计算机网络基础基本概念（第一部分）

编程入门行业动态更新时间:2024-10-28 17:25:25

计算机网络基础基本概念（第一部分）

计算机操作系统概述

计算机系统的用户视图

计算机硬件的组成

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

总线及其组成

总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共信息干线，它是cpu、内存、输入输出设备传递信息的公共通道。
计算机的各个部件通过总线相连接，外围设备通过响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

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

中央处理器

是计算机的运算核心和控制单元，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
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。

处理器与寄存器

运算单元
控制单元
内部总线
PC/IR/Flag
MAC/MDR
寄存器
Cache
IOAR/IODR

寄存器的组织层次

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

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

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

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
- 自动化执行程序装入，必要时进行地址转化
- 通常放在ROM中（内存储器）

引入汇编语言后的计算机控制

引入高级语言后的计算机控制

操作系统的组成

进程调度子系统
进程通信子系统
内存管理子系统
设备管理子系统
文件管理子系统
网络通信子系统
作业控制子系统

操作系统类型

从操作控制方式看
- 多道批处理操作系统，脱机控制方式
- 分时操作系统，交互式控制方式
- 实时操作系统
从应用领域看
- 服务器操作系统，并行操作系统
- 网络操作系统、分布式操作系统
- 个人机操作系统、手机操作系统
- 嵌入式操作系统、传感器操作系统

资源的共享与分配方式

资源共享方式
- 独占使用方式
- 并发使用方式
资源分配策略
- 静态分配方式
- 动态分配方式‘
- 资源抢占方式

多道程序设计及优点

多道程序设计：指让多个程序同事进入计算机的主存储器进行计算
多道程序设计的特点
- CPU与外部设备充分并行
- 外部设备之间充分并行
- 发挥CPU的使用效率
- 提高单位时间的算题量

多道程序系统的实现

为进入内存执行的程序简历管理实体：进程
OS应管理与控制进程程序的执行
OS协调管理各类资源在进程间的使用
- 处理器的管理与调度
- 主存储器的管理和调度
- 与其他资源的管理和调度

多道程序系统的实现要点

如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程
如何复用CPU：调度程序（在CPU空闲时让其他程序运行）
如何使CPU与I/O设备充分并行：设备控制器与通道（专用的I/O处理器）
如何让正在运行的程序让出CPU：中断（中断正在执行的程序，引入OS处理）

计算机系统操作方式

os的操作接口——系统程序
os的两类作业级接口
- 脱机作业控制方式：作业控制语言
- 联机作业控制方式：操作控制命令

脱机作业控制方式

os: 提供作业说明语言
用户：编写作业说明书，确定作业加工控制步骤，并与程序数据一并提交
操作员：通过控制台输入作业
os: 通过作业控制程序自动控制作业的执行

联机作业控制方式

计算机：提供终端（键盘/显示器）
用户：登录系统
OS：提供命令解释程序
用户：联机输入命令，直接控制作业步的执行

命令解释程序

命令解释程序：接受和执行一条用户提出的对作业的加工处理命令
当一个新的批作业被启动，或新的交互型用户登录进系统时，系统就自动地执行命令解释程序，负责读入控制卡或命令行，作出相应解释，并予以执行
会话语言：可编程的命令解释程序
图形化的命令控制方式
多通道交互的命令控制方式

命令解释程序的处理过程

os启动解释程序，输出命令提示符，等待键盘中断/鼠标点击/多通道识别
每当用户输入一条命令(暂存在命令缓冲区)并按回车换行，申请中断
cpu响应后，将控制权交给命令解释程序，接着读入命令缓冲区内容，分析命令、接受参数，执行处理代码
前台命令执行结束后，再次输入命令提示符，等待下一条命令
后台命令处理启动后，即可接受下条命令。

系统调用的实现机制

陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用的机制
陷入指令：也称访管指令，或异常中断指令，计算机系统为实现系统调用而引起处理器中断的指令
每个系统调用都事先规定了编号，并在约定寄存器中规定了传递给内部处理程序的参数。

