操作系统第二章 计算题系统结构.doc

第二章 本章从总体上介绍了计算机操作系统对处理器,存储,文件,设备等的管理,叙述了计算机系统的结构和硬件环境.特别是对输入/输出(I/O)结构,存储保护.硬件保护措施作了专门的阐述,对操作系统结构的设计也作了简单的描述 本章中大部分概念在后面的几章中都会有更详细的介绍.读者对本章中提到的不少名词术语(如终端和系统调用等),以及操作系统各种功能的实现,可能暂时不太明白,但在以后的几章会逐步理解清楚,所以不要灰心,不要被暂时的困难吓倒/.前后各章对照起来学习,会对操作系统总体功能的实现有一个清晰的思路 第一节 计算机系统的结构一.重要知识点 本节的重要知识点时计算机系统的层次结构(要求达到”识记”层次)二.知识点剖析(学习重点) 目前的通用计算机系统一般都具有层次结构,从内到外依次为:硬件系统.系统软件.支援软件和应用软件.最外层是使用计算机的人 (1) 软件系统 系统软件.支援软件和应用软件统称为软件系统 *系统软件是计算机系统中必不可少的软件,如操作系统和编译系统 *支援系统可支持其他软件的开发和维护，如各种接口软件和软件开发工具等 *应用软件是按某种特定的需要而编写的专门程序，如财务管理，人口普查和天气预报等软件 （2）硬件系统 硬件系统由中央处理器，主存储器，输入输出控制系统以及各种外围设备组成l 中央处理器对数据进行高速运算和控制处理l 主存储器存放各种程序和数据，它能被CPU直接访问l 输入输出控制系统控制和管理外围设备与主存储器之间的信息传送第二节 硬件环境一。重要知识点（要求达到“识记”层次）（1）CPU的外设的并行工作（2）I/O中断的作用（3）存储结构 (4)硬件保护二。知识点剖析（学习重点） 在计算机系统中，输入输出控制系统负责完成外围设备与主存储器之间的信息传送 （1）CPU与外设的并行工作 各种外设连接到相应的设备控制上，通过通道把设备控制其连接到过公共的系统总线上。这种结构允许CPU和各种外围设备并行工作（2）I/O中断的作用 计算机系统的中断机制包括两部分：硬件中断配置和操作系统中的中断处理服务程序 中断装置由一些特定寄存器的控制线路组成，CPU每执行完一条指令，中断装置都要判别是否有事件发生。如果没有时间发生，CPU继续执行；若有事件发生，中断装置将中断原先占用CPU的程序的执行，让操作系统的处理时间服务程序占用CPU并对时间进行处理。处理完后，再让被中断的程序继续占用CPU执行下去 操作系统提供许多中断处理服务程序，常见的有：处理用户命令，读写文件，分配/收回计算机系统的资源和处理硬件或软件发现的错误 I/O中断的作用在于协调控制计算机的各类资源，响应突发事件。例如对外设的控制；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。这时，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。然后形成一个“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续工作。（3）存储结构 要分清几类主要的存储设备，以及CPU对它们读取速度的差别。 主存储器：是CPU能直接访问的唯一的存储空间，即我们通常所说的内存。任何程序和数据必须在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”为单位进行编制，若干字节组成一个”字”。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。主存储器不能永久性保存信息，断电后信息便会消失。 辅助存储器：解决了主存储器容量不足，以及主存储器无法永久保存信息的问题。辅助存储器的优点是容量大且能永久保存信息，缺点是中央处理器无法直接对其访问，必须通过主存储器才能访问。常用的辅助存储器有磁盘（硬盘和软盘）。磁带和光盘等，随着技术的发展，现在我们常用的便于携带的U盘，移动硬盘等也属于辅助存储器，同时CPU对辅助存储器的访问速度也在不断提高。 寄存器：中央处理器内设置了多种内部寄存器，如指令存储器，通用存储器和控制寄存器等 CPU存取信息的速度依次为：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；存取辅助存储器中的信息速度最慢 寄存器用来存放临时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，以及当前需要执行的程序和数据。 辅助存储器中存放操作系统的非核心部分和其他程序和数据。磁盘上的信息可随机存取，磁带上的信息只能顺序存取 （4）硬件保护。1）输入/输出保护 特权指令：为保护输入输出的完整性，把“启动I/O”等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。 输入/输出保护的实现：用户程序若要启动I/O，必须请求操作系统代为启动，即由操作系统调用特权指令对外设进行统一管理。这种方式不但可保证安全地使用外围设备，正确地传送信息，而且可减少用户因启动设备而必须了解外围设备的特性以及启动等工作，大大方便了用户2）管态和目态 中央处理器有两种工作方式：管态和目态。 在管态工作方式下，中央处理器可执行包括特权指令在内的一切指令；在目态工作方式下，中央处理器不准执行特权指令。操作系统在管态方式下工作，用户程序在目态方式下工作。万一在用户程序中出现了特权指令，CPU将拒绝执行该指令，并形成一个“非法操作”事件，叫操作系统处理。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。当某个用户程序在CPU中执行时，操作系统把程序在主存中的起始地址存入基址寄存器，将程序占用的主存空间长度存入限长寄存器。