操作系統(tǒng)課件-第一章-操作系統(tǒng)概述

第一章操作系統(tǒng)概述1.1操作系統(tǒng)的概念1.2操作系統(tǒng)的歷史1.3操縱系統(tǒng)的特性1.4操作系統(tǒng)的類型1.5操作系統(tǒng)的運行環(huán)境1.6操作系統(tǒng)的界面形式1.7操作系統(tǒng)的運行機理1.1操作系統(tǒng)概念1.1.1操作系統(tǒng)地位1.1.2操作系統(tǒng)作用1.1.3操作系統(tǒng)定義1.1.1操作系統(tǒng)地位硬件抽象層（HAL）之上所有其它軟件層之下硬件（HAL）OS其它系統(tǒng)軟件層應用軟件層注意,上圖所示的層次關(guān)系具有穿透性：高層軟件可調(diào)用所有低于所在層次的軟件,并可與硬件直接打交道。操作系統(tǒng)硬件(HAL)系統(tǒng)庫應用程序機器指令系統(tǒng)調(diào)用庫調(diào)用操作系統(tǒng)的地位:

操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件系統(tǒng)的第一次擴充。OS在計算機系統(tǒng)中占據(jù)著特殊重要的地位，其它所有軟件都依賴于它的支持，它是與硬件關(guān)系最密切的系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)庫(lib)可調(diào)用操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令。應用程序可以調(diào)用lib和操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令。1.1.2操作系統(tǒng)的作用管理系統(tǒng)中的軟硬件資源從資源管理的觀點，OS是計算機系統(tǒng)資源的管理者，它負責管理和分配系統(tǒng)中的各種硬件和軟件資源，以保證系統(tǒng)的各種資源得以有效利用。——CPU、內(nèi)存、設(shè)備、文件為用戶提供良好的界面從用戶的觀點，OS為用戶提供了一個友好的界面，使用戶無須關(guān)心計算機內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)，從而更加方便靈活地使用計算機?！狝PI、GUI(GraphicUserInterface)1.1.3操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)是位于硬件層(HAL)之上、所有其它軟件層之下的一個系統(tǒng)軟件，是管理系統(tǒng)中各種軟硬件資源、方便用戶使用計算機系統(tǒng)的程序集合。1.2操作系統(tǒng)的歷史1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生手工操作階段成批處理階段執(zhí)行系統(tǒng)階段1.2.2操作系統(tǒng)的完善多道批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時處理系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)1.2.3操作系統(tǒng)的發(fā)展網(wǎng)絡操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)多處理機操作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng)面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng)1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生

一、手工操作階段(20世紀40年代)在手工操作階段，典型的作業(yè)處理步驟如下:(1)將程序和數(shù)據(jù)通過手工操作記錄在穿孔紙帶上;(2)將程序紙帶放到光電輸入機上，再通過控制臺開關(guān)啟動光電機將程序輸入內(nèi)存;(3)通過控制臺開關(guān)啟動程序由第一條指令開始執(zhí)行;(4)運行結(jié)果在電傳打印機上輸出。穿孔紙帶紙帶輸入機穿孔卡片卡片輸入機光電轉(zhuǎn)換計算機打印輸出結(jié)果

手工操作方式的缺點:

(1)用戶在其作業(yè)處理的整個過程中獨享系統(tǒng)的全部資源;(2)手工操作所需時間很長。（人機矛盾）二、批處理階段（20世紀50年代）縮短手工操作時間，使作業(yè)到作業(yè)之間的過渡擺脫人的干預,實現(xiàn)自動化。成批處理經(jīng)歷了兩個階段:

