1.1 計算機硬體結構

計算機系統基本組成

• 計算機系統是由硬體和軟體組成的
  硬體是軟體建里與活動的基礎
  軟體是隊硬體進項管理和功能擴充

• 計算機硬體結構
  由五大功能部件組成，即：計算器、控制器、存盤器、輸入設備和輸出設備
  它們經由系統總線連接在一起，實作彼此通信，

• 微型計算機硬體構造
  

1.1.1 處理器

• CPU作業的基本周期是：
  提取指令、譯碼分析、執行命令
  每個CPU可以執行的指令集是專用的
• CPU的組成：
  1、運算器：是計算核心，負責指令的算術和邏輯運算，由算術邏輯單元、累加暫存器、資料緩沖暫存器、條件狀態暫存器等組成，
  2、控制器：是控制核心，控制運行的流程、包括取指令、維護CPU狀態、實作CPU與記憶體的互動等，
  3、暫存器：暫存指令、資料、地址資訊，
  4、高速快取：位于CPU和記憶體之間，提高CPU性能，
• CPU的暫存器：
  1、常規暫存器（用戶行程和系統行程都可使用）：
  通用暫存器：可以存放資料、也可以參與地址轉換，
  條件碼暫存器：條件判定使用，選擇不同分支，
  2、控制和狀態暫存器（一般只允許系統行程使用）：
  程式計數器（PC）：存放將要讀取的指令的記憶體地址，
  指令暫存器（IR）：存盤要執行的指令，
  存盤器地址暫存器和存盤器資料暫存器
  I/O埠地址暫存器和I/O埠資料暫存器
  程式狀態字暫存器（PSW）：紀錄CPU的運行模式和狀態資訊，如中斷允許/禁止、CPU優先級、運行模式（內核態還是用戶態）等，
  （一組）中斷暫存器：每個中斷暫存器指向一個中斷處理程式，
• 特權指令和非特權指令：
  計算機系統的指令分為特權指令和非特權指令，指令的執行如果可能直接影響到系統作業，則指令屬于特權指令，否則屬于非特權指令，特權指令可以控制中斷、訪問所有資源、設定作業狀態等，所以在用戶模式（用戶態）下只能執行非特權指令，在系統模式（內核態）下可以執行所有指令，包括特權指令，
• 兩種處理機執行狀態（在PSW（程式狀態字暫存器）里區分）：核心態
  用戶態

1.1.2 存盤器

記憶體分為系統區、用戶區、系統區，

1.1.3 I/O 設備

• I/O設備通常由控制器和設備本身兩部分組成
• 設備驅動程式

1.1.4 總線

• 總線分類
  資料總線
  地址總線
  控制總線

1.2 什么是作業系統

• Windows XP、Windows 10、UNIX、Linux等
• 作業系統實際上有很多種：專用、通用
• 巨型機、大型機、中型機、小型機、微機各種機器，對應也有各種各樣的作業系統
• 我國研制自己的巨型機，對應也有相應的作業系統，如銀河系列就使用的是銀河麒麟服務器作業系統

1.2.1 作業系統概念

1. 虛擬機的觀點——作業系統擴展器紅能
   在硬體（裸機）上的第一層擴充
   把硬體細節與程式員隔離開，隱藏了底層硬體的特性
   功能更強、使用更方便
2. 資源管理的觀點——作業系統作為系統資源的管理者
   • 監視系統各種資源，隨時記錄它們的狀態
   • 實施策略以決定誰獲得資源，何時獲得，獲得 多少
   • 分配資源供需求者使用
   • 回收資源，以便再分配
3. 人機互動的觀點——作業系統是機器和用戶之間的介面
   用戶通過作業系統使用機器
   作業系統為用戶提供各種操作機器的方式

• 綜合：系統觀點和用戶觀點
  1. 管理計算機系統的各種資源
  2. 向用戶提供使用的介面
• 作業系統定義： 作業系統是控制和管理計算機系統內各種硬體和軟體資源，有效地組織多道程式運行的系統軟體（或程式集合），是用戶與計算機之間的介面，
  
