操作系统入门（一）操作系统的硬件环境
操作系统的概念
计算机系统
计算机系统由硬件(子)系统和软件(子)系统组成。
硬件(子)系统
计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求构成的有机整体，称为计算机硬件系统。计算机硬件系统主要由运算器、主存储器、控制器、输入输出控制系统、辅助存储设备等功能部件组成。
软件(子)系统
软件是计算机系统中的程序和有关的文件。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文件是为了便于了解程序所需的资料说明 。
计算机系统的层次结构
最下面是硬件系统；最上面是使用计算机的人，即各种各样的用户；人与硬件系统之间是软件系统。系统软件是最靠近硬件的一层，其次是支撑软件和应用软件。
软件分类
系统软件
位于计算机系统中最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用 。如编译程序和操作系统等。
支撑软件
即支撑其他软件的编制和维护的软件 。主要包括各种接口软件和工具组 。
应用软件
特定应用领域专用的软件，例如字处理程序。
操作系统的形成与发展
操作系统简介
操作系统的地位
操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之上的。通过操作系统对硬件功能进行扩充，并在操作系统的统一管理和支持下运行其他各种软件。 操作系统实际上是一个计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。决定了计算机硬件性能的发挥和系统的安全性和可靠性。
操作系统的定义
操作系统是计算机系统中的系统软件，是能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够方便地使用计算机，使整个计算机系统能高效运行的一组程序模块的集合。
操作系统主要作用
1、管理系统中的各种资源 ，包括硬件资源和软件资源 2、为用户提供良好的界面
操作系统的目标
方便性、有效性、可扩充性、开放性
单批道处理系统
系统对作业的处理都是成批地进行的、且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统 。
特征：自动性、顺序性、单道性。
多批道处理系统
多道程序设计的基本概念
把一个以上的作业(程序)存放在主存中，并且同时处于运行状态，共享处理机时间和外部设备等其他资源的方法。
优点：提高了CPU的利用率 提高了内存和I/O设备的利用率 增加系统吞吐量
多批道处理系统的特征
－多道性 －无序性 －调度性:作业调度和进程调度
多批道处理系统的优缺点
－优点：资源利用率高、系统吞吐量大 －缺点：平均周转时间长、无交互能力
分时系统
人－机交互、共享主机、便于用户上机
分时系统的实现方法
－作业直接进入内存 －规定每个程序只运行一个时间片的时间
分时系统的特征
- 多路性 - 独立性 - 及时性 - 交互性
实时系统
实时控制、实时信息处理
实时任务的类型
－按任务执行时是否呈现周期性来划分：周期性实时任务、非周期性实时任务 －根据对截止时间的要求来划分 ：强实时任务 、弱实时任务
实时系统与分时系统的比较
－多路性 －独立性 －及时性 －交互性 －可靠性
进一步发展
网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统
操作系统的硬件环境
中央处理机
CPU的构成与基本工作方式
一般的处理机由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成。
处理机中的寄存器
寄存器为处理机本身提供了一定的存储能力，它们的速度比主存储器快得多，但是因为造价很高，存储容量一般都很小。 处理器一般包括两类寄存器：用户可见寄存器、控制和状态寄存器（如PC、IR、PSW）。
指令的基本执行过程
特权指和非特权指令
特权指令
在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令
非特权指令
允许一般的用户使用的指令
处理机的状态
管态（特权态、特态、系统态）
指操作系统管理程序运行的状态。可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理机状态的能力
目态（指用户程序运行时的状态。只能执行非特权指令
有些系统分为核心状态、管理状态和用户程序状态普通态、普态、用户态）
存储系统
存储器的类型
－读写型存储器（随机访问存储器RAM） －只读型存储器（只读存储器ROM）
存储器的层次结构
存储分块
为了简化对存储器的分配和管理，在不少计算机系统中把存储器分成块。在为用户分配主存空间时，以块为最小单位。
存储保护
常用的存储保护机构：界地址寄存器（界限寄存器）、存储键。
缓冲技术与中断技术
缓冲技术
缓冲技术—般有3种用途：
1.用在处理机与内存之间的 2.用在处理机和其他外部设备之间 3.用在设备与设备之间的通信上的
目的：为了解决部件之间速度不匹配的问题
中断技术
什么是中断
－所谓中断是指CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应；
- 引起中断的那些事件称为中断事件或中断源； - 中断源向处理器发出的请求信号称为中断请求； - 把处理中断事件的那段程序称为中断处理程序 - 中断的作用：能充分发挥处理器的使用效率 、提高系统的实时能力
- 典型的中断：程序中断、时钟中断、I/O中断、硬件失效中断
中断分类
－依据中断的功能：可屏蔽中断（I/O中断）、不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）、程序错误中断（溢出、除法错等中断）、软件中断（Trap指令或中断指令INT） －依据被激发的手段：强迫性中断、自愿性中断 －依据中断事件发生和处理是否是异步 ：异步中断（中断）、同步中断（异常） －依据中断源的类型 ：硬件中断、软件中断
中断系统
中断系统组成部分
－中断系统的硬件中断装置 －软件中断处理程序
中断装置一般要提供的基本功能
－提供识别中断源的方法 －提供查询中断状态的方法 －提供中断现场保护的能力 －提供中断处理程序寻址能力 －具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表等数据结构和它们在主存中的位置
多级中断和中断屏蔽
－中断优先级：高优先级屏蔽低优先级 －同一中断级中有多个中断请求时，可采用固定的优先数和轮转法来处理
中断响应
－CPU何时响应中断：通常在指令周期最后时刻接受中断请求，或是在此时扫描中断寄存器 －如何知道提出中断请求的设备或中断源：一是用软件指令去查询各设备接口；二是使用“向量中断”硬件设施
中断处理
时钟
－在多道程序运行的环境中，它可以为系统发现一个陷入死循环（编程错误）的作业，从而防止机时的浪费 －在分时系统中，用间隔时钟来实现作业间按时间片轮转 －在实时系统中，按要求的时间间隔输出正确的时间信号给一个实时的控制设备 －定时唤醒那些要求延迟执行的各个外部事件 －记录用户使用各种设备的时间和记录某外部事件发生的时间间隔 －记录用户和系统所需要的绝对时间，即年、月、日