(1)聯(lián)機批處理:（On-lineBatchProcessing）

Job1Job2…Jobn輸入設(shè)備操作員主機磁帶monitor匯編編譯連接輸出設(shè)備

工作原理：操作員將若干作業(yè)合成一批,將其卡片依次放到讀卡機上,監(jiān)督程序Monitor通過內(nèi)存將這批作業(yè)傳送到磁帶機上。輸入完畢,監(jiān)督程序開始處理這一批作業(yè)。它自動將第一個作業(yè)讀入內(nèi)存,并對其進行匯編(或編譯)、連接、執(zhí)行、輸出。第一個作業(yè)處理完立即開始處理第二個作業(yè),如此重復,直至所有作業(yè)處理完,再處理第二批作業(yè)。聯(lián)機批處理的優(yōu)點：作業(yè)自動轉(zhuǎn)換，大大縮短了手工操作時間。出現(xiàn)了Monitor及相應軟件的支持。聯(lián)機批處理的缺點：作業(yè)由讀卡機到磁帶機的傳輸需要處理機完成,由于設(shè)備的傳輸速度遠低于處理機的速度,在此傳輸過程中處理機仍會浪費較多時間。即I/O設(shè)備與CPU直接相連，CPU(主機)浪費。為克服聯(lián)機批處理的缺點,引入了脫機批處理。基本思想是把輸入/輸出操作交給一個功能較為單純的衛(wèi)星機去做，使主機從繁瑣的輸入輸出操作中解脫出來。

(2)脫機批處理（Off-lineBatchProcessing）基本原理：待處理的作業(yè)由衛(wèi)星機負責經(jīng)讀卡機傳送到輸入磁帶上，主機從輸入磁帶讀入作業(yè)、加以處理，并把處理結(jié)果送到輸出磁帶上，最后由衛(wèi)星機負責將輸出磁帶上的結(jié)果在打印機上輸出?！垘C卡片機打印機衛(wèi)星機輸入磁帶輸出磁帶主機脫機批處理的優(yōu)點：衛(wèi)星機與主機分工明確，并行工作，提高了CPU的利用率。脫機批處理的缺點：單任務系統(tǒng)；人工拆裝磁帶。批處理系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的雛形。三、執(zhí)行系統(tǒng)階段（ExecutiveSystem60年代初）60年代初，硬件的重要進展：通道、中斷技術(shù)通道：（channel）通道，也稱I/O處理機，它具有自己的指令系統(tǒng)和運控部件，可接受處理機的委托執(zhí)行通道程序，完成I/O操作。通道的I/O操作可與處理機的計算工作完全并行，并在I/O操作完成時向處理機發(fā)出中斷請求。中斷：（Interrupt）中斷是指當主機接到某種外部信號(如I/O設(shè)備完成信號)時，馬上暫停原來的工作，轉(zhuǎn)去處理這一事件，處理完畢再回到原來的斷點繼續(xù)工作。假脫機(Spooling)：

作業(yè)由讀卡機到存儲區(qū)的傳輸以及運行結(jié)果由存儲區(qū)到打印機的傳輸由通道完成，這種方式既非聯(lián)機，也非脫機，稱為“假脫機”或“偽脫機”。

優(yōu)點：通道取代衛(wèi)星機，免去了手工裝卸磁帶的麻煩。

執(zhí)行系統(tǒng)階段，Monitor常駐內(nèi)存，是OS的初級階段?！璉/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備通道主機內(nèi)存運控部件通道運控部件1.2.2操作系統(tǒng)的完善

一、多道批處理系統(tǒng)(Multi-programmingSystem

60年代初)

早期批處理系統(tǒng)，無論On-line還是Off-line，作業(yè)都一道一道順序執(zhí)行，內(nèi)存中任意時間內(nèi)僅有一道作業(yè)。為了提高效率，引入了多道程序設(shè)計技術(shù)，形成了多道批處理系統(tǒng)。

工作原理：用戶提交的作業(yè)都先放在外存上并排成一個后備隊列，然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。當一道作業(yè)因等待I/O傳輸完成等原因暫時不能運行時，系統(tǒng)可將CPU資源分配給另一個可運行的作業(yè)。

優(yōu)點：資源利用率高；系統(tǒng)吞葉量(單位時間完成作業(yè)量)大。

缺點：作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時間長；無交互能力。

二、分時系統(tǒng)(Time-SharingSystem

60年代初/中期)多道批處理系統(tǒng)屬于高級脫機處理方式，無交互能力，非常不利于程序的動態(tài)調(diào)試。為此出現(xiàn)了分時系統(tǒng)，分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)有著截然不同的性能。

