計(jì)算機(jī)與操作系統(tǒng)

第一講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

南京大學(xué)軟件學(xué)院教學(xué)材料操作系統(tǒng)教程(第五版)

費(fèi)翔林、駱斌，高等教育出版社，2014鼓勵(lì)部分學(xué)有余力的同學(xué)自行閱

MINIX,LINIX,UNIX內(nèi)核分析書籍課程電子講稿

課程學(xué)習(xí)目標(biāo)明確計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的作用與功能掌握操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理與方法在微觀上，掌握設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)操作系統(tǒng)模塊的方法、策略與算法在宏觀上，掌握操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)一步了解大型軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法掌握并發(fā)程序設(shè)計(jì)的基本方法操作系統(tǒng)課程的教學(xué)原則用系統(tǒng)的觀點(diǎn)、全局的觀點(diǎn)、整體的觀點(diǎn)來看待操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)理解軟硬件協(xié)同解決問題的方法理解分而治之、分層實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的重要作用用工程師的立場(chǎng)來看待操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)理解文化在操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的重要作用了解計(jì)算機(jī)硬件與操作技術(shù)的發(fā)展掌握多道程序設(shè)計(jì)的概念掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)總線、處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備以及I/O控制方式掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)本主題教學(xué)目標(biāo)61.1計(jì)算機(jī)硬件與操作技術(shù)的發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第一講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)硬件與操作技術(shù)的發(fā)展1.1.1第一代計(jì)算機(jī)與手工操作階段1.1.2第二代計(jì)算機(jī)與簡(jiǎn)單批處理階段1.1.3多道程序設(shè)計(jì)1.1.4第三代計(jì)算機(jī)與操作系統(tǒng)1.1.5計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)的新進(jìn)展摩爾定律計(jì)算機(jī)硬件的性能進(jìn)展1946年，世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC由美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電工學(xué)院制造，用于計(jì)算彈道電子管計(jì)算機(jī)無操作系統(tǒng)，串行執(zhí)行程序操作方式：開關(guān)表示，按鈕控制，亮燈顯示1.1.1第一代計(jì)算機(jī)—手工操作階段開關(guān)表示，按鈕控制，亮燈顯示計(jì)算機(jī)的手工操作方式開關(guān)置內(nèi)存地址，按’裝入地址’按鈕開關(guān)置程序始址，按’運(yùn)行’按鈕開關(guān)置機(jī)器指令，按’裝入數(shù)據(jù)’按鈕裝入程序(Loader)自動(dòng)化執(zhí)行程序裝入，必要時(shí)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換通常存放在ROM中裝入程序的引進(jìn)機(jī)器語言程序裝入程序內(nèi)存儲(chǔ)器在每一種外圍設(shè)備上進(jìn)行輸入輸出時(shí)涉及一系列繁瑣細(xì)節(jié)，但每次的輸入輸出程序有很大共性輸入輸出例程：處理輸入輸出的通用子程序，用于屏蔽輸入輸出細(xì)節(jié)，方便應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者使用駐留內(nèi)存：獨(dú)立于應(yīng)用程序的內(nèi)存區(qū)IORoutine的出現(xiàn)匯編語言：機(jī)器語言的符號(hào)化匯編語言源程序：匯編語句的序列匯編程序：第一個(gè)出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件，用于把匯編語言源程序匯編成目標(biāo)代碼程序高級(jí)語言編譯器出現(xiàn)：FORTRAN/COBOL庫程序與Linker的出現(xiàn)匯編語言的出現(xiàn)匯編過程和程序執(zhí)行引入?yún)R編語言后的計(jì)算機(jī)控制匯編程序目標(biāo)代碼計(jì)算機(jī)匯編語言程序目標(biāo)代碼運(yùn)行結(jié)果計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)第二代計(jì)算機(jī)，晶體管技術(shù)的出現(xiàn)1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC，裝有800個(gè)晶體管1956年，肖克萊、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)處理器性能呈數(shù)量級(jí)提高手工操作的低效率問題日益突出1.1.2第二代計(jì)算機(jī)—簡(jiǎn)單批處理階段脫機(jī)批處理系統(tǒng)第一代計(jì)算機(jī)從紙帶或卡片機(jī)成批輸入作業(yè)到磁帶第二代計(jì)算機(jī)從磁帶成批的執(zhí)行作業(yè)，并把輸出結(jié)果保存到磁帶第一代計(jì)算機(jī)成批的輸出作業(yè)結(jié)果到打印機(jī)聯(lián)機(jī)批處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)成批控制程序的執(zhí)行與輸入輸出作業(yè)控制語言、作業(yè)控制卡、作業(yè)說明書操作員與程序員的分離資源管理程序和磁帶文件系統(tǒng)的引入簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)的操作特征成批執(zhí)行作業(yè)控制程序執(zhí)行程序運(yùn)行完畢后返回管理程序管理程序常駐內(nèi)存管理程序BoundaryInterruptProcessingDeviceDriversJobSequencingControlLanguageInterpreterUserProgramAreaMonitorMemoryprotectiondonotallowthememoryareacontainingthemonitortobealteredTimerpreventsajobfrommonopolizingthesystemPrivilegedinstructionsCertaininstructionsaredesignatedprivilegedandcanbeexecutedonlybythemonitorinterrupts管理程序的硬件要求1958年，美國德州儀器發(fā)明集成電路(IC)，將三種電子元件集成到一片小小的硅片上，更多的元件集成到單一的半導(dǎo)體芯片上，計(jì)算機(jī)變得更小，功耗更低，速度更快計(jì)算機(jī)硬件性能繼續(xù)呈數(shù)量級(jí)提高，CPU速度與I/O速度不匹配的矛盾日益突出只有讓多道程序同時(shí)進(jìn)入內(nèi)存爭(zhēng)搶CPU運(yùn)行可以夠使得CPU和外圍設(shè)備充分并行，從而提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率1.1.3多道程序設(shè)計(jì)單道算題工作Multi-programming78輸入機(jī)處理器磁帶機(jī)130150228280300378430450時(shí)間處理器利用率：52/(78+52+20)≈35%兩道程序同時(shí)工作Multi-programming…處理器利用率：(52+42)/(78+52+20)≈63%78輸入機(jī)處理器磁帶機(jī)130150228280300378430450時(shí)間磁帶機(jī)打印機(jī)2062170320甲、乙兩道程序獨(dú)占計(jì)算機(jī)單道運(yùn)行時(shí)均需1小時(shí)，其中占用CPU時(shí)間18分鐘，CPU利用率為30％按多道程序設(shè)計(jì)方法同時(shí)運(yùn)行，CPU利用率達(dá)50%，由于要提供36分鐘的CPU時(shí)間，大約要運(yùn)行72分鐘?？紤]到OS調(diào)度開銷，實(shí)際花費(fèi)的時(shí)間可能還要長些，如80分鐘就處理兩道作業(yè)而言，提高效率33％就單道作業(yè)而言，延長執(zhí)行時(shí)間20分鐘，即延長了33％的時(shí)間Multi-programming…多道程序設(shè)計(jì)是指讓多個(gè)程序同時(shí)進(jìn)入計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器進(jìn)行計(jì)算多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

