计算机系统的层次结构

第一章第一章 概概 论论 1 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 2 操作系统的资源管理观点操作系统的资源管理观点 3 操作系统的服务观点操作系统的服务观点 4 操作系统的特性操作系统的特性 5 操作系统的硬件基础操作系统的硬件基础 6 操作系统的装入与初启操作系统的装入与初启 1 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 一个完整的计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的。硬件(即物理计算机)是系统的基本资源，其主要部件包括：中央处理机(CPU)、主存贮器(简称主存或内存)、外部存贮器(简称外存或辅存，包括磁盘和磁带)、终端(通常由键盘*和显示器组成)、控制台以及字符打印机等。CPU和内存构成系统的主机，其它部件统称为外部设备(简称外设），或称为输入输出(IO)设备。 图-计算机系统的抽象层次结构 操作系统的资源管理观点操作系统的资源管理观点 . 支持资源共享的多道程序系统支持资源共享的多道程序系统 按照程序在系统中的运行方式，计算机系统分为单道程序系统和多道程序系统*。 所谓单道程序系统是指系统只能顺序地执行用户程序，即仅当一个用户程序执*行完后，才启动另一个用户程序工作，在一个用户程序运行期间，它独占全机崐资源。这样的系统经常出现资源使用不充分和不均衡的现象，当工作时*，外设往往处于闲置状态；同样，当外设工作时，也往往空闲着；外设*之间亦同样如此。由于的速度远远高于外设，的浪费就显得尤为*严重。 多道程序系统的实现需要硬件和软件的共同支持。在硬件技术中主要引入了中*断和通道。所谓中断，从概念上说是指意外事件或异步事件对的打断。意*外事件如电源掉电或硬件故障，异步事件则是无一定时序关系的随机事件，例*如外部设备完成传输，用户通过终端发出命令请求等。一旦意外事件或*异步事件发生，中断部件便向发出中断请求，暂停的当前工作。*通道则是一种专门用于控制外部设备的简单处理机，亦称处理机，它联*接着主机和外设，具有向内存直接存取数据的能力。作为处理机，它执行专门*的通道指令，并可独立于，与同时工作。当现行程序需要*传输时，只要命令通道去完成就行了，同时可以继续执行现行程*序的后续工作或执行其它程序。 只有当通道控制相应的外部设备完成了指定的*数据传输任务后，才通过中断部件向发出中断请求，立即暂停现*行程序的执行，转去执行中断处理程序。可见，中断和通道技术的引入，实现*了多部件并行工作，即与外设以及外设与外设之间同时工作。利用多部*件并行工作的特性，就可使多道程序同时运行，实现系统资源的共享。支持多*道程序系统的软件系统需要在多道程序之间合理地分配和回收系统资源,使资源*得到合理有效的利用，使得各个程序能够有条不紊地运行，这个软件就是操作系统。 . 操作系统的管理功能操作系统的管理功能 . 管理管理.存贮器管理存贮器管理 .设备管理设备管理 .文件管理文件管理 .进程及作业管理进程及作业管理 操作系统的服务观点操作系统的服务观点 . 公共服务功能公共服务功能 （1）程序装入与执行 （2）操作（）文件使用 （）作业运行控制 （）错误检测与处理 . 操作系统的分类操作系统的分类 .批处理系统（批处理系统（ *） 批处理系统也称批量系统或作业流处理系统。所谓批处理意指用户作业的成批输入并处理，即系统将作业一批一批地输入系统并暂存在外存中，组成一个后备作业列队，每次按一定的调度原则从后备作业中挑选一个或多个装入主机处理，作业完成后退出主机和后备作业装入主机运行均由系统自动实现，从而大大压缩了两个作业之间的转接时间，在系统中形成了一个自动转接的连续作业流，当一批作业运行完后，输出它们的运行结果，再接受下一批作业进入系统处理。然而，在现代批处理系统中，上述“批”的概念已不十分明显，用户作业可被随时接受进入系统处理，运行结果也可以随机输出，而不必集中成批输入和输出，所以批处理的真实含义是指系统对源源不断的作业流的连续处理。 批处理系统的特点是它采用的是脱机服务方式，即用户在其作业运行期间不能在控制台或终端上请求系统的服务以直接干预其作业的运行过程，而必须将其对作业的控制意图事先用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运行时的资源要求、作业步的执行次序、对可能的运行错误的处理措施等等。作业控制卡或作业说明书连同程序和数据一起提交给系统，由系统的作业控制程序或命令解释程序解释执行， 提供相应的各种服务。批处理系统主要配置在较大的计算机系统上， 由于这样的机器的硬件设备配置较全，价格较贵，故现代批处理系统多建立在多道程序设计基础上，追求的是作业的大吞吐量和系统资源的充分利用。 .