计算机系统的层次结构

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知识重点：计算机系统的层次结构-操作系统的作用与功能硬件层提供了基本的可计算性资源，包括处理器、寄存器、存储器，以及各种 I/O设施和设备，是操作系统和上层软件赖以工作的基础。操作系统层通常是最靠..
计算机系统的层次结构-操作系统的作用与功能
硬件层提供了基本的可计算性资源，包括处理器、寄存器、存储器，以及各种 I/O
设施和设备，是操作系统和上层软件赖以工作的基础。操作系统层通常是最靠近硬件硬件知识
的软件层，对计算机硬件作首次扩充和改造，主要完成资源的调度和分配，信息的存
取和保护，并发活动的协调和控制等许多工作。操作系统是上层其他软件运行的基础，
为编译程序和数据库管理系统等系统程序的设计者提供了有力支撑。系统程序层的工
作基础建立在操作系统改造和扩充过的机器上，利用操作系统提供的扩展指令集，可
以较为容易地实现各种各样的语言处理程序、数据库管理系统和其他系统程序。此外，
还提供种类繁多的实用程序，如连接装配程序、库管理程序、诊断排错程序、分类/合
并程序等供用户使用。应用程序层解决用户特定的或不同应用需要的问题，应用程序
开发者借助于程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用程序，既快捷又方便。而
最终用户则通过应用程序与计算机系统交互来解决他的应用问题。

电脑知识
1.1.2 操作系统的作用与功能
操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。可以认为操作系统是对计算机硬件系
统的第一次扩充，用户通过操作系统来使用计算机系统。换句话说，操作系统紧靠着
计算机硬件并在其基础上提供了许多新的设施和能力，从而，使得用户能够方便、可
靠、安全、高效地操纵计算机硬件和运行自己的程序。例如，改造各种硬件设施，使
之更容易使用；提供原语和系统调用，扩展机器的指令系统；而这些功能到目前为止
还难于由硬件直接实现。操作系统还合理组织计算机的工作流程，协调各个部件有效
工作，为用户提供一个良好的运行环境。经过操作系统改造和扩充过的计算机不但功
能更强，使用也更为方便，用户可以直接调用操作系统提供的各种功能，而无需了解
许多软硬件本身的细节，对于用户来讲操作系统便成为它与计算机硬件之间的一个接
口。

操作系统为用户提供了虚拟计算机（
Virtual Machine）。许多年以前，人们就认
识到必须找到某种方法把硬件的复杂性与用户隔离开来，经过不断的探索和研究，目
前采用的方法是在计算机裸机上加上一层又一层的软件来组成整个计算机系统，同时，
为用户提供一个容易理解和便于程序设计的接口。在操作系统中，类似地把硬件细节
隐藏并把它与用户隔离开来的情况处处可见，例如：
I/O管理软件、文件管理软件和窗
口软件向用户提供了一个越来越方便的使用
I/O设备的方法。由此可见，每当在计算
机上复盖了一层软件，提供了一种抽象，系统的功能便增加一点，使用就更加方便一
点，用户可用的运行环境就更加好一点。所以，当计算机上覆盖了操作系统后，可以
扩展基本功能，为用户提供一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性好，效率
明显提高的机器，对用户来说好象可以使用的是一台与裸机不同的虚拟计算机（
Virtual
Machine）。

操作系统是计算机系统的资源管理者。在计算机系统中，能分配给用户使用的各
种硬件和软件设施总称为资源。资源包括两大类：硬件资源和信息资源。其中，硬件
资源分为处理器、存储器、I/O设备等；I/O设备又分为输入型设备、输出型设备和存
储型设备；信息资源则分为程序和数据等。操作系统的重要任务之一是对资源进行抽
象研究，找出各种资源的共性和个性，有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪
资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用

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冲突；研究使用资源的统一方法，为用户提供简单、有效的资源使用手段，最大限度
地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而，使得计算机系统的效率有很大提高。

资源管理是操作系统的一项主要任务，而控制程序执行、扩充机器功能、提供各
种服务、方便用户使用、组织工作流程、改善人机界面等等都可以从资源管理的角度
去理解。下面就从资源管理的观点来看操作系统具有的几个主要功能。
1、处理机管理

处理器管理的第一项工作是处理中断事件。硬件只能发现中断事件，捕捉它并产
生中断信号，但不能进行处理，配置了操作系统，就能对中断事件进行处理。

处理器管理的第二项工作是处理器调度。处理器是计算机系统中一种稀有和宝贵

2

的资源，应该最大限度地提高处理器的利用率。在单用户单任务的情况下，处理器仅
为一个用户的一个任务所独占，处理器管理的工作十分简单。为了提高处理器的利用
率，操作系统采用了多道程序设计技术。在多道程序或多用户的情况下，组织多个作
业或任务执行时，就要解决处理器的调度、分配和回收等问题。近年来设计出各种各
样的多处理器系统，处理器管理就更加复杂。为了实现处理器管理的功能，描述多道
程序的并发执行，操作系统引入了进程（process）的概念，处理器的分配和执行都是
以进程为基本单位；随着并行处理技术的发展，为了进一步提高系统并行性，使并发
执行单位的粒度变细，并发执行的代价降低，操作系统又引入了线程（
thread）的概念。
对处理器的管理和调度最终归结为对进程和线程的管理和调度，包括：
1）进程控制和
管理；2）进程同步和互斥；
3）进程通信；
4）进程死锁；
5）线程控制和管理； 电脑知识
6）处
理器调度，又分高级调度，中级调度和低级调度。

正是由于操作系统对处理器的管理策略不同，其提供的作业处理方式也就不同，
例如，批处理方式、分时处理方式、实时处理方式等等。从而，呈现在用户面前，成
为具有不同处理方式和不同特点的操作系统。
2、存储管理

存储管理的主要任务是管理存储器资源，为多道程序运行提供有力的支撑，便于
用户使用存储资源，提高存储空间的利用率。存储管理的主要功能包括：
1）存储分配。
存储管理将根据用户程序的需要分配给它存储器资源，这是多道程序能并发执行的首
要条件。2）存储共享。存储管理能让内存储器（又叫主存储器，本书中有时用内存，
有时用主存，没有区别）中的多个用户程序实现存储资源的共享，以提高存储器的利
用率。3）地址转换与存储保护。存储管理负责把用户的逻辑地址转换成物理地址，同
时要保证各个用户程序相互隔离起来互不干扰，更不允许用户程序访问操作系统的程
序和数据，从而，保护系统和用户程序存放在存储器中的信息不被破坏。

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