第2章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第2章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2.1.2操作系統(tǒng)的運(yùn)行方式(工作框架)2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件環(huán)境2.3硬件保護(hù)2.4操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.5操作系統(tǒng)與用戶接口2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)操作員(人)應(yīng)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(jì)算機(jī)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(hù)，如數(shù)據(jù)庫，各種接口軟件和軟件開發(fā)工具等。應(yīng)用軟件：按某種特定的需要而編寫的專門程序，如財(cái)務(wù)管理、人口普查和天氣預(yù)報(bào)等軟件。（2）硬件系統(tǒng)：CPU：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和控制處理主存：存儲(chǔ)各種程序和數(shù)據(jù)，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(shè)備與主存之間的信息傳送。2.1.2操作系統(tǒng)的運(yùn)行方式任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有引導(dǎo)程序（初啟程序），計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行引導(dǎo)程序（初啟程序）。引導(dǎo)程序首先進(jìn)行初始化的工作，然后把操作系統(tǒng)的核心裝入主存儲(chǔ)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(qǐng)求（事件）的發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)事件時(shí)，硬件便能識(shí)別并發(fā)生一個(gè)中斷，通知操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)的服務(wù)程序去處理，處理結(jié)束后，又開始等待下一個(gè)事件發(fā)生。1、CPU與外設(shè)并行工作的I/O中斷（P17）在現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，輸入/輸出控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成外圍設(shè)備與主存儲(chǔ)器之間的信息傳送。（1）CPU與外設(shè)并行工作各種外設(shè)連接到相應(yīng)的設(shè)備控制器上，通過通道把設(shè)備控制器連接到公共的系統(tǒng)總線上，這種結(jié)構(gòu)允許CPU與外設(shè)并行工作。2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件環(huán)境2.2計(jì)算機(jī)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(dāng)中央處理器執(zhí)行到一條“啟動(dòng)外設(shè)（啟動(dòng)I/O）”指令時(shí)，就按指令中給定的參數(shù)啟動(dòng)指定的設(shè)備，并把設(shè)備的控制權(quán)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(shè)備與主存儲(chǔ)器之間的信息傳送，外圍設(shè)備獨(dú)立工作，不再需要中央處理器的干預(yù)，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(shè)便可以并行工作）但由于外圍設(shè)備是由中央處理器根據(jù)程序的要求而啟動(dòng)的，故當(dāng)外圍設(shè)備工作結(jié)束后，應(yīng)反饋該設(shè)備的工作情況，形成一個(gè)“輸入/輸出操作結(jié)束的事件”，由中斷完成，硬件識(shí)別該事件后就急觸發(fā)一個(gè)I/O中斷，并暫停當(dāng)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(gè)“輸入/輸出操作結(jié)束”事件，操作系統(tǒng)進(jìn)行分析后就可以知道該外圍設(shè)備的工作情況，從而確定啟動(dòng)該外圍設(shè)備的程序的工作狀態(tài)。

CPU與外圍設(shè)備并行工作

2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件環(huán)境利用硬件的中央處理器與外設(shè)的并行工作能力，以及各種外部設(shè)備之間的并行工作能力，操作系統(tǒng)能讓多個(gè)程序同時(shí)執(zhí)行。2.3存儲(chǔ)體系

1、主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器是CPU能訪問的唯一存儲(chǔ)空間，任何程序和數(shù)據(jù)都必須被裝入主存儲(chǔ)器之后，CPU才能對(duì)它進(jìn)行操作。主存以“字節(jié)”為單位進(jìn)行編址，若干字節(jié)組成一個(gè)“字”，例如64位計(jì)算機(jī)由8個(gè)字節(jié)組成一個(gè)字。處理器可以按地址讀出主存儲(chǔ)器中的一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字的內(nèi)容。主存儲(chǔ)器不能永久保存信息，斷電后信息便會(huì)消失。2、高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache)

當(dāng)程序和數(shù)據(jù)裝入主存儲(chǔ)器后，處理器在執(zhí)行程序時(shí)就要不斷的訪問主存儲(chǔ)器，從中讀出指令和操作數(shù)，然后對(duì)操作數(shù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果又會(huì)被保存到主存儲(chǔ)器中。通常，處理器執(zhí)行程序時(shí)花在訪問主存儲(chǔ)器的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。為了減少對(duì)主存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間，加快程序的執(zhí)行速度，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往配置一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache)，其存取速度大大快于主存儲(chǔ)器。但一般容量都較小。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，可把當(dāng)前要訪問的一組信息從主存中復(fù)制到Cache中，CPU執(zhí)行程序時(shí)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(chǔ)體系3、輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)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(diǎn)：容量大且能永久保存信息，缺點(diǎn)：中央處理器無法直接對(duì)其訪問，必須通過主存儲(chǔ)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(yùn)算的操作數(shù)，指令的運(yùn)算結(jié)果等（2）指令寄存器：存放當(dāng)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(dāng)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(shè)定程序執(zhí)行時(shí)可訪問的主存空間的開始地址④限長寄存器：設(shè)定程序執(zhí)行時(shí)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(dāng)處理器執(zhí)行程序時(shí)，每次從主存儲(chǔ)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(jù)指令中指定的地址，從主存儲(chǔ)器讀出操作數(shù)，存入“通用寄存器”，根據(jù)指令中的操作碼，對(duì)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并將所得的結(jié)果或暫存在通用寄存器中或存儲(chǔ)到主存儲(chǔ)器中，利用控制寄存器來保證各程序交替占用處理器時(shí)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(dāng)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(shí)可訪問的主存空間的范圍。2.3存儲(chǔ)體系小結(jié)1、CPU存取信息的速度：寄存器——高速緩存——主存——輔存2、主存儲(chǔ)器中存放操作系統(tǒng)的核心部分以及當(dāng)前需要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。3、輔助存儲(chǔ)器中存放操作系統(tǒng)的非核心部分和其他程序和數(shù)據(jù)。4、磁盤上的信息可隨機(jī)存取，磁帶上的信息只能順序存取2.2.3硬件保護(hù)

