操作系統(tǒng)概念

1、操作系統(tǒng)概念,第二章：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2,本章主要內(nèi)容,計算機系統(tǒng)操作I/O結(jié)構(gòu)存儲結(jié)構(gòu)存儲層次硬件保護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (*),3,現(xiàn)代計算機系統(tǒng),4,2.1 計算機系統(tǒng)操作,I/O設(shè)備和CPU可以并發(fā)執(zhí)行一個設(shè)備控制器負責(zé)一類設(shè)備每個設(shè)備控制器都有自己本地的緩沖區(qū)CPU負責(zé)在這些設(shè)備控制器的緩沖區(qū)與內(nèi)存之間進行數(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)一個中斷正被處理的時候，其他中斷是被禁止的。陷阱是因錯誤或用戶程序的特定請求所引起的軟件生成中斷。操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動的,6,中斷處理,中斷發(fā)生時，OS必須通過保存寄存器和程序計數(shù)器來保留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、采取的動作。,7,單個進程執(zhí)行輸出的中斷時間線路,8,2.2 I/O結(jié)構(gòu),同步I/O － I/O啟動后，只有當(dāng)I/O完成后控制權(quán)才返回給用戶進程。wait指令，使CPU空閑直到下一個中斷開始循環(huán)等待在任何時候最多只能處理一個I/O請求異步I/O － I/O啟動后，控制權(quán)無須等待I/O操作完成就可返回給用戶進程。系統(tǒng)調(diào)用 － 請求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I/O設(shè)備的一個條目，用來指示該設(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)從存儲器傳輸?shù)街鞔?，而無須CPU的干預(yù)每個數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)臅r候只產(chǎn)生一個中斷，而不是一個字節(jié)的傳輸就會產(chǎn)生一個中斷,12,2.3 存儲結(jié)構(gòu),主存 － 唯一能被CPU直接訪問的大型存儲謀體輔助

5、存儲器 － 是主存的擴充，能夠永久地存儲大量數(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)備與計算機之間的邏輯交互,13,移動磁頭的磁盤裝置,14,2.4 存儲層次,存儲系統(tǒng)按層次組織在一起速度（Speed）價格（Cost）易失性（Volatility）緩沖（Caching） － 將信息復(fù)制到更快速的存儲系統(tǒng)；主存可以看成是輔存的最后一級緩沖,15,存儲設(shè)備層次,16,緩存技術(shù)（Caching

6、）,利用高速存儲器保存最近訪問過的數(shù)據(jù)需要一種緩存管理機制緩存技術(shù)引入了另一方面的存儲層次迫使同時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,雙重模式操作I/O保護內(nèi)存保護CPU保護,19,雙重模式操作,為了確保操作正常，必須保護操作系統(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。OS必須提供硬件支持用來區(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,,一個稱為模式位（mode bit）的位增加到計算機硬件，以表示當(dāng)前模式：monitor（0），user（1）當(dāng)中斷或錯誤發(fā)生時，硬件自動切換成監(jiān)督程序模式（monitor mode）,,monitor,,user,,,Interrupt/Fault,set user mode,21,I/O保護,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無法以monitor模式獲得計算機的控制權(quán),22,使用系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行I/O,23,內(nèi)存保護,至少必須為中斷向量和中斷服務(wù)例程提供內(nèi)存保護通過使用以下兩個寄存器來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）超出這個范圍之外的內(nèi)存將受到保護,24,基址寄存器與界限寄存器的使用,25,硬件地址保護,26,硬件保護,監(jiān)督程序模式下，OS

9、可以無限制地訪問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,定時器（timer) － 以特定的周期定時中斷計算機，以確保操作系統(tǒng)能維持控制。定時器每過一個時鐘周期遞減一次當(dāng)定時器的值為0時，產(chǎn)生中斷定時器通常用來實現(xiàn)分時定時器也用來計算當(dāng)前時間Load-timer是一種特權(quán)指令,28,General-System Architecture,I/O指令是特殊指令，