CPU與外部設(shè)備充分并行外部設(shè)備之間充分并行發(fā)揮CPU的使用效率提高單位時(shí)間的算題量多道程序設(shè)計(jì)及特點(diǎn)處理器的管理和調(diào)度主存儲(chǔ)器的管理和調(diào)度其他資源的管理和調(diào)度多道程序系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如何使用資源：調(diào)用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)例程(如何陷入操作系統(tǒng))如何復(fù)用CPU：調(diào)度程序(在CPU空閑時(shí)讓其他程序運(yùn)行)如何使CPU與I/O設(shè)備充分并行：通道(一種獨(dú)立控制設(shè)備進(jìn)行I/O的專用處理器)如何讓正在運(yùn)行的程序讓出CPU：中斷(中斷正在執(zhí)行的程序，讓操作系統(tǒng)處理突發(fā)事件)多道程序系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)通過程序來控制內(nèi)存中多道程序的執(zhí)行在理論上是可行的調(diào)度程序：引入調(diào)度功能程序切換和中斷：占有CPU運(yùn)行的程序可以被打斷，且在以后適當(dāng)時(shí)候能夠被恢復(fù)運(yùn)行資源分配與保護(hù)效率是導(dǎo)致管理程序不能全自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的根本原因磁盤的出現(xiàn)：操作系統(tǒng)出現(xiàn)的基礎(chǔ)1.1.4操作系統(tǒng)的形成批處理操作系統(tǒng)的出現(xiàn)操作系統(tǒng)的形成給資源管理和操作自動(dòng)化帶來了革命性的變化：實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)操作過程的自動(dòng)化資源管理水平有了很大提高提供虛存管理功能支持批處理操作與分時(shí)操作文件管理功能有改進(jìn)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)出現(xiàn)多道程序設(shè)計(jì)趨于完善操作系統(tǒng)的正式確立多個(gè)聯(lián)機(jī)用戶通過終端(鍵盤/顯示器)基于多道程序設(shè)計(jì)同時(shí)直接使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算處理器等資源按照時(shí)間片輪轉(zhuǎn)被各個(gè)用戶分享分時(shí)操作系統(tǒng)的特性：同時(shí)性、獨(dú)立性、及時(shí)性、交互性分時(shí)OS和批處理OS的區(qū)別：目標(biāo)不同、適應(yīng)作業(yè)的性質(zhì)不同、資源使用率不同、作業(yè)控制方式不同分時(shí)操作與分時(shí)操作系統(tǒng)伴隨硬盤和集成電路計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，操作系統(tǒng)技術(shù)在1960年代迅猛發(fā)展并趨于成熟計(jì)算機(jī)硬件歷經(jīng)大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路、特大規(guī)模集成電路，按照摩爾定律快速發(fā)展從1980年代開始，計(jì)算機(jī)與操作系統(tǒng)向微型化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式、移動(dòng)化方向發(fā)展1.1.5計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.2.1計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與總線1.2.2處理器1.2.3存儲(chǔ)器1.2.4外圍設(shè)備1.1.5計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)硬件處理器內(nèi)存儲(chǔ)器外圍設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、支撐軟件應(yīng)用軟件主流結(jié)構(gòu)：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)1.2.1計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與總線存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)程序計(jì)算結(jié)果計(jì)算機(jī)總線傳統(tǒng)與高性能的總線結(jié)構(gòu)36

