计算机操作系统前置知识

落日映苍穹つ 2022-12-11 12:22 534阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  计算机操作系统 前置知识
 *   *  一、计算机系统
     *  二、计算机发展历史
     *  三、计算机系统的组成
     *   *  1、存储程序计算机
         *  2、总线及其组成
         *  3、总线的类型
         *  4、中央处理器（CPU）
         *  5、处理器与寄存器
         *  6、外围设备及其控制
     *  四、计算机软件系统的组成
     *  五、软件开发的不同层次
     *  六、操作平台与操作系统
     *   *  1、计算机的手工操作
         *  2、装入程序的引进
         *  3、简单批处理系统的操作控制
         *  4、操作系统与自动化操作控制
         *  5、操作系统的概念
         *  6、操作系统

# 计算机操作系统 前置知识 #

由于本学期学习了计算机操作系统，所以打算边学习边整理，一方面帮助自己梳理知识结构，另一方面可以帮助大家理解。

**注意：该总结用的是汤小丹第四版！**

关于知识脑图，我是边学边做的，推荐大家也自己做脑图，而不是直接拿走照搬，因为只有自己梳理的东西才是自己的。

**做知识脑图的好处**是可以对知识整体结构有好的把握，不会让自己迷失于细节；还可以复习时快速找到知识点等。

这次内容主要是补充一下学习本书之前需要了解的前置知识。

## 一、计算机系统 ##

*  电子数字计算机，是一种能够自行**按照已设定的程序**进行**数据处理**的电子设备。
 *  电子数字计算机，是软件与硬件相结合、面向系统、侧重应用的自动化求解工具 。
 *  1946年，首台计算机ENIAC诞生于美国 。
 *  短短70年，计算机技术迅猛发展，从**科学计算、数据处理**等应用领域，迅速扩展到**实时控制、辅助设计、智能模拟**等诸多领域 。
 *  今天计算机无所不在，深入社会生活的各个领域，深深改变了当今人类社会的组织行为。

## 二、计算机发展历史 ##

• 1945-：电子真空管、机器语言，应用于科学计算。  
• 1956-：晶体管、批处理控制、Fortran/COBOL，扩展到数据处理领域  
• 1959-：集成电路、多道程序、操作系统/数据库/高级语言，应用领域继续扩展  
• 1976-：大规模/超大规模集成电路，向快速化/小型化/系统化/网络化/智能化等方面发展  
• 1980-：微机出现，廉价化促使应用领域快速膨胀  
• 1990-：图形化人机交互技术，友善化推动了应用人群的快速扩展  
• 2003-：移动计算的出现，计算无处不在

## 三、计算机系统的组成 ##

• 计算机系统：包括硬件子系统和软件子系统

• 硬件：借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是系统工作的实体：  
CPU，主存储器，I/O控制系统，外围设备

• 软件：各种程序和文件，用于指挥计算机系统按指定的要求进行协同工作  
包括系统软件、支撑软件和应用软件：  
关键系统软件是：操作系统与语言处理程序。

![计算机系统的用户视图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

*  中央处理器  
    •运算单元  
    •控制单元
 *  主存储器
 *  外围设备  
    •输入设备  
    •输出设备  
    •存储设备  
    •网络通信设备
 *  总线  
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1][]  
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2][]

### 1、存储程序计算机 ###

*  冯·诺伊曼等人在1946年总结并明确提出， 被称为冯·诺伊曼计算机模型
 *  存储程序计算机在体系结构上主要特点  
    •以运算单元为中心，控制流由指令流产生  
    •采用存储程序原理，面向主存组织数据流  
    •主存是按地址访问、线性编址的空间  
    •指令由操作码和地址码组成  
    •数据以二进制编码  
    ![当今计算机硬件的经典结构和主流组织方式][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

### 2、总线及其组成 ###

• 总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传 送信息的公共通信干线，它是CPU、内存、 输入输出设备传递信息的公用通道  
• 计算机的各个部件通过总线相连接，外围设 备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统  
• 按照所传输的信息种类，总线包括一组控制线、一组数据线和一组地址线

### 3、总线的类型 ###

•内部总线：用于CPU芯片内部连接各元件  
•系统总线：用于连接CPU、存储器和各种 I/O模块等主要部件  
•通信总线：用于计算机系统之间通信  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4][]

