自考操作系統(tǒng)原理-第二章-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(識(shí)記)通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的一種層次結(jié)構(gòu)。最內(nèi)層是硬件系統(tǒng)，人與硬件系統(tǒng)之間的是軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(主存、輔存)、輸入/輸出控制系統(tǒng)和各種輸入/輸出設(shè)備組成。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三部分。系統(tǒng)軟件：和硬件結(jié)合最緊密，必不可少，操作系統(tǒng)，編譯系統(tǒng)支撐軟件：支持其他軟件開發(fā)維護(hù)的軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)，軟件開發(fā)工具，軟件接口應(yīng)用軟件：為特定領(lǐng)域的需求編寫的專業(yè)程序，財(cái)務(wù)管理，人事管理等系統(tǒng)工作框架(識(shí)記)1、啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行引導(dǎo)程序(系統(tǒng)初始化，把操作系統(tǒng)的核心程序裝入主存，并讓操作系統(tǒng)占用處理器)2、等

2、待用戶從鍵盤或者鼠標(biāo)輸入命令，接收后處理，處理 完繼續(xù)等待。分析和處理命令，按照命令的要求調(diào)出各種程序來執(zhí)行程序執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)等待事件發(fā)生（非法操作、除0錯(cuò)、硬件故障，請(qǐng)求分配資源、請(qǐng)求啟動(dòng)外設(shè)、輸入/輸入完成、程序執(zhí)行結(jié)束），不同的事件由操作系統(tǒng)的各種服務(wù)程序去處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有發(fā)生的事件先由硬件識(shí)別然后觸發(fā)“中斷“，暫停程序執(zhí)行，把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)的某個(gè)服務(wù)子程序，處理完后讓出處理器，暫停的程序繼續(xù)執(zhí)行。硬件環(huán)境CPU與外設(shè)的并行工作通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，都是通過輸出/輸出控制系統(tǒng)完成外圍設(shè)備與主存之間的信息傳遞。各種外圍設(shè)備連接在相應(yīng)的設(shè)備控制器上，設(shè)備控制器通過過通道連接在系統(tǒng)總線上

3、硬件環(huán)境 CPU與外設(shè)的并行工作中央處理機(jī)執(zhí)行指令，當(dāng)執(zhí)行到一條啟動(dòng)外設(shè)指令時(shí)，就按指令中給的參數(shù)啟動(dòng)指定設(shè)備，把控制權(quán)交給輸入/輸出控制系統(tǒng)，由輸入/輸出控制系統(tǒng)控制設(shè)備和主存的信息傳送，無需中央處理器干預(yù)，中央處理器可以繼續(xù)執(zhí)行其他程序。外圍設(shè)備工作結(jié)束后，需反饋該設(shè)備的工作情況，這種反饋通過I/O中斷完成。利用中央處理器和外圍設(shè)備的并行工作能力，操作系統(tǒng)可以讓多個(gè)程序同時(shí)執(zhí)行，在同一時(shí)刻各個(gè)程序各自使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同資源。硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之寄存器存儲(chǔ)器：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都采用多級(jí)存儲(chǔ)體系，包括寄存器、主存儲(chǔ)器、高速緩存和輔助存儲(chǔ)器。硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體

4、系之寄存器寄存器是處理器的組成部分，用來存放處理器的工作信息，如：操作數(shù)、指令、控制信息等。分類通用寄存器：多個(gè)，主要存放操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果指令寄存器(IR)：存放當(dāng)前從主存中讀出的指令控制器存器：存放控制信息程序狀態(tài)字(PSW)寄存器：存放當(dāng)前程序執(zhí)行時(shí)的狀態(tài)中斷字寄存器基址寄存器限長(zhǎng)寄存器硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之寄存器主存控制線路CPU讀/寫地址地址譯碼線路PC(程序計(jì)數(shù)器)CPU主存CPU運(yùn)算器通用寄存器指令寄存器指令譯碼器工作原理硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之寄存器寄存器特點(diǎn)：速度快、造價(jià)高、容量小，存放臨時(shí)工作信息，不用來保存程序和數(shù)據(jù)硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之主存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，任何程序和數(shù)據(jù)都必須

