计算机系统的组成(1)

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
  • 输出设备
  • 输入设备
  • 存储设备
  • 网络通信设备
• 总线

储存程序计算机

• 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
    

总线及其组成

• 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。
• 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

总线的类型

• 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
  

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) ，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

外围设备及其控制

• 设备类型：
  • 输入设备
  • 输出设备
  • 存储设备
  • 机机通信设备
• 设备控制方式
  • 轮询方式：CPU忙式控制，CPU执行内存数据交换
  • 中断方式：CPU启动外设，外设中断CPU，CPU执行内存数据交换
  • DMA方式：CPU启动DMA，DMA执行输入输出与内存数据交换，DMA中断CPU

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
  • 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，如文本编辑等
  • 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
• 支撑软件：有接口软件、工具软件、环境数据库，支持用户使用计算机的环境，提供开发工具
  • 也可认为是系统软件的一部分
• 应用软件：是用户按其需要自行编写的专用程序

操作系统的概念

• 操作系统（Operating System），简称OS
• 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的运行环境
• 简而言之，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
  • 从用户角度看，OS管理计算机系统的各种资源，扩展硬件的功能，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，采用脱机控制方式
  • 分时操作系统，采用交互控制方式
  • 实时操作系统
• 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

资源管理的角度

• 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
  • 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

资源的共享与分配方式

• 资源共享方式
  • 独占使用方式
  • 并发使用方式
• 资源分配策略
  • 静态分配方式
  • 动态分配方式
  • 资源抢占方式

多道程序设计及优点

• 多道程序设计：指让多个程序同时进入计算机的主存储器进行计算
• 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

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：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：设备控制器与通道（专用的I/O处理器）
• 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）

计算机系统操作方式

• 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
  • 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集合
• 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，确定作业加工控制步骤，并与程序一并提交
• 操作员：通过控制台输入作业
• OS：通过作业控制程序自动控制作业的执行
• 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：登录系统
• OS：提供命令解释程序
• 用户：联机输入命令，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，并予以执行
• 会话语言：可编程的命令解释程序
• 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/鼠标点击/多通道识别
• 每当玉壶输入一条命令(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

操作系统的程序接口

• 操作系统的程序接口——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

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，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

系统结构的角度

• 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
• 内核设计是OS设计中最为复杂的部分

操作系统的内核

• 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
• 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
  
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