計算機系統(tǒng)的層次結構

第一章就徐B0

第一章概論

§1計算機系統(tǒng)的層次結構

§2操作系統(tǒng)的資源管理觀點

§3操作系統(tǒng)的服務觀點

§4操作系統(tǒng)的特性

§5操作系統(tǒng)的硬件基礎

§6操作系統(tǒng)的裝入與初啟

第一章就信__

§1計算機系統(tǒng)的層次結構

一個完整的計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分組成

的。硬件（即物理計算機）是系統(tǒng)的基本資源，其主要部件

包括：中央處理機（CPU）、主存貯器（簡稱主存或內存）、外

部存貯器（簡稱外存或輔存，包括磁盤和磁帶）、終端（通常

由鍵盤*和顯示器組成）、控制臺以及字符打印機等。CPU

和內存構成系統(tǒng)的主機，其它部件統(tǒng)稱為外部設備（簡稱外

設），或稱為輸入輸出。/0）設備。

第一章假企

用戶程序

系統(tǒng)應用程序

操作系統(tǒng)

裸機

圖1-1計算機系統(tǒng)的抽象層次結構

第一章就徐

§2操作系統(tǒng)的資源管理觀點

2.1支持資源共享的多道程序系統(tǒng)

按照程序在系統(tǒng)中的運行方式，計算機系統(tǒng)分為單道程

序系統(tǒng)和多道程序系統(tǒng)*。

所謂單道程序系統(tǒng)是指系統(tǒng)只能順序地執(zhí)行用戶程序，

即僅當一個用戶程序執(zhí)*行完后，才啟動另一個用戶程序工作,

在一個用戶程序運行期間，它獨占全機蝠資源。這樣的系統(tǒng)

經常出現資源使用不充分和不均衡的現象，當CPU工作時*,

外設往往處于閑置狀態(tài)；同樣，當外設工作時，CPU也往

往空閑著；外設*之間亦同樣如此。由于CPU的速度遠遠高

于外設，CPU的浪費就顯得尤為*嚴重。

一_第一章慨卷―廓?

多道程序系統(tǒng)的實現需要硬件和軟件的共同支持。在硬件

技術中主要引入了中*斷和通道。所謂中斷，從概念上說是指

意外事件或異步事件對cPU的打斷。意*外事件如電源掉電

或硬件故障，異步事件則是無一定時序關系的隨機事件，例*

如外部設備完成I/0傳輸，用戶通過終端發(fā)出命令請求等。

一旦意外事件或*異步事件發(fā)生，中斷部件便向CPU發(fā)出中

斷請求，暫停CPU的當前工作。*通道則是一種專門用于控

制外部設備的簡單處理機，亦稱I/0處理機，它聯*接著主

機和外設，具有向內存直接存取數據的能力。作為處理機，

它執(zhí)行專門*的通道指令，并可獨立于CPU,與CPU同時

工作。當現行程序需要I/0*傳輸時，CPU只要命令通道

去完成就行了，同時CPU可以繼續(xù)執(zhí)行現行程*序的后續(xù)工

作或執(zhí)行其它程序。

第一章就徐

只有當通道控制相應的外部設備完成了指定的*數據傳

輸任務后，才通過中斷部件向cPU發(fā)出中斷請求，CP

U立即暫停現*行程序的執(zhí)行，轉去執(zhí)行中斷處理程序?？?/p>

見，中斷和通道技術的引入，實現*了多部件并行工作，即

cPU與外設以及外設與外設之間同時工作。利用多部*件

并行工作的特性，就可使多道程序同時運行，實現系統(tǒng)資

源的共享。支持多*道程序系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)需要在多道程序

之間合理地分配和回收系統(tǒng)資源，使資源*得到合理有效的

利用，使得各個程序能夠有條不紊地運行，這個軟件就是

操作系統(tǒng)。

第一章就信__

2.2操作系統(tǒng)的管理功能

1.CPU管理

2.存貯器管理

3.設備管理

4.文件管理

5.進程及作業(yè)管理

第一章M信

§3操作系統(tǒng)的服務觀點

3.1公共服務功能

(1)程序裝入與執(zhí)行

(2)I/。操作

(3)文件使用

(4)作業(yè)運行控制

(5)錯誤檢測與處理

第一章M譽

3.2操作系統(tǒng)的分類

1?批處理系統(tǒng)(BatchProcessingSys*tem)