分時系統(tǒng)：是指在一臺主機上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶共享主機中的資源，每個用戶都可通過自己的終端以交互方式使用計算機。分時系統(tǒng)便于程序的動態(tài)修改和調(diào)試。分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有完全不同的特征：

(1)多路性：一個主機與多個終端相連，系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務。宏觀上，多個用戶同時工作,共享系統(tǒng)資源；微觀上，每個用戶輪流運行一個時間片。

(2)交互性：以對話的方式為用戶服務。

(3)獨占性：每個終端用戶仿佛擁有一臺虛擬機。多道批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)的出現(xiàn)標志OS已進入完善階段三、實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem60年代中期)實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能即時響應外部事件的請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成對事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致地運行。它分為實時信息處理系統(tǒng)和實時控制系統(tǒng)兩大類。

實時信息處理系統(tǒng)由一臺或多臺主機通過通信線路連接成百上千個遠程終端，計算機接收從遠程終端發(fā)來的服務請求，根據(jù)用戶提出的問題，對信息進行檢索和處理，并在很短時間內(nèi)為用戶做出正確的回答。如飛機訂票系統(tǒng)。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的三大類別：多道批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)。一個實際的操作系統(tǒng)可能兼具三者或其中兩者的功能。

通用操作系統(tǒng)：(60年代后期)將多道批處理、分時和實時等功能結(jié)合在一起構(gòu)造出的多功能的操作系統(tǒng)，稱為通用操作系統(tǒng)。1.2.3操作系統(tǒng)的發(fā)展目前，較優(yōu)秀的實用操作系統(tǒng)：UNIX(美國BellLabs)、Windows(美國微軟)、Linux(自由軟件)。近30年來,OS取得了很大發(fā)展，主要表現(xiàn)在：1.硬件體系結(jié)構(gòu)由集中向分散發(fā)展，出現(xiàn)計算機網(wǎng)絡，為此網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)應運而生。

2.微處理機的發(fā)展使家庭和商用的微型機得到了普及。為方便非計算機專業(yè)人員使用，OS提供了友好的操作界面。

3.在科學和軍事領(lǐng)域，大型計算任務要求極強的計算處理能力，多處理機并行成為必然，由此產(chǎn)生并行操作系統(tǒng)。4.隨著處理機芯片和各種存儲介質(zhì)在各種控制領(lǐng)域的廣泛應用，嵌入式和智能卡操作系統(tǒng)應運而生。為降低開發(fā)代價，嘗試從不同應用中抽取具有共性的東西，并做成很小的操作系統(tǒng)核心，由此產(chǎn)生了微內(nèi)核操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。1.3操作系統(tǒng)的特性1.程序并發(fā)性

程序并發(fā)指計算機系統(tǒng)中同時存在多個程序，宏觀上，這些程序同時向前推進。程序并發(fā)與程序并行的區(qū)別：

程序并行要求微觀上的同時,即在絕對同一時刻有多個程序同時向前推進；程序并發(fā)并不要求微觀上的同時,只需要在宏觀上看來多個程序都在向前推進。在單處理機操作系統(tǒng)中，通常使用并發(fā)這個術(shù)語，盡管處理機與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間可以并行工作。2.資源共享性

資源共享是指操作系統(tǒng)程序與多個用戶程序共用系統(tǒng)中的各種資源，這種共享是在操作系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)的。1.4操作系統(tǒng)的分類多道批處理操作系統(tǒng)(batchprocessingsystem)分時操作系統(tǒng)(time-sharingsystem)實時操作系統(tǒng)(real-timesystem)通用操作系統(tǒng)(multi-purposesystem)單用戶操作系統(tǒng)(singleusersystem)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(networkoperatingsystem)分布式操作系統(tǒng)(distributedoperatingsystem)多處理機操作系統(tǒng)(multi-processorsystem)嵌入式操作系統(tǒng)(embeddedoperatingsystem)智能卡操作系統(tǒng)(smart-cardoperatingsystem)