5、在裝入主存儲(chǔ)器之后才能對(duì)其進(jìn)行操作。主存儲(chǔ)器以“字節(jié)”為單位進(jìn)行編址。若干個(gè)字節(jié)可以組成一個(gè)“字”，例如：32位機(jī)一個(gè)字為4字節(jié)，64位機(jī)一個(gè)字8字節(jié)。處理器可以按地址讀出主存的一個(gè)字節(jié)或者一個(gè)字的內(nèi)容，讀出的內(nèi)容可以放到寄存器中。處理器也可以要求將寄存器的內(nèi)容存儲(chǔ)到指定的主存單元。硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之主存儲(chǔ)器主存容量較大，可以被處理器直接訪問，要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)都放在主存中。主存不是永久性的存儲(chǔ)設(shè)備，斷電數(shù)據(jù)丟失。硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之高速緩存為了減少對(duì)主存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間，加快程序的執(zhí)行速度，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往配置高速緩沖存儲(chǔ)器(cache)。高速緩存的存取速度大大快于主存的存取速度，但是價(jià)格

6、昂貴，所以一般容量較小。高速緩存的工作原理：CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先從高速緩存中查找，如果找到就從高速緩存中??；如果沒有找到，就從主存中讀取，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)制到高速緩存中由于程序執(zhí)行的局部性，在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)經(jīng)常訪問同一批信息，直接從高速緩存中取信息的頻率會(huì)很高硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之高速緩存高速緩存特點(diǎn)：容量小于主存大于寄存器；速度快于主存硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是容量大且能永久地保存信息，但它們不能被中央處理器直接訪問。輔存只能與主存相互傳送信息！磁帶優(yōu)點(diǎn)：容量大永且久保存缺點(diǎn)：速度慢，順序存取，不能隨機(jī)讀寫用途：備份,存放不經(jīng)常使用的信息,不被經(jīng)常訪問的信息磁盤分為

7、硬盤和軟件優(yōu)點(diǎn)：可隨機(jī)讀取磁盤任意位置的信息對(duì)比：硬盤跟軟盤相比容量大，速度快，軟盤方便裝卸硬件環(huán)境 存儲(chǔ)體系之輔助存儲(chǔ)器光盤信息傳送速度比硬盤慢，容量大造價(jià)低，容易裝卸硬件環(huán)境 保護(hù)措施在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，決不允許一個(gè)用戶程序擅自改變資源的使用情況。為此操作系統(tǒng)和硬件必須相互配合實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)，一般是硬件提供手段和裝置，操作系統(tǒng)利用這些設(shè)施配合硬件實(shí)現(xiàn)保護(hù)。硬件環(huán)境 硬件保護(hù)措施之特權(quán)指令硬件把中央處理器執(zhí)行的指令分成兩類特權(quán)指令：不允許用戶程序中直接使用的指令，只允許操作系統(tǒng)使用。 例如：“啟動(dòng)IO”，設(shè)置時(shí)鐘，設(shè)置控制寄存器等一類可能影響系統(tǒng)安全的指令。此類功能應(yīng)請(qǐng)求操作系統(tǒng)代為完成。非特權(quán)指