為了保證計(jì)算機(jī)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(quán)指令和非特權(quán)指令。1、特權(quán)指令（1）特權(quán)指令：為了保護(hù)輸入輸出的完整性，把“啟動(dòng)I/O”、設(shè)置時(shí)鐘、設(shè)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(quán)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(quán)指令。）（2）輸入輸出保護(hù)的實(shí)現(xiàn)：用戶程序若要啟動(dòng)I/O，必須請(qǐng)求操作系統(tǒng)代為啟動(dòng)，即由操作系統(tǒng)調(diào)用特權(quán)指令對(duì)外設(shè)進(jìn)行統(tǒng)一管理。這種方式不但可保證安全地使用外圍設(shè)備，正確地傳送信息，而且可減少用戶因啟動(dòng)設(shè)備而必須了解外設(shè)的特性以及啟動(dòng)等工作，大大方便了用戶。

2.2.3硬件保護(hù)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(quán)指令的情況）在管態(tài)下，中央處理器可執(zhí)行包括特權(quán)指令在內(nèi)的一切指令；在目態(tài)下，中央處理器不準(zhǔn)執(zhí)行特權(quán)指令。所以操作系統(tǒng)占用處理器時(shí)應(yīng)讓處理器工作在管態(tài)下，用戶程序占用處理器時(shí)應(yīng)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(dāng)中央處理器在目態(tài)下工作時(shí)，若取得了一條特權(quán)指令（用戶程序中出現(xiàn)了特權(quán)指令），CPU將拒絕執(zhí)行該指令并形成一個(gè)“非法操作”事件，硬件識(shí)別到該事件后，便暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，且把該事件轉(zhuǎn)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(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，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(zhuǎn)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(shí)，讓用戶程序在目態(tài)執(zhí)行。2.2.3硬件保護(hù)

3、存儲(chǔ)保護(hù)主存儲(chǔ)器中往往同時(shí)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(nèi)執(zhí)行，以保護(hù)各程序的安全。存儲(chǔ)保護(hù)方法：硬件設(shè)置了兩個(gè)寄存器來限定用戶程序執(zhí)行時(shí)可以訪問的空間范圍，這兩個(gè)寄存器是基址寄存器和限長寄存器。當(dāng)用戶程序在CPU中執(zhí)行時(shí)，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(quán)修改這兩個(gè)寄存器的值。中央處理器在目態(tài)下執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)每一個(gè)訪問主存空間的地址都要進(jìn)行核查，只有判定訪問地址符合下列關(guān)系時(shí)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(shí)，不對(duì)訪問主存的地址進(jìn)行核查，以允許操作系統(tǒng)對(duì)各用戶程序進(jìn)行管理和控制。2.3.1操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

程序的結(jié)構(gòu)是影響程序質(zhì)量的內(nèi)在因素。因此，研究操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很有必要。設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)追求4大目標(biāo)：

正確性：能充分估計(jì)和把握各種隨機(jī)的、不確定的情況，一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的操作系統(tǒng)不僅能保證正確性而且要易于驗(yàn)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(shí)間稱為系統(tǒng)開銷），設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的核心程序應(yīng)遵循少而精的原則，使處理既有效又靈活。

維護(hù)性：便于對(duì)操作系統(tǒng)的功能進(jìn)行增、刪、改，提高可維護(hù)性。

移植性：是指能否方便地把操作系統(tǒng)從一個(gè)硬件移植到另一個(gè)新的硬件環(huán)境中。因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少與硬件直接有關(guān)的程序量，采用國際標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)(1)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有：無序模塊法、內(nèi)核擴(kuò)充法、層次結(jié)構(gòu)法和管理設(shè)計(jì)法等。(2)層次結(jié)構(gòu)法層次結(jié)構(gòu)法的最大特點(diǎn)是把整體問題局部化。把一個(gè)復(fù)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(gè)操作系統(tǒng)的正確性。采用層次結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)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(hù)性和可移植性。操作系統(tǒng)的一種層次結(jié)構(gòu)如圖所示。這種結(jié)構(gòu)具有單向依賴關(guān)系，即外層依賴內(nèi)層的關(guān)系。層次結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)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(shè)備管理存儲(chǔ)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(jí)（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(jí)（一組系統(tǒng)功能調(diào)用），為用戶程序提供服務(wù)功能。

1．操作控制命令一個(gè)用戶作業(yè)進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后，除程序執(zhí)行時(shí)要調(diào)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(yùn)行等。為此，操作系統(tǒng)提供了操作員一級(jí)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(dāng)使用操作命令時(shí)，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(jié)束后，就通知用戶輸入下一條命令，直至作業(yè)執(zhí)行結(jié)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(jù)作業(yè)控制說明書自動(dòng)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(diào)用（1）系統(tǒng)功能調(diào)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(diào)用，這些子程序稱為“系統(tǒng)功能調(diào)用程序”或“系統(tǒng)調(diào)用”。