批處理系統(tǒng)也稱批量系統(tǒng)或作業(yè)流處理系統(tǒng)。所謂批處

理意指用戶作業(yè)的成批輸入并處理，即系統(tǒng)將作業(yè)一批一批

地輸入系統(tǒng)并暫存在外存中，組成一個后備作業(yè)列隊，每次

按一定的調度原則從后備作業(yè)中挑選一個或多個裝入主機處

理，作業(yè)完成后退出主機和后備作業(yè)裝入主機運行均由系統(tǒng)

自動實現，從而大大壓縮了兩個作業(yè)之間的轉接時間，在系

統(tǒng)中形成了一個自動轉接的連續(xù)作業(yè)流，當一批作業(yè)運行完

后，輸出它們的運行結果，再接受下一批作業(yè)進入系統(tǒng)處理。

然而，在現代批處理系統(tǒng)中，上述“批”的概念已不十分明

顯，用戶作業(yè)可被隨時接受進入系統(tǒng)處理，運行結果也可以

隨機輸出，而不必集中成批輸入和輸出，所以批處理的真實

第一章就徐

批處理系統(tǒng)的特點是它采用的是脫機服務方式，即用

戶在其作業(yè)運行期間不能在控制臺或終端上請求系統(tǒng)的服

務以直接干預其作業(yè)的運行過程，而必須將其對作業(yè)的控

制意圖事先用作業(yè)控制語言編制成作業(yè)說明書或作業(yè)控制

卡，這些控制意圖可以是作業(yè)運行時的資源要求、作業(yè)步

的執(zhí)行次序、對可能的運行錯誤的處理措施等等。作業(yè)控

制卡或作業(yè)說明書連同程序和數據一起提交給系統(tǒng)，由系

統(tǒng)的作業(yè)控制程序或命令解釋程序解釋執(zhí)行，提供相應的

各種服務。批處理系統(tǒng)主要配置在較大的計算機系統(tǒng)上，

由于這樣的機器的硬件設備配置較全，價格較貴，故現代

批處理系統(tǒng)多建立在多道程序設計基礎上，追求的是作業(yè)

的大吞吐量和系統(tǒng)資源的充分利用。

________^_章就企_—

2?分時系統(tǒng)(Time-sharingSystem)

所謂“分時”，就是多個用戶對系統(tǒng)資源進行時間上的

分享。在分時環(huán)境下，一個計算機系統(tǒng)聯有若干臺本地或遠

程終端，每個用戶可以在所占用的終端上以人-機會話的交互

方式使用計算機。故分時系統(tǒng)又稱為多用戶交互式共享系統(tǒng)。

分時系統(tǒng)具有以下三個特點：

(1)多路性

(2)交互性

(3)獨占性

第一章就徐

3實時系統(tǒng)(Real-timeSystem)

所謂“實時”就是“立即”或“及時”，具體含義是

指系統(tǒng)能夠及時響應隨機發(fā)生的外部事件，并以足夠快的

速度完成對事件的處理。外部事件是指傳感器或其它信號

測量裝置所采集的現場數據或終端用戶提出的服務請求。

實時系統(tǒng)具有如下三個特點:

(1)簡單的交互能力

(2)及時響應

(3)高可靠性

第一章就徐

4?單用戶交互式系統(tǒng)(SingleUserIntera

ctiveSystem)

