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南京大學的駱斌老師主講的，考研可能會用得上
計算機系統的組成
- 計算機系統：包括硬件子系統和軟件子系統
- 硬件：借助電、磁、光、機械等原理構成的各 種物理部件的有機組合，是系統工作的實體
- CPU，主存儲器，I/O控制系統，外圍設備
- 軟件：各種程序和文件，用於指揮計算機系統 按指定的要求進行協同工作
包括系統軟件、支撐軟件和應用軟件
關鍵系統軟件是：操作系統與語言處理程序
計算機系統的用戶視圖
計算機硬件系統組成
- 中央處理器
運算單元 控制單元 :解譯機器指令
- 主存儲器
- 外圍設備
輸入設備 輸出設備 存儲設備 網絡通信設備
- 總線
存儲程序計算機體系結構
存儲器是這個模型的核心
- 以運算單元為中心，控制流由指令流產生
- 采用存儲程序原理，面向主存組織數據流
- 主存是按地址訪問、線性編址的空間
- 指令由操作碼和地址碼組成
- 數據以二進制編碼
總線
- 總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳 送信息的公共通信干線，它是CPU、內存、 輸入輸出設備傳遞信息的公用通道
- 計算機的各個部件通過總線相連接，外圍設備通過相應的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統
- 按照所傳輸的信息種類，總線包括一組控制線、一組數據線和一組地址線
- 內部總線：用於CPU芯片內部連接各元件
- 系統總線：用於連接CPU、存儲器和各種 I/O模塊等主要部件
- 通信總線：用於計算機系統之間通信（網絡）
為了加快通信效率，系統總線也是分級的，PCI連接塊設備（較快），E（ISA）總線連接字符設備（較慢）。
中央處理器（CPU）
中央處理器是計算機的運算核心（Core）和 控制單元（ Control Unit），主要包括：
- 運算邏輯部件：一個或多個協運算器
- 寄存器部件：包括通用寄 存器、控制與狀態寄存器，以及高速緩沖存儲器（Cache）
- 控制部件：實現各部件間聯系的數據、控制及狀態的內部總線；負責對指令譯碼、 發出為完成每條指令所要執行操作的控制信號、實現數據傳輸等功能的部件
存儲器
L0 L1 L2 L3 L4都是揮發性存儲，加電存儲，斷電失效
外圍設備
- 設備類型
輸入設備 輸出設備 存儲設備 機機通信設備(本質上屬於輸入輸出設備，但是不同網絡設備塊大小不一致（包，塊，字）)
- 設備控制方式
輪詢方式：CPU忙式控制+數據交換
中斷方式：CPU啟動外圍設備/中斷+數據交換
DMA方式：CPU啟動/中斷，DMA獨立進行數據交換
軟件系統組成
- 系統軟件：操作系統、實用程序、語言處理程 序、數據庫管理系統
操作系統實施對各種軟硬件資源的管理控制
實用程序為方便用戶所設，如文本編輯等
語言處理程序把用匯編語言/高級語言編寫 的程序，翻譯成可執行的機器語言程序
- 支撐軟件有接口軟件、工具軟件、環境數據庫， 支持用戶使用計算機的環境，提供開發工具
- 應用軟件是用戶按其需要自行編寫的專用程序
軟件開發的不同層次
- 計算機硬件系統：機器語言
-操作系統之資源管理：機器語言+廣義指令（擴充了硬件資源管理） - 操作系統之文件系統：機器語言+系統調用（擴充了信息資源管理）
- 數據庫管理系統：+數據庫語言（擴充了功能更強的信息資源管理）
- 語言處理程序：面向問題的語言
計算機程序的執行過程
操作系統的概念
OS是計算機系統最基礎的系統軟件，管理軟硬件 資源、控制程序執行，改善人機界面，合理組織計 算機工作流程，為用戶使用計算機提供良好運行環 境
- 從用戶角度看，OS管理計算機系統的各種 資源，擴充硬件的功能，控制程序的執行
- 從人機交互看，OS是用戶與機器的接口， 提供良好的人機界面，方便用戶使用計算機， 在整個計算機系統中具有承上啟下的地位
- 從系統結構看，OS是一個大型軟件系統， 其功能復雜，體系龐大，采用層次式、模塊 化的程序結構
- 操作系統組成
進程調度子系統
進程通信子系統
內存管理子系統
設備管理子系統
文件管理子系統
網絡通信子系統
作業控制子系統
- 從操作控制方式分類
多道批處理操作系統，脫機控制方式
分時操作系統，交互式控制方式
實時操作系統
- 從應用領域分類
服務器操作系統、並行操作系統
網絡操作系統、分布式操作系統