分时系统分时系统（- ） 所谓“分时”，就是多个用户对系统资源进行时间上的分享。在分时环境下，一个计算机系统联有若干台本地或远程终端，每个用户可以在所占用的终端上以人-机会话的交互方式使用计算机。故分时系统又称为多用户交互式共享系统。分时系统具有以下三个特点： （）多路性（）交互性 （）独占性 实时系统（实时系统（- ） 所谓“实时”就是“立即”或“及时”，具体含义是指系统能够及时响应随机发生的外部事件，并以足够快的速度完成对事件的处理。外部事件是指传感器或其它信号测量装置所采集的现场数据或终端用户提出的服务请求。 实时系统具有如下三个特点：（）简单的交互能力 （）及时响应 （）高可靠性 .单用户交互式系统单用户交互式系统（ cv ） 微型计算机的规模小，价格便宜，对工作环境要求不高，适宜于个人使用，故也称为个人计算机（ ）。为这类计算机设计的操作系统多为单用户系统，它不追求系统资源的充分利用，也不讲究共享资源，而是强调个人的特点，注重使用方便。因此，这类操作系统的功能比较简单，管理功能主要是磁盘文件管理和设备驱动，服务方式采用联机交互方式，除了提供键盘命令服务外，一些优良的系统还提供更为方便灵活的交互手段，例如“菜单”命令、“窗口”显示，“鼠标”驱动。 .网络操作系统（网络操作系统（ ） 网络操作系统除了具有基本类型操作系统中所应具备的管理功能和服务功能外，还具有网络管理和服务功能，这主要包括：网络资源共享，系统提供资源共享操作供节点计算机用户或作业方便地使用本地的或远地的其它节点计算机上的可共享资源。网络通信，不同节点计算机的用户或作业可以相互交换信息，系统提供文件传输和电子邮件服务，一个文件可以被传输到其它节点计算机上，以方便文件共享，用户也可以发送一份电子邮件给其它节点计算机用户或接受其他节点计算机用户发来的电子邮件，就像打电话一样方便。作业迁移，一个作业可以从一个节点计算机上迁移到其他工作负荷较轻或适宜于处理该作业的节点计算机上运行。 . 操作系统的服务接口操作系统的服务接口 . 程序级接口程序级接口 所谓操作系统的程序级接口，就是操作系统与目态程序之间的接口。当执行中的目态程序请求操作系统服务，转而执行操作系统程序时，将引起执行状态从目态变为管态，因此，也称这类接口为状态接口。程序级接口由一组系统调用命令所组成，系统调用命令就是具有系统调用编号和其它有关参数的“访管”指令（）或“陷入”指令（）。 当机器执行或指令时将引起访管中断， 状态变为管态， 保留调用现场，然后去崐执行相应的某个操作系统程序，当该操作系统程序执行完毕，经中断机构返回，由管态又复变为目态。目态程序请求操作系统服务的唯一途径就是使用系统调用命令。 操作系统在程序级提供以下几类功能服务：（）进程控制 （）文件操作 （）设备管理 （）信息维护 （）通信 .作业控制级接口作业控制级接口 作业控制级接口提供的是一组控制和服务命令，它通常包括以下几类：系统访问，资源分配、程序执行、文件操作、信息维护、控制流、操作员专用以及服务方式转换。这些命令由系统命令处理程序（中称）解释执行。根据系统的服务方式，这类接口又可进一步分为脱机级接口和联机级（交互式）接口。 （）脱机级接口 即作业控制语言（ ），由批处理系统提供。有两种形式：一种相当于汇编语言，如的；另一种类似于高级语言，如系列的语言。的语句就是控制和服务命令。在批处理系统的脱机服务方式下，用户把他对系统的服务请求和对其作业运行的控制意图事先用编写一份“上机说明书”并制成作业控制卡或作业说明书，随同程序和数据一起提交给计算机系统。在系统处理作业时，逐条解释执行语句，实现对作业运行的自动控制。在作业运行时，用户不得再干预。 作业标识语句。标识一个作业的开始，它作为作业卡片迭的第一张。一般格式是： 其中： 表示这是控制卡； 为作业名，由字母打头的个字符； parameters是可选参数，它可以是帐号、用户名、作业优先数、作业运行的估计时间等。 执行语句。标志一个作业步开始，装入并启动可执行程序。一般格式是： ， 或 其中：是要装入执行的程序名，若缺省，则把最近连接产生的可执行程序装入执行； 是从过程库中取出执行的程序名；表示调用连接装配程序，对编译产生的目标模块进行连接并装入运行。 选择语句。描述作业要求的某些服务请求。例如，打印程序清单，打印错误表，连接目标模块等。一般格式是： ,其中，OPTION,option,option 程序或数据定界语句。用以标志程序或数据的结束。 作业定界语句&。用以标识作业的结束。此外，还有请求外设分配，指定磁盘，带标号等语句。下面是一个简单的例子： ；执行编译程序(源程序）* ；执行连接程序 ； 执行刚产生的可执行程序（数据）*& ；作业结束 （）联机级接口 这由一组终端命令(可以是键盘命令行、菜单选择命令、鼠标驱动命令）所组成，由分时系统和单用户交互式系统提供，它向联机终端用户提供了以人-机会话方式请求系统服务的手段。用户在终端上每输入一条命令，系统就随即解释执行。