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操作系统第二章
第二章计算机系统结构
计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成,操作系统是软件系统的一个组成部分,它是直接在硬件系统的基础上工作的,所以在研究操作系统之前,先必须对计算机系统的结构有一个基本的了解,本章就是讲述计算机系统结构的基本知识。
本章的考核知识点是:
1.计算机系统的层次结构2.硬件环境3.操作系统结构
学习本章要求:
了解计算机系统的结构,有关硬件的I/O中断和存储结构,硬件的保护措施;有关操作系统的结构,操作系统提供的使用接口。
重点是:
硬件环境和操作系统的结构
一、计算机系统的层次结构(识记)
现代的通用计算机系统是由硬件和软件组成的一种层次式结构,最内层是硬件系统,最外层是使用计算机系统的人,人与硬件系统之间是软件系统
操作系统的运行方式
中断机制
中央处理器CPU在任何时刻只能被一个程序占用,在它执行程序的时候,如果有另外的事件发生,比如用户又打开了一个程序,那么这时候怎么办呢?
这就需要由计算机系统的中断机制来处理了。
中断机制包括硬件的中断装置和操作系统的中断处理服务程序。
当出现新的事件时,中断装置就判别到有新事件发生,于是送出一个中断信号,告诉操作系统,操作系统根据这个中断的优先级来确定先执行新事件还是继续执行原来的任务。
中断现场的保护和恢复
二、硬件环境(识记)
(1)CPU和外设的并行工作
在一台通用的计算机系统中,通过输入输出控制系统完成外围设备与主存储器之间的信息传送。
各种外设连接在相应的设备控制器上,通过通道把设备控制器连接到公共的系统总线上。
这种结构允许CPU和各种外围设备同时并行工作。
(2)I/O中断的作用
当中央处理器执行到一条“启动外设”指令时,便把设备的控制权交给输入输出控制系统,然后,中央处理器和外围设备便可以并行工作,直到外设工作完成。
之后,会形成一个“I/O中断”事件(输入输出结束),通知操作系统的服务处理程序完成后继工作。
利用硬件的中央处理器与外围设备的并行工作能力,以及各外围设备之间的并行工作能力,操作系统能让多个程序同时执行。
(3)存储结构
主存储器是CPU能直接访问的惟一的存储空间,任何程序和数据都必须被装入主存储器之后,CPU才能对它进行操作。
主存储器以“字节(BYTE)”为单位进行编址,若干字节组成一个“字(WORD)”。
中央处理器可以按地址读出主存储器中的一个字节或一个字的内容。
辅助存储器解决了主存储器容量不足,以及主存储器无法保存信息的问题。
辅助存储器的优点是容量大且能永久保存信息,缺点是无法被中央处理器直接访问,必须通过主存储器才能访问。
中央处理器存储信息的速度依次为:
存取寄存器中的信息速度最快;通过系统总线存取主存储器的速度居中;使用辅助存储器的信息速度最慢。
寄存器用来存放临时的工作信息和系统必须的控制信息。
主存储器中存放操作系统的核心部分,以及当前需执行的程序和数据。
辅助存储器是存放操作下的非核心部分和其他程序和数据。
磁盘的信息可随机存取,磁带上的信息只能顺序存取。
(4)硬件保护
在资源共享的计算机系统中,只有有了必要的保护措施,才能使个别的错误不致影响其他程序。
<1>I/O保护
·特权指令
为保护输入输出的完整性,把“启动I/O”等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。
特权指令只允许操作系统使用,用户程序不能使用特权指令。
用户程序若要启动I/O,必须请求操作系统代为启动,这种方式不但可以保证安全地使用外围设备,正确地传送信息,而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作,大大方便了用户。
<2>管态和目态
中央处理器有两种工作方式:
管态和目态。
在管态下,中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令;在目态下,中央处理器不准执行特权指令。