系统调用的实现要点

编写系统调用处理程序
设计一张系统调用入口地址表，每个入口地址指向一个系统调用的处理程序，并包含系统调用自带参数的个数
陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场

操作系统软件的结构设计

OS构件
- 内核，进程，线程，管程等
设计概念
- 模块化，层次化，虚拟化
内核设计是os设计中最为复杂的部分

操作系统内核

单内核：内核中各部件杂然混居的形态，始于1960年代，广泛使用；如Unix/Linux，及Windows(自称采用混合内核的CS结构)
微内核: 1980年代始，强调结构性部件与功能性部件的分离，大部分OS研究都集中在此
混合内核：微内核和单内核的折中，较多组件在核心态中运行，以获得更快的执行速度
外内核：尽可能减少内核的软件抽象化和传统微内核的消息传递机制，使得开发者专注于硬件的抽象化；部分嵌入式系统使用

操作系统实现的第二种层次结构

处理器与寄存器

处理器部件的简单示意

用户程序可见寄存器

可以让程序员减少访问主内存储器的次数，提高指令执行的效率
所有程序可使用，包括应用程序和系统程序
- 数据寄存器：又称通用寄存器
- 地址寄存器：索引，栈指针，短地址等寄存器

控制与状态寄存器

用于控制处理器的操作：主要被具有特权的操作系统程序使用，以控制程序的执行
程序计数器PC: 存储将取指令的地址
指令寄存器IR：存储最近使用的指令
条件码CC：CPU为指令操作结果设置的位，标志正/负/零/溢出等结果
标志位：中断位，中断允许位，中断屏蔽位，处理器模式位，内存保护位，。。等

程序状态字PSW

PSW即是操作系统的概念，指记录当前程序运行的动态信息，通常包含：
- 程序计数器，指令寄存器，条件码
- 中断字，中断允许/禁止，中断屏蔽，处理器模式，内存保护、调试控制
PSW也是计算机系统的寄存器
- 通常设置一组控制与状态寄存器
- 也可以专设一个PSW寄存器

机器指令

机器指令是计算机系统执行的基本命令，是中央处理器执行的基本单位
指令由一个或多个自己组成，包括操作码字段、一个或多个操作数地址段、以及一些表征机器状态的状态字以及特征码
指令完成各种算术逻辑运算，数据传输、控制流跳转

指令执行过程

CPU根据PC取出指令，放入IR.并对指令译码，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行
一种指令执行步骤如下：
- 取指：根据PC从存储器或高速缓冲存储器中取指令到IR
- 解码：解译IR中的指令来决定其执行行为
- 执行：连接到CPU部件，执行运算，产生结果并写回，同时在CC里设置运算结论标志，跳转指令操作PC,其他指令递增PC值

特权指令：只能被操作系统内核使用的指令
非特权指令：能够被所有程序使用的指令
计算机一般设置0、1、2、3等四种运行模式，建议分别对应：0操作系统内核、1系统调用、2共享库程序、3用户程序等保护级别

一般说现在常用的只有模式0和模式3

中断

中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的时间时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序待处理完成后再返回源程序被中断处或调度其他程序执行的过程
操作系统是“中断驱动”的，中断是激活操作系统的唯一方式

中断、异常与系统异常

狭义中断指来源于处理器之外的中断事件，即与当前运行指令无关的中断事件，如I/O中断、时钟中断、外部信号中断等
异常指当前运行指令引起的中断事件，如地址异常、算术异常、处理器硬件故障
系统异常指执行陷入指令而触发系统调用的中断事件，如请求设备、请求I/O、创建进行等

中断源——处理器硬件故障中断事件

由处理器、内存储器、总线等硬件故障引起
处理原则为：保护现场，停止设备，停止CPU,向操作员报告，等待人工干预

中断源——程序性中断事件

处理器执行机器指令引起
- 除数为零、操作数移除等算术异常：简单处理，报告用户；也可以由用户编写中断续元程序处理
- 非法指令、用户态使用特权指令、地址越界、非法存取等指令异常：终止进程
- 终止进程指令：终止进程
- 虚拟地址异常：调整内存后重新执行指令