只有操作系统才有权修改这两个寄存器的值 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下列关系式时才允许访问。中央处理器在管态下执行程序时，不对访问主存的地址进行核对 第3节 操作系统结构一，重要知识点（要求达到“识记”层次）（1）操作系统的层次结构（2）操作系统与用户的接口系统调用，操作指令二，只是点剖析（学习重点） 操作系统的结构是影响程序质量的内在因素。 因此，研究操作系统的结构很有必要。设计操作系统的结构时应追求4大目标：正确性，高效性，维护性和移植性 （）操作系统的层次结构操作系统结构的设计方法有：无序模块法，内核扩充法，层次结构法和管理设计法等。层次结构法的最大特点是把整体问题局部化。把一个复杂的大型操作系统分解成若干单项依赖的层次，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，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操作系统的一种层次结构如图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以来关系，即外层依赖内层的关系层次结构的主要优点是有利于系统的设计和调试，主要困难在于层次的划分和安排（）操作系统与用户的借口系统调用，操作命令。操作系统为用户提供两类使用接口：一类是操作员级的，共用户提出如何控制作业执行的要求：另一类是程序员级的，为用户程序提供服务功能（）作业控制语言和控制命令操作系统供用户（操作员）表示作业执行步骤地手段有两种：作业控制语言和操作控制命令用户用作业控制语言编写“作业控制说明书”，可以成批处理作业。用户使用键盘输入操作控制命令或选择菜单命令，进行交互处理。（）系统调用*系统功能调用，操作系统编制了许多不同功能的子程序，供用户程序在执行中调用，这些子程序成为“系统功能调用”程序或“系统调用”*系统调用过程。系统调用往往在管态下执行，用户程序在调用系统调用时，便以系统会生成一条“访管指令”。程序执行时，CPU渠道访管指令后将产生中断事件，操作系统立即调用相应的系统调用子程序为其服务，并在管态下工作，处理完成后，返回目态及用户程序*系统调用分类。操作系统提供的系统调用主要有：1 文件操作类，如打开文件，读，写，关闭和删除文件等2 资源申请类，如主存的分配和归还，外设的分配和归还的；3 控制类：如程序正常结束，异常结束和返回断点等4信息维护类,如日期时间的设置和查询，文件属性的设置和查询等各知识点的相互联系 计算机系统由硬件系统和软件系统构成.硬件是软件的执行的基础,具有中央处理器与外部设备并行工作的能力,而外部设备也可以同时工作.操作系统利用硬件的这种功能,采用多道程序设计技术,余兴多用户并行工作.在硬件的配合下,操作系统能正确地控制各个程序的执行一个要执行的程序必须装入主存才能被执行,中央处理器能直接访问主存没,而外部设备只能与主存交换信息,在辅村中的程序或数据只有被送往主存,才能被中央处理器访问.大多数计算机将辅存作为主存的扩展,用来保存大量的程序和数据.磁盘可以被随即访问,因此常用于存放常用的信息;磁带主要用户备份,用于存放不常用的信息以及系统间信息交换的媒介.为了保证计算机系统的正常工作,中央处理器有两种工作模式,即管态和目态.眼盯用户程序在目态执行,不能使用特权指令.操作系统利用硬件设置的基址寄存器和限长寄存器来限定个程序可访问的主存空间,以避免互相干扰操作系统提供多种功能,面向对象提供了两组使用接口.一组是操作控制命令或作业控制语言供用户提出对作业的控制要求;另一组是系统调用,供用户程序访问系统服务之用.由于操作系统庞大而复杂,清晰的结构有助于开发和调试,.层次结构是一种重要的设计技术,保证了系统的准确性,可维护性和可移植性.难点解析 1 I/O中断 当CPU执行一条”启动外设”指令时，便把设备的控制权交给控制系统，然后和外部设备可以并行工作，直到外部工作完成形成一个中断事件，通知操作系统的服务处理程序完成后续工作，利用硬件的与外设并行工作的能力，操作系统能让多个程序同时执行保护属于硬件保护的一种为了保护的完整性，将启动等类可能引起系统安全问题的指令定义为特权指令特权指令只允许操作系统使用，不允许用户使用用户若要启动，必须请求操作系统代为启动这样，不但保证了安全地使用外部设备传递信息，而且可以减少用户启动设备必须了解设备特性等一系列复杂的问题，方便了用户3计算机系统中既有操作系统程序，又有用户程序，在什么情况下操作系统程序才能占用CPU？在计算机系统特别是采用多道程序设计技术的计算机系统中，除了操作系统等系统软件外，还包括若干应用程序。这些程序只有占用CPU是才能得以执行，而CPU在任何时刻只允许一个程序占用。计算机的引导程序进行系统初始化后，将操作系统的核心装入主存。若没有用户的请求，操作系统就处于等待状态。而当某个时间出现后，操作系统中断服务程序就要处理他，处理后再等待下一个事件的发生。4 关于存储保护硬件中设定了两个寄存器来限定用户程序执行时可访问的空间范围，它们是基址寄存器和限长寄存器。CPU在目态下执行程序时，只有在判定访问地址符合下列关系式才允许访问。该关系式是： 基址寄存器值访问地址基址寄存器值限长寄存器植 CPU在管态下执行程序时，对访问主存的地址不进行核对和判定，5 主存储器，辅助存储器与寄存器(1) 主存储器是CPU能直接访问的唯一的存储空间，即我们通常所说的内存。任何程序和数据必须在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”为单位进行编制，若干字节组成一个“字”。中央处理器可以按地址读出主存储器中的一个字或一个字的内容。主存