计算机系统的层次结构.ppt

第一章 概 论 第一章 概 论 1 计算机系统的层次结构 2 操作系统的资源管理观点 3 操作系统的服务观点 4 操作系统的特性 5 操作系统的硬件基础 6 操作系统的装入与初启 第一章 概 论 1 计算机系统的层次结构 一个完整的计算机系统是由硬件和软件两大部分组成 的。硬件(即物理计算机)是系统的基本资源，其主要部件 包括：中央处理机(CPU)、主存贮器(简称主存或内存)、外 部存贮器(简称外存或辅存，包括磁盘和磁带)、终端(通常 由键盘*和显示器组成)、控制台以及字符打印机等。CPU 和内存构成系统的主机，其它部件统称为外部设备(简称外 设），或称为输入输出(IO)设备。 第一章 概 论 图-计算机系统的抽象层次结构 第一章 概 论 操作系统的资源管理观点 . 支持资源共享的多道程序系统 按照程序在系统中的运行方式，计算机系统分为单道程 序系统和多道程序系统*。 所谓单道程序系统是指系统只能顺序地执行用户程序， 即仅当一个用户程序执*行完后，才启动另一个用户程序工作 ，在一个用户程序运行期间，它独占全机崐资源。这样的系 统经常出现资源使用不充分和不均衡的现象，当工作 时*，外设往往处于闲置状态；同样，当外设工作时， 也往往空闲着；外设*之间亦同样如此。由于的速度远 远高于外设，的浪费就显得尤为*严重。 第一章 概 论 多道程序系统的实现需要硬件和软件的共同支持。在硬件 技术中主要引入了中*断和通道。所谓中断，从概念上说是指 意外事件或异步事件对的打断。意*外事件如电源掉电 或硬件故障，异步事件则是无一定时序关系的随机事件，例* 如外部设备完成传输，用户通过终端发出命令请求等 。一旦意外事件或*异步事件发生，中断部件便向发出 中断请求，暂停的当前工作。*通道则是一种专门用于 控制外部设备的简单处理机，亦称处理机，它联*接着 主机和外设，具有向内存直接存取数据的能力。作为处理机 ，它执行专门*的通道指令，并可独立于，与同 时工作。当现行程序需要*传输时，只要命令通 道去完成就行了，同时可以继续执行现行程*序的后续 工作或执行其它程序。 第一章 概 论 只有当通道控制相应的外部设备完成了指定的*数据传 输任务后，才通过中断部件向发出中断请求， 立即暂停现*行程序的执行，转去执行中断处理程序。可 见，中断和通道技术的引入，实现*了多部件并行工作，即 与外设以及外设与外设之间同时工作。利用多部*件 并行工作的特性，就可使多道程序同时运行，实现系统资 源的共享。支持多*道程序系统的软件系统需要在多道程序 之间合理地分配和回收系统资源,使资源*得到合理有效的 利用，使得各个程序能够有条不紊地运行，这个软件就是 操作系统。 第一章 概 论 . 操作系统的管理功能 . 管理 .存贮器管理 .设备管理 .文件管理 .进程及作业管理 第一章 概 论 操作系统的服务观点 . 公共服务功能 （1）程序装入与执行 （2）操作 （）文件使用 （）作业运行控制 （）错误检测与处理 第一章 概 论 . 操作系统的分类 .批处理系统（ *） 批处理系统也称批量系统或作业流处理系统。所谓批处 理意指用户作业的成批输入并处理，即系统将作业一批一批 地输入系统并暂存在外存中，组成一个后备作业列队，每次 按一定的调度原则从后备作业中挑选一个或多个装入主机处 理，作业完成后退出主机和后备作业装入主机运行均由系统 自动实现，从而大大压缩了两个作业之间的转接时间，在系 统中形成了一个自动转接的连续作业流，当一批作业运行完 后，输出它们的运行结果，再接受下一批作业进入系统处理 。然而，在现代批处理系统中，上述“批”的概念已不十分明显 ，用户作业可被随时接受进入系统处理，运行结果也可以随 机输出，而不必集中成批输入和输出，所以批处理的真实含 义是指系统对源源不断的作业流的连续处理。 第一章 概 论 批处理系统的特点是它采用的是脱机服务方式，即用 户在其作业运行期间不能在控制台或终端上请求系统的服 务以直接干预其作业的运行过程，而必须将其对作业的控 制意图事先用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制 卡，这些控制意图可以是作业运行时的资源要求、作业步 的执行次序、对可能的运行错误的处理措施等等。作业控 制卡或作业说明书连同程序和数据一起提交给系统，由系 统的作业控制程序或命令解释程序解释执行， 提供相应的 各种服务。