8、令：除特權(quán)指令以外的指令硬件環(huán)境 硬件保護(hù)措施之管態(tài)和目態(tài)萬一用戶程序中出現(xiàn)了特權(quán)指令怎么辦？如何知道當(dāng)前執(zhí)行的指令是用戶程序的還是操作系統(tǒng)的？為了解決這個(gè)問題，中央處理器設(shè)置了兩種工作狀態(tài)： 管態(tài)和目態(tài)。管態(tài)：當(dāng)中央處理器處于管態(tài)時(shí)可以執(zhí)行包括特權(quán)指令在內(nèi)的一切機(jī)器指令。操作系統(tǒng)占用中央處理器時(shí)，應(yīng)讓處理器工作在管態(tài)。目態(tài)：當(dāng)中央處理器處于目態(tài)時(shí)不允許執(zhí)行特權(quán)指令，用戶程序占用中央處理器時(shí)，應(yīng)讓處理器工作在目態(tài)。在目態(tài)下，如果中央處理器取得了一條特權(quán)指令，將會(huì)拒絕指令該指令，形成“非法操作”事件，硬件識(shí)別后暫停當(dāng)前程序執(zhí)行，交給操作系統(tǒng)處理，操作系統(tǒng)通知用戶“程序中有非法指令”必須修改硬件環(huán)

9、境 硬件保護(hù)措施之存儲(chǔ)保護(hù)主存儲(chǔ)器中往往同時(shí)裝入了操作系統(tǒng)程序和若干用戶程序，為了保證操作正確和安全，就必須限定用戶程序只能在規(guī)定的主存區(qū)域內(nèi)執(zhí)行。硬件設(shè)置兩個(gè)寄存器：一個(gè)稱為“基址寄存器”，另一個(gè)稱為“限長(zhǎng)寄存器”，用來限定用戶程序執(zhí)行時(shí)可以訪問的主存的空間范圍。中央處理器在目態(tài)下執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)每一個(gè)訪問主存空間的地址都要核查。 基址寄存器的值= 訪問地址=基址寄存器的值+限長(zhǎng)寄存器的值中央處理器在管態(tài)下執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)訪問主存的地址不進(jìn)行核查。操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)(識(shí)記)正確性操作系統(tǒng)必須充分估計(jì)和把握各種不確定的情況。高效性操作系統(tǒng)自身的開銷(占用的主存和輔存空間，占用處理機(jī)的時(shí)間)對(duì)計(jì)算

10、機(jī)系統(tǒng)的效率有很大影響。操作系統(tǒng)核心程序應(yīng)遵循少而精的原則，使處理既有效又靈活。維護(hù)性操作系統(tǒng)交付后，可能會(huì)對(duì)其功能進(jìn)行一些刪改；發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)還需要修改；為了提高效率，算法也會(huì)進(jìn)行調(diào)整。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要使操作系統(tǒng)容易維護(hù)。移植性移植性是指能否方便地把操作系統(tǒng)從一個(gè)硬件環(huán)境移植到另一個(gè)硬件環(huán)境中。為了方便移植，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少與硬件直接有關(guān)的程序量。操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(識(shí)記)層次結(jié)構(gòu)法的最大特點(diǎn)就是把整體問題局部化，大型復(fù)雜的操作系統(tǒng)被分解成若干單向依賴的層次，由各層的正確性來保證整個(gè)操作系統(tǒng)的正確性。采用層次結(jié)構(gòu)法便于調(diào)試，有利于功能的增刪改。文件管理設(shè)備管理存儲(chǔ)管理處理器管理 硬件

11、操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)文件管理：按名查找作業(yè)，確定作業(yè)的物理位置用戶請(qǐng)求執(zhí)行作業(yè)設(shè)備管理：?jiǎn)?dòng)外圍設(shè)備，找到作業(yè)信息，傳送到主存存儲(chǔ)管理：分配空間處理器管理：按照已裝入主存的作業(yè)情況分配中央處理器UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(識(shí)記)UNIX是一個(gè)交互式的分時(shí)操作系統(tǒng)。UNIX可以分為內(nèi)核層和外殼層兩部分內(nèi)核：操作系統(tǒng)的核心，包括存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理、處理機(jī)管理，以及為外殼提供服務(wù)的系統(tǒng)調(diào)用。外殼：shell解釋程序、編譯程序、解釋程序、實(shí)用程序、系統(tǒng)庫(kù)。UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)shell解釋程序等待輸入用戶輸入命令啟動(dòng)相應(yīng)用戶程序調(diào)用內(nèi)核操作系統(tǒng)服務(wù)UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)UNIX內(nèi)核用C語言和匯編語言