微型計算機的規(guī)模小，價格便宜，對工作環(huán)境要求不高,

適宜于個人使用，故也稱為個人計算機(Personal

Computer)。為這類計算機設計的操作系統(tǒng)多為單

用戶系統(tǒng)，它不追求系統(tǒng)資源的充分利用，也不講究共享資

源，而是強調個人的特點，注重使用方便。因此，這類操作

系統(tǒng)的功能比較簡單，管理功能主要是磁盤文件管理和設備

驅動，服務方式采用聯機交互方式，除了提供鍵盤命令服務

外，一些優(yōu)良的系統(tǒng)還提供更為方便靈活的交互手段，例如

“菜單”命令、“窗口”顯示，“鼠標”驅動。

第一章就徐

5.網絡操作系統(tǒng)(NetworkOS)

網絡操作系統(tǒng)除了具有基本類型操作系統(tǒng)中所應具備的

管理功能和服務功能外，還具有網絡管理和服務功能，這主

要包括：①網絡資源共享，系統(tǒng)提供資源共享操作供節(jié)點計

算機用戶或作業(yè)方便地使用本地的或遠地的其它節(jié)點計算機

上的可共享資源。②網絡通信，不同節(jié)點計算機的用戶或作

業(yè)可以相互交換信息，系統(tǒng)提供文件傳輸和電子郵件服務，

一個文件可以被傳輸到其它節(jié)點計算機上，以方便文件共享,

用戶也可以發(fā)送一份電子郵件給其它節(jié)點計算機用戶或接受

其他節(jié)點計算機用戶發(fā)來的電子郵件，就像打電話一樣方便。

③作業(yè)遷移，一個作業(yè)可以從一個節(jié)點計算機上遷移到其他

_第一章慨卷—___

3.「操作系統(tǒng)的服務接口

1.程序級接口

所謂操作系統(tǒng)的程序級接口，就是操作系統(tǒng)與目態(tài)程序

之間的接口。當執(zhí)行中的目態(tài)程序請求操作系統(tǒng)服務，轉而

執(zhí)行操作系統(tǒng)程序時，將引起CPU執(zhí)行狀態(tài)從目態(tài)變?yōu)楣?/p>

態(tài)，因此，也稱這類接口為狀態(tài)接口。程序級接口由一組系

統(tǒng)調用命令所組成，系統(tǒng)調用命令就是具有系統(tǒng)調用編號和

其它有關參數的“訪管”指令(SVC)或“陷入”指令

(trap)O當機器執(zhí)行SVC或traP指令時將引起

訪管中斷，CPU狀態(tài)變?yōu)楣軕B(tài)，保留調用現場，然后去喂

執(zhí)行相應的某個操作系統(tǒng)程序，當該操作系統(tǒng)程序執(zhí)行完畢，

經中斷機構返回，CPU由管態(tài)又復變?yōu)槟繎B(tài)。目態(tài)程序請

市操作玄經帝攵的唯一蜂伊琳旦步用生綺啊什俞今，廠

第一章就徐B0

操作系統(tǒng)在程序級提供以下幾類功能服務:

（1）進程控制

（2）文件操作

（3）設備管理

（4）信息維護

（5）通信

第一章就徐

2.作業(yè)控制級接口

作業(yè)控制級接口提供的是一組控制和服務命令，它通常

包括以下幾類：系統(tǒng)訪問，資源分配、程序執(zhí)行、文件操作、

信息維護、控制流、操作員專用以及服務方式轉換。這些命

令由系統(tǒng)命令處理程序（UNIX中稱She11）解釋執(zhí)

行。根據系統(tǒng)的服務方式，這類接口又可進一步分為脫機級

接口和聯機級（交互式）接口。

第一章就徐

(1)脫機級接口即作業(yè)控制語言JcL(JobC

ontro1Language),由批處理系統(tǒng)提供。

JCL有兩種形式：一種相當于匯編語言，如IBM37

0的JCL；另一種類似于高級語言，如1900系列的

George語言。JCL的語句就是控制和服務命令。

在批處理系統(tǒng)的脫機服務方式下，用戶把他對系統(tǒng)的服務

請求和對其作業(yè)運行的控制意圖事先用JCL編寫一份

“上機說明書”并制成作業(yè)控制卡或作業(yè)說明書，隨同程

序和數據一起提交給計算機系統(tǒng)。在系統(tǒng)處理作業(yè)時，逐

條解釋執(zhí)行JCL語句，實現對作業(yè)運行的自動控制。在

作業(yè)運行時，用戶不得再干預。

____章<裕_____________

①作業(yè)標識語句JOB。J0B標識一個作業(yè)的開始，

它作為作業(yè)卡片迭的第一張。一般格式是：

//JOBjobname[parameters]