  ① 作業系統是系統軟體
  ② 基本職能是控制和管理系統內各種資源，有效地組織多道程式的運行
  ③ 提供眾多服務、方便用戶使用，擴充硬體功能，

1.2.2 作業系統的地位

計算機系統的層次關系

1.2.3 作業系統的歷史

1.3 作業系統發展歷程

1.3.1 作業系統的形成

1. 手工操作方式（1946 — 50年代，電子管時代）

【主要器件工藝】：電子管
【運算速度】：慢，1000次/秒
【作業系統】：無
【控制臺】：包括顯示燈、觸發器、輸入設備和列印機
【作業方式】：
用戶：用戶既是程式員、操作員，還是計算機專業人員
編程語言：為機器語言
輸入輸出：紙帶或卡片

• 手工操作存在的問題？
  • 用戶獨占全機
  • CPU等待用戶，CPU利用率低
  • 作業量大、難度高、易出錯、需要大量人力物力

2. 單道批處理系統

系統對作業的處理都是成批進行的、且記憶體中始終只保持一道作業，稱為單道批處理系統，
系統有一個監督程式（Monitor）——早期作業系統的雛形

單道批處理系統的優點：提高系統資源的利用率和吞吐量
單道批處理系統的特征：
* 自動性：磁帶上一批作業能自動逐個依次運行，

• 順序性：作業順序進入記憶體，執行與完成的順序和調入的順序完全相同，
• 單道性：記憶體中僅有一道程式,只有該程式完成或發生例外時，才調入后繼程式進入記憶體運行，

單道批處理系統的問題：程式在進行輸入輸出時，CPU只能等待，（可用脫機方式緩解）

3. 多批道處理系統

在計算機記憶體中同時存放幾道相互獨立的程式，它們在管理程式的控制下相互穿插著交替運行，共享CPU及外設等資源，采用MultiProgramming的批處理系統稱為多道批處理系統，

• 多道程式設計：在記憶體中同時存放多道程式，在管理程式的控制下交替執行，它們共享CPU和系統中的其他資源，
• 并發：多道程式在CPU上交替運行，
• 系統吞吐量：在一段給定的時間內，計算機所能完成的總作業量，
• 多道批處理的優點 ：
  資源利用率高：CPU和記憶體利用率較高
  作業吞吐量大：單位時間內完成作業總量大
• 多道批處理的缺點：
  用戶互動性差：整個作業完成后或中間出錯時，才與用戶互動，不利于除錯和修改
  作業平均周轉時間長：短作業的周轉時間（從作業提交到完成的這段時間）顯著增長

單道與多道對比：記憶體使用和作業執行順序

1.3.2 推動作業系統發展的動力

1. 技術的不斷發展與更新
   硬體技術、軟體技術
2. 各種應用與需求的發展與擴大
   用戶的需求、不同的應用需求

1.3.3 作業系統的發展

• 作業系統有
  批處理系統
  分時系統
  實時系統
  網路系統
  分布式系統
  微機作業系統
  嵌入式作業系統
  多處理機作業系統 等等

一、批處理系統

1. 基本概念
   作業：是用戶定義的、由計算機完成的作業單位，它通常包括一組計算機程式、檔案和對作業系統的控制陳述句，
   作業步：由作業控制陳述句明確標識的計算機程式的執行程序
2. 作業流程：多道批處理系統中的作業流程
   
3. 特點
   · 多道：系統在記憶體中存放多個作業，并且在外存上還保存大量的后備作業，
   · 成批：系統按批次調度作業，而在系統運行程序中不允許用戶和機器之間發生互動作用，
4. 批處理系統的主要優點：
   ① 系統資源利用率高
   ② 系統吞吐量大
5. 批處理系統的主要缺點：
   ① 作業的平均周轉時間長
   ② 沒有互動能力

二、分時系統

1、分時系統的產生背景

• 人機互動的需求
• 共享昂貴機器的需求
• 方便上機使用的需求

如果說多道批處理系統的形成和發展是為了提高資源利用率和系統吞吐量，那么，推動分時系統的主要動力則是用戶的需求，

2、分時系統中的基本概念

• 分時：廣義上，是指對時間的共享，在分時系統中，分時主要是指若干并發程式對CPU時間的共享
• 并行：是指在同一時刻有兩個或兩個以上的活動發生
• 終端命令：新的操作界面，直接接收用戶命令
• 時間片：一個長度的CPU運行時間
• 回應時間：用戶輸入一個請求（如擊鍵）到系統給出首次回應（如螢屏顯示）的時間，回應時間取決于時間片的長短和用戶個數，
  回應時間T與時間片大小q和用戶個數n之間的關系：
  T=n*q （q包括切換時間和真正用來處理的時間）