并把命令的执行结果通过终端及时反馈给用户，用户可根据系统的反馈信息决定下一步的操作，继之输入下一条命令，如此不断交互会话，直至作业完成。可见，联机级接口为用户使用计算机提供了很大的方便，通过交互会话，人和计算机组成了一个闭合系统，可以充分发挥用户的主观能动性，用户可以对其作业的运用进行随机干预，方便灵活地请求系统的各种服务，从而大大提高了调试和开发程序的效率。 ： 键入用户名： 键入口令，口令不显示 ： e 显示系统日期信息（略） 询问当前目录 以长格式列出当前目录下的所有文件 34516 Jan 23 9 10 pro 1 1798 Fed 7 13 49pro 264 15 8 30 fd l修改文件的保护方式，不允许同组用 户执行 脱机级接口与联机级接口，二者并不是截然分开的，一些既支持批处理又支持分时处理的计算机系统同时提供这两类服务接口，用户可以使用将其作业交由系统批处理，也可以使用终端命令直接控制其作业的运行，而且在作业 的一次运行中可转换使用终端命令和,即可将交互作业（也称前台作业 ）转为批处理作业（也称后台作业），反之亦然。 操作系统的特性操作系统的特性 现代计算机系统多为多道程序系统，这给操作系统的设计和运行带来了许多复崐杂问题。它们集中体现在：并发性（）并发性（）共享性（）共享性（）不确定性（）不确定性（） 操作系统的硬件基础操作系统的硬件基础. 多状态多状态 是中的一些特殊寄存器的有序集合， 它描述了的现行状态。 所谓状态通常包括：执行状态管态和目态；条件码反映指令执行后的结果特征；中断字指出发生了某种中断；中断屏蔽码指出是否 允许中断，有些机器（如-）使用中断优先级。有些机器的还包括了用来指示下一条要执行的指令的程序计数器（）。. 中断机构中断机构. 中断概念中断概念 所谓中断，是指当正在执行某程序时，发生了某个异步事件，此时可以打断正在执行的程序，转去处理该事件，即执行一段处理该事件的有关程序。被打断的程序可以在以后某个时间继续。 中断的特点是随机性，发生中断的时间或原因与现行程序可以没有逻辑上的联 系。这就必须保证现行程序被随机中断后能在以后继续正确执行。 把引起中断的那些事件称为中断源，中断源向发出的请求处理信号 谓之中断请求，发生中断时现行程序的暂停点谓之断点，P暂停现行程序而 转去响应中断请求的过程谓之中断响应，处理中断源的程序谓之中断处理程序，执行相关的中断处理程序谓之中断处理，而返回断点的过程谓之中断返回。.中断类型中断类型（）输入输出中断（）硬件故障中断（）程序中断（）访管中断（）外部中断.中断响应中断响应图- 交换程序状态字.中断处理与中断返回中断处理与中断返回 中断机构是由硬件和软件两部分组成的，硬件实现中断请求和中断响应，而软件（操作系统程序）则完成中断处理和中断返回。 中断处理就是执行中断处理程序。系统为每类中断源都预先安排好了相应的中断处理程序，它们的入口地址存于相应的新程序状态字单元中。 中断返回即转去执行前面被中断的程序，这通过执行一条“送老 的特权指令将老程序状态字单元的内容送入现行寄存器即可。. 时钟时钟 （）在批处理系统中，利用时钟计数对用户作业使用各类资源的时间进行统 计记帐； （）在分时系统中，用间隔时钟实现按时间片对各终端用户轮转服务； （）在实时系统中，按要求的时间间隔输出时间周期信号给一个实时控制设 备； （）定时唤醒那些要求延迟或在给定时刻执行的某个事件，如定时执行某个 程序； （）可以帮助系统发现一个陷入死循环的无效作业； （）提供绝对时间（年、月、日）。. 存贮保护存贮保护 .界限寄存器界限寄存器 方法是在中设置一对界限寄存器，分别存放现行程序在内存中的下限地址和上限地址（或存贮长度），每当执行访内操作时，硬件将自动检查被访问的内存地址是否处于界限寄存器所限定的地址范围内 ，若越出范围便产生地址越界中断，表示这是非法访问。只有操作系统可以访问全内存。 .存贮保护键存贮保护键 所谓存贮保护键是由若干二进位组成的标志。一些计算机系统将内存划分成若干定长的存贮块，并赋予每个存贮块一个附加的不在编址范围内的存贮保护键 。当一个作业进入内存时，操作系统赋予它一个唯一的保护键码，并将分配给该作业的各存贮块也置成同样的保护键码。当该作业被调度到上执行时，操作系统同时将其保护键码置入现行中“键”字段中。此后每当执行访内操作时，硬件将先检查该存贮块的保护键码与现行中的键值是否匹配。若匹配才允许访问。对操作系统程序通常赋予一个特殊的保护键码，如二 进位组成的全“”或全“”码，它赋予操作系统可以访问全内存的特权。 操作系统的装入和初启操作系统的装入和初启 操作系统进驻内存后，首先执行操作系统的初启程序，它完成以下三项工作： （）对操作系统的全局数据结构置初值； （）为操作系统的某些程序建立进程，这些系统进程在操作系统的整个生存期间不被撤消； （）将控制转交给操作系统的低级调度（进程调度）程序。