電腦操作系統概述

電腦系統概論

電腦系統

電子數字電腦，是一種能夠自行按照已設定的程式進行數據處理的電子設備，是軟體與硬體相結合、面向系統、側重應用的自動化求解工具，電腦技術迅猛發展，從科學計算、數據處理等應用領域，迅速擴展到實時控制、輔助設計、智能模擬等諸多領域，今天電腦無所不在，深入社會生活的各個領域，深深改變了當今人類社會的組織行為

電腦系統的組成

電腦系統包括硬體子系統和軟體子系統；硬體是指藉助電、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，硬體系統有 CPU，主存儲器，I/O 控制系統，外圍設備；軟體是指各種程式和文件，用於指揮電腦系統按指定的要求進行協同工作，包括系統軟體、支撐軟體和應用軟體，關鍵系統軟體是指操作系統與語言處理程式

電腦硬體系統

電腦硬體系統的組成：

• 中央處理器
  • 運算單元
  • 控制單元
• 主存儲器
• 外圍設備
  • 輸入設備
  • 輸出設備
  • 存儲設備
  • 網路通信設備
• 匯流排

存儲程式電腦

馮·諾伊曼等人在1946年總結並明確提出，被稱為馮·諾伊曼電腦模型,存儲程式電腦在體繫結構上主要特點有：以運算單元為中心，控制流由指令流產生，採用存儲程式原理，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，數據以二進位編碼

當今電腦硬體的經典結構和主流組織方式

匯流排及其組成

匯流排（Bus）是電腦各種功能部件之間傳送信息的公共通信幹線，它是CPU、記憶體、輸入輸出設備傳遞信息的公用通道,電腦的各個部件通過匯流排相連接，外圍設備通過相應的介面電路再與匯流排相連接，從而形成了電腦硬體系統,按照所傳輸的信息種類，匯流排包括一組控制線、一組數據線和一組地址線

匯流排的類型

• 內部匯流排：用於CPU晶元內部連接各元件
• 系統匯流排：用於連接CPU、存儲器和各種I/O模塊等主要部件
• 通信匯流排：用於電腦系統之間通信

中央處理器（CPU）

中央處理器是電腦的運算核心（Core）和控制單元（ControlUnit），主要包括:

• 運算邏輯部件：一個或多個運算器
• 寄存器部件：包括通用寄存器、控制與狀態寄存器，以及高速緩衝存儲器（Cache）
• 控制部件：實現各部件間聯繫的數據、控制及狀態的內部匯流排；負責對指令解碼、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

處理器與寄存器

存儲器的組織層次

外圍設備及其控制

設備類型包括有：輸入設備，輸出設備，存儲設備和機機通信設備

設備控制方式有：

• 輪詢方式：CPU忙式控制+數據交換
• 中斷方式：CPU啟動/中斷+數據交換
• MA方式：CPU啟動/中斷，DMA數據交換

電腦軟體系統

電腦軟體系統的組成

系統軟體包括：操作系統、實用程式、語言處理程式、資料庫管理系統，其中操作系統實施對各種軟硬體資源的管理控制，實用程式為方便用戶所設，如文本編輯等，語言處理程式把用彙編語言/高級語言編寫的程式，翻譯成可執行的機器語言程式

支撐軟體有介面軟體、工具軟體、環境資料庫，支持用戶使用電腦的環境，提供開發工具，支撐軟體也可認為是系統軟體的一部分

應用軟體是用戶按其需要自行編寫的專用程式

電腦系統視圖

軟體開發的不同層次

• 電腦硬體系統：機器語言
• 操作系統之資源管理：機器語言+廣義指令（擴充了硬體資源管理）
• 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）
• 資料庫管理系統：+資料庫語言（擴充了功能更強的信息資源管理）
• 語言處理程式：面向問題的語言

電腦程式的執行過程

電腦操作技術的發展

電腦的手工操作

問題：手工操作速度與電子計算速度不匹配

裝入程式的引進

• 引入卡片和紙帶描述程式指令與數據
• 引入裝入程式(Loader)
  • 自動化執行程式裝入，必要時進行地址轉換
  • 通常存放在ROM中

引入高級語言後的電腦控制

簡單批處理系統的操作控制

引入作業控制語言，用戶編寫作業說明書，描述對一次電腦求解(作業)的控制,操作員控制電腦成批輸入作業，成批執行作業,這一方式明顯縮短了手工操作的時間，提高了電腦系統利用率,這一階段，磁帶的出現，使得卡片與紙帶等機械輸入方式得以進一步提高