批处理系统主要配置在较大的计算机系统上， 由于这样的机器的硬件设备配置较全，价格较贵，故现代 批处理系统多建立在多道程序设计基础上，追求的是作业 的大吞吐量和系统资源的充分利用。 第一章 概 论 .分时系统（- ） 所谓“分时”，就是多个用户对系统资源进行时间上的分享 。在分时环境下，一个计算机系统联有若干台本地或远程终 端，每个用户可以在所占用的终端上以人-机会话的交互方式 使用计算机。故分时系统又称为多用户交互式共享系统。分 时系统具有以下三个特点： （）多路性 （）交互性 （）独占性 第一章 概 论 实时系统（- ） 所谓“实时”就是“立即”或“及时”，具体含义是指系统能 够及时响应随机发生的外部事件，并以足够快的速度完成 对事件的处理。外部事件是指传感器或其它信号测量装置 所采集的现场数据或终端用户提出的服务请求。 实时系统具有如下三个特点： （）简单的交互能力 （）及时响应 （）高可靠性 第一章 概 论 .单用户交互式系统（ c v ） 微型计算机的规模小，价格便宜，对工作环境要求不高 ，适宜于个人使用，故也称为个人计算机（ ）。为这类计算机设计的操作系统多 为单用户系统，它不追求系统资源的充分利用，也不讲究共 享资源，而是强调个人的特点，注重使用方便。因此，这类 操作系统的功能比较简单，管理功能主要是磁盘文件管理和 设备驱动，服务方式采用联机交互方式，除了提供键盘命令 服务外，一些优良的系统还提供更为方便灵活的交互手段， 例如“菜单”命令、“窗口”显示，“鼠标”驱动。 第一章 概 论 .网络操作系统（ ） 网络操作系统除了具有基本类型操作系统中所应具备的 管理功能和服务功能外，还具有网络管理和服务功能，这主 要包括：网络资源共享，系统提供资源共享操作供节点计 算机用户或作业方便地使用本地的或远地的其它节点计算机 上的可共享资源。网络通信，不同节点计算机的用户或作 业可以相互交换信息，系统提供文件传输和电子邮件服务， 一个文件可以被传输到其它节点计算机上，以方便文件共享 ，用户也可以发送一份电子邮件给其它节点计算机用户或接 受其他节点计算机用户发来的电子邮件，就像打电话一样方 便。作业迁移，一个作业可以从一个节点计算机上迁移到 其他工作负荷较轻或适宜于处理该作业的节点计算机上运行 。 第一章 概 论 . 操作系统的服务接口 . 程序级接口 所谓操作系统的程序级接口，就是操作系统与目态程序 之间的接口。当执行中的目态程序请求操作系统服务，转而 执行操作系统程序时，将引起执行状态从目态变为管 态，因此，也称这类接口为状态接口。程序级接口由一组系 统调用命令所组成，系统调用命令就是具有系统调用编号和 其它有关参数的“访管”指令（）或“陷入”指令（ ）。 当机器执行或指令时将引起访管中 断， 状态变为管态， 保留调用现场，然后去崐执行相 应的某个操作系统程序，当该操作系统程序执行完毕，经中 断机构返回，由管态又复变为目态。目态程序请求操 作系统服务的唯一途径就是使用系统调用命令。 第一章 概 论 操作系统在程序级提供以下几类功能服务： （）进程控制 （）文件操作 （）设备管理 （）信息维护 （）通信 第一章 概 论 .作业控制级接口 作业控制级接口提供的是一组控制和服务命令，它通常 包括以下几类：系统访问，资源分配、程序执行、文件操作 、信息维护、控制流、操作员专用以及服务方式转换。这些 命令由系统命令处理程序（中称）解释 执行。根据系统的服务方式，这类接口又可进一步分为脱机 级接口和联机级（交互式）接口。 第一章 概 论 （）脱机级接口 即作业控制语言（ ），由批处理系统提供。 有两种形式：一种相当于汇编语言，如 的；另一种类似于高级语言，如系列的 语言。的语句就是控制和服务命令。 在批处理系统的脱机服务方式下，用户把他对系统的服务 请求和对其作业运行的控制意图事先用编写一份“上 机说明书”并制成作业控制卡或作业说明书，随同程序和数 据一起提交给计算机系统。在系统处理作业时，逐条解释 执行语句，实现对作业运行的自动控制。在作业运 行时，用户不得再干预。 第一章 概 论 作业标识语句。标识一个作业的开始 ，它作为作业卡片迭的第一张。一般格式是： 其中： 表示这是控制卡； 为作业名，由字母打头的个字 符； parameters是可选参数，它可以是帐号、用户名、作 业优先数、作业运行的估计时间等。 第一章 概 论 执行语句。标志一个作业步开始，装入并启 动可执行程序。一般格式是： ， 或 其中：是要装入执行的程序名，若缺 省，则把最近连接产生的可执行程序装入执行； 是从过程库中取出执行的程序名； 表示调用连接装配程序，对编译产生的目标模块进行连接 并装入运行。 