计算机操作系统(1) 计算机操作系统概述

第一章 计算机操作系统概述

1.1 计算机系统

1.1.1 计算机系统概述

电子计算机

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

冯诺依曼结构

1945年6月冯·诺伊曼等发表了著名的“101页报告”，指出计算机分为运算器、逻辑控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件，发展至今，大多数机器结构并未突破冯·诺依曼结构。

计算机发展历史

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、机械等原理构成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、支撑软件和应用软件
  • 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

1.1.2 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·诺伊曼等人在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

总线

• 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

总线的组成

• 总线是传输各类通信信号的线路
• 按照所传输的信息种类，总线包括：
  • 一组控制线
  • 一组数据线
  • 一组地址线

总线类型

• 内部总线：用于CPU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模块等主要部件
• 通信总线：用于计算机系统之间通信

系统总线实例: 南北桥

片上系统(SoC)

• 片上系统(SoC, System on a Chip)
• 在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术
• 所谓完整的系统一般包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等
• SoC是与其它技术并行发展的，如绝缘硅(SOI)，它可以提供增强的时钟频率，从而降低微芯片的功耗

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，以及高速缓冲存储器(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

存储器的组织层次

• L1 Cache与CPU同频，与寄存器一样连接在内部总线，访问速度也与寄存器同步，可用来存储最关键的数据，对CPU性能影响最大
• L2 Cache多用在CPU现场，连接在内部总线上，考虑实现成本也可连接在系统总线上，用于存储最频繁访问的主存储器数据，加快处理速度
• L3 Cache一般用于存放游戏数据，或多媒体计算机/虚拟现实系统的数据

外围设备及其分类

• 输入/输出设备
• 存储设备
• 网络设备(机机通信设备)

I/O控制方式

• 轮询: CPU忙式控制I/O，CPU执行内存数据交换
• 中断: CPU启动I/O设备，设备进行I/O，设备中断CPU以善后，CPU执行内存数据交换
• DMA: CPU启动DMA，DMA独立进行I/O和内存数据交换，DMA中断CPU以善后，并行程度更高

1.1.3 计算机软件系统

计算机软件系统的组成

• 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、专用文件系统
  • 操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制
  • 实用程序为方便用户所设，如文本编辑工具、调试工具等
  • 语言处理程序把把用汇编语言/高级语言编写的程序，翻译成可执行的机器语言程序
• 支撑软件: 接口软件、工具软件、环境数据库
  • 支持用户操作计算机的环境，提供软件开发工具
  • 也可以看作是系统软件的一部分
• 应用软件: 用户按其需要自行编写的专用程序

软件扩充计算机系统功能

• 操作系统为程序员增加了一个叫做系统调用的访问集合，它们屏蔽了程序访问硬件的细节
• 系统调用加上允许用户使用的机器指令子集，构成了一个扩展的机器指令集，使程序员的编程可以侧重于CPU的计算和具体任务的解决

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

计算机程序的解译执行过程

可执行程序是指在操作系统环境下可执行的程序

图中给出的是裸机上计算机程序的解译执行过程，现代计算机系统在实现上往往是基于虚拟机的，即基于一个汇编指令集合提供计算功能。这种情况下，目标代码变成了单纯的汇编指令，而汇编程序的功能则变成了程序优化

1.2 计算机操作系统

1.2.1 计算机操作技术的发展

手工操作阶段

• 开关表示，按钮控制，亮灯显示

  • 问题: 手工操作速度与电子计算速度不匹配

  

• 装入程序的引进

  • 引入卡片和纸带描述程序指令和数据
  • 引入装入程序(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
  • 计算机开机后自动导入主存，装入程序从纸带机或卡片机上读取程序和数据，然后循环装入程序

  

• 引入汇编语言

  • 实现机器指令的符号化

  • 对计算机的操作变为汇编和执行两个阶段

    

• 引入高级语言

  • 操作扩展为编译、链接、执行

    

半自动化控制方式

• 简单批处理系统的操作控制
  • 引入作业控制语言，用户编写作业说明书，描述一次对计算机求解作业控制的过程
  • 操作员控制计算机成批输入作业，然后排队执行
  • 这一方式明显缩短了手工操作时间，提高了计算机系统的使用效率
• 简单批处理系统的操作进展
  • 初步的资源管理程序出现，屏蔽了硬件处理细节
  • I/O中断技术已使CPU与外围设备具备了并行工作的能力，支持了概念上多道程序设计实现的可能性
  • 磁带设备出现
    • 卡片与纸带等机械输入方式得以提高
    • 磁盘文件系统形成
    • I/O效率还是无法支撑多道程序切换

操作系统与自动化操作控制

• I/O机械速度与CPU电子速度不匹配的矛盾
  • “设备在慢慢输,CPU在等”
• 在程序执行过程中能否同时输入作业，重叠时间
  • 需要多道程序同时执行
  • 程序切换需要高速的外存储设备
• 磁盘设备出现
  • 计算机操作系统从此出现，实现了对计算机系统的自动化控制

1.2.2 操作系统及其分类

操作系统的概念

OS是计算机系统最基础的系统软件，它统一管理软硬件资源、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的运行环境

OS是计算机系统的公共软件基础设施，所有应用程序共用OS服务，且OS内核是反应式reactive机制(中断驱动的)