操作系统在管态下工作,用户程序在目态下工作。
<3>存储保护
硬件中设置了两个寄存器来限定用户程序执行时可以访问的空间范围。
这两个寄存器是基址寄存器和限长寄存器。
中央处理器在目态下执行程序时,只有在判定访问地址符合以下关系式时候才允许访问:
基址寄存器值≤访问地址≤基址寄存器值+限长寄存器值
中央处理器在管态下执行程序时候,对访问主存的地址不进行核对。
三、操作系统结构(识记)
(1)操作系统的层次结构
层次结构的最大特点是把整体问题局部化。
把一个大型复杂的操作系统分解成若干单向依赖的层次,由各层的正确性来保证整个操作系统的正确性。
采用层次结构,能使结构清晰,便于调试,有利于功能的增、删和修改,正确性容易得到保证,也提高了系统的可维护性和可移植性。
操作系统的一种层次结构如下图所示:
作业管理
文件管理
设备管理
存储管理
处理器管理
硬件
这种结构具有单向依赖关系,即外层依赖内层的关系。
层次结构的主要优点是有利于系统设计和调试;主要困难在于层次的划分和安排。
<1>作业控制语言和控制命令
操作系统提供给用户表示作业执行步骤的手段有两种:
作业控制语言和操作控制命令。
用户用作业控制语言编写“作业控制说明书”,从而形成批处理作业。
用户使用键盘输入操作控制命令或者选择菜单命令,进行交互处理。
<2>系统调用
操作系统编制了许多不同功能的子程序,供用户程序在执行中调用,这些子程序称为“系统功能调用”程序或“系统调用”。
·系统调用过程
系统调用往往在管态下执行。
用户程序在调用系统调用时,编译系统会生成一条“访管指令”。
程序执行时,CPU取到访管指令就产生中断事件,操作系统即调用相应的系统调用子程序为其服务,并在管态下工作,处理完后,返回目态及用户程序。
·系统调用分类
操作系统提供的系统调用主要有:
文件操作类,如打开文件,读、写文件等;资源申请类,如请求主存分配和归还,外设的分配和归还等;控制类,如程序正常结束,异常结束和返回断点等;信息维护类,如日期时间的设置和查询,文件属性的设置和查询。
第二章复习题答案
(1)计算机系统既有操作系统程序,又有用户程序,在什么情况下操作系统程序才能占用中央处理器?
这道题解答了三方面的内容:
一个是程序和CPU之间的占用关系;一个是操作系统开始时占用CPU;最后一个是,操作系统在中断装置判断有事件发生时才让操作系统占用CPU。
简单的说,就是操作系统是总管,没事的时候他等待,“有事”中断他出面。
答:
一个计算机系统,尤其是采用多道程序设计的计算机系统,不仅有操作系统和其他的系统软件,而且还有若干应用程序。
这些程序只有占用中央处理执行时才能履行自己职责。
而中央处理器在任何时刻最多只能被一个程序占用。
计算机开启时,自动执行引导程序。
引导程序首先进行系统初始化的工作,然后把操作系统中的核心装入主存储器。
此后操作系统便等待用户请求(事件)的发生,当有某个事件出现,硬件便能识别并能发生一个中断,从而通知操作系统,由它的服务程序去处理,处理结束后,又等待下一个事件发生。
中断是计算机系统结构一个重要的组成部分。
中断装置由一些特定的寄存器的控制线路组成,CPU每执行完一条指令,中断装置都要判断是否有事件发生。
如果没有事件发生,CPU继续执行;若有事件发生,中断装置中断原先占用CPU的程序的执行,让操作系统的处理事件服务程序占用CPU对事件进行处理,处理完后,再让被中断的程序继续占用CPU执行下去。
(2)阐述硬件的中断装置的作用。
答:
中断是计算机系统结构一个重要的组成部分。
在中断机制中的硬件部分(中断装置)的作用就是在CPU每执行完一条指令后,判别是否有事件发生,如果没有事件发生,CPU继续执行;若有事件发生,中断装置中断原先占用CPU的程序的执行,把被中断程序的断点保存起来,让操作系统的处理服务程序占用CPU对事件进行处理,处理完后,再让被中断的程序继续占用CPU执行下去。
所以中断装置的作用总的来说就是使操作系统可以控制各个程序的执行,为用户提供各种服务。
(3)操作系怎样让多个程序同时执行?
