操作系统_第2章_计算机系统结构简介

第二章计算机系统结构简介计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成，操作系统是软件系统的一个组成部分，它是直接在硬件系统的基础上工作的，所以在研究操作系统之前，先必须对计算机系统的结构有一个基本的了解，本章就是讲述计算机系统结构的基本知识。1.层次结构（识记）现代的通用计算机系统是由硬件和软件组成的一种层次式结构，最内层是硬件系统，最外层是使用计算机系统的人，人与硬件系统之间是软件系统2.1、计算机系统结构2.1、计算机系统结构2.1.2系统工作框架中断机制中央处理器CPU在任何时刻只能被一个程序占用，在它执行程序的时候，如果有另外的事件发生，比如用户又打开了一个程序，那么这时候怎么办呢?这就需要由计算机系统的中断机制来处理了。中断机制包括硬件的中断装置和操作系统的中断处理服务程序。当出现新的事件时，中断装置就判别到有新事件发生，于是送出一个中断信号，告诉操作系统，操作系统根据这个中断的优先级来确定先执行新事件还是继续执行原来的任务。2.1.2系统工作框架2.1.2系统工作框架2.1.2系统工作框架在一台通用的计算机系统中，通过输入输出控制系统完成外围设备与主存储器之间的信息传送。各种外设连接在相应的设备控制器上，通过通道把设备控制器连接到公共的系统总线上。这种结构允许CPU和各种外围设备同时并行工作。2.2硬件环境2.2.1CPU和外设的并行工作I/O中断的作用当中央处理器执行到一条“启动外设”指令时，便把设备的控制权交给输入输出控制系统，然后，中央处理器和外围设备便可以并行工作，直到外设工作完成。之后，会形成一个“I/O中断”事件（输入输出结束），通知操作系统的服务处理程序完成后继工作。利用硬件的中央处理器与外围设备的并行工作能力，以及各外围设备之间的并行工作能力，操作系统能让多个程序同时执行。2.2硬件环境2.2.1CPU和外设的并行工作主存储器是CPU能直接访问的惟一的存储空间，任何程序和数据都必须被装入主存储器之后，CPU才能对它进行操作。主存储器以“字节(BYTE)”为单位进行编址，若干字节组成一个“字(WORD)”。中央处理器可以按地址读出主存储器中的一个字节或一个字的内容。辅助存储器解决了主存储器容量不足，以及主存储器无法保存信息的问题。辅助存储器的优点是容量大且能永久保存信息，缺点是无法被中央处理器直接访问，必须通过主存储器才能访问。中央处理器存储信息的速度依次为：存取寄存器中的信息速度最快；通过系统总线存取主存储器的速度居中；使用辅助存储器的信息速度最慢。寄存器用来存放临时的工作信息和系统必须的控制信息。主存储器中存放操作系统的核心部分，以及当前需执行的程序和数据。辅助存储器是存放操作下的非核心部分和其他程序和数据。磁盘的信息可随机存取，磁带上的信息只能顺序存取。2.2硬件环境2.2.2存储体系在资源共享的计算机系统中，只有有了必要的保护措施，才能使个别的错误不致影响其他程序。1I/O保护·特权指令为保护输入输出的完整性，把“启动I/O”等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。特权指令只允许操作系统使用，用户程序不能使用特权指令。用户程序若要启动I/O，必须请求操作系统代为启动，这种方式不但可以保证安全地使用外围设备，正确地传送信息，而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作，大大方便了用户。2.2硬件环境2.2.3保护措施2管态和目态中央处理器有两种工作方式：管态和目态。在管态下，中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令；在目态下，中央处理器不准执行特权指令。操作系统在管态下工作，用户程序在目态下工作。3存储保护硬件中设置了两个寄存器来限定用户程序执行时可以访问的空间范围。这两个寄存器是基址寄存器和限长寄存器。中央处理器在目态下执行程序时，只有在判定访问地址符合以下关系式时候才允许访问：基址寄存器值≤访问地址≤基址寄存器值+限长寄存器值中央处理器在管态下执行程序时候，对访问主存的地址不进行核对。2.2硬件环境2.2.3保护措施层次结构的最大特点是把整体问题局部化。把一个大型复杂的操作系统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，能使结构清晰，便于调试，有利于功能的增、删和修改，正确性容易得到保证，也提高了系统的可维护性和可移植性。2.3操作系统结构2.3.1设计目标操作系统的一种层次结构如下图所示：作业管理文件管理设备管理存储管理处理器管理硬件这种结构具有单向依赖关系，即外层依赖内层的关系。2.3操作系统结构2.3.2操作系统的层次结构