操作系统

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，在整个计算机系统中具有承上启下的地位

• 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是用户与机器的接口，提供良好的人机界面，方便用户使用计算机
• 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
• 内存管理子系统
• 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
  • 把批中的作业预先输入作业队列中，由操作系统按照作业说明书的要求来调度和控制作业执行，大幅减少人工干预，形成自动转接和连续处理的作业流
  • 最先采用多道程序设计技术，根据预先设定的调度策略选择若干作业并发地执行
• 分时操作系统，交互式控制方式
  • 多个联机用户同时使用一个计算机系统，在各自终端上进行交互式会话，程序、数据和命令均在会话过程中提供，以问答方式控制程序运行
  • 系统把处理器的时间划分成时间片轮流分配给各个联机终端，若时间片用完则产生时钟中断，将控制权转至操作系统并重新进行调度
• 实时操作系统
  • 当外部事件或数据产生时，能够及时对其予以接受并以足够快的速度进行处理
  • 可以提供及时响应和高可靠性

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

1.3 深入观察操作系统

1.3.1 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

问题:

• 处理器资源：哪个驻留主存的程序占有处理器运行？
• 内存资源：程序/数据在主存中如何分布？
• 设备管理：如何在各个正在运行的程序之间分配、去配和协调使用设备？
• 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、通信)资源的系统程序部分
• 职责是隐藏底层硬件的具体细节，并向上层使用者提供一个抽象的、通用的接口，简化上层程序的开发
• 比如说：打印一段文字或一个文件，既不需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

资源的共享方式

• 独占使用方式
  • 如: 打印机在一个时间段内只能被一个进程独立使用
  • 资源分配方式
    • 静态分配: 进程运行前一次性拿到全部独占资源
      • 资源使用率低
    • 动态分配: 使用资源前临时申请
      • 可能产生竞争资源的死锁
    • 资源抢占式分配: 操作系统可以根据需求剥夺正在被使用的资源
      • 被抢夺资源的进程需要执行回滚，实现代价大
• 并发使用方式
  • 如: 一个文件可以同时被多个进程一起读

资源管理技术

复用、虚拟和抽象是三种基本的资源管理技术

• 复用技术可以创建虚拟资源以解决物理资源数量不足的问题，包括空分复用共享和时分复用共享
• 虚拟技术是对资源进行转化、模拟或整合，把一个或多个物理资源转变成一个或多个逻辑上的对应物
• 操作系统可以对物理资源进行抽象，任何一种特定的硬件资源都有一个接口和一组复杂的基本操作
  • 资源抽象是指通过编制软件来屏蔽硬件资源的物理特性和实现细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用

三个基础抽象

基于资源，现代操作系统引入了三个核心概念: 进程、虚存、文件，形成了三个最基础的抽象

• 进程抽象—是对已进入主存正在运行的程序在处理器上操作的状态集的抽象
  • 操作系统提供进程调度和上下文切换功能
• 虚存抽象—是对物理主存的抽象，进程可获得一个硕大的连续地址空间来存放可执行程序和数据，可使用虚拟地址来引用物理主存单元
• 文件抽象—是对设备(磁盘)的抽象，通过将文件中的字节映射到存储设备的物理块中来实现文件抽象

1.3.2 程序控制的角度

多道程序设计

• CPU速度与I/O速度不匹配的矛盾非常突出
• 多道程序设计(multiprogramming)允许多个程序同时进入计算机系统的主存，通过竞争处理器资源获得交替执行
• 是操作系统的核心功能，中断技术和硬盘为其实现提供了支撑

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
• 但是，单道程序的运算时间会增加

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：运行程序执行硬件提供的陷入指令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：硬件的设备控制器与通道(专用的I/O处理器)独立完成I/O
• 如何让正在运行的程序让出CPU：中断(中断正在执行的程序，引入OS处理)

1.3.3 操作控制计算机的角度

计算机操作控制方式

• 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

  • 为用户提供操作控制计算的所有服务
• 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，确定作业加工控制的步骤，并于程序/数据一并提交
• 操作员：通过控制台成批输入作业
• OS：通过作业控制程序自动控制、解释作业说明书，使得作业能够自动执行
• 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：联机输入操作控制命令，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，作出相应解释，并予以执行
• 会话语言：可编程的命令解释程序，例如Shell
• 图形化的命令控制方式
• 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/行结束符/鼠标点击/多通道模式识别
• 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

前台命令与后台命令

• 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

1.3.4 人机交互的角度

1.3.5 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：操作系统为程序运行扩充的编程接口
• 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
• POSIX支持

系统调用

程序的运行空间分为内核空间和用户空间，程序各自按不同的特权运行

系统调用把应用程序的访问请求传送至内核，调用相应的服务例程完成所需处理，再将处理结果返回给应用程序

系统调用的作用

• 内核可以基于权限和规则对资源访问进行裁决，保证系统的安全性
• 系统调用对资源进行抽象，提供一致性接口，避免用户在使用资源时发生错误，且使编程效率大大提高

系统调用的实现机制

• 陷入处理机制：计算机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，称为功能号，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
• 陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场

系统调用的实现流程

按号定位的前提

• 各数据结构的尺寸相同
• 各数据结构按号连续排列

传递参数的方法

• 陷入指令自带参数，可以规定陷入指令之后的若干单元存放参数，叫做直接参数；或者在指令之后紧邻的单元中存放参数的地址，叫做间接参数
• 通过CPU的通用寄存器传递参数，该方法不适用于传递大量参数，可以在主存的某个区或表中存放参数，将其首地址送入寄存器，实现参数传递
• 在主存中开辟专用堆栈区传递参数

Linux系统调用执行流程

应用程序、库函数、系统调用的调用关系链

例：read系统调用的执行步骤

int read(int fd, char *buf, int n)

read 从文件描述符 fd 读 n 字节的内容写入 buf，返回值是成功读取的字节数。

CPU进程间切换

模式切换

1.3.6 系统结构的角度

操作系统软件的结构设计

• OS构件：内核、进程、线程、管程等
• 设计概念：模块化、层次化、虚拟化
• 内核设计时OS设计中最为复杂的部分

操作系统内核

• 单内核：内核中各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部件的分离，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式结构