Github
编辑

01-概述

计算机硬件系统

  • 冯诺依曼架构 略

计算机系统的用户视图

  • 应用：用户的视图

  • 语言处理：应用程序员的视图

  • 操作系统：语言处理程序设计者的视图

  • 计算机硬件：操作系统设计者的视图

总线

  • 数据总线

  • 地址总线

  • 控制总线

  • 类型

    • 内部总线：CPU 内部连接各元件

    • 系统总线：连接 CPU、I/O 模块、内存

    • 通信总线：计算机系统之间通信

  • 北桥：主存控制器，连接CPU、主存

  • 南桥：I/O 控制器

现代 CPU 架构中，大部分已不再采用传统意义上的南北桥设计，而是将北桥（如内存控制器、PCI Express 控制器等）集成到处理器内部，而南桥的功能则由单一芯片组或平台控制器处理。这种改变有助于提高数据传输速度并降低延迟。

当我看到老掉牙的 PPT 时，就意识到这课的水准了

CPU

  • 组成

    • ALU

    • 寄存器、Cache

    • 控制器

存储

  • 寄存器

  • L1 Cache SRAM

  • L2 Cache SRAM

  • L3 Cache SRAM

  • 主存 DRAM

  • SSD

  • HDD

  • 远程外存储器

I/O 控制方式

  • 轮询：CPU 控制 I/O、数据经由 CPU 传输

  • 中断：CPU 启动 I/O 设备，设备进行 I/O，设备中断 CPU 以善后，数据经由 CPU 传输

  • 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，数据经由 I/O 模块直达内存

计算机操作技术的发展

  • 手工操作：与机器速度不匹配

  • 装入程序

    • 卡片、打孔纸带

    • 装入程序 Loader：将程序装入内存，必要时转换地址

    • 存放在 ROM 中

  • 引入汇编语言后的计算机控制

    • 汇编语言代码在通过汇编程序编译为可执行代码

    • 可执行代码在计算机上输入数据，获得结果

  • 引入高级语言后的计算机控制

    • 高级语言程序通过编译程序编译为目标代码

    • 目标代码通过链接程序链接为可执行代码

    • 可执行代码在计算机上输入数据，获得结果

  • 简单批处理系统：引入作业控制语言，用户编写作业说明书

    • 资源管理程序出现：屏蔽硬件细节

    • 中断出现：实现 CPU 和 I/O 设备的并行工作

    • 磁带出现：输入效率提高，但是不足以支持多道程序切换

  • 操作系统

    • 多道程序同时执行：需要高速的外存：磁盘

计算机操作系统

  • 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运行环境

  • 公共基础设施，所有应用程序共用 OS 服务

  • 内核：反应式机制，终端驱动

操作控制方式

  • 多道批处理操作系统：脱机控制方式

  • 分时操作系统：交互式控制方式

    • 采用时间片轮转调度方式

    • 多个用户可以同时使用计算机，每个用户分配一个时间片

    • 用户间彼此独立，互不干扰

    • 响应时间短，用户体验较好，但系统开销较大

  • 实时操作系统：实时控制方式

    • 计算机对输入信息进行即时处理，并在严格的时间约束下给出结果

    • 适用于工业控制、航空航天、军事防御等场景

    • 硬实时：必须在截止时间内完成

    • 软实时：尽量在截止时间内完成

  • Unix Windows 是分时操作系统

操作系统的视角

资源管理的视角

  • 资源种类

    • 硬件资源：CPU、内存、外设

    • 信息资源：数据、程序

  • 资源管理

    • CPU：哪个进程使用 CPU

    • 内存：程序、数据在内存中的分布

    • 设备：分配、使用设备

    • 信息资源：如何访问文件信息

    • 信号量资源：管理进程间通信

  • 驱动程序：底层直接监视硬件，向上层屏蔽资源使用的底层细节

  • 共享方式

    • 独占使用：一个时间段内资源只能被一个进程使用（打印机）

    • 并发使用：多个进程可以同时使用资源（读文件）

  • 分配策略

    • 静态分配：进程运行前拿到全部都占资源，效率低

    • 动态分配：使用资源前临时申请，可能产生死锁

    • 资源抢占：被抢夺资源的进程需要回滚执行

  • 资源管理的技术

    • 复用：空分复用、时分复用，分配给不同的用户

    • 虚拟：把物理资源虚拟成逻辑资源，分配给不同的用户

    • 抽象：简化资源使用的复杂性，屏蔽底层细节

      • 进程抽象

      • 虚存抽象

      • 文件抽象

控制程序执行的视角

  • CPU 和 I/O 速度不匹配

  • 让多道程序同时进入内存争抢 CPU，提升利用率

  • 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 的提升效率

    • 提升吞吐量（单位时间的计算量）

    • 单个程序的响应时间变长

  • 实现：为进入内存的程序建立管理实体 进程

  • 设计要点

    • 如何使用资源

    • 如何复用 CPU

    • 如何使 CPU 与 I/O 设备充分并行

    • 如何让正在运行的程序让出 CPU

操作控制计算机的视角

  • OS 的操作接口：系统程序

  • 脱机作业方式

    • OS：提供作业声明语言

    • 用户：编写作业说明书

    • 操作员：通过控制台输入作业

  • 联机作业控制方式

    • 用户首先登陆操作系统

    • 操作系统提供命令解释程序接受输入的命令

    • 用户通过联机输入命令，控制作业执行

  • 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

人机交互的视角

  • 设备

    • 传统终端设备

    • 新型模式识别设备

    • 行命令 -> 全屏幕 -> GUI

程序接口的视角

系统调用

  • 操作系统内核提供的一系列具有预定功能的服务例程

  • 设计原因：对系统进行保护，程序按照不同的特权运行

  • 系统调用在内核态执行

    • 用户态/用户空间/目态：用户程序运行

    • 内核态/核心空间/管态：操作系统运行

  • 实现机制：陷入处理机制

    • 使用陷入指令，含有编号，寄存器内有参数

    • 用户态程序执行系统调用时，CPU 产生中断，进入内核态

    • 内核态执行系统调用，完成后返回用户态

    • 实现要点

      • 编写系统调用处理程序

      • 维护系统调用入口地址表：包含处理程序的入口地址、参数个数，表驱动机制

      • 开辟现场保护区：保护用户态程序的现场

  • 种类

    • 进程管理：创建、撤销、阻塞、唤醒

    • 文件管理：创建、删除、打开、关闭

    • 设备管理：请求、释放

    • 存储管理：分配、释放

    • 进程通信：建立、断开连接；发送、接受消息

    • 信息管理：获取、设置时间、系统数据，生成诊断、统计数据

POSIX 标准

  • Portable Operating System Interface

  • Unix 系统的标准化接口

  • 提供了一个统一的 API 接口，屏蔽了不同操作系统之间的差异

系统结构的角度

结构设计方法

  • 单体式结构：模块化，模块之间协作

  • 层次式结构：进程间存在层次，只能单项依赖（底层为高层服务）

  • 虚拟机结构：虚拟化物理硬件设备

  • 微内核结构：内核中只有必须的最小核心功能，其余功能由用户态的服务程序实现，可移植性好，但是效率低

操作系统内核

  • 单内核：内核中各部件混居，广泛使用，Windows、Linux

  • 微内核：结构性部件和功能性部件分离

  • 混合内核：单内核和微内核的折中，将组件移入核心态获取更快的性能

  • 外内核：将操作系统的管理功能最小化，尽可能地将资源管理权交给用户级应用程序（PPT 疑似胡说八道）

上一页计算机操作系统下一页021-处理器

最后更新于