自考操作系统原理 第二章 计算机系统结构课件.ppt

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1、计算机系统结构,计算机系统层次结构(识记),通用的计算机系统是由硬件和软件组成的一种层次结构。最内层是硬件系统，人与硬件系统之间的是软件系统。硬件系统主要由中央处理器(CPU)、存储器(主存、辅存)、输入/输出控制系统和各种输入/输出设备组成。软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三部分。系统软件：和硬件结合最紧密，必不可少，操作系统，编译系统支撑软件：支持其他软件开发维护的软件，数据库，软件开发工具，软件接口应用软件：为特定领域的需求编写的专业程序，财务管理，人事管理等,系统工作框架(识记),1、启动系统时，自动执行引导程序(系统初始化，把操作系统的核心程序装入主存，并让操作系统占用处理器

2、)2、等待用户从键盘或者鼠标输入命令，接收后处理，处理 完继续等待。分析和处理命令，按照命令的要求调出各种程序来执行程序执行时，操作系统等待事件发生（非法操作、除0错、硬件故障，请求分配资源、请求启动外设、输入/输入完成、程序执行结束），不同的事件由操作系统的各种服务程序去处理计算机系统中所有发生的事件先由硬件识别然后触发“中断“，暂停程序执行，把控制权交给操作系统的某个服务子程序，处理完后让出处理器，暂停的程序继续执行。,硬件环境CPU与外设的并行工作,通用计算机系统中，都是通过输出/输出控制系统完成外围设备与主存之间的信息传递。各种外围设备连接在相应的设备控制器上，设备控制器通过过通道连接

3、在系统总线上,硬件环境 CPU与外设的并行工作,中央处理机执行指令，当执行到一条启动外设指令时，就按指令中给的参数启动指定设备，把控制权交给输入/输出控制系统，由输入/输出控制系统控制设备和主存的信息传送，无需中央处理器干预，中央处理器可以继续执行其他程序。外围设备工作结束后，需反馈该设备的工作情况，这种反馈通过I/O中断完成。利用中央处理器和外围设备的并行工作能力，操作系统可以让多个程序同时执行，在同一时刻各个程序各自使用计算机系统的不同资源。,硬件环境 存储体系之寄存器,存储器：计算机系统中用来存放程序和数据的部件现代的计算机系统都采用多级存储体系，包括寄存器、主存储器、高速缓存和辅助存储

4、器。,硬件环境 存储体系之寄存器,寄存器是处理器的组成部分，用来存放处理器的工作信息，如：操作数、指令、控制信息等。分类通用寄存器：多个，主要存放操作数和运算结果指令寄存器(IR)：存放当前从主存中读出的指令控制器存器：存放控制信息程序状态字(PSW)寄存器：存放当前程序执行时的状态中断字寄存器基址寄存器限长寄存器,硬件环境 存储体系之寄存器,工作原理,硬件环境 存储体系之寄存器,寄存器特点：速度快、造价高、容量小，存放临时工作信息，不用来保存程序和数据,硬件环境 存储体系之主存储器,在计算机系统中，任何程序和数据都必须在装入主存储器之后才能对其进行操作。主存储器以“字节”为单位进行编址。若干

5、个字节可以组成一个“字”，例如：32位机一个字为4字节，64位机一个字8字节。处理器可以按地址读出主存的一个字节或者一个字的内容，读出的内容可以放到寄存器中。处理器也可以要求将寄存器的内容存储到指定的主存单元。,硬件环境 存储体系之主存储器,主存容量较大，可以被处理器直接访问，要执行的程序和数据都放在主存中。主存不是永久性的存储设备，断电数据丢失。,硬件环境 存储体系之高速缓存,为了减少对主存储器的访问时间，加快程序的执行速度，现代计算机系统往往配置高速缓冲存储器(cache)。高速缓存的存取速度大大快于主存的存取速度，但是价格昂贵，所以一般容量较小。高速缓存的工作原理：CPU要读取一个数据时

6、，首先从高速缓存中查找，如果找到就从高速缓存中取；如果没有找到，就从主存中读取，同时把这个数据复制到高速缓存中由于程序执行的局部性，在一段时间内会经常访问同一批信息，直接从高速缓存中取信息的频率会很高,硬件环境 存储体系之高速缓存,高速缓存特点：容量小于主存大于寄存器；速度快于主存,硬件环境 存储体系之辅助存储器,辅助存储器的优点是容量大且能永久地保存信息，但它们不能被中央处理器直接访问。辅存只能与主存相互传送信息！磁带优点：容量大永且久保存缺点：速度慢，顺序存取，不能随机读写用途：备份,存放不经常使用的信息,不被经常访问的信息磁盘分为硬盘和软件优点：可随机读取磁盘任意位置的信息对比：硬盘跟软

