操作系統(tǒng)概念

1、操作系統(tǒng)概念,第二章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2,本章主要內(nèi)容,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作I/O結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)層次硬件保護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (*),3,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng),4,2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作,I/O設(shè)備和CPU可以并發(fā)執(zhí)行一個(gè)設(shè)備控制器負(fù)責(zé)一類設(shè)備每個(gè)設(shè)備控制器都有自己本地的緩沖區(qū)CPU負(fù)責(zé)在這些設(shè)備控制器的緩沖區(qū)與內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換I/O指的就是在設(shè)備與控制器緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換設(shè)備控制器通過中斷來(lái)通知CPU設(shè)備操作的完成情況,5,

2、中斷的功能,中斷通過中斷向量表將控制傳輸給中斷服務(wù)例程，中斷向量表包括了所有設(shè)備服務(wù)例程的入口地址。中斷體系結(jié)構(gòu)必須保存中斷指令的地址當(dāng)一個(gè)中斷正被處理的時(shí)候，其他中斷是被禁止的。陷阱是因錯(cuò)誤或用戶程序的特定請(qǐng)求所引起的軟件生成中斷。操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)的,6,中斷處理,中斷發(fā)生時(shí)，OS必須通過保存寄存器和程序計(jì)數(shù)器來(lái)保留CPU的狀態(tài)判斷發(fā)生了哪種類型的中斷輪詢向量中斷系統(tǒng)將內(nèi)核例程與用戶例程分離，以決定每種類型的中斷應(yīng)該

3、采取的動(dòng)作。,7,單個(gè)進(jìn)程執(zhí)行輸出的中斷時(shí)間線路,8,2.2 I/O結(jié)構(gòu),同步I/O － I/O啟動(dòng)后，只有當(dāng)I/O完成后控制權(quán)才返回給用戶進(jìn)程。wait指令，使CPU空閑直到下一個(gè)中斷開始循環(huán)等待在任何時(shí)候最多只能處理一個(gè)I/O請(qǐng)求異步I/O － I/O啟動(dòng)后，控制權(quán)無(wú)須等待I/O操作完成就可返回給用戶進(jìn)程。系統(tǒng)調(diào)用 － 請(qǐng)求OS允許用戶等待I/O操作的完成設(shè)備狀態(tài)表包含了每個(gè)I/O設(shè)備的一個(gè)條目，用來(lái)指示該設(shè)備的類型、地

4、址和狀態(tài)（不工作、空閑或繁忙）OS通過查詢I/O設(shè)備表來(lái)判斷設(shè)備的狀態(tài)，并修改該條目，以反映出現(xiàn)了中斷。,9,兩種I/O方式,10,設(shè)備狀態(tài)表,11,DMA 結(jié)構(gòu),用于高速I/O設(shè)備，使之以接近內(nèi)存的速度進(jìn)行信息傳輸設(shè)備傳輸器以塊為單位直接將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器傳輸?shù)街鞔妫鵁o(wú)須CPU的干預(yù)每個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)臅r(shí)候只產(chǎn)生一個(gè)中斷，而不是一個(gè)字節(jié)的傳輸就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷,12,2.3 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),主存 － 唯一能被CPU直接訪問的大型存儲(chǔ)謀體輔助

5、存儲(chǔ)器 － 是主存的擴(kuò)充，能夠永久地存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)磁盤磁盤表面邏輯劃分為磁道，而磁道又分為更小的扇區(qū)磁盤控制器決定了磁盤設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的邏輯交互,13,移動(dòng)磁頭的磁盤裝置,14,2.4 存儲(chǔ)層次,存儲(chǔ)系統(tǒng)按層次組織在一起速度（Speed）價(jià)格（Cost）易失性（Volatility）緩沖（Caching） － 將信息復(fù)制到更快速的存儲(chǔ)系統(tǒng)；主存可以看成是輔存的最后一級(jí)緩沖,15,存儲(chǔ)設(shè)備層次,16,緩存技術(shù)（Caching

6、）,利用高速存儲(chǔ)器保存最近訪問過的數(shù)據(jù)需要一種緩存管理機(jī)制緩存技術(shù)引入了另一方面的存儲(chǔ)層次迫使同時(shí)保存在不同層次上的數(shù)據(jù)必須保持一致（consistent）,17,整數(shù)A從磁盤到寄存器的遷移,18,2.5 硬件保護(hù),雙重模式操作I/O保護(hù)內(nèi)存保護(hù)CPU保護(hù),19,雙重模式操作,為了確保操作正常，必須保護(hù)操作系統(tǒng)和所有其他程序及數(shù)據(jù)使之不受任何故障程序的影響。所有共享資源都需要保護(hù)。OS必須提供硬件支持用來(lái)區(qū)分至少以下兩種操

7、作模式用戶模式（user mode） － 代表用戶在執(zhí)行監(jiān)督程序模式（monitor mode）－ 代表OS在執(zhí)行,20,,一個(gè)稱為模式位（mode bit）的位增加到計(jì)算機(jī)硬件，以表示當(dāng)前模式：monitor（0），user（1）當(dāng)中斷或錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，硬件自動(dòng)切換成監(jiān)督程序模式（monitor mode）,,monitor,,user,,,Interrupt/Fault,set user mode,21,I/O保護(hù),所有的I/O指

8、令都是特權(quán)指令必須確保用戶程序永遠(yuǎn)無(wú)法以monitor模式獲得計(jì)算機(jī)的控制權(quán),22,使用系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行I/O,23,內(nèi)存保護(hù),至少必須為中斷向量和中斷服務(wù)例程提供內(nèi)存保護(hù)通過使用以下兩個(gè)寄存器來(lái)確定程序所能訪問的合法地址空間基址寄存器（base register）界限寄存器（limit register）超出這個(gè)范圍之外的內(nèi)存將受到保護(hù),24,基址寄存器與界限寄存器的使用,25,硬件地址保護(hù),26,硬件保護(hù),監(jiān)督程序模式下，OS

9、可以無(wú)限制地訪問monitor和user的內(nèi)存用于基址寄存器和界限寄存器的裝載指令（load）是特權(quán)指令,27,CPU保護(hù),定時(shí)器（timer) － 以特定的周期定時(shí)中斷計(jì)算機(jī)，以確保操作系統(tǒng)能維持控制。定時(shí)器每過一個(gè)時(shí)鐘周期遞減一次當(dāng)定時(shí)器的值為0時(shí)，產(chǎn)生中斷定時(shí)器通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)分時(shí)定時(shí)器也用來(lái)計(jì)算當(dāng)前時(shí)間Load-timer是一種特權(quán)指令,28,General-System Architecture,I/O指令是特殊指令，