第2章計算機系統(tǒng)結構2.1計算機系統(tǒng)的結構2.1.1計算機系統(tǒng)的層次結構2.1.2操作系統(tǒng)的運行方式(工作框架)2.2計算機系統(tǒng)的硬件環(huán)境2.3硬件保護2.4操作系統(tǒng)的結構2.5操作系統(tǒng)與用戶接口2.1.1計算機系統(tǒng)的層次結構操作員(人)應用軟件支撐軟件系統(tǒng)軟件編譯系統(tǒng)…操作系統(tǒng)硬件系統(tǒng)(1)軟件系統(tǒng)：系統(tǒng)軟件：計算機系統(tǒng)中必不可少的軟件,如操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)支撐軟件：可支持其它軟件的開發(fā)和維護，如數(shù)據庫，各種接口軟件和軟件開發(fā)工具等。應用軟件：按某種特定的需要而編寫的專門程序，如財務管理、人口普查和天氣預報等軟件。（2）硬件系統(tǒng)：CPU：對數(shù)據進行運算和控制處理主存：存儲各種程序和數(shù)據，它能被CPU直接訪問輸入輸出控制系統(tǒng)：控制和管理外圍設備與主存之間的信息傳送。2.1.2操作系統(tǒng)的運行方式任何一個計算機系統(tǒng)都有引導程序（初啟程序），計算機啟動時，自動執(zhí)行引導程序（初啟程序）。引導程序首先進行初始化的工作，然后把操作系統(tǒng)的核心裝入主存儲器，并讓操作系統(tǒng)的核心程序占用處理器執(zhí)行。此后操作系統(tǒng)便等待用戶請求（事件）的發(fā)生。當出現(xiàn)某個事件時，硬件便能識別并發(fā)生一個中斷，通知操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)的服務程序去處理，處理結束后，又開始等待下一個事件發(fā)生。1、CPU與外設并行工作的I/O中斷（P17）在現(xiàn)代通用計算機系統(tǒng)中，輸入/輸出控制系統(tǒng)負責完成外圍設備與主存儲器之間的信息傳送。（1）CPU與外設并行工作各種外設連接到相應的設備控制器上，通過通道把設備控制器連接到公共的系統(tǒng)總線上，這種結構允許CPU與外設并行工作。2.2計算機系統(tǒng)的硬件環(huán)境2.2計算機系統(tǒng)的硬件環(huán)境

（2）I/O中斷中央處理器按程序規(guī)定的順序執(zhí)行指令，當中央處理器執(zhí)行到一條“啟動外設（啟動I/O）”指令時，就按指令中給定的參數(shù)啟動指定的設備，并把設備的控制權交給輸入輸出控制系統(tǒng)。由輸入/輸出控制系統(tǒng)控制外圍設備與主存儲器之間的信息傳送，外圍設備獨立工作，不再需要中央處理器的干預，于是中央處理器可以繼續(xù)執(zhí)行其他程序。（中央處理器和外設便可以并行工作）但由于外圍設備是由中央處理器根據程序的要求而啟動的，故當外圍設備工作結束后，應反饋該設備的工作情況，形成一個“輸入/輸出操作結束的事件”，由中斷完成，硬件識別該事件后就急觸發(fā)一個I/O中斷，并暫停當前占用中央處理器的程序的執(zhí)行，讓操作系統(tǒng)的處理程序來處理這個“輸入/輸出操作結束”事件，操作系統(tǒng)進行分析后就可以知道該外圍設備的工作情況，從而確定啟動該外圍設備的程序的工作狀態(tài)。

CPU與外圍設備并行工作

2.2計算機系統(tǒng)的硬件環(huán)境利用硬件的中央處理器與外設的并行工作能力，以及各種外部設備之間的并行工作能力，操作系統(tǒng)能讓多個程序同時執(zhí)行。2.3存儲體系

1、主存儲器主存儲器是CPU能訪問的唯一存儲空間，任何程序和數(shù)據都必須被裝入主存儲器之后，CPU才能對它進行操作。主存以“字節(jié)”為單位進行編址，若干字節(jié)組成一個“字”，例如64位計算機由8個字節(jié)組成一個字。處理器可以按地址讀出主存儲器中的一個字節(jié)或一個字的內容。主存儲器不能永久保存信息，斷電后信息便會消失。2、高速緩沖存儲器（Cache)