7、盘相比容量大，速度快，软盘方便装卸,硬件环境 存储体系之辅助存储器,光盘信息传送速度比硬盘慢，容量大造价低，容易装卸,硬件环境 保护措施,在计算机系统中，决不允许一个用户程序擅自改变资源的使用情况。为此操作系统和硬件必须相互配合实现安全保护，一般是硬件提供手段和装置，操作系统利用这些设施配合硬件实现保护。,硬件环境 硬件保护措施之特权指令,硬件把中央处理器执行的指令分成两类特权指令：不允许用户程序中直接使用的指令，只允许操作系统使用。 例如：“启动IO”，设置时钟，设置控制寄存器等一类可能影响系统安全的指令。此类功能应请求操作系统代为完成。非特权指令：除特权指令以外的指令,硬件环境 硬件保护措

8、施之管态和目态,万一用户程序中出现了特权指令怎么办？如何知道当前执行的指令是用户程序的还是操作系统的？为了解决这个问题，中央处理器设置了两种工作状态： 管态和目态。管态：当中央处理器处于管态时可以执行包括特权指令在内的一切机器指令。操作系统占用中央处理器时，应让处理器工作在管态。目态：当中央处理器处于目态时不允许执行特权指令，用户程序占用中央处理器时，应让处理器工作在目态。在目态下，如果中央处理器取得了一条特权指令，将会拒绝指令该指令，形成“非法操作”事件，硬件识别后暂停当前程序执行，交给操作系统处理，操作系统通知用户“程序中有非法指令”必须修改,硬件环境 硬件保护措施之存储保护,主存储器中往

9、往同时装入了操作系统程序和若干用户程序，为了保证操作正确和安全，就必须限定用户程序只能在规定的主存区域内执行。硬件设置两个寄存器：一个称为“基址寄存器”，另一个称为“限长寄存器”，用来限定用户程序执行时可以访问的主存的空间范围。中央处理器在目态下执行程序时，对每一个访问主存空间的地址都要核查。 基址寄存器的值= 访问地址=基址寄存器的值+限长寄存器的值中央处理器在管态下执行程序时，对访问主存的地址不进行核查。,操作系统结构设计目标(识记),正确性操作系统必须充分估计和把握各种不确定的情况。高效性操作系统自身的开销(占用的主存和辅存空间，占用处理机的时间)对计算机系统的效率有很大影响。操作系统核

10、心程序应遵循少而精的原则，使处理既有效又灵活。维护性操作系统交付后，可能会对其功能进行一些删改；发现错误时还需要修改；为了提高效率，算法也会进行调整。因此，在结构设计时，要使操作系统容易维护。移植性移植性是指能否方便地把操作系统从一个硬件环境移植到另一个硬件环境中。为了方便移植，在结构设计时，应尽量减少与硬件直接有关的程序量。,操作系统层次结构(识记),层次结构法的最大特点就是把整体问题局部化，大型复杂的操作系统被分解成若干单向依赖的层次，由各层的正确性来保证整个操作系统的正确性。采用层次结构法便于调试，有利于功能的增删改。,操作系统层次结构,操作系统层次结构,文件管理：按名查找作业，确定作业

11、的物理位置,用户请求执行作业,设备管理：启动外围设备，找到作业信息，传送到主存,存储管理：分配空间,处理器管理：按照已装入主存的作业情况分配中央处理器,UNIX系统结构(识记),UNIX是一个交互式的分时操作系统。UNIX可以分为内核层和外壳层两部分内核：操作系统的核心，包括存储管理、文件管理、设备管理、处理机管理，以及为外壳提供服务的系统调用。外壳：shell解释程序、编译程序、解释程序、实用程序、系统库。,UNIX系统结构,shell解释程序等待输入,用户输入命令,启动相应用户程序,调用内核操作系统服务,UNIX系统结构,UNIX内核用C语言和汇编语言编写。文件按编译方式分成下面三类：汇编

12、语言文件：大多与计算机硬件直接相关，如系统启动、设备驱动等。C语言文件：除汇编语言文件外的内核程序均用C语言编写。C语言全局变量文件：含有结构的重要声明，不能独立编译，只能与C语言文件一起编译。,UNIX系统结构,UNIX系统提供两种运行环境，即用户态和核心态。外壳程序在用户态运行，内核层的程序在核心态运行。在用户态运行的程序称为用户程序，在核心态运行的程序称为系统程序,操作系统与用户的接口 操作控制命令(领会),用户通过操作系统来使用计算机系统。操作系统为用户提供两种类型的使用接口：操作员级接口和程序员级接口操作员级接口是一组操作控制命令从键盘输入命令，从菜单选择命令在批处理系统中控制作业执