中断源——I/O中断事件

来源于外围设备报告I/O状态的中断事件
- I/O完成：调整进程状态，释放等待进程
- I/O出错：等待人工干预
- I/O异常：等待人工干预‘

中断源——外部中断事件

由外围设备发出的信号引起的中断事件
- 时钟中断、间隔时钟中断：记者与时间片处理
- 设备报到与结束中断：调整设备表
- 键盘/鼠标信号中断：根据信号作出相应发应
- 关机/重启动中断：写回文件，停止设备与CPU

中断系统

中断系统是计算机系统中相应和处理中断的系统，包括硬件子系统和软件子系统两部分
中断相应由硬件子系统完成
中断处理由软件子系统完成

中断相应处理与指令执行周期

在指令执行周期最后增加一个微操作，以相应中断

中断装置

中断装置因计算机而异，通常有
- 处理器外的中断：由中断控制器发现和响应
- 处理器内的异常：由指令的控制逻辑和实现线路发现的响应，响应机制称为陷阱
- 请求OS服务的系统异常：处理器执行陷入指令时直接触发，相应机制称为系统陷阱。

中断控制器

中断控制器：CPU中控制部件，包括中断控制逻辑线路和中断寄存器
- 外部设备向其发出中断请求IRQ, 在中断寄存器中设置已发生的中断
- 指令处理结束前，会检查中断寄存器，若有不被屏蔽的中断产生，则改变处理器内操作的顺序，引出操作系统中的中断处理程序

陷阱与系统陷阱

陷阱与系统陷阱：指令的逻辑和实现线路的一部分
- 执行指令出现异常后，会根据异常情况转向操作系统的异常处理程序
- 出现虚拟地址异常后，需要重新执行指令，往往越过陷阱独立设置页面异常处理程序。
- 执行陷入指令后，越过陷阱处理，触发系统陷阱，激活系统调用处理程序

中断相应过程

发现中断源,提出中断请求
- 发现中断寄存器中记录的中断
- 决定这些中断是否应该屏蔽
- 当有多个要相应的中断源时，根据规定的优先级选择一个
中断当前程序的执行
- 保存当前程序的PSW/PC到核心栈
转向操作系统的中断处理程序

中断的处理

中断处理程序
- 操作系统处理中断事件的控制程序，主要任务是处理中断事件和恢复正常操作
中断处理过程
- 保护未被硬件保护的处理器状态
- 通过分析被中断进程的PSW中断码字段，识别中断源
- 分别处理发生的中断事件
- 恢复正常操作

恢复正常操作

对于某些中断，在处理完毕后，直接返回刚刚被中断的进程
对于其他一些中断，需要中断当前进程的运行，调整进程队列，启动进程调度，选择下一个执行的进程并恢复其执行

补充：PSW程序状态字（Program Status Word)：记录处理器的运行状态，如条件码、模式、控制位等

中断系统处理流程

中断优先级

一种有可能的处理次序
- 处理机硬件故障中断事件、自愿性中断事件、程序性中断事件、时钟中断等外部中断事件、输入输出中断事件、重启动和关机中断事件
- 不同类型的操作系统有不同的中断优先级

多重中断处理

X、Y两个中断同时发生
先响应X
因Y被屏蔽，继续处理X
再响应并处理Y

X、Y两个中断同时发生
根据中断优先级先响应X
因未屏蔽Y,再响应并处理Y
Y处理完成后，再处理X

进程

一个进程包括五个实体部分
- （OS管理运行程序的）数据结构P
- (运行程序的)内存代码C
- (运行程序的)内存数据D
- (运行程序的)通用寄存器信息R
- (OS控制程序执行的)程序状态字信息PSW

进程状态

运行态指继承占有处理器运行
就绪态指进程具备运行条件等待处理器运行
等待态指进程由于等待资源、输入输出、信号等不具备运行条件

进程挂起

OS运行资源不足表现为性能低和死锁两种情况
解决办法：剥夺某些进程的内存及其他资源，调入OS管理的对换区，不参加进程调度，待适当时候再调入内存、恢复资源、参与运行，这就是进程挂起
挂起和等待态的区别：后者占有已申请到的资源处于等待，前者没有任何资源

