操作系统 第2章 计算机系统结构简介PPT课件

第2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 本章的考核知识点是 1 计算机系统的层次结构2 硬件环境3 操作系统结构4 UNIX系统结构5 UNIX系统的进程6 UNIX系统的存储管理7 UNIX系统的文件系统8 UNIX系统的I O系统学习本章要求 了解计算机系统的结构 有关硬件的I O中断和存储结构 硬件的保护措施 有关操作系统的结构 操作系统提供的使用接口 在学习操作系统基本工作原理的基础上 了解一个具体操作系统UNIX的实现方法 重点是 硬件环境和操作系统的结构 2 1 计算机系统结构2 1 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 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 中断现场的保护和恢复 2 2硬件环境 识记 2 2 1CPU和外设的并行工作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 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 2存储结构主存储器是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 2 2 3硬件保护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 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 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 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 3操作系统结构 识记 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 1OS的结构设计的目标1 正确性2 高效性3 维护性4 移植性 2 3 2OS的层次结构操作系统的一种层次结构如下图所示 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 3UNIX系统结构 领会 1 UNIX的层次结构 UNIX可以分为内核层和外壳层两部分 内核层是UNIX操作系统的核心 它实现存储管理 文件管理 设备管理 进程管理等功能并为外壳层提供系统调用 外壳层为用户提供各种操作命令 UNIX把它们称为shell命令 和程序设计环境 外壳层由shell解释程序 支持程序设计的各种语言 如C PASCAL和BASIC等 编译程序和解释程序 实用程序和系统库等组成 图2 5 UNIX内核程序用C语言和汇编语言编写 这些文件可分为3类 1 汇编语言文件 2 C语言文件 3 C语言全局变量文件 2 UNIX系统的主要特点 短小精悍简洁有效易移植可扩充开放性 2 4OS和用户的接口 2 4 1作业控制语言和控制命令操作系统提供给用户表示作业执行步骤的手段有两种 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 从而形成批处理作业 用户使用键盘输入操作控制命令或者选择菜单命令 进行交互处理 2 4 2系统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 这些子程序称为 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 编译系统会生成一条 访管指令 程序执行时 CPU取到访管指令就产生中断事件 操作系统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 文件操作类 如打开文件 读 写文件等 资源申请类 如请求主存分配和归还 外设的分配和归还等 控制类 如程序正常结束 异常结束和返回断点等 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 2 5UNIX的程序员接口和用户接口 UNIX的程序员接口就是其内核提供的系统调用 它是内核为外壳用户程序提供的服务界面 也就是操作系统支持用户程序正常工作的接口 系统调用是用户程序请求操作系统为其服务的唯一形式 UNIX规定用户程序用 trap 指令请求服务 UNIX的中粗略地分为三类 文件操作类 进程控制类 信号与时间类 shell命令是终端用户与UNIX的接口 因为用户不能直接使用系统调用 而只能使用外壳层的用户程序 一个在终端上登录成功的用户可以用UNIX提供的shell命令来得到用户程序 五 UNIX系统的进程 领会 1 进程的组成 在UNIX系统中进程由三部分组成 进程控制块 正文段和数据段 2 进程的状态及状态转换 UNIX进程在执行过程中由于各种原因使其状态不断发生变化 且当内存空间不够时可把一些进程换出到磁盘上 需要时又可把它换进内存 进程的状态有运行状态 就绪状态 睡眠状态 创建状态 僵死状态 3 Shell进程 UNIX系统初始起动时为每个用户创建一个shell进程 每个shell进程等待用户输入命令 当shell进程接收了用户命令后再创建子进程去解释执行命令 子进程在执行过程中可以按需要再创建子进程 形成一棵进程树 4 进程的创建 一个进程总是使用系统调用fork来创建新进程 形成父子关系 父进程与子进程可以并发执行 子进程可以共享父进程的正文段和已打开的文件 5 进程调度算法及其实现 在内存就绪的进程中 当处理器空闲时可以竞争处理器 UNIX系统对进程的调度采用动态优先数调度算法 优先数大的进程其优先权低 进程调度总是让优先数小 优先权高 的进程先占用处理器 6 利用管道设施pipe实现进程间的通信 UNIX的管道机制pipe是连接在进程间的共享文件 称为pipe文件 通过管道机制对进程读写pipe文件进行操作 使得一个进程可以把信息写入pipe文件 别的进程可以从pipe文件中读取信息 