當程序和數(shù)據裝入主存儲器后，處理器在執(zhí)行程序時就要不斷的訪問主存儲器，從中讀出指令和操作數(shù)，然后對操作數(shù)進行處理，處理結果又會被保存到主存儲器中。通常，處理器執(zhí)行程序時花在訪問主存儲器的時間遠遠大于處理數(shù)據的時間。為了減少對主存儲器的訪問時間，加快程序的執(zhí)行速度，現(xiàn)代計算機系統(tǒng)往往配置一個高速緩沖存儲器（Cache)，其存取速度大大快于主存儲器。但一般容量都較小。當程序執(zhí)行時，可把當前要訪問的一組信息從主存中復制到Cache中，CPU執(zhí)行程序時先訪問Cache，若Cache中有所需的信息，直接取出。沒的才去訪問主存。從而提高系統(tǒng)效率。2.3存儲體系3、輔助存儲器輔助存儲器解決了主存容量不足以及無法永久保存信息的問題。優(yōu)點：容量大且能永久保存信息，缺點：中央處理器無法直接對其訪問，必須通過主存儲器才能訪問。常用的有：磁盤（硬盤和軟盤）、磁帶、光盤等。4、寄存器寄存器是中央處理器的組成部分，用來存放處理器的工作信息（1）通用寄存器：存放參加運算的操作數(shù)，指令的運算結果等（2）指令寄存器：存放當前從主存中讀出的指令（3）控制寄存器：存放控制信息以保證程序的正確執(zhí)行和系統(tǒng)的安全。①程序狀態(tài)字寄存器：存放當前程序執(zhí)行的狀態(tài)②中斷字寄存器：記錄出現(xiàn)的事件③基址寄存器：設定程序執(zhí)行時可訪問的主存空間的開始地址④限長寄存器：設定程序執(zhí)行時可訪問的主存空間的長度這些寄存器都是處理器的工作寄存器，當處理器執(zhí)行程序時，每次從主存儲器中讀出一條指令，并把它存入“指令寄存器”中，然后分析指令，根據指令中指定的地址，從主存儲器讀出操作數(shù)，存入“通用寄存器”，根據指令中的操作碼，對操作數(shù)進行運算，并將所得的結果或暫存在通用寄存器中或存儲到主存儲器中，利用控制寄存器來保證各程序交替占用處理器時能正確執(zhí)行，保證系統(tǒng)安全。例如：按“程序狀態(tài)字寄存器“記錄的系統(tǒng)狀態(tài)來控制當前程序的執(zhí)行，按“基址寄存器”和限長寄存器廟宇的地址和長度來限定程序執(zhí)行時可訪問的主存空間的范圍。2.3存儲體系小結1、CPU存取信息的速度：寄存器——高速緩存——主存——輔存2、主存儲器中存放操作系統(tǒng)的核心部分以及當前需要執(zhí)行的程序和數(shù)據。3、輔助存儲器中存放操作系統(tǒng)的非核心部分和其他程序和數(shù)據。4、磁盤上的信息可隨機存取，磁帶上的信息只能順序存取2.2.3硬件保護

為了保證計算機系統(tǒng)正確可靠地工作，硬件把由中央處理器執(zhí)行的指令分為兩類：特權指令和非特權指令。1、特權指令（1）特權指令：為了保護輸入輸出的完整性，把“啟動I/O”、設置時鐘、設置控制寄存器等一類可能影響系統(tǒng)安全的指令定義為特權指令。只允許操作系統(tǒng)使用。不允許用戶程序中直接使用的指令。（其余的作為非特權指令。）（2）輸入輸出保護的實現(xiàn)：用戶程序若要啟動I/O，必須請求操作系統(tǒng)代為啟動，即由操作系統(tǒng)調用特權指令對外設進行統(tǒng)一管理。這種方式不但可保證安全地使用外圍設備，正確地傳送信息，而且可減少用戶因啟動設備而必須了解外設的特性以及啟動等工作，大大方便了用戶。

2.2.3硬件保護2、管態(tài)和目態(tài)（中央處理器的兩種工作方式，解決用戶程序中出現(xiàn)特權指令的情況）在管態(tài)下，中央處理器可執(zhí)行包括特權指令在內的一切指令；在目態(tài)下，中央處理器不準執(zhí)行特權指令。所以操作系統(tǒng)占用處理器時應讓處理器工作在管態(tài)下，用戶程序占用處理器時應讓處理器工作在目態(tài)。即操作系統(tǒng)在管態(tài)方式下工作，用戶程序在目態(tài)方式下工作。

當中央處理器在目態(tài)下工作時，若取得了一條特權指令（用戶程序中出現(xiàn)了特權指令），CPU將拒絕執(zhí)行該指令并形成一個“非法操作”事件，硬件識別到該事件后，便暫停當前程序的執(zhí)行，且把該事件轉交操作系統(tǒng)去處理。由操作系統(tǒng)通知用戶：“程序中有非法指令”，必須修改。當系統(tǒng)啟動時，硬件置中央處理器的初態(tài)為管態(tài)，然后裝入操作系統(tǒng)程序，如果操作系統(tǒng)選擇了用戶程序占用處理器，則把管態(tài)換成目態(tài)，如果程序執(zhí)行中出現(xiàn)了一事件，則又將目態(tài)轉換為管態(tài)，讓操作系統(tǒng)去處理出現(xiàn)的事件。所以，總能保證操作系統(tǒng)在管態(tài)工作，操作系統(tǒng)退出執(zhí)行時，讓用戶程序在目態(tài)執(zhí)行。2.2.3硬件保護