3、分時系統展示

4、分時系統特征：

• 多路性：多用戶同時操作、使用計算機
• 獨占性：各終端用戶感覺到自己獨占了計算機
• 及時性：用戶的請求能在較短時間內相應
• 互動性：用戶能與計算機進行人機對話

5、分時系統的主要優點：
①人機互動友好
②應用方便
③資源共享

三、實時系統

1、實時系統的引入

• 實時作業系統：主要用于程序控制、事務處理等有實時要求的領域，其主要特征是實時性和可靠性，對時間有嚴格限制和要求，
• 三種典型應用形式：
  （1）實時控制系統（程序控制）
  （2）實時資訊查詢（資訊查詢）
  （3）事務處理系統（事務處理）

2、實時任務/系統的型別

• 按是否具有周期性分為：
  （1）周期性實時任務/系統
  （2）非周期性實時任務/系統
• 按是否有嚴格的截止時間分為：
  （1）硬式實時系統：對時間嚴格約束
  （2）軟式實時系統：對時間限制稍弱一些
• 常見的商業實時作業系統有VxWorks, VRTX/OS,pSOS+,RTMX,OS/9和Lynx OS等等，

3、一個嚴格的實時系統應該具備的特征

• 1）高精度計時系統
  2）多級中斷機制
  3）實時調度機制

4、實時系統特征：

• 可靠性：對系統要求更高，安全可靠，
  實時性：時間要求更精確，更及時，
  多路性：主要是連接的硬體終端，
  互動性：互動性要求較低，

5、實時系統與分時系統的差別

• 目標不同：分時系統是提供一種隨時可供多個用戶使用的通用型作業系統，而實時作業系統大多數是具有特殊用途的專用系統，
• 互動性不同：分時具有較強的對話與互動能力，而實時系統互動性很弱，
• 回應時間要求不同：實時系統要求高，通常是微秒級的；分時系統通常是秒級的，
• 實時性：實時系統要求高，分時系統要求低，
• 可靠性：分時只要能滿足一般用戶能接收的等待時間即可，而實時系統的回應時間要求嚴格，

四、通用作業系統

為了提高系統適應性和性能，現在的許多作業系統都同時具有多種作業系統功能，如同時兼有批處理、分時、實時系統功能，
實際中，一般一個系統會兼具分時和批處理系統的功能，或者兼具實時和批處理系統的功能等，

練習：
在設計分時作業系統時，首先要考慮的是 互動性和回應時間 ；
在設計實時作業系統時，首先要考慮的是實時性和可靠性 ；
在設計批處理系統時，首先要考慮的是周轉時間和系統吞吐量 ，

五、網路作業系統

1、計算機網路的概念：
計算機網路是把分布在不同地點，并具有獨立功能的多個計算機系統通過通信設備和線路連接起來，在功能完善的網路軟體和協議的管理下，以實作網路中資料傳遞與資源共享的系統，

2、計算機網路的特征：
（1）分布性 （2）自治性
（3）互連性 （4）可見性

3、網路作業系統

• 服務器 客戶機
• 網路作業系統 — 實作網路通信、資源共享和保護，
  以及提供網路服務和網路介面等
• 本地作業系統 — 完成本地資源的管理和服務功能
• 客戶 – 服務器模式
• 常用的網路作業系統：Sun公司的NFS、Novell公司的Netware 5.0、Microsoft公司的Windows NT Server 4.0、IBM公司的LAN Server 4.0、自由軟體Linux

六、分布式作業系統

1、分布式計算機系統的概念：是以計算機網路為基礎的計算機系統，包含多臺處理機，每臺處理機完成系統中指定的一部分功能，從硬體上講，它與計算機局域網沒有任何區別，關鍵是軟體，

• 以計算機網路為基礎；
• “運行在不具有共享記憶體的多臺計算機上 ，但在用戶眼里卻像一臺計算機”：一群聯網的計算機，其行為像是一臺虛擬的單處理機，用戶不必關心計算機的資源在什么地方、什么時間作業以及資源如何調配作業，