进程挂起的选择与恢复

一般选择等待态进程进入挂起状态
也可选择就绪态进程进入挂起就绪态
运行态进程还可以挂起自己
等待事件结束后，挂起等待态进入挂起就绪态
一般选择挂起就绪态进程予恢复

进程控制块 Process Control Block

进程控制块PCB是OS用于记录和刻画进程状态及环境信息的数据结构
借助PCB，OS可以全面管理进程的物理实体，刻画进程的执行现状，控制进程的执行

进程控制块 - 现场信息

用于存放该进程运行时的处理器现场信息
用户可见寄存器内容：数据寄存器、地址寄存器
控制与状态寄存器内容：PC、IR、PSW
栈指针内容：核心栈与用户栈指针

进程控制块 - 控制信息

用于存放于管理、调度进程相关的信息

调度相关信息：状态、等待时间/原因、优先级
进程组成信息：代码/数据地址、外存映像地址
队列指引元：进程队列指针、父子兄弟进程指针
通信相关信息：消息队列、信号量、锁
进程特权信息：如内存访问权限、处理器特权
处理器使用信息：占用的处理器、时间片、处理器使用时间/已执行总时间、记账信息
资源清单信息：如正占有的资源、已使用的资源

进程映像

某一时刻进程的内容及其执行转态集合
- 进程控制块：保存进程的标识信息、转态信息和控制信息
- 进程程序块：进程执行的程序时间
- 进程数据块：进程处理的数据空间，包括数据、处理函数的用户栈和可修改的程序
- 核心栈：进程在内核模式下运行时使用的堆栈，中断或系统过程使用
进程映像是内存级的物理实体，又称为进程的内存映像

进程的内存映像示意图

进程上下文，Process context

进程的执行需要环境支持，包括CPU现场和Cache中的执行信息
OS中的进程物理实体和支持进程运行的环境结合进程上下文，包括以下：
- 用户级上下文：用户程序块/用它关乎数据区/用户栈./用户共享内存
- 寄存器上下文：PSW/栈指针/通用寄存器
- 系统级上下文：PCB/内存区表/核心栈
进程上下文刻画了进程的执行情况

概念级的OS进程管理软件

系统调用/中断/异常处理程序
队列管理模块
进程控制程序
进程调度程序（独立进程居多）
进程通信程序（多个程序包）
终端登录与作业控制程序、性能监控程序、审计程序等外围程序

进程实现的队列模型

进程的控制与管理

进程创建：进程表加一项，申请PCB并初始化，生成标识，建立影响，分配资源，移入就绪队列
进程撤销：从队列中移除，归还资源，撤销标识，回收PCB，移除进程表项
进程阻塞：保存现场信息，修改PCB，移入等待队列，调度其他进程执行
进程唤醒：等待队列中移出，修改PCB，移入就绪队列（该进程优先级高于运行进程触发抢占）
进程挂起：修改状态并出入相关队列，收回内存等资源送至对换区
进程激活：分配内存，修改状态并出入相关队列

进程切换

进程切换指从正在运行的进程中收回处理器，让待运行进程来占有处理器运行
进程切换实质上就是被中断运行进程与待运行进程的上下文切换，处理过程是：
- 保存被中断进程的上下文
- 转向进程调度
- 恢复待运行进程的上下文

模式切换

进程切换必须在操作系统内核模式下完成，这就需要模式切换
模式切换又称处理器状态切换，包括：
- 用户模式到内核模式
  - 由中断/异常/系统调用中断用户进程执行而触发
- 内核模式到用户模式
  - OS执行中断返回指令将控制权交还用户今后才能而触发

模式切换的任务

中断装置完成正向模式切换，包括：
- 处理器模式转为内核模式
- 保存当前进程的PC/PSW值到核心栈
- 转向中断/异常/系统调用处理程序
中断返回指令完成逆向模式转换，包括：
- 从待运行进程核心栈中弹出PSW/PC值
- 处理器模式转为用户模式