12、編寫。文件按編譯方式分成下面三類：匯編語言文件：大多與計(jì)算機(jī)硬件直接相關(guān)，如系統(tǒng)啟動(dòng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。C語言文件：除匯編語言文件外的內(nèi)核程序均用C語言編寫。C語言全局變量文件：含有結(jié)構(gòu)的重要聲明，不能獨(dú)立編譯，只能與C語言文件一起編譯。UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)UNIX系統(tǒng)提供兩種運(yùn)行環(huán)境，即用戶態(tài)和核心態(tài)。外殼程序在用戶態(tài)運(yùn)行，內(nèi)核層的程序在核心態(tài)運(yùn)行。在用戶態(tài)運(yùn)行的程序稱為用戶程序，在核心態(tài)運(yùn)行的程序稱為系統(tǒng)程序操作系統(tǒng)與用戶的接口 操作控制命令(領(lǐng)會(huì))用戶通過操作系統(tǒng)來使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)為用戶提供兩種類型的使用接口：操作員級(jí)接口和程序員級(jí)接口操作員級(jí)接口是一組操作控制命令從鍵盤輸入命令，從菜單選

13、擇命令在批處理系統(tǒng)中控制作業(yè)執(zhí)行步驟的手段是：作業(yè)控制語言，用戶使用作業(yè)控制語言事先準(zhǔn)備好一份表示作業(yè)執(zhí)行步驟的“作業(yè)控制說明書”系統(tǒng)調(diào)用(領(lǐng)會(huì))操作系統(tǒng)編制了許多不同功能的子程序(讀文件、寫文件、分配主存、啟動(dòng)I/O等)供用戶程序調(diào)用。這些操作系統(tǒng)提供的子程序稱為系統(tǒng)功能調(diào)用程序，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)為用戶程序提供的一種服務(wù)界面，是操作系統(tǒng)保證程序設(shè)計(jì)語言能正常工作的一種支持。在源程序一級(jí)，用戶程序設(shè)計(jì)語言的讀文件、寫文件等要求的實(shí)現(xiàn)只有通過操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用才能完成。系統(tǒng)調(diào)用是在管態(tài)下執(zhí)行的程序。系統(tǒng)調(diào)用int a = 12；a + ;把a(bǔ)的值輸出到d:/a.txt 編譯100

14、100101001001011011111100100101001001010010010110111111001001010010010100100101010101010101010 (訪管指令)1100110011001100CPU執(zhí)行到訪管指令(目態(tài))產(chǎn)生中斷執(zhí)行操作系統(tǒng)相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用CPU轉(zhuǎn)換為管態(tài)執(zhí)行完畢后，繼續(xù)執(zhí)行用戶程序，轉(zhuǎn)換回目態(tài)源代碼系統(tǒng)調(diào)用是如何被調(diào)用的？系統(tǒng)調(diào)用現(xiàn)在的計(jì)算系統(tǒng)硬件中都設(shè)置了“訪管指令”，在目態(tài)下執(zhí)行。編譯程序把源程序翻譯成目標(biāo)程序時(shí)，把需要調(diào)用系統(tǒng)功能的代碼轉(zhuǎn)換成一條訪管指令，并設(shè)置一些參數(shù)。處理機(jī)執(zhí)行到訪管指令時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷事件，中央處理器由原來目態(tài)下