3、存儲保護主存儲器中往往同時裝入了操作系統(tǒng)程序和若干用戶程序，為了保證正確的操作，必須限定用戶程序只能在規(guī)定的主存區(qū)域內執(zhí)行，以保護各程序的安全。存儲保護方法：硬件設置了兩個寄存器來限定用戶程序執(zhí)行時可以訪問的空間范圍，這兩個寄存器是基址寄存器和限長寄存器。當用戶程序在CPU中執(zhí)行時，操作系統(tǒng)把程序在主存中的起始地址存入基址寄存器，將程序占用的主存空間長度存入限長寄存器。只有操作系統(tǒng)才有權修改這兩個寄存器的值。中央處理器在目態(tài)下執(zhí)行程序時，對每一個訪問主存空間的地址都要進行核查，只有判定訪問地址符合下列關系時才允許訪問：

基址寄存器≤訪問地址≤（基址寄存器+限長寄存器）中央處理器在管態(tài)下執(zhí)行程序時，不對訪問主存的地址進行核查，以允許操作系統(tǒng)對各用戶程序進行管理和控制。2.3.1操作系統(tǒng)的設計目標

程序的結構是影響程序質量的內在因素。因此，研究操作系統(tǒng)的結構很有必要。設計操作系統(tǒng)的結構時應追求4大目標：

正確性：能充分估計和把握各種隨機的、不確定的情況，一個結構良好的操作系統(tǒng)不僅能保證正確性而且要易于驗證正確性。

高效性：能盡可能減少操作系統(tǒng)的開銷（操作系統(tǒng)所需占用的資源和處理器時間稱為系統(tǒng)開銷），設計操作系統(tǒng)的核心程序應遵循少而精的原則，使處理既有效又靈活。

維護性：便于對操作系統(tǒng)的功能進行增、刪、改，提高可維護性。

移植性：是指能否方便地把操作系統(tǒng)從一個硬件移植到另一個新的硬件環(huán)境中。因此設計時盡量減少與硬件直接有關的程序量，采用國際標準C語言可C++語言編寫程序來提高移植性。

2.3.2操作系統(tǒng)的層次結構(1)操作系統(tǒng)結構的設計方法操作系統(tǒng)結構的設計方法有：無序模塊法、內核擴充法、層次結構法和管理設計法等。(2)層次結構法層次結構法的最大特點是把整體問題局部化。把一個復雜的大型操作系統(tǒng)分解成若干單向依賴的層次，由各層的正確性來保證整個操作系統(tǒng)的正確性。采用層次結構，結構清晰，便于調試，有利于功能的增、刪和修改，正確性容易得到保證，也提高了系統(tǒng)的可維護性和可移植性。操作系統(tǒng)的一種層次結構如圖所示。這種結構具有單向依賴關系，即外層依賴內層的關系。層次結構的主要優(yōu)點是有利于系統(tǒng)的設計和調試，主要困難在于層次的劃分和安排作業(yè)管理文件管理設備管理存儲管理處理器管理硬件2.4操作系統(tǒng)與用戶接口操作系統(tǒng)為用戶提供兩類使用接口：一類是操作員級（一組控制命令），供用戶提出如何控制作業(yè)執(zhí)行的要求；另一類是程序員級（一組系統(tǒng)功能調用），為用戶程序提供服務功能。

1．操作控制命令一個用戶作業(yè)進入計算機系統(tǒng)后，除程序執(zhí)行時要調用系統(tǒng)功能外，用戶往往告訴操作系統(tǒng)控制作業(yè)執(zhí)行的步驟，如依次做編譯、裝配、運行等。為此，操作系統(tǒng)提供了操作員一級表示作業(yè)執(zhí)行步驟的手段：操作控制命令。（1）操作控制命令；用戶可以從鍵盤輸入操作控制命令或從“菜單”中選擇命令，來指出作業(yè)的執(zhí)行步驟，當使用操作命令時，用戶每輸入一條命令，操作系統(tǒng)就按命令要求控制程序的執(zhí)行，一條命令的控制結束后，就通知用戶輸入下一條命令，直至作業(yè)執(zhí)行結束。（2）作業(yè)控制語言：在批處理系統(tǒng)中，為用戶提供作業(yè)控制語言，允許用戶用作業(yè)控制語言編寫一分表示作業(yè)執(zhí)行步驟的“作業(yè)控制說明書”，操作系統(tǒng)根據作業(yè)控制說明書自動控制作業(yè)的執(zhí)行，可成批處理作業(yè)。

2.2.5操作系統(tǒng)與用戶接口2、系統(tǒng)調用（1）系統(tǒng)功能調用操作系統(tǒng)編制了許多不同功能的子程序，供用戶程序在執(zhí)行中調用，這些子程序稱為“系統(tǒng)功能調用程序”或“系統(tǒng)調用”。