进程切换的工作过程

（中断/异常等触发）正向模式切换并压入PSW/PC
保存被中断进程的现场信息
处理具体中断/异常
把被中断进程的系统堆栈指针SP值保存到PCB
调整被中断进程的PCB信息，如进程状态
把被中断进程的PCB加入相关队列
选择下一个占用CPU运行的进程
修改被选中进程的PCB信息，如进程状态
设置被选中进程的地址空间，恢复存储管理信息
恢复被选中进程的SP值到处理器寄存器SP
恢复被选中进程的现场信息进入处理器
（中断返回指令出发）逆向模式转换并弹出PSW/PC

进程切换的发生时机

进程切换一定发生在中断/异常/系统调用处理过程中，常见的情况时：
- 阻塞式系统调用、虚拟地址异常导致被中断进程进入等状态
- 时间片中断、I/O中断后发现更高优先级进程导致被中断进程转入就绪态
- 终止用系统调用、不能继续执行的异常导致被中断进程进入终止态

进程切换与模式切换

一些中断/异常不会引起进程状态转换，不会引起进程切换，只是在处理完成后把控制权交回给被中断进程，处理流程是：
- （中断/异常触发）正向模式切换压入PSW/PC
- 保存被中断进程的现场信息
- 处理中断/异常
- 恢复被中断进程的现场信息
- （中断返回指令触发）逆向密匙转换弹出PSW/PC

多线程环境下进程的概念

进程是操作系统中进行保护和资源分配的独立单位
- 用来容纳进程映像的虚拟地址空间
- 对进程、文件和设备的存取保护机制
线程是进程的一条执行路径，是调度的基本单位，同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源。
- 线程执行状态
- 受保护的线程上下文，当线程不运行时，用于存储现场信息
- 独立的程序指令计数器
- 执行堆栈
- 容纳局部变量的静态存储器
多并发线程程序的优点：快速线程切换、减少（系统）管理开销、（线程）通信易于实现、并行程度提高、节约内存空间。

内核级线程KLT

多线程实现的混合式策略

线程创建是完全在用户空间做的
单应用的多个ULT可以映射成一些KTL，通过调整KLT数目，可以达到较好的并行效果

多线程实现的混合式策略的特点

组合用户级别线程/内核级线程设施
线程创建完全在用户空间中完后的，线程的调度和同步也在应用程序中进行
一个应用中的多个用户级别线程被映射到一些内核级线程上
针对应用和机器调节内核级线程的数目，以达到整体最佳结果
将会结合纯粹用户级线程方法和内核级线程方法的优点，减少他们缺点

处理器调度的层次

高级调度：又称长程调度，作业调度
- 决定能否加入到执行的进程池
中级调度：又称平衡负载调度
- 决定主内存中的可用进程集合
低级调度：又称短程调度，进程调度
- 决定那个可用进程占用处理器执行

高级调度

分时OS中，高级调度决定：
- 是否接受一个中高端用户的连接
- 命令是否被系统接纳并构成进程
- 新建态进程是否加入就绪进程队列
批处理OS中高级调度又被称为作业调度
- 功能是按照某种原则从后备作业队列中选取作业进入主存，并为作业做好运行前的准备工作和完成后的善后工作

中级调度

引入中级调度为了提高内存利用率和作业吞吐量
中级调度决定哪些进程被允许驻留在主存中参与竞争处理器及其他资源，起到短期调整系统负荷的作用
中级调度把一些进程换出内存，从而使之进入“挂起”状态，不参与进程调度，以平顺系统的负载

低级调度

低级调度：又称处理器调度、进程调度、短程调度，按照某种原则把处理器分配给就绪态进程或内核级线程
进程调度程序：又称分派程序，操作系统中实现处理器调度的程序，是操作系统的最核心部分
- 功能：
  - 记住进程或内核级线程的状态
  - 决定某个进程或内核级线程什么时候获得处理器，以及占用多长时间
  - 把处理器分配给进程或者内核级线程
  - 收回收器