主機輸入井輸出井輸出機輸入機作業(yè)結(jié)果SPOOLing輸入作業(yè)調(diào)度SPOOLing輸出1.4.1多道批處理系統(tǒng)（以脫機操作為標志）作業(yè)(Job)：用戶程序+數(shù)據(jù)+作業(yè)說明書(JCL編寫)輸入井：用于保存已經(jīng)輸入、尚未處理的作業(yè)。輸出井：用于保存處理完畢、尚未輸出的結(jié)果。結(jié)果：程序運行結(jié)果+記帳信息。多道批處理系統(tǒng)的工作原理：批作業(yè)的處理步驟:(1)用戶將作業(yè)交給機房;(2)操作員在適當?shù)臅r刻將作業(yè)放到某臺輸入機上并啟動其工作,通道負責將作業(yè)傳輸?shù)捷斎刖校?3)執(zhí)行某種作業(yè)調(diào)度算法把作業(yè)從輸入井讀入內(nèi)存，此時作業(yè)以“進程”為單位在內(nèi)存中運行,運行結(jié)束后,其結(jié)果被寫入輸出井中；(4)最后再由通道負責將結(jié)果在輸出機上輸出。

設(shè)置輸入井和輸出井的目的:

(1)協(xié)調(diào)I/O設(shè)備速度與處理機速度之間的差異;(2)為作業(yè)調(diào)度提供條件。如果沒有輸入井,系統(tǒng)只能按照自然次序處理作業(yè),設(shè)置輸入井后,系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)度需要在輸入井中選擇進入內(nèi)存的作業(yè),使得內(nèi)存中運行的作業(yè)搭配合理。

主機中作業(yè)合理搭配的目標：目標1：提高資源利用率(eg.計算型+I/O型)目標2：提高系統(tǒng)吞吐量(throughput)

多道批處理系統(tǒng)的特點：多道：內(nèi)存中同時存在多個正在處理的作業(yè)，成批：作業(yè)分批進入系統(tǒng)，作業(yè)與作業(yè)之間的過渡由操作系統(tǒng)控制，無需用戶干預。在分時系統(tǒng)中,一個主機同多個交互終端相連。分時系統(tǒng)為終端用戶提供一組交互終端命令,它是用戶與操作系統(tǒng)之間的界面。用戶進入系統(tǒng)后,可在終端上鍵入終端命令,操作系統(tǒng)接收該命令后執(zhí)行一段系統(tǒng)程序,完成用戶交給的任務,然后給出一個回答,用戶根據(jù)回答確定下一個將要鍵入的命令,如此直至用戶完成其任務。(界面：交互式命令、GUI)1.4.2分時操作系統(tǒng)（以聯(lián)機操作為標志）分時處理終端請求Time-SharingOSHAL終端終端終端…...并互命令系統(tǒng)回答分時系統(tǒng)采取分時的方法為多個終端用戶提供服務。它將時間劃分為若干個片段,稱作時間片,并以時間片為基本單位輪流地為各個交互終端用戶服務。由于時間片通常很小,如十幾毫秒或幾十毫秒,系統(tǒng)為所有用戶服務一次僅需較少的時間。例如對于一個擁有50個終端的系統(tǒng)來說,假設(shè)時間片長度為40毫秒,一個終端每隔兩秒鐘左右便能得到一次系統(tǒng)響應。分時系統(tǒng)具有如下三個重要特性：

多路性：一個主機與多個終端相連；

交互性：系統(tǒng)以對話的方式為用戶服務；

獨占性：每個終端用戶仿佛獨占整個計算機系統(tǒng)，即擁有一臺完全屬于自己的虛擬機。典型系統(tǒng)：Multics(MIT)、UNIX(BellLabs)1.4.3實時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)按其應用范圍可分為兩大類：1.實時控制例如，工業(yè)控制，軍事控制，醫(yī)療控制，…….這類系統(tǒng)都有一個被控對象，如圖所示：t2-t1:responsetime被控對象A/DD/At1t2

HALRealTimeOS

HALRealTimeOS….終端終端終端通常為遠程終端實時系統(tǒng)的兩個基本特性：（1）響應及時（promptresponse）（2）可靠性高（highreliability）