实现进程间的通信 六 UNIX系统的存储管理 领会 1 对换 Swapping 技术 这就是前面我们所学的虚拟存储器在UNIX中的应用 磁盘上设置开辟一个足够大的区域 为对换区 当内存中的进程要扩大内存空间 而当前的内存空间又不能满足时 则可把内存中的某些进程暂换出到对换区中 在适当的时候又可以把它们换进内存 因而 对换区可作为内存的逻辑扩充 用对换技术解决进程之间的内存竞争 UNIX对内存空间和对换区空间的管理都采用最先适应分配算法 2 虚拟页式存储管理技术 UNIX把进程的地址空间划分成三个功能区段 系统区段 进程控制区段 进程程序区段 系统区段占用系统空间 系统空间中的程序和数据常驻内存 其余两个区段占用进程空间 是进程中非常驻内存部分 通过页表和硬件的地址转换机构完成虚拟地址和物理地址之间的转换 七 UNIX系统的文件系统 领会 1 UNIX系统中的逻辑文件采用流式文件组织在UNIX系统中 文件的逻辑结构是由一串顺序的字符组成的流式文件 即用户文件是不划分记录的 文件的物理结构是采用索引结构方式 即把文件按一定的长度分块后存放到磁盘上 UNIX的文件系统分成基本文件和可装卸的子文件系统两部分 2 UNIX的树形目录结构 UNIX采用树形目录 因而从用户角度来看 UNIX文件系统是一个倒树形的层次结构 UNIX把普通文件 目录文件保存在磁盘上 一个具体的文件可以用路径名确定 磁盘被分成块 扇区 每块为512个字节或1K字节 3 UNIX系统中的物理文件采用索引结构组织 UNIX中的文件在磁盘上是按索引结构组织的 每个文件都有一张索引表记录文件占用的磁盘空间块号 4 UNIX的索引节点 UNIX中每个文件有一个唯一的索引节点 索引节点静态地存放在磁盘上 故称为磁盘索引节点 当建立一个新文件时就要为该文件分配一个索引节点号和存放索引节点的盘空间 活动索引节点是为了加快文件访问速度而在内存中对磁盘索引节点进行复制而成 若要对文件进行各种操作 则必须把相应的磁盘索引节点复制到活动索引表中 这样才能根据文件的控制和管理信息实现相应的操作 在活动索引表中的节点被称为活动索引节点 5 UNIX系统中基本文件操作 通过系统调用实现 文件操作类的系统调用主要有creat 建立 open 打开 read 读 write 写 close 关闭 link 链接 unlink 删除 等 6 文件存储空间 磁盘空间的管理 参阅第五章 UNIX中的每一个文件系统 基本文件系统或子文件系统 的磁盘空间可分成几个部分 一 引导块二 超级块三 索引节点区四 文件存储区 UNIX中可分配的磁盘空间有两类 一类是索引节点区 另一类是存放文件的存储区 UNIX对这两类存储空间采用不同的管理方法 八 UNIX系统的I O系统 领会 1 块设备和字符设备块设备以块为单位每次与内存交换一组信息 字符设备以字节为单位与内存交换信息 块设备是用来存储信息的设备 进程可以从块设备上读取所需的信息 也可以把信息保存到块设备上 字符设备是计算机用来接收外部信息或把处理好的信息传向外部的设备 块设备包括硬盘 软盘 磁带等 字符设备包括终端 打印机等 2 设备文件 UNIX系统把设备也当作文件来对待 每个设备都有一个文件名 并对它像文件那样进行操作 3 缓冲技术 这个技术就是虚拟设备 SPOOL技术 在UNIX中的实际应用 UNIX采用缓冲技术实现设备的读写操作 对写操作 驱动程序分配一个 缓冲区 先从用户空间把信息拷贝到缓冲区 再从缓冲区输出到设备 对读操作 先从设备接收信息到缓冲区 再将信息拷贝到指定的用户空间 这样做的目的是为了减少启动设备的次数 提高整个系统的吞吐率 4 块设备的管理 块设备来与文件系统之间有一个接口实现对缓冲区的管理 通过启动驱动程序完成相应的打开 关闭 读和写等操作 5 字符设备的管理 字符设备管理为各种字符设备设置了一些反映它们各自工作特性的数据结构 开关表 设备表和I O队列等 字符设备工作速度低 一次输入输出要求传送的字节数少而且不固定 所以不适宜采用块设备管理中的缓冲技术 而是采用缓冲区容量较小的 易管理的字符缓冲技术 复习题 1 计算机系统的层次结构是 A 应用软件 支撑软件 编辑软件和操作系统B 操作员 应用软件 支撑软件和编译软件C 应用软件 支撑软件 编译软件和操作系统D 应用软件 支撑软件 编辑软件和编译系统2 以下软件系统中完全属于系统软件的一组是 A WINDOWS2000 编译系统 操作系统B 接口软件 操作系统 软件开发工具C 专用程序 财务管理软件 编译系统 操作系统D Windows98 接口软件 Office2000 3 中央处理器 A 可直接访问的唯一存储空间是主存储器B 只能运行在管态C 能直接访问的存储空间包括寄存器D 是完成设备与主存储器之间信息传送的唯一途径4 中央处理器与外围设备的并行工作能力是由 提供的 A 硬件B 系统软件C 应用软件D 支援软件5 当操作系统完成了用户请求的 系统调用 功能后 应使中央处理器 工作 A 维持在目态B 从目态转换到管态C 维持在管态D 从管态转换到目态 6 以下不属于操作系统结构设计目标的是 A 正确性B 交互性C 高效性D 可维护性和可移植性7 处理器执行的指令被分成两类 其中有一类称为特权指令 它只允许 工作 A 操作员B 联机用户C 操作系统D 目标程序8 用户是通过 请求操作系统服务的 A 子程序调用指令B 访管指令C 条件转移指令D 以上三种都可以 9 主要由于 原因 使UNIX易于移植 A UNIX是由机器指令书写的B UNIX大部分由汇编少部分用C语言编写C UNIX是用汇编语言书写的D UNIX小部分由汇编大部分用C语言编写10 UNIX系统中 进程调度采用的技术是 A 时间片轮转B 先来先服务C 静态优先数D 动态优先数11 UNIX系统中 文件存贮器的管理采用的是 A 位图法B 空闲块表法C 成组连接法D 单块连接法12 UNIX有许多特点 而 不是UNIX的特点 A 易移植B 能实时处理C 可扩充D 简洁有效 13 UNIX系统中 进程控制块是 A i node结构B proc结构C user结构D proc结构和user结构 14 UNIX的物理文件采用了 结构 A 顺序文件B 链接文件C 多重索引文件D 一级