操作系統與自動化操作控制

電子計算速度與機械I/O速度的矛盾:你在輸，我在等,在程式執行過程中能否同時輸入作業，重疊時間,需要多道程式同時執行,程式切換需要高速的外存儲設備,磁碟設備出現:電腦操作系統濃墨登場，實現了電腦系統的自動化控制

電腦操作系統

操作系統的概念

操作系統(OperatingSystem)，簡稱OS,是電腦系統最基礎的系統軟體，管理軟硬體資源、控製程序執行，改善人機界面，合理組織電腦工作流程，為用戶使用電腦提供良好運行環境,簡而言之，操作系統是方便用戶、管理和控制電腦軟硬體資源的系統程式集合.

從用戶角度看，OS管理電腦系統的各種資源，擴充硬體的功能，控製程序的執行,從人機交互看，OS是用戶與機器的介面，提供良好的人機界面，方便用戶使用電腦，在整個電腦系統中具有承上啟下的地位,從系統結構看，OS是一個大型軟體系統，其功能複雜，體系龐大，採用層次式、模塊化的程式結構

操作系統的組成

• 進程調度子系統
• 進程通信子系統
• 記憶體管理子系統
• 設備管理子系統
• 文件管理子系統
• 網路通信子系統
• 作業控制子系統

操作系統的類型

• 從操作控制方式看
  • 多道批處理操作系統，離線控制方式
  • 分時操作系統，互動式控制方式
  • 實時操作系統
• 從應用領域看
  • 伺服器操作系統、並行操作系統
  • 網路操作系統、分散式操作系統
  • 個人機操作系統、手機操作系統
  • 嵌入式操作系統、感測器操作系統

資源管理

電腦系統的資源

硬體資源:處理器、記憶體、外設

信息資源:數據、程式

管理電腦系統的軟硬體資源:

• 處理器資源：那個程式占有處理器運行？
• 記憶體資源：程式/數據在記憶體中如何分佈？
• 設備管理：如何分配、去配和使用設備？
• 信息資源管理：如何訪問文件信息？
• 信號量資源：如何管理進程之間的通信？

屏蔽資源使用的底層細節

驅動程式：最底層的、直接控制和監視各類硬體(或文件)資源的部分,職責是隱藏底層硬體的具體細節，並向其他部分提供一個抽象的、通用的介面,比如說：列印一段文字或一個文件，既不需知道文件信息存儲在硬碟上的細節，也不必知道具體印表機類型和控制細節

資源的共用與分配方式

• 資源共用方式
  • 獨占使用方式
  • 併發使用方式
• 資源分配策略
  • 靜態分配方式
  • 動態分配方式
  • 資源搶占方式

程式控制

多道程式同時計算

CPU速度與I/O速度不匹配的矛盾，非常突出,只有讓多道程式同時進入記憶體爭搶CPU運行，才可以夠使得CPU和外圍設備充分並行，從而提高電腦系統的使用效率

多道程式同時計算的巨集觀分析

甲、乙兩道程式,獨占電腦單道運行時均需1小時，占用CPU時間18分鐘，CPU利用率為30％,按多道程式設計方法同時運行，CPU利用率50%，由於要提供36分鐘的CPU時間，大約運行72分鐘。考慮到OS調度開銷，實際花費時間還要長些，如80分鐘,就處理兩道作業而言，提高效率33％,就單道作業而言，延長執行時間20分鐘,即延長了33％的時間

多道程式設計及優點

多道程式設計：指讓多個程式同時進入電腦的主存儲器進行計算

多道程式設計的特點:

• 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

多道程式系統的實現

• 為進入記憶體執行的程式建立管理實體：進程
• OS應能管理與控制進程程式的執行
• OS協調管理各類資源在進程間的使用
  • 處理器的管理和調度
  • 主存儲器的管理和調度
  • 其他資源的管理和調度

多道程式系統的實現要點

• 如何使用資源：調用操作系統提供的服務常式(如何陷入操作系統)
• 如何復用CPU：調度程式(在CPU空閑時讓其他程式運行)
• 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式讓出CPU：中斷(中斷正在執行的程式，引入OS處理)