2.實時信息處理例如，航班訂票，聯(lián)機情報檢索，……這類系統(tǒng)的一般原理與分時系統(tǒng)相似，不過相連終端多為遠程終端。1.4.4通用操作系統(tǒng)(multi-purposeOS)同時具有實時、分時、批處理功能的OS。優(yōu)先級：實時任務>分時任務>批處理任務目標：提高處理能力;擴展應用領(lǐng)域。常見模式:分時(前臺)+批處理(后臺)(eg.GCOS-8美Honeywell公司)實時(前臺)+批處理(后臺)1.4.5單用戶操作系統(tǒng)不同的程序，不同的進程；相同的程序,不同的線程單用戶操作系統(tǒng)：為個人微型計算機所配置的操作系統(tǒng)，即同一時刻僅有一個用戶使用的系統(tǒng)。如MS-DOS、Windows、CP/M應用領(lǐng)域：臺式機、筆記本、……特點：單用戶，多進程，多線程1.4.6網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem)NOS:用于實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊和網(wǎng)絡資源管理的操作系統(tǒng)。HOST：網(wǎng)絡中的主機以及相連的外設(shè)。NOS3host3NOS2host2PrinterNOS1host1在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)中，不同HOST的類型可能不同，不同HOST上配備的NOS的界面也可能不同。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的目標：--相互通訊、資源共享、--提供網(wǎng)絡服務，如databaseserver，ftpserver，e-mailserver，telnetserver，etc1.4.7分布式操作系統(tǒng)

(DistributedOperatingSystem)CPU內(nèi)存CPUCPU…分布式操作系統(tǒng)分為兩類:建立在多處理機系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的稱為緊耦合分布式系統(tǒng);建立在計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)之上的稱為松散耦合分布式系統(tǒng)。1.緊耦合(tightlycoupled)由多機系統(tǒng)發(fā)展而來(多CPU)有公共內(nèi)存多處理機操作系統(tǒng)2.松散耦合(looselycoupled)由計算機網(wǎng)絡發(fā)展而來（多Host)無公共內(nèi)存，無公共時鐘DOShost3DOShost2DOShost1Printer3.分布式操作系統(tǒng)的特征(1)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)。在DOS中,不同HOST上配置的DOS統(tǒng)一、界面相同。(2)資源的進一步共享。在DOS中，作業(yè)可由一臺HOST

任意遷移到另一臺HOST上處理，實現(xiàn)CPU的共享。(3)可靠性。構(gòu)成DOS的不同HOST地位等同，任何一個HOST的失效都不會影響整個系統(tǒng)。(4)透明性。在DOS中，操作系統(tǒng)掩蓋了不同HOST地理位置上的差異。1.4.8多處理機操作系統(tǒng)

(Multi-ProcessorOperatingSystem)多處理機系統(tǒng)具有公共內(nèi)存的多CPU系統(tǒng)。對稱多處理機系統(tǒng)(SMP)多CPU系統(tǒng)中的多個CPU型號和地位相同，沒有主從關(guān)系。

多處理機操作系統(tǒng)有效管理和使用多個CPU的操作系統(tǒng)，也叫并行操作系統(tǒng)(單獨一門課)。復雜：多CPU的并發(fā)控制現(xiàn)代操作系統(tǒng)UNIX,Linux,Windows都增加了多CPU管理的功能。1.4.9嵌入式操作系統(tǒng)

(EmbededOperatingSystem)

嵌入在掌上電腦、通訊設(shè)備、車載系統(tǒng)、信息家電等非計算機類設(shè)施上的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)與一般操作系統(tǒng)的明顯差別:(1)嵌入式操作系統(tǒng)規(guī)模一般較小。(2)應用領(lǐng)域差別大。

嵌入式操作系統(tǒng)的特點：

微內(nèi)核結(jié)構(gòu),其中只包含絕對必要的操作系統(tǒng)功能,其他功能則作為應用服務程序置于核心之上。目前，微內(nèi)核一般包括如下功能:處理機調(diào)度、基本內(nèi)存管理、通訊機制、電源管理