### 4、中央处理器（CPU） ###

*  中央处理器是计算机的运算核心（Core）和 控制单元（ Control Unit），主要包括：  
    •运算逻辑部件：一个或多个运算器  
    •寄存器部件：包括通用寄存器、控制与状态寄存器，以及高速缓冲存储器（Cache）  
    •控制部件：实现各部件间联系的数据、控制及状态的内部总线；负责对指令译码、 发出为完成每条指令所要执行操作的控制信号、实现数据传输等功能的部件

### 5、处理器与寄存器 ###

• 运算单元  
• 控制单元  
• 内部总线  
• PC/IR/Flag  
• MAR/MDR  
• 寄存器  
• Cache  
• IOAR/IODR  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5][]  
![存储器的组织层次][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

### 6、外围设备及其控制 ###

*  设备类型  
    •输入设备  
    •输出设备  
    •存储设备  
    •机机通信设备
 *  设备控制方式  
    •轮询方式：CPU忙式控制+数据交换  
    •中断方式：CPU启动/中断+数据交换  
    •DMA方式：CPU启动/中断，DMA数据交换

## 四、计算机软件系统的组成 ##

*  系统软件：操作系统、实用程序、语言处理程序、数据库管理系统  
    •操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制  
    •实用程序为方便用户所设，如文本编辑等  
    •语言处理程序把用汇编语言/高级语言编写 的程序，翻译成可执行的机器语言程序
 *  支撑软件有接口软件、工具软件、环境数据库， 支持用户使用计算机的环境，提供开发工具  
    •也可认为是系统软件的一部分
 *  应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序  
    ![程序员的计算机系统视图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

## 五、软件开发的不同层次 ##

•计算机硬件系统：机器语言  
•操作系统之资源管理：机器语言+广义指令（扩充了硬件 资源管理）  
•操作系统之文件系统：机器语言+系统调用（扩充了信息 资源管理）  
•数据库管理系统：+数据库语言（扩充了功能更强的信息 资源管理）  
•语言处理程序：面向问题的语言  
![计算机程序的执行过程][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

## 六、操作平台与操作系统 ##

*  任何一台机器都有其操作平台与操作系统  
    •例子：洗衣机  
    1）确定水量、洗衣时间、洗涤强度、洗衣粉；  
    2）启动按钮；  
    3）指示灯显示工作状态  
    •这一方式可以总结为：开关表示，按钮 控制，亮灯显示  
    •操作平台的精细化和系统化，产生了操 作系统
 *  计算机也不例外，由此产生了极为系统的 计算机操作平台——计算机操作系统

### 1、计算机的手工操作 ###

•开关表示，按钮控制，亮灯显示  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9][]  
问题：手工操作速度与电子计算速度不匹配

### 2、装入程序的引进 ###

*  引入卡片和纸带描述程序指令与数据
 *  引入装入程序(Loader)  
    •自动化执行程序装入，必要时进行地址转 换  
    •通常存放在ROM中  
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10][]  
    ![引入汇编语言后的计算机控制][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]  
    ![引入高级语言后的计算机控制][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU2NTk5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]

### 3、简单批处理系统的操作控制 ###

•引入作业控制语言，用户编写作业说明书，描述对一次计算机求解(作业)的控制  
•操作员控制计算机成批输入作业，成批执行作业  
•这一方式明显缩短了手工操作的时间， 提高了计算机系统利用率  
•这一阶段，磁带的出现，使得卡片与纸带等机械输入方式得以进一步提高

### 4、操作系统与自动化操作控制 ###

*  电子计算速度与机械I/O速度的矛盾  
    •你在输，我在等
 *  在程序执行过程中能否同时输入作业， 重叠时间  
    •需要多道程序同时执行  
    •程序切换需要高速的外存储设备
 *  磁盘设备出现  
    •计算机操作系统浓墨登场，实现了 计算机系统的自动化控制

### 5、操作系统的概念 ###

•操作系统(Operating System)，简称OS  
•OS是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

### 6、操作系统 ###

*  简而言之，操作系统是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统程序集合  
    •从用户角度看，OS管理计算机系统的各种资源，扩充硬件的功能，控制程序的执行  
    •从人机交互看，OS是用户与机器的接口， 提供良好的人机界面，方便用户使用计算机， 在整个计算机系统中具有承上启下的地位  
    •从系统结构看，OS是一个大型软件系统， 其功能复杂，体系庞大，采用层次式、模块化的程序结构

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