2、分布式系統的概念：分布式系統是建立在網路之上的軟體系統，分布式系統具有高度的內聚性和透明性，網路和分布式系統之間的區別更多的在于高層軟體（特別是作業系統），而不是硬體，

• 內聚性是指每一個資料庫分布節點高度自治，有本地的資料庫管理系統，
• 透明性是指每一個資料庫分布節點對用戶的應用來說都是透明的，看不出是本地還是遠程，
• 在分布式資料庫系統中，用戶感覺不到資料是分布的，即用戶不須知道關系是否分割、有無副本、資料存于哪個站點以及事務在哪個站點上執行等，

3、分布式系統的特點：

• 分布式
• 健壯性
• 透明性
• 共享性
• 可靠性
• 可擴充性

4、分布式軟體系統：分布式軟體系統是支持分布式處理的軟體系統,是在由通信網路互聯的多處理機體系結構上執行任務的系統，它包括分布式作業系統、分布式程式設計語言及其編譯（解釋）系統、分布式檔案系統和分布式資料庫系統等，

• 分布式作業系統：負責管理分布式處理系統資源和控制分布式程式運行，
• 分布式程式設計語言：用于撰寫運行于分布式計算機系統上的分布式程式，
• 分布式檔案系統：具有執行遠程檔案存取的能力,并以透明方式對分布在網路上的檔案進行管理和存取，
• 分布式資料庫系統：由分布于多個計算機結點上的若干個資料庫系統組成，分布式資料庫在使用上可視為一個完整的資料庫,而實際上它是分布在地理分散的各個結點上，當然,分布在各個結點上的子資料庫在邏輯上是相關的，
• 分布式郵件系統：分布式郵件系統的部署設計，即同一域名下，跨地域部署的郵件系統，

5、網路作業系統和分布式作業系統的區別：

• 1）分布式系統的各個計算機之間處于平等地位無主從關系；網路有一些主從關系，
  2）分布式系統資源為所有用戶共享；而網路有限制地共享，
  3）分布式系統中一項任務可分給若干處理單元相互協作共同完成，而網路往往是各司其責，

練習：
為了提高計算機的處理機和外部設備的利用率，把多個程式同時放入主存，在宏觀上并行運行是 多道程式設計 ；
把一個程式劃分成若干個同時執行的程式模塊的設計方法是 并發程式設計 ；
多個用戶在終端設備上的互動方式輸入、排錯和控制其程式的運行是 分時OS ；
由多個計算機組成的一個系統，這些計算機之間可以通信來交換資訊，互相之間無主次之分，它們共享系統資源，程式由系統中的全部或部分計算機協同執行，管理上述計算機系統的作業系統是 分布式OS ；
有一類作業系統的系統回應時間的重要性超過系統資源的利用率，它被廣泛地應用于衛星控制、飛機訂票業務等領域是 實時OS ，

作業系統的操作歷程

七、微機作業系統

微機作業系統使用于PC（個人電腦：臺式機和筆記本等），
微機作業系統分類：

• 1）單用戶單任務作業系統：只允許一個用戶上機，且只允許用戶每次執行一個任務，如DOS，
• 2）單用戶多任務作業系統：同一時間只允許一個用戶上機，但允許一個用戶并發執行多個任務，從而提高系統的性能，如Windows，
• 3）多用戶多任務作業系統：多用戶共享主機，如UNIX、Linux、Windows Sever等，

八、嵌入式作業系統

**嵌入式作業系統（EOS）**是一種用途廣泛的系統軟體，過去它主要應用于工業控制和國防系統領域，
隨著Internet技術的發展、資訊家電的普及應用及EOS的微型化和專業化，EOS開始從單一的弱功能向高專業化的強功能方向發展，
手表、微波爐、家用電器、DV、汽車、路由器、列印機、機器人等設備中都可以使用EOS，