嵌入式操作系統(tǒng)具有微小、實時、專業(yè)、可靠、易裁減等優(yōu)點。代表性的嵌入式操作系統(tǒng)有WinCE(微軟的Vinus計劃)、PalmOS、國內(nèi)的Hopen(女媧計劃)等。1.4.10智能卡操作系統(tǒng)

(Smart-CardOperatingSystem,SC-OS)智能卡上包含一個CPU芯片，CPU的計算能力和存儲容量都有嚴格限制。面向Java的智能卡：在智能卡的ROM中保存一個Java虛擬機(JVM)解釋程序，可將Javaapplet下載到卡上并由JVM解釋執(zhí)行。

有些智能卡支持多個applet并發(fā)執(zhí)行。1.5操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境1.5.1定時裝置1.5.2系統(tǒng)棧1.5.3特權(quán)指令與非特權(quán)指令1.5.4處理機狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換1.5.5地址映射機構(gòu)1.5.6存儲保護設(shè)施1.5.7中斷裝置1.5.8通道與DMA控制器1.5.1定時裝置為實現(xiàn)系統(tǒng)管理和維護，硬件必須提供定時裝置，即實時時鐘。硬件時鐘通常有兩種：絕對時鐘和相對時鐘。

1.絕對時鐘:

記載實際時間，不發(fā)中斷。時間表示形式為：年、月、日、時、分、秒。時間值保存于硬件寄存器中，開機時由電源供電計時，關(guān)機時由機內(nèi)電池供電計時，其值可由程序設(shè)定和修改，但一般通過特權(quán)指令完成。當然，程序可以讀取它的值。操作系統(tǒng)根據(jù)絕對時鐘的值記錄作業(yè)進入系統(tǒng)時間和處理時間、文件的修改和存取時間、資源占用時間、日志記錄時間等。

2.間隔時鐘：定時發(fā)生中斷。也稱鬧鐘，它每隔固定時間，如10ms，發(fā)生一次時鐘中斷。時鐘中斷發(fā)生后，OS獲得系統(tǒng)的控制權(quán)，以便運行系統(tǒng)管理和實現(xiàn)程序并發(fā)。除時鐘外還有其它事件可引起中斷，但那些事件是否發(fā)生、何時發(fā)生不確定，只有時鐘中斷最忠實可靠。間隔時鐘是現(xiàn)代操作系統(tǒng)(多道程序設(shè)計)的基礎(chǔ)。利用間隔時鐘可以實現(xiàn)邏輯時鐘。例如，要實現(xiàn)一個50ms的邏輯時鐘，可以設(shè)置一個初值為5的變量，每次時鐘中斷將其減1，當減至0時即達到50ms。1.5.2系統(tǒng)棧(SystemStack)系統(tǒng)棧是內(nèi)存中操作系統(tǒng)空間的一個固定區(qū)域。系統(tǒng)棧的主要用途：(1)中斷響應時保存中斷現(xiàn)場。對于嵌套中斷，被中斷程序的現(xiàn)場信息依次壓入系統(tǒng)棧，中斷返回時逆序彈出；(2)保存操作系統(tǒng)子程序間相互調(diào)用的參數(shù)、返回值、返回點以及子程序的局部變量。

注意：每個運行程序都有一個對應的系統(tǒng)棧，進程切換的同時伴隨系統(tǒng)棧的切換，但硬件只有一個系統(tǒng)棧指針作用。1.5.3處理機狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換處理機狀態(tài)也稱機器狀態(tài)。處理機狀態(tài)有兩種：管態(tài)和目態(tài)。它由程序狀態(tài)字PSW中的一位標識。

1.管態(tài)(supervisormode)也稱系統(tǒng)態(tài)、核心態(tài)，是操作系統(tǒng)運行時所處的狀態(tài)。機器處于管態(tài)時可以執(zhí)行硬件提供的全部指令，包括特權(quán)指令和非特權(quán)指令。由于利用特權(quán)指令可以修改PSW，而機器狀態(tài)位是PSW的一部分，因而在管態(tài)下可以通過修改PSW來改變機器狀態(tài)，使之由管態(tài)轉(zhuǎn)換為目態(tài)。