其中：〃表示這是控制卡；

jobname為作業(yè)名，由字母打頭的1?8個字

符；

parameters是可選參數，它可以是帳號、用戶名、作

業(yè)優(yōu)先數、作業(yè)運行的估計時間等。

第一章槐企

②執(zhí)行語句EXEC。標志一個作業(yè)步開始，裝入并啟

動可執(zhí)行程序。一般格式是：

//EXEC[[PGM=]progname][,

go]

或〃EXECPROC=procname

其中：progname是要裝入執(zhí)行的程序名，若缺

省，則把最近連接產生的可執(zhí)行程序裝入執(zhí)行；

procname是從過程庫中取出執(zhí)行的程序名；g

。表示調用連接裝配程序，對編譯產生的目標模塊進行連接

并裝入運行。

第一章就程

③選擇語句oPTIONo描述作業(yè)要求的某些服務

請求。例如，打印程序清單L1ST,打印錯誤表ERR

S,連接目標模塊LINK等。一般格式是：

“OPTIONoption[,option...]

其中，OPTION,option],option…]

④程序或數據定界語句/。用以標志程序或數據的結

束。

第一章就徐B0

⑤作業(yè)定界語句/&。用以標識作業(yè)的結束。

此外，還有請求外設分配，指定磁盤，帶標號等語句。

下面是一個簡單的例子：

//JOBDAVIS

“OPTIONLINK

〃EXECPASCAL；

執(zhí)行pasca1編譯程序（pasca1源程序）

/*

〃EXECLINKEDT；執(zhí)行連接程序

//EXEC；執(zhí)行剛產生的可執(zhí)行程序（數據）

/*

/&作業(yè)結束

第一章就徐

(2)聯機級接口這由一組終端命令(可以是鍵盤命令行、

菜單選擇命令、鼠標驅動命令)所組成，由分時系統(tǒng)和單用

戶交互式系統(tǒng)提供，它向聯機終端用戶提供了以人-機會話方

式請求系統(tǒng)服務的手段。用戶在終端上每輸入一條命令，系

統(tǒng)就隨即解釋執(zhí)行。并把命令的執(zhí)行結果通過終端及時反饋

給用戶，用戶可根據系統(tǒng)的反饋信息決定下一步的操作，繼

之輸入下一條命令……，如此不斷交互會話，直至作業(yè)完成。

可見，聯機級接口為用戶使用計算機提供了很大的方便，通

過交互會話，人和計算機組成了一個閉合系統(tǒng)，可以充分發(fā)

揮用戶的主觀能動性，用戶可以對其作業(yè)的運用進行隨機干

預，方便靈活地請求系統(tǒng)的各種服務，從而大大提高了調試

和開發(fā)程序的效率。

第一章M譽

login：fen鍵入用戶名

password：鍵入口令，口令不顯示

Lastlogin：StaFeb179I20I11ont

tyd1顯示系統(tǒng)日期信息（略）

%pwd詢問當前目錄

/usr/fen

%1s-1以長格式列出當前目錄下的所有文件

—rwxr—xr1fen34516Jan239：10pro1

—rwxr—xr—x1fen1798Fed713：49pro2

drwxr—r—2fen264Fed158：30fd

%chmod744pro1修改文件的保護方式，不允許同組用

一戶執(zhí)行一―一一

—就企__霸

脫機級接口與聯機級接口，二者并不是截然分開的，

一些既支持批處理又支持分時處理的計算機系統(tǒng)同時提供

這兩類服務接口，用戶可以使用JCL將其作業(yè)交由系統(tǒng)