嵌入式系統設計時考慮的因素：

• 能源、成本和可靠性通常是影響設計的重要因素
• 體積、記憶體容量及電源等方面受到限制

嵌入式系統的特征：

• 系統內核小
• 專用
• 系統精簡
• 實時操作

九、多處理器作業系統

多處理器系統是由多臺處理器組成的計算機系統，多處理作業系統的出現是為了提高計算機系統性能和可靠性，

提高性能有兩條途徑：一是提高各個組成部分的速度，二是增大處理的并行程度，

1975年前后，出現多處理機系統（multi-processor），

多處理器系統的特點：

• 增加系統的吞吐量
• 提高系統可靠性

多處理機的結構：

• 緊密耦合多處理機：交叉主存
• 松散耦合多處理機：通過通信線路連接

多處理機作業系統的型別：

• 非對稱多處理機
• 對稱多處理機

十、大中型計算機作業系統

大中型計算機結構復雜，性能優秀，功能強大

• 批處理、分時、實時系統
• 批處理與分時、批處理與實時

例如：IBM OS/390、IBM Z900 等

十一、云作業系統

云作業系統：是以云計算、云存盤技術作為支撐的作業系統，是云計算后臺資料中心的整體管理運營系統，它是指構架于服務器、存盤、網路等基礎硬體資源和單機作業系統、中間件、資料庫等基礎軟體之上的、管理海量的基礎硬體、軟體資源的云平臺綜合管理系統，

云作業系統通常包含以下幾個模塊：大規模基礎軟硬體管理、虛擬計算管理、分布式檔案系統、業務/資源調度管理、安全管理控制等幾大模塊組成，
云作業系統有以下幾個作用：一是治眾如治寡，能管理和驅動海量服務器、存盤等基礎硬體，將一個資料中心的硬體資源邏輯上整合成一臺服務器；二是為云應用軟體提供統一、標準的介面；三是管理海量的計算任務以及資源調配，

• 云作業系統產品：一般來講，國內外大的網站，比如Google、網易、騰訊等，都有該類產品，但由于該系統是各自的核心競爭力，都是自產自用，并對外發售，
• 浪潮的云海：浪潮云海是第一款國產云作業系統，采用“linux+Xen”開放標準技術路線，支持分布式計算、分布式存盤等，性能更好、可用性更強、成本更低，
• 還有：VMware的vSphere、微軟的 Windows Server 2012、甲骨文的 Solaris 11、華為、曙光等，

十二、移動作業系統

Android
iOS
Windows 10 Mobile

十三、單內核和微內核作業系統

• 單體內核：大內核，將OS的全部功能都做進內核中，包括調度、檔案系統、網路、設備驅動器、存盤管理，比如設備驅動管理、資源分配、行程間通信、行程間切換管理、檔案系統、存盤管理、網路等，單體內核是指在一大塊代碼中實際包含了所有作業系統功能，并作為一個單一行程運行，具有唯一地址空間，
  UNIX（包括Linux）系統都采用的單體內核，

• 微內核：微內核與單體內核不同，微內核只是將OS中最核心的功能加入內核，包括IPC通信、地址空間分配和基本的調度，這些東西處在內核態運行，如：WINCE系統，而其他功能如設備驅動、檔案系統、存盤管理、網路等作為一個個處于用戶態的行程而向外提供某種服務來實作，而且這些處于用戶態的行程可以針對某些特定的應用和環境需求進行定制，有時，也稱這些行程為服務器，

• 微內核由一群盡可能將數量最小化的軟體程式組成，它們負責提供實作一個作業系統所需要的各種機制與功能，微內核作業系統就是一種基于微內核架構的作業系統，

• 微內核作業系統結構，是20世紀80年代后期發展起來的，由于它能有效地支持多處理機運行，故非常適用于分布式系統環境，當前比較流行的、能支持多處理機運行的作業系統，幾乎全部都采用了微內核結構，如卡耐基梅隆大學研制的MachOS，便屬于微內核結構作業系統，又如當前廣泛使用的Windows作業系統（還屬于單內核作業系統），也逐漸采用了一定的微內核結構，還有手機作業系統Android屬于微內核結構，

• 微內核結構的特征：
  1）足夠小的內核
  2）基于客戶/服務器模式
  3）應用“機制與策略分離”原理
  4）采用面向物件技術

十四、庫作業系統

• 庫作業系統：是可用于跨眾多云計算平臺和移動平臺，構建安全的、高性能的網路應用程式，其作業原理是將虛擬機管理程式當成一個穩定的硬體平臺，讓用戶專注于實施高性能協議，沒必要為支持傳統作業系統里面的成千上萬個設備驅動程式而操心，典型的如 MirageOS，
• 庫作業系統是一種新的方法：只包含作業系統的必要組件，連同應用程式一起編譯到單一內核，這帶來非常高效、極其精簡的軟體設備，同時攻擊面要小得多，這種軟體設備可以直接部署到云端和嵌入式設備，好處就是降低了成本，提高了安全性和可擴展性，