2.目態(tài)(objectmode)也稱用戶態(tài)，是一般用戶程序運行時所處的狀態(tài)。處理機處于目態(tài)時只能執(zhí)行非特權(quán)指令。由于“置程序狀態(tài)字”為特權(quán)指令，目態(tài)程序不能執(zhí)行它，從而不能將運行狀態(tài)改為管態(tài)，這可防止用戶有意或無意地侵入系統(tǒng)，從而起到保護系統(tǒng)的作用。

3.管態(tài)與目態(tài)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)運行過程中，處理機的狀態(tài)處于動態(tài)變化之中，時而運行于目態(tài)，時而運行于管態(tài)。

(1)管態(tài)

目態(tài)

管態(tài)到目態(tài)的轉(zhuǎn)換由修改程序狀態(tài)字來實現(xiàn)。由于操作系統(tǒng)運行于管態(tài)，用戶程序運行于目態(tài)，因而該狀態(tài)轉(zhuǎn)換伴隨著由操作系統(tǒng)程序到用戶程序的轉(zhuǎn)換。

(2)目態(tài)

管態(tài)處理機狀態(tài)由目態(tài)轉(zhuǎn)為管態(tài)的唯一途徑是中斷。中斷發(fā)生時，中斷向量中的PSW應標識處于管態(tài)，這一標識由操作系統(tǒng)初始化程序設(shè)置。現(xiàn)代計算機的指令系統(tǒng)由特權(quán)指令集和非特權(quán)指令集兩部分組成，它們的使用與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)。

1.特權(quán)指令（privilegedinstruction）特權(quán)指令：只有在管態(tài)才能執(zhí)行的指令。

特權(quán)指令的執(zhí)行不僅影響運行程序本身，也影響其他程序和OS。例如，開關(guān)中斷、置程序狀態(tài)字、修改地址映射寄存器、停機等。一般只有OS能執(zhí)行特權(quán)指令，用戶程序不能執(zhí)行。

2.非特權(quán)指令（non-privilegedinstruction）非特權(quán)指令：在管態(tài)和目態(tài)下均可執(zhí)行的指令。

非特權(quán)指令的執(zhí)行只與運行程序本身有關(guān)，不影響其它程序和OS。例如數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運算指令等。1.5.4特權(quán)指令與非特權(quán)指令1.5.5地址映射機構(gòu)在多道程序系統(tǒng)中，內(nèi)存中同時存在多個程序，一個程序在內(nèi)存中的存放位置是隨機確定的，因此程序不能采用物理地址，只能采用邏輯地址。為使每個程序的每個基本單位都能從0開始編址，硬件需要提供地址映射機構(gòu)，它負責將運行程序產(chǎn)生的邏輯地址變換為內(nèi)存物理地址。地址映射機構(gòu)在不同硬件環(huán)境中不盡相同。1.5.6存儲保護設(shè)施在多道程序系統(tǒng)中，一個程序有意或無意產(chǎn)生的錯誤地址可能會侵犯其它程序空間甚至操作系統(tǒng)空間；一個程序?qū)泊鎯^(qū)域可能試圖執(zhí)行非法操作(越權(quán))，這些都可能影響其他程序甚至整個系統(tǒng)。為防止這些情況的發(fā)生，硬件必須提供存儲保護設(shè)施。存儲保護設(shè)施的作用：進行地址越界檢查和越權(quán)檢查(對共享區(qū)域)，防止應用程序侵犯操作系統(tǒng)空間或其它應用程序空間。1.5.7中斷裝置中斷裝置：發(fā)現(xiàn)并響應中斷的硬件機構(gòu)。中斷裝置具有兩個功能：(1)發(fā)現(xiàn)中斷：中斷發(fā)生時能識別，有多個中斷事件同時發(fā)生時，能按優(yōu)先級別響應最高者。(2)響應中斷：先將當前進程的中斷向量(PSW和PC)壓入系統(tǒng)棧，再根據(jù)中斷源到指定內(nèi)存單元將新的中斷向量取來并送到中斷向量寄存器中,從而轉(zhuǎn)到對應的中斷處理程序。1.5.8通道與DMA控制器1.通道：負責I/O操作的處理機，具有自己的指令系統(tǒng)和運控部件，可以執(zhí)行通道程序，完成CPU委托的I/O操作任務。２.DMA(DirectMemoryAccess,直接內(nèi)存訪問)