第一章 概 论 选择语句。描述作业要求的某些服务 请求。例如，打印程序清单，打印错误表 ，连接目标模块等。一般格式是： , 其中，OPTION,option,option 程序或数据定界语句。用以标志程序或数据的结 束。 第一章 概 论 作业定界语句&。用以标识作业的结束。 此外，还有请求外设分配，指定磁盘，带标号等语句。 下面是一个简单的例子： ； 执行编译程序(源程序） * ；执行连接程序 ； 执行刚产生的可执行程序（数据） * & ；作业结束 第一章 概 论 （）联机级接口 这由一组终端命令(可以是键盘命令行 、菜单选择命令、鼠标驱动命令）所组成，由分时系统和单 用户交互式系统提供，它向联机终端用户提供了以人-机会话 方式请求系统服务的手段。用户在终端上每输入一条命令， 系统就随即解释执行。并把命令的执行结果通过终端及时反 馈给用户，用户可根据系统的反馈信息决定下一步的操作， 继之输入下一条命令，如此不断交互会话，直至作业完 成。可见，联机级接口为用户使用计算机提供了很大的方便 ，通过交互会话，人和计算机组成了一个闭合系统，可以充 分发挥用户的主观能动性，用户可以对其作业的运用进行随 机干预，方便灵活地请求系统的各种服务，从而大大提高了 调试和开发程序的效率。 第一章 概 论 ： 键入用户名 ： 键入口令，口令不显示 ： e 显示系统日期信息（略） 询问当前目录 以长格式列出当前目录下的所有文件 34516 Jan 23 910 pro 1 1798 Fed 7 1349 pro 264 15 830 fd l 修改文件的保护方式，不允许同组用 户执行 第一章 概 论 脱机级接口与联机级接口，二者并不是截然分开的， 一些既支持批处理又支持分时处理的计算机系统同时提供 这两类服务接口，用户可以使用将其作业交由系统 批处理，也可以使用终端命令直接控制其作业的运行，而 且在作业 的一次运行中可转换使用终端命令和,即 可将交互作业（也称前台作业 ）转为批处理作业（也称后 台作业），反之亦然。 第一章 概 论 操作系统的特性 现代计算机系统多为多道程序系统，这给操作系统 的设计和运行带来了许多复崐杂问题。它们集中体现在 ： 并发性（） 共享性（） 不确定性（） 第一章 概 论 操作系统的硬件基础 . 多状态 是中的一些特殊寄存器的有序集合， 它 描述了的现行状态。 所谓状态通常包括：执 行状态管态和目态；条件码反映指令执行后的结 果特征；中断字指出发生了某种中断；中断屏蔽码 指出是否 允许中断，有些机器（如-）使用中 断优先级。有些机器的还包括了用来指示下一条要 执行的指令的程序计数器（）。 第一章 概 论 第一章 概 论 . 中断机构 . 中断概念 所谓中断，是指当正在执行某程序时，发生了某个异步事件 ，此时可以打断正在执行的程序，转去处理该事件，即执行一段 处理该事件的有关程序。被打断的程序可以在以后某个时间继续。 中断 的特点是随机性，发生中断的时间或原因与现行程序可以没有逻辑上的 联 系。这就必须保证现行程序被随机中断后能在以后继续正确执行。 把引起中断的那些事件称为中断源，中断源向发出的请求处理 信号 谓之中断请求，发生中断时现行程序的暂停点谓之断点，P暂停 现行程序而 转去响应中断请求的过程谓之中断响应，处理中断源的程序 谓之中断处理程序，执行相关的中断处理程序谓之中断处理，而 返回断点的过程谓之中断返回。 第一章 概 论 .中断类型 （）输入输出中断 （）硬件故障中断 （）程序中断 （）访管中断 （）外部中断 第一章 概 论 .中断响应 图- 交换程序状态字 第一章 概 论 .中断处理与中断返回 中断机构是由硬件和软件两部分组成的，硬件实现中断 请求和中断响应，而软件（操作系统程序）则完成中断处 理和中断返回。 中断处理就是执行中断处理程序。系统为每类中断源都 预先安排好了相应的中断处理程序，它们的入口地址存于 相应的新程序状态字单元中。 中断返回即转去执行前面被中断的程序，这通过 执行一条“送老 的特权指令将老程序状态字单元的内 容送入现行寄存器即可。 第一章 概 论 . 时钟 （）在批处理系统中，利用时钟计数对用户作业使用 各类资源的时间进行统 计记帐； （）在分时系统中，用间隔时钟实现按时间片对各终 端用户轮转服务； （）在实时系统中，按要求的时间间隔输出时间周期 信号给一个实时控制设 备； （）定时唤醒那些要求延迟或在给定时刻执行的某个 事件，如定时执行某个 程序； （