實(shí)例：南橋與北橋

服務(wù)器總線結(jié)構(gòu)1.2.2處理器處理器寄存器特權(quán)指令處理器模式并行處理器的體系結(jié)構(gòu)并行處理器的體系結(jié)構(gòu)CPUGPUMemoryMemoryDMAPCI-E實(shí)例：CPU-GPU聯(lián)合設(shè)計(jì)1.2.3存儲(chǔ)器寄存器L1Cache(SRAM)L0:L2Cache(SRAM)L3Cache(SRAM)主存(DRAM)SSD(本地固態(tài)硬盤)本地外存儲(chǔ)器(本地硬盤)遠(yuǎn)程外存儲(chǔ)器(分布式文件系統(tǒng)、Web服務(wù)器)L1:L2:L3:L4:L5:L6:L7:容量更小、速度更快、價(jià)格更高(單位字節(jié))容量更大、速度更慢、價(jià)格更低(單位字節(jié))Cache:高速緩存SRAM:靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM:動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的Cache設(shè)備類型字符型設(shè)備塊存儲(chǔ)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)備控制方式輪詢方式(程序直接控制方式)中斷驅(qū)動(dòng)方式DMA方式通道方式1.2.4外圍設(shè)備1.2.5計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言處理程序

匯編程序、編譯程序，解釋程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與專用文件系統(tǒng)支撐軟件Linker，Debuger，Editor，…應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)視圖硬件操作系統(tǒng)語言處理應(yīng)用用戶的視圖應(yīng)用程序員的視圖編譯程序設(shè)計(jì)者的視圖操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的視圖1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)語言處理程序高級(jí)語言程序員的視圖程序員工具軟件計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)機(jī)器指令數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫語言擴(kuò)展機(jī)器指令操作系統(tǒng)與實(shí)用程序軟件開發(fā)的不同層次計(jì)算