以上几道题均涉及到中断机制,其实说的就是这个机制的作用,中断机制包括硬件部分和软件部分,硬件就是中断装置,由它来发现事件并告诉软件(操作系统),再配合操作系统来处理事件,所以计算机的任务管理就是由操作系统和中断装置的密切配合完成的。
答:
一个计算机系统,尤其是采用多道程序设计的计算机系统,不仅有操作系统和其他的系统软件,而且还有若干应用程序。
这些程序只有占用中央处理执行时才能履行自己职责。
而中央处理器在任何时刻最多只能被一个程序占用。
中断装置在判别到有某个事件发生时,就会触发一个中断让操作系统去占用处理器。
操作系统对事件处理结束后,又主动让出处理器,并根据对事件处理情况从那些具备占用处理器条件的程序中选择一个,让它占用处理器,直到系统再一次发生事件而被中断。
操作系统总是按照预定的策略去选择可占用处理器的程序,系统中若干程序可以交替地占用处理器,形成多个程序同时执行的状态。
(4)为什么要把“启动I/O”等指令定义为特权指令?
答:
一个程序可以在其它程序等待外围设备传送信息时占用处理器执行,在执行中如果它也使用启动指令去启动一台正在工作的外围设备,那么就会造成冲突。
为保护输入输出的完整性,把“启动I/O”等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。
特权指令只允许操作系统使用,用户程序不能使用特权指令。
用户程序若要启动I/O,必须请求操作系统代为启动,这种方式不但可以保证安全地使用外围设备,正确地传送信息,而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作,大大方便了用户。
(5)怎样限制用户程序中使用特权指令?
这三道题中的关键字是“特权指令”、CPU的两种工作方式“管态”和“目态”、访问地址、基址、限长寄存器等。
弄清了这几个关键字的意义,也就清楚了系统中“硬件保护”的实现方法。
答:
为了保证正确的操作,应该限制用户程序使用特权指令,为此,中央处理器设置了两种工作方式:
管态和目态。
在管态下,中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令;在目态下,中央处理器不准执行特权指令。
操作系统在管态下工作,用户程序在目态下工作。
如果中央处理器在目态下取到了特权指令,中央处理器就拒绝执行该指令,并产生“非法操作”事件经中断装置和操作系统通知用户修改。
(6)操作系统与硬件如何配合来实现存储保护的?
答:
主存储器往往同时装入了操作系统程序和若干用户程序,为了保证正确操作,必须对主存储器区域进行存储保护。
存储保护随着主存储器管理方式的不同,实现保护的方法也有所不同,一般是操作系统与硬件配合来实现存储保护。
在连续分配的存储系统中,硬件中设置了两个寄存器来限定用户程序执行时可以访问的空间范围。
这两个寄存器是基址寄存器和限长寄存器,用来限定用户程序执行时可以访问的主存空间范围。
程序执行时,系统对每一个访问内存的地址进行核对:
"基址寄存器值≤访问地址≤基址寄存器值+限长寄存器值"成立,则允许访问;否则,不允许访问。
这样就保护了该区域以外的存储信息不受到破坏,一旦程序执行中出错也不会涉及其他程序。
(7)为什么要研究操作系统的结构?
答:
操作系统是一种程序量大且接口复杂的系统软件。
设计一个操作系统要投入大量的人力和花费较长的时间。
因而,如何保证操作系统能正确,高效地工作至关重要。
由于程序的结构是影响程序质量的内在因素,因此,有必要对操作系统的结构进行研究。
正确性、高效性、可维护性和可移值性是操作系统结构设计的重要方面。
(8)应从哪些方面考虑操作系统的结构设计?
