序 OS提供給用戶(hù)的功能級(jí)接口，為用戶(hù)提供的解決操作計(jì)算機(jī)和計(jì)算共性問(wèn)題的所有服務(wù)的集合
OS的兩類(lèi)作業(yè)級(jí)接口

• 脫機(jī)作業(yè)控制方式：作業(yè)控制語(yǔ)言
• 聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式：操作控制命令

脫機(jī)作業(yè)的控制方式

• OS：提供作業(yè)說(shuō)明語(yǔ)言
• 用戶(hù)：編寫(xiě)作業(yè)說(shuō)明書(shū)那伐，確定作業(yè)加工控制步驟踏施， 并與程序數(shù)據(jù)一并提交
• 操作員：通過(guò)控制臺(tái)輸入作業(yè)
• OS：通過(guò)作業(yè)控制程序自動(dòng)控制作業(yè)的執(zhí)行
• 例：批處理OS的作業(yè)控制方式，UNIX的shell程序罕邀， DOS的bat文件

聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式

• 計(jì)算機(jī)：提供終端（鍵盤(pán)/顯示器）
• 用戶(hù)：登錄系統(tǒng)
• OS：提供命令解釋程序
• 用戶(hù)：聯(lián)機(jī)輸入命令畅形，直接控制作業(yè)步的執(zhí)行
• 例：分時(shí)OS的交互控制方式

命令解釋程序

• 命令解釋程序：接受和執(zhí)行一條用戶(hù)提 出的對(duì)作業(yè)的加工處理命令
• 當(dāng)一個(gè)新的批作業(yè)被啟動(dòng)，或新的交互 型用戶(hù)登錄進(jìn)系統(tǒng)時(shí)诉探，系統(tǒng)就自動(dòng)地執(zhí)行命令解釋程序日熬，負(fù)責(zé)讀入控制卡或命令行，作出相應(yīng)解釋?zhuān)⒂枰詧?zhí)行
• 會(huì)話語(yǔ)言：可編程的命令解釋程序 （shell）
• 圖形化的命令控制方式
• 多通道交互的命令控制方式

命令解釋程序的處理過(guò)程

• OS啟動(dòng)命令解釋程序肾胯，輸出命令提示符竖席，等待鍵盤(pán)中斷/鼠標(biāo)點(diǎn)擊/多通道識(shí)別
• 每當(dāng)用戶(hù)輸入一條命令(暫存在命令緩沖區(qū))并 按回車(chē)換行時(shí)，申請(qǐng)中斷
• CPU響應(yīng)后敬肚，將控制權(quán)交給命令解釋程序毕荐， 接著讀入命令緩沖區(qū)內(nèi)容，分析命令艳馒、接受 參數(shù)憎亚，執(zhí)行處理代碼
• 前臺(tái)命令執(zhí)行結(jié)束后员寇，再次輸出命令提示符， 等待下一條命令
• 后臺(tái)命令處理啟動(dòng)后第美，即可接收下條命令

操作系統(tǒng)的程序接口

操作系統(tǒng)的程序接口——系統(tǒng)調(diào)用
操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的完成某種特定功能的過(guò)程蝶锋；為所有 運(yùn)行程序提供訪問(wèn)操作系統(tǒng)的接口
系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

• 陷入處理機(jī)制：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中控制和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用 的機(jī)制
• 陷入指令：也稱(chēng)訪管指令，或異常中斷指令什往，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用而引起處理器中斷的指令
• 每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都事先規(guī)定了編號(hào)扳缕，并在約定寄存器 中規(guī)定了傳遞給內(nèi)部處理程序的參數(shù)

系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)：

• 編寫(xiě)系統(tǒng)調(diào)用處理程序
• 設(shè)計(jì)一張系統(tǒng)調(diào)用入口地址表，每個(gè)入口地址指向 一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的處理程序别威，并包含系統(tǒng)調(diào)用自帶參 數(shù)的個(gè)數(shù)

• 陷入處理機(jī)制需開(kāi)辟現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)躯舔，以保存發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時(shí)的處理器現(xiàn)場(chǎng)

  
  

操作系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

-OS構(gòu)件 內(nèi)核、進(jìn)程兔港、線程庸毫、管程等

• 設(shè)計(jì)概念 模塊化仔拟、層次式衫樊、虛擬化
• 內(nèi)核設(shè)計(jì)是OS設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜的部分

操作系統(tǒng)內(nèi)核

• 單內(nèi)核：內(nèi)核中各部件雜然混居的形態(tài)，始 于1960年代利花，廣泛使用科侈；如Unix/Linux，及 Windows(自稱(chēng)采用混合內(nèi)核的CS結(jié)構(gòu))
• 微內(nèi)核：1980年代始炒事，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)性部件與功 能性部件的分離臀栈，大部分OS研究都集中在此
• 混合內(nèi)核：微內(nèi)核和單內(nèi)核的折中，較多組 件在核心態(tài)中運(yùn)行挠乳，以獲得更快的執(zhí)行速度

• 外內(nèi)核：盡可能減少內(nèi)核的軟件抽象化和傳 統(tǒng)微內(nèi)核的消息傳遞機(jī)制权薯，使得開(kāi)發(fā)者專(zhuān)注 于硬件的抽象化；部分嵌入式系統(tǒng)使用
  層次結(jié)構(gòu)

  
  

操作系統(tǒng)的規(guī)模

• 在計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展史上睡扬，OS是第一個(gè)大規(guī)模的軟件系統(tǒng)
• 1960年代盟蚣，由OS開(kāi)發(fā)所衍生的體系結(jié)構(gòu)、模塊化 開(kāi)發(fā)卖怜、測(cè)試與驗(yàn)證屎开、演化與維護(hù)等研究，直接催生 了軟件工程這一新興研究領(lǐng)域（另一個(gè)催生來(lái)源是 DB應(yīng)用引發(fā)的需求與規(guī)格）