第2章计算机系统结构

第2章计算机系统结构2.1计算机系统的结构2.1.1计算机系统的层次结构2.1.2操作系统的运行方式(工作框架)2.2计算机系统的硬件环境2.3硬件保护2.4操作系统的结构2.5操作系统与用户接口2.1.1计算机系统的层次结构操作员(人)应用软件支撑软件系统软件编译系统…操作系统硬件系统(1)软件系统：系统软件：计算机系统中必不可少的软件,如操作系统和编译系统支撑软件：可支持其它软件的开发和维护，如数据库，各种接口软件和软件开发工具等。应用软件：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：CPU：对数据进行运算和控制处理主存：存储各种程序和数据，它能被CPU直接访问输入输出控制系统：控制和管理外围设备与主存之间的信息传送。2.1.2操作系统的运行方式任何一个计算机系统都有引导程序（初启程序），计算机启动时，自动执行引导程序（初启程序）。引导程序首先进行初始化的工作，然后把操作系统的核心装入主存储器，并让操作系统的核心程序占用处理器执行。此后操作系统便等待用户请求（事件）的发生。当出现某个事件时，硬件便能识别并发生一个中断，通知操作系统，由操作系统的服务程序去处理，处理结束后，又开始等待下一个事件发生。1、CPU与外设并行工作的I/O中断（P17）在现代通用计算机系统中，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与外设并行工作各种外设连接到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与外设并行工作。2.2计算机系统的硬件环境2.2计算机系统的硬件环境

（2）I/O中断中央处理器按程序规定的顺序执行指令，当中央处理器执行到一条“启动外设（启动I/O）”指令时，就按指令中给定的参数启动指定的设备，并把设备的控制权交给输入输出控制系统。由输入/输出控制系统控制外围设备与主存储器之间的信息传送，外围设备独立工作，不再需要中央处理器的干预，于是中央处理器可以继续执行其他程序。（中央处理器和外设便可以并行工作）但由于外围设备是由中央处理器根据程序的要求而启动的，故当外围设备工作结束后，应反馈该设备的工作情况，形成一个“输入/输出操作结束的事件”，由中断完成，硬件识别该事件后就急触发一个I/O中断，并暂停当前占用中央处理器的程序的执行，让操作系统的处理程序来处理这个“输入/输出操作结束”事件，操作系统进行分析后就可以知道该外围设备的工作情况，从而确定启动该外围设备的程序的工作状态。

CPU与外围设备并行工作

2.2计算机系统的硬件环境利用硬件的中央处理器与外设的并行工作能力，以及各种外部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。2.3存储体系

1、主存储器主存储器是CPU能访问的唯一存储空间，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。主存以“字节”为单位进行编址，若干字节组成一个“字”，例如64位计算机由8个字节组成一个字。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。主存储器不能永久保存信息，断电后信息便会消失。2、高速缓冲存储器（Cache)

当程序和数据装入主存储器后，处理器在执行程序时就要不断的访问主存储器，从中读出指令和操作数，然后对操作数进行处理，处理结果又会被保存到主存储器中。通常，处理器执行程序时花在访问主存储器的时间远远大于处理数据的时间。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一个高速缓冲存储器（Cache)，其存取速度大大快于主存储器。但一般容量都较小。当程序执行时，可把当前要访问的一组信息从主存中复制到Cache中，CPU执行程序时先访问Cache，若Cache中有所需的信息，直接取出。没的才去访问主存。从而提高系统效率。2.3存储体系3、辅助存储器辅助存储器解决了主存容量不足以及无法永久保存信息的问题。优点：容量大且能永久保存信息，缺点：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。常用的有：磁盘（硬盘和软盘）、磁带、光盘等。4、寄存器寄存器是中央处理器的组成部分，用来存放处理器的工作信息（1）通用寄存器：存放参加运算的操作数，指令的运算结果等（2）指令寄存器：存放当前从主存中读出的指令（3）控制寄存器：存放控制信息以保证程序的正确执行和系统的安全。①程序状态字寄存器：存放当前程序执行的状态②中断字寄存器：记录出现的事件③基址寄存器：设定程序执行时可访问的主存空间的开始地址④限长寄存器：设定程序执行时可访问的主存空间的长度这些寄存器都是处理器的工作寄存器，当处理器执行程序时，每次从主存储器中读出一条指令，并把它存入“指令寄存器”中，然后分析指令，根据指令中指定的地址，从主存储器读出操作数，存入“通用寄存器”，根据指令中的操作码，对操作数进行运算，并将所得的结果或暂存在通用寄存器中或存储到主存储器中，利用控制寄存器来保证各程序交替占用处理器时能正确执行，保证系统安全。例如：按“程序状态字寄存器“记录的系统状态来控制当前程序的执行，按“基址寄存器”和限长寄存器庙宇的地址和长度来限定程序执行时可访问的主存空间的范围。2.3存储体系小结1、CPU存取信息的速度：寄存器——高速缓存——主存——辅存2、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。3、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。4、磁盘上的信息可随机存取，磁带上的信息只能顺序存取2.2.3硬件保护