15、執(zhí)行用戶程序，變成在管態(tài)下執(zhí)行操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用程序（目態(tài)和管態(tài)的轉(zhuǎn)換）。系統(tǒng)調(diào)用功能完成后，操作系統(tǒng)又使中央處理器返回目態(tài)下執(zhí)行用戶程序。系統(tǒng)調(diào)用種類文件操作類打開文件、新建文件、讀文件、寫文件、關(guān)閉文件、刪除文件等資源申請(qǐng)類請(qǐng)求分配主存空間、歸還主存空間、分配外設(shè)、歸還外設(shè)等控制類程序正常結(jié)束、異常結(jié)束、返回?cái)帱c(diǎn)/指定點(diǎn)等信息維護(hù)類設(shè)置/獲取日歷、時(shí)間、設(shè)置/獲取文件屬性等UNIX的用戶接口(領(lǐng)會(huì))UNIX允許每一個(gè)在終端登錄成功的用戶通過UNIX提供的操作控制命令啟動(dòng)外殼層的用戶程序。外殼的用戶層程序在執(zhí)行時(shí)通過系統(tǒng)調(diào)用來請(qǐng)求內(nèi)核層支持。Shell命令UNIX提供的操作控制命令稱為she

16、ll命令，一組shell命令組成了shell命令語言。UNIX是一個(gè)多用戶的分時(shí)操作系統(tǒng)，用戶使用shell命令前必須先注冊(cè)登錄。Shell命令格式 命令名 參數(shù)1 參數(shù)2后臺(tái)執(zhí)行的Shell命令如果一個(gè)程序的運(yùn)行需要較長(zhǎng)時(shí)間，且該程序運(yùn)行運(yùn)行時(shí)不需要從終端輸入信息，那么用戶可以要求UNIX把它轉(zhuǎn)入后臺(tái)運(yùn)行。方法：在命令末尾輸入字符“&”UNIX把一個(gè)程序轉(zhuǎn)入后臺(tái)執(zhí)行后，不等該程序執(zhí)行完畢就立即返回前臺(tái)，并顯示新命令提示符。如果此時(shí)用戶又輸入了一條新命令，實(shí)現(xiàn)該新命令的程序可以與轉(zhuǎn)入后臺(tái)的程序同時(shí)執(zhí)行。UNIX操作系統(tǒng)允許一個(gè)用戶同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，也運(yùn)行前臺(tái)和后臺(tái)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行。Shell文件把

17、若干條shell命令編輯成一個(gè)文件，來表示一組命令的執(zhí)行順序，稱為shell文件。shell文件執(zhí)行方法，假設(shè)文件名為shellfilecsh shellfile: 執(zhí)行csh命令后，系統(tǒng)從shellfile里面讀出指令，依次執(zhí)行把shell文件改為可執(zhí)行文件，chmod + x shellfile +：添加權(quán)限 x：可執(zhí)行shellfile變?yōu)榭蓤?zhí)行文件，只要輸入文件名就可以執(zhí)行在Shell文件中使用位置參數(shù)一個(gè)名為proc的shell文件如下： cc prog1.c 編譯prog1.c mv a.out prog1.0 將a.out重命名為prog1.0 prog1.0 運(yùn)行prog1.0輸入命令 csh proc 執(zhí)行該shell文件缺點(diǎn)：只能編譯運(yùn)行prog1.c，目標(biāo)可執(zhí)行文件名固定為prog1.0在Shell文件中使用位置參數(shù) cc $1 編譯參數(shù)$1 mv a.out $2 將a.out重命名為參數(shù)$2 $2 運(yùn)行參數(shù)$2執(zhí)行該shell文件 csh proc prog1 prog2第1個(gè)參數(shù)即$1第2個(gè)參數(shù)即$2UNIX的系統(tǒng)調(diào)用UNIX的內(nèi)核為外殼層的用戶程序提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，它們是外殼的用戶程序請(qǐng)求UNIX為其服務(wù)的唯一形式。常用的系統(tǒng)調(diào)用分類如下：文件操作控制有關(guān)信號(hào)與時(shí)間trap指令用戶程序使用”訪管指令“來請(qǐng)求系統(tǒng)調(diào)用，不用的系統(tǒng)訪管指令的形式不