13、行步骤的手段是：作业控制语言，用户使用作业控制语言事先准备好一份表示作业执行步骤的“作业控制说明书”,系统调用(领会),操作系统编制了许多不同功能的子程序(读文件、写文件、分配主存、启动I/O等)供用户程序调用。这些操作系统提供的子程序称为系统功能调用程序，简称系统调用。系统调用是操作系统为用户程序提供的一种服务界面，是操作系统保证程序设计语言能正常工作的一种支持。在源程序一级，用户程序设计语言的读文件、写文件等要求的实现只有通过操作系统的系统调用才能完成。系统调用是在管态下执行的程序。,系统调用,int a = 12；a + ;把a的值输出到d:/a.txt,1001001010010010

14、11011111100100101001001010010010110111111001001010010010100100101010101010101010 (访管指令)1100110011001100,CPU执行到访管指令(目态),执行操作系统相应的系统调用CPU转换为管态,源代码,系统调用是如何被调用的？,系统调用,现在的计算系统硬件中都设置了“访管指令”，在目态下执行。编译程序把源程序翻译成目标程序时，把需要调用系统功能的代码转换成一条访管指令，并设置一些参数。处理机执行到访管指令时产生一个中断事件，中央处理器由原来目态下执行用户程序，变成在管态下执行操作系统的系统调用程序（目态和管

15、态的转换）。系统调用功能完成后，操作系统又使中央处理器返回目态下执行用户程序。,系统调用种类,文件操作类打开文件、新建文件、读文件、写文件、关闭文件、删除文件等资源申请类请求分配主存空间、归还主存空间、分配外设、归还外设等控制类程序正常结束、异常结束、返回断点/指定点等信息维护类设置/获取日历、时间、设置/获取文件属性等,UNIX的用户接口(领会),UNIX允许每一个在终端登录成功的用户通过UNIX提供的操作控制命令启动外壳层的用户程序。外壳的用户层程序在执行时通过系统调用来请求内核层支持。,Shell命令,UNIX提供的操作控制命令称为shell命令，一组shell命令组成了shell命令语

16、言。UNIX是一个多用户的分时操作系统，用户使用shell命令前必须先注册登录。Shell命令格式 命令名 参数1 参数2,后台执行的Shell命令,如果一个程序的运行需要较长时间，且该程序运行运行时不需要从终端输入信息，那么用户可以要求UNIX把它转入后台运行。方法：在命令末尾输入字符“&”UNIX把一个程序转入后台执行后，不等该程序执行完毕就立即返回前台，并显示新命令提示符。如果此时用户又输入了一条新命令，实现该新命令的程序可以与转入后台的程序同时执行。UNIX操作系统允许一个用户同时执行多个任务，也运行前台和后台任务同时执行。,Shell文件,把若干条shell命令编辑成一个文件，来表示

17、一组命令的执行顺序，称为shell文件。shell文件执行方法，假设文件名为shellfilecsh shellfile: 执行csh命令后，系统从shellfile里面读出指令，依次执行把shell文件改为可执行文件，chmod + x shellfile +：添加权限 x：可执行shellfile变为可执行文件，只要输入文件名就可以执行,在Shell文件中使用位置参数,一个名为proc的shell文件如下： cc prog1.c 编译prog1.c mv a.out prog1.0 将a.out重命名为prog1.0 prog1.0 运行prog1.0输入命令 csh proc 执行该sh

18、ell文件缺点：只能编译运行prog1.c，目标可执行文件名固定为prog1.0,在Shell文件中使用位置参数,cc $1 编译参数$1 mv a.out $2 将a.out重命名为参数$2 $2 运行参数$2执行该shell文件 csh proc prog1 prog2,第1个参数即$1,第2个参数即$2,UNIX的系统调用,UNIX的内核为外壳层的用户程序提供了一组系统调用，它们是外壳的用户程序请求UNIX为其服务的唯一形式。常用的系统调用分类如下：文件操作控制有关信号与时间,trap指令,用户程序使用”访管指令“来请求系统调用，不用的系统访管指令的形式不同，在UNIX中，用户使用”trap指令“(UNIX中的访管指令)来请求系统调用。16位的trap指令格式：高10位为trap指令操作码低6位时系统调用编号（64个不同的编号）用户可以提供trap指令的参数,UNIX系统调用的实现过程,1、系统调用时需要将参数从用户的存储区域传送至核心态存储区。2、根据trap的系统调用号启动相应的系统调用处理程序。3、上述功能需要查询”系统调用程序入口表“，表中包含系统调用编号、参数个数、系统调用处理程序入口、系统调用名称,