答:
操作系统的结构设计应追求以下目标:
∙正确性:
一个结构良好的操作系统不仅能保证正确性而且易于验证其正确性;
∙高效性:
核心程序是影响计算机系统效率的的关键所在应遵循少而精的原则,使处理既有效又灵活。
∙可维护性:
操作系统要容易维护
∙可移植性:
在结构设计时,尽量减少与硬件直接有关的程序量并将其独立封装
(9)操作系统采用层次结构有什么优点?
操作系统结构的设计方法有:
无序模块法、内核扩充法、层次结构法和管程设计法等。
答:
各种设计方法总的目标都要保证操作系统工作的可靠性。
层次结构法的最大特点是把整体问题局部化,采用层次结构不仅结构清晰,而且便于调试,有利于功能的增加,删减和修改。
层次结构的主要优点是有利于系统的设计和调试,正确性容易得到保证,也提高了可维护性和可移植性。
(10)用户怎样使用操作系统提供的接口?
答:
用户是通过操作系统来使用计算机系统的,操作系统为用户提供两种类型的使用接口:
使用接口就是指如何输入命令和输出结果。
操作员接口就是操作员怎么输入命令。
程序员接口就是程序程序员怎么用程序来使用操作系统的功能。
操作员接口:
用户可以用作业控制语言写出控制作业执行步骤的"作业说明书",也可以从键盘上输入操作控制命令或从"命令菜单"中选择命令指出作业的执行步骤。
程序员接口:
操作系统提供了许多不同功能的子程序-系统功能调用,用户可以在程序中调用这些子程序。
(11)操作系统为什么要提供"系统调用"?
答:
在用户编写的源程序一级,用户使用程序设计语言描述算题任务的逻辑要求,有一些要求的实现只有通过操作系统的功能程序才能完成。
操作系统编制了许多不同功能的子程序,用户程序在执行中可以调用这些子程序。
由操作系统提供的这些子程序称为"系统功能调用"程序,简称"系统调用"。
系统调用是操作系统提供给用户程序的服务接口。
第二章复习提示
本章仍为基础知识内容,介绍了计算机系统结构,主要内容是计算机系统结构的层次结构、硬件结构和软件(操作系统)结构以及用户与操作系统的接口(人机接口)。
本章占分量约为2分左右。
题型举例如下:
1、计算机系统的层次结构是(C )。
A、应用软件、支撑软件、编辑软件和操作系统
B、操作员、应用软件、支撑软件和编译软件
C、应用软件、支撑软件、编译软件和操作系统
D、应用软件、支撑软件、编辑软件和编译系统
2、以下软件系统中完全属于系统软件的一组是( A )。
A、WINDOWS2000、编译系统、操作系统
B、接口软件、操作系统、软件开发工具
C、专用程序、财务管理软件、编译系统、操作系统
D、Windows98、接口软件、Office2000
3、中央处理器(A )。
A、可直接访问的唯一存储空间是主存储器
B、只能运行在管态
C、能直接访问的存储空间包括寄存器
D、是完成设备与主存储器之间信息传送的唯一途径
4、中央处理器与外围设备的并行工作能力是由( A )提供的。
A、硬件 B、系统软件 C、应用软件 D、支援软件
1、C 2、A 3、A 4、A 5、D 6、B 7、C 8、B
5、当操作系统完成了用户请求的“系统调用”功能后,应使中央处理器( )工作。
A、维持在目态 B、从目态转换到管态
C、维持在管态 D、从管态转换到目态
6、以下不属于操作系统结构设计目标的是( )。
A、正确性 B、交互性 C、高效性 D、可维护性和可移植性
7、处理器执行的指令被分成两类,其中有一类称为特权指令,它只允许( )工作。
A、操作员 B、联机用户 C、操作系统 D、目标程序
8、用户是通过(B )请求操作系统服务的。
A、子程序调用指令 B、访管指令
C、条件转移指令 D、以上三种都可以
参考答案:
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