個人機操作系統、手機操作系統
嵌入式操作系統、傳感器操作系統
計算機的資源
-硬件資源 處理器、內存、外設
- 信息資源 數據、程序
資源的共享與分配方式
- 資源共享方式
獨占使用方式
並發使用方式
- 資源分配策略
靜態分配方式
動態分配方式
資源搶占方式
多道程序同時計算
- CPU速度與I/O速度不匹配的矛盾，非常突出
- 只有讓多道程序同時進入內存爭搶CPU運行，才 可以夠使得CPU和外圍設備充分並行，從而提高 計算機系統的使用效率
- 多道程序設計的特點
CPU與外部設備充分並行
外部設備之間充分並行
發揮CPU的使用效率
提高單位時間的算題量
- 多道程序的實現
為進入內存執行的程序建立管理實體：進程
如何使用資源：調用操作系統提供的服務例程(如何陷入操作系統)
如何復用CPU：調度程序(在CPU空閑時讓其他程序運行)
如何使CPU與I/O設備充分並行：設備控制器與通 道(專用的I/O處理器)
如何讓正在運行的程序讓出CPU：中斷(中斷正在 執行的程序，引入OS處理)
計算機的操作方式
OS規定了合理操作計算機的工作流程
OS的操作接口——系統程序 OS提供給用戶的功能級接口，為用戶提供的解決操作計算機和計算共性問題的所有服務的集合
OS的兩類作業級接口
- 脫機作業控制方式：作業控制語言
- 聯機作業控制方式：操作控制命令
脫機作業的控制方式
- OS：提供作業說明語言
- 用戶：編寫作業說明書，確定作業加工控制步驟， 並與程序數據一並提交
- 操作員：通過控制台輸入作業
- OS：通過作業控制程序自動控制作業的執行
- 例：批處理OS的作業控制方式，UNIX的shell程序， DOS的bat文件
聯機作業控制方式
- 計算機：提供終端（鍵盤/顯示器）
- 用戶：登錄系統
- OS：提供命令解釋程序
- 用戶：聯機輸入命令，直接控制作業步的執行
- 例：分時OS的交互控制方式
命令解釋程序
- 命令解釋程序：接受和執行一條用戶提 出的對作業的加工處理命令
- 當一個新的批作業被啟動，或新的交互 型用戶登錄進系統時，系統就自動地執行命令解釋程序，負責讀入控制卡或命令行，作出相應解釋，並予以執行
- 會話語言：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程
- OS啟動命令解釋程序，輸出命令提示符，等待鍵盤中斷/鼠標點擊/多通道識別
- 每當用戶輸入一條命令(暫存在命令緩沖區)並 按回車換行時，申請中斷
- CPU響應后，將控制權交給命令解釋程序， 接着讀入命令緩沖區內容，分析命令、接受 參數，執行處理代碼
- 前台命令執行結束后，再次輸出命令提示符， 等待下一條命令
- 后台命令處理啟動后，即可接收下條命令
操作系統的程序接口
操作系統的程序接口——系統調用
操作系統實現的完成某種特定功能的過程；為所有 運行程序提供訪問操作系統的接口
系統調用的實現機制
- 陷入處理機制：計算機系統中控制和實現系統調用 的機制
- 陷入指令：也稱訪管指令，或異常中斷指令，計算機系統為實現系統調用而引起處理器中斷的指令
- 每個系統調用都事先規定了編號，並在約定寄存器 中規定了傳遞給內部處理程序的參數
系統調用實現：
- 編寫系統調用處理程序
- 設計一張系統調用入口地址表，每個入口地址指向 一個系統調用的處理程序，並包含系統調用自帶參 數的個數
- 陷入處理機制需開辟現場保護區，以保存發生系統調用時的處理器現場
操作系統的系統結構
-OS構件 內核、進程、線程、管程等
- 設計概念 模塊化、層次式、虛擬化
- 內核設計是OS設計中最為復雜的部分
操作系統內核
- 單內核：內核中各部件雜然混居的形態，始 於1960年代，廣泛使用；如Unix/Linux，及 Windows(自稱采用混合內核的CS結構)
- 微內核：1980年代始，強調結構性部件與功 能性部件的分離，大部分OS研究都集中在此
- 混合內核：微內核和單內核的折中，較多組 件在核心態中運行，以獲得更快的執行速度
- 外內核：盡可能減少內核的軟件抽象化和傳 統微內核的消息傳遞機制，使得開發者專注 於硬件的抽象化；部分嵌入式系統使用
- 層次結構
操作系統的規模
- 在計算機軟件發展史上，OS是第一個大規模的軟件系統
- 1960年代，由OS開發所衍生的體系結構、模塊化 開發、測試與驗證、演化與維護等研究，直接催生 了軟件工程這一新興研究領域（另一個催生來源是 DB應用引發的需求與規格）