1.4 作業系統的功能與特征

1.4.1 作業系統的功能

• 作業系統的目標：

  • 方便性
  • 有效性
  • 可擴展性

• 作業系統的功能
  作業系統的主要任務是對系統中的軟體、硬體實施有效的管理，以提高系統資源（主要包括處理機、主存盤器和外存盤器、文件系統）的利用率，主要功能如下：

  • 1）處理機管理（行程管理，CPU）：行程控制、行程同步與互斥、行程調度、行程通信、行程死鎖等
  • 2）存盤管理（記憶體）：記憶體分配、地址映射、記憶體保護、記憶體擴充等
  • 3）設備管理（輸入輸出設備）：緩沖區管理、設備分配、設備驅動、設備無關性、虛擬設備等
  • 4）檔案管理（程式資料檔案等軟體資源）：檔案存盤空間管理、檔案操作、目錄管理、檔案存取控制等
  • 5）用戶介面：程式介面、命令介面、圖形介面等

1.4.2 作業系統的特征

1、并發性：在多道程式處理時，宏觀上并發，微觀上交替執行（在單處理器情況下），

• 并發：是指兩個或多個事件在同一時間段內發生，作業系統是一個并發系統，各行程間的并發，系統與應用間并發，作業系統要完成這些并發程序的管理，
• 并行：是指兩個或多個事件在同一時刻發生，

2、共享性：多個行程共享有限的計算機系統資源，作業系統要對系統資源進行合理分配和使用，資源在一個時間段內交替被多個行程所用，

• 互斥共享方式（如列印機等資源），資源分配后到釋放前，不能被其他行程所用，
• 同時訪問方式（如可重入代碼，磁盤檔案），一段時間可以允許多個訪問，

3、異步性：異步性也稱不確定性，指行程的執行順序和執行時間及執行結果的不確定性，

• 多道程式設計環境下，行程并發執行，按異步方式運行，時走時停，不可預知每個行程的運行推進快慢，引發執行順序與時間的不確定，
• 執行結果不確定，不可再現，相同輸入與環境下多次運行結果不同，

4、虛擬性：一個物理物體映射為若干個對應的邏輯物體（分時或分空間），虛擬是作業系統管理系統資源的重要手段，可提高資源利用率，

• 虛擬存盤器
• 虛擬設備
• 還有如：虛擬光驅，虛擬機等，但意義不盡相同，

1.5 作業系統結構設計

1.5.1 整體系統

• 分模塊，相互呼叫
• 特點：
  1.任意呼叫，耦合緊密
  2.實作的效率高
• 缺點：
  1.結構關系不清晰
  2.系統的可靠性降低

模塊呼叫示意圖

1.5.2 層次式系統

• 分層次，按規則在層次間呼叫
• 具有整體系統的長處，同時結構關系清晰，提高了系統的可靠性、可移植性和可維護性，
  

1.5.3 虛擬機結構

• 通過共享物理機器資源來實作
• 主要優點：同時運行多個作業系統；提供良好的作業環境；系統安全，有效地保護系統資源；組建虛擬網路，

帶CMS的VM/370結構

1.5.4 客戶——服務器系統

客戶——服務器系統模型：

分布式系統中的客戶-服務器模型 ：

1.6 擴展知識

• the first Microcomputer
  

• Apple
  

• Apple：Macintosh
  

• Apple：iMAC一體機
  

• IBM PC：

• Windows：
  

• Linux：
  
  

• Embedded/Mobile Operating System：
  

• 作業系統的未來：
  1.研究與建立未來的作業系統：作業系統朝提供更省電、網路化、智能化、量子化、以及更人性化的使用界面等方向來改進和發展，
  2.Linux及一些類UNIX OS正努力讓自己成為個人用戶舒適的環境，
  3.GNU Hurd是一個企圖完全兼容Unix并加強許多功能的微內核架構，