DMA是與通道相似的I/O方式，DMA控制器接受CPU的委托完成數(shù)據(jù)在內(nèi)存與塊型設(shè)備之間的傳輸。與通道相比，DMA沒有獨立的指令系統(tǒng)，只能進行簡單的塊傳輸。1.6操作系統(tǒng)界面形式從虛擬機的觀點看,OS是對計算機硬件的第一級擴充,配有OS的計算機在功能等方面與裸機相比大大地增強了。在大多數(shù)情況下,用戶通過OS與機器硬件打交道,而不直接地使用機器硬件。操作系統(tǒng)為用戶提供三種界面形式:1.交互終端命令(或圖形用戶界面)2.作業(yè)控制語言3.系統(tǒng)調(diào)用命令

1.交互終端命令（CommandLine）這是分時系統(tǒng)具有的界面形式。系統(tǒng)為交互終端用戶提供一組交互式命令，交互終端命令的一般形式為：“命令名,選項,參數(shù)”。交互終端命令界面由命令解釋程序提供。命令解釋程序通常屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核，但UNIX系統(tǒng)的交互命令解釋程序由shell提供，而shell并不屬于系統(tǒng)核心，而是運行于核心之外的目態(tài)程序，它通過系統(tǒng)調(diào)用與核心打交道，完成命令要求的動作。

UNIX硬件shellshellshell……終端終端終端優(yōu)點:縮小核心不同用戶可以選擇不同界面UNIXshellinterface

2.圖形用戶界面（GUI—GraphicUserInterface）

考慮非計算機專業(yè)人員使用計算機系統(tǒng)的方便性,現(xiàn)代操作系統(tǒng)都提供了圖形用戶界面(GUI),GUI本質(zhì)上也屬于交互式界面，只不過界面由命令行轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形提示和鼠標點擊。圖形界面一般由視窗、圖標、菜單、對話框等基本元素以及對基本元素所能進行的操作構(gòu)成。有些系統(tǒng)如Windows中，仍保持一個行式命令的界面，不過該界面實際上是作為一個特殊的視窗實現(xiàn)的。

3.作業(yè)控制語言（JobControlLanguage,JCL）

JCL是批處理系統(tǒng)的界面形式。系統(tǒng)為用戶提供一種作業(yè)控制語言。當欲提交批作業(yè)時，用戶先用這種語言書寫一個作業(yè)說明書,以O(shè)S能識別的形式描述用戶作業(yè)的處理步驟,再將此說明書與程序、數(shù)據(jù)一道提交給系統(tǒng),操作系統(tǒng)按照作業(yè)說明書所規(guī)定的步驟一步一步地處理作業(yè)。不同的操作系統(tǒng)具有不同的作業(yè)控制語言，作業(yè)控制語言一般包含幾十個作業(yè)控制命令。如，作業(yè)標識語句、作業(yè)步語句、資源描述語句、Goto語句等。

4.系統(tǒng)調(diào)用命令(SystemCall)

如高級語言形式fd=open(file_name,mode)

系統(tǒng)調(diào)用命令也稱應用程序界面(API)，它是在用戶程序級別上與操作系統(tǒng)打交道的方式。操作系統(tǒng)為用戶提供一組系統(tǒng)調(diào)用命令,用戶可將這些系統(tǒng)調(diào)用命令寫在程序中,當用戶程序在運行過程中執(zhí)行到這些系統(tǒng)調(diào)用命令時,將發(fā)生自愿性中斷,進入操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)根據(jù)不同的系統(tǒng)調(diào)用命令轉(zhuǎn)到相應的處理程序。幾乎所有類型的操作系統(tǒng)都有這種界面。

系統(tǒng)調(diào)用命令通?？煞譃槿缦聨最?(1)與文件相