批處理，也可以使用終端命令直接控制其作業(yè)的運行，而

且在作業(yè)的一次運行中可轉換使用終端命令和JCL,即

可將交互作業(yè)（也稱前臺作業(yè)）轉為批處理作業(yè)（也稱后

臺作業(yè)），反之亦然。

第一章就徐

§4操作系統(tǒng)的特性

現代計算機系統(tǒng)多為多道程序系統(tǒng)，這給操作系統(tǒng)

的設計和運行帶來了許多復媒雜問題。它們集中體現在:

1并發(fā)性(concurrency)

2共享性(sharing)

3不確定性(nondeterminacy)

第一章就徐

§5操作系統(tǒng)的硬件基礎

5.1多CPU狀態(tài)

PSW是CPU中的一些特殊寄存器的有序集合，它

描述了CPU的現行狀態(tài)。所謂CPU狀態(tài)通常包括：執(zhí)

行狀態(tài)——管態(tài)和目態(tài)；條件碼——反映指令執(zhí)行后的結

果特征；中斷字——指出發(fā)生了某種中斷；中斷屏蔽碼一

—指出是否允許中斷，有些機器（如PDP-11）使用中

斷優(yōu)先級。有些機器的PSW還包括了用來指示下一條要

執(zhí)行的指令的程序計數器（PC）。

第一章輟企

2------------LW-----------31「-上『踵.------------39------------------63

系統(tǒng)屏蔽鑰EMWP中斷字ILCCC程序屏蔽指令地址

執(zhí)行狀態(tài)條件碼

(a)IBM370的PSW

執(zhí)行狀態(tài)中斷碼

條件碼

(b)M68000的PSW

圖1-2程序狀態(tài)字

第一章就程M0

5.2中斷機構

1.中斷概念

所謂中斷，是指當CPU正在執(zhí)行某程序時，發(fā)生了某個異步事件，

此時CPU可以打斷正在執(zhí)行的程序，轉去處理該事件，即執(zhí)行一段處

理該事件的有關程序。被打斷的程序可以在以后某個時間繼續(xù)。中斷的

特點是隨機性，發(fā)生中斷的時間或原因與現行程序可以沒有邏輯上的聯

系。這就必須保證現行程序被隨機中斷后能在以后繼續(xù)正確執(zhí)行。

把引起中斷的那些事件稱為中斷源，中斷源向cPU發(fā)出的請求處理

信號謂之中斷請求，發(fā)生中斷時現行程序的暫停點謂之斷點，CPU暫停

現行程序而轉去響應中斷請求的過程謂之中斷響應，處理中斷源的程序

謂之中斷處理程序，CPU執(zhí)行相關的中斷處理程序謂之中斷處理，而

返回斷點的過程謂）中呼網__一一一一一一一

第一章就徐_

2.中斷類型

(1)輸入輸出中斷

(2)硬件故障中斷

(3)程序中斷

(4)訪管中斷

(5)外部中斷

第一章施備

3.中斷響應

現行PSW

老PSW新PSW

圖1-3交換程序狀態(tài)字

第一章就徐

4.中斷處理與中斷返回

中斷機構是由硬件和軟件兩部分組成的，硬件實現中斷

請求和中斷響應，而軟件（操作系統(tǒng)程序）則完成中斷處

理和中斷返回。

中斷處理就是執(zhí)行中斷處理程序。系統(tǒng)為每類中斷源都

預先安排好了相應的中斷處理程序，它們的入口地址存于

相應的新程序狀態(tài)字單元中。

中斷返回即CPU轉去執(zhí)行前面被中斷的程序，這通過

執(zhí)行一條“送老PSW的特權指令將老程序狀態(tài)字單元的

內容送入現行PSW寄存器即可。

第一章M譽

5.3時鐘

(1)在