为了保证计算机系统正确可靠地工作，硬件把由中央处理器执行的指令分为两类：特权指令和非特权指令。1、特权指令（1）特权指令：为了保护输入输出的完整性，把“启动I/O”、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定义为特权指令。只允许操作系统使用。不允许用户程序中直接使用的指令。（其余的作为非特权指令。）（2）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设的特性以及启动等工作，大大方便了用户。

2.2.3硬件保护2、管态和目态（中央处理器的两种工作方式，解决用户程序中出现特权指令的情况）在管态下，中央处理器可执行包括特权指令在内的一切指令；在目态下，中央处理器不准执行特权指令。所以操作系统占用处理器时应让处理器工作在管态下，用户程序占用处理器时应让处理器工作在目态。即操作系统在管态方式下工作，用户程序在目态方式下工作。

当中央处理器在目态下工作时，若取得了一条特权指令（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，硬件识别到该事件后，便暂停当前程序的执行，且把该事件转交操作系统去处理。由操作系统通知用户：“程序中有非法指令”，必须修改。当系统启动时，硬件置中央处理器的初态为管态，然后装入操作系统程序，如果操作系统选择了用户程序占用处理器，则把管态换成目态，如果程序执行中出现了一事件，则又将目态转换为管态，让操作系统去处理出现的事件。所以，总能保证操作系统在管态工作，操作系统退出执行时，让用户程序在目态执行。2.2.3硬件保护

3、存储保护主存储器中往往同时装入了操作系统程序和若干用户程序，为了保证正确的操作，必须限定用户程序只能在规定的主存区域内执行，以保护各程序的安全。存储保护方法：硬件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，对每一个访问主存空间的地址都要进行核查，只有判定访问地址符合下列关系时才允许访问：

基址寄存器≤访问地址≤（基址寄存器+限长寄存器）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查，以允许操作系统对各用户程序进行管理和控制。2.3.1操作系统的设计目标

程序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：能充分估计和把握各种随机的、不确定的情况，一个结构良好的操作系统不仅能保证正确性而且要易于验证正确性。

高效性：能尽可能减少操作系统的开销（操作系统所需占用的资源和处理器时间称为系统开销），设计操作系统的核心程序应遵循少而精的原则，使处理既有效又灵活。

维护性：便于对操作系统的功能进行增、删、改，提高可维护性。

移植性：是指能否方便地把操作系统从一个硬件移植到另一个新的硬件环境中。因此设计时尽量减少与硬件直接有关的程序量，采用国际标准C语言可C++语言编写程序来提高移植性。

2.3.2操作系统的层次结构(1)操作系统结构的设计方法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。(2)层次结构法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，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所示。这种结构具有单向依赖关系，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作业管理文件管理设备管理存储管理处理器管理硬件2.4操作系统与用户接口操作系统为用户提供两类使用接口：一类是操作员级（一组控制命令），供用户提出如何控制作业执行的要求；另一类是程序员级（一组系统功能调用），为用户程序提供服务功能。

1．操作控制命令一个用户作业进入计算机系统后，除程序执行时要调用系统功能外，用户往往告诉操作系统控制作业执行的步骤，如依次做编译、装配、运行等。为此，操作系统提供了操作员一级表示作业执行步骤的手段：操作控制命令。（1）操作控制命令；用户可以从键盘输入操作控制命令或从“菜单”中选择命令，来指出作业的执行步骤，当使用操作命令时，用户每输入一条命令，操作系统就按命令要求控制程序的执行，一条命令的控制结束后，就通知用户输入下一条命令，直至作业执行结束。（2）作业控制语言：在批处理系统中，为用户提供作业控制语言，允许用户用作业控制语言编写一分表示作业执行步骤的“作业控制说明书”，操作系统根据作业控制说明书自动控制作业的执行，可成批处理作业。

2.2.5操作系统与用户接口2、系统调用（1）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，这些子程序称为“系统功能调用程序”或“系统调用”。