第二章计算机系统结构简介

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中央处理器存储信息的速度依次为： 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； 信息速度最快；通过系统总线存取主存储器的速度居 使用辅助存储器的信息速度最慢。 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。 制信息。 主存储器中存放操作系统的核心部分， 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。 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。 和数据。 磁盘的信息可随机存取， 磁盘的信息可随机存取，磁带上的信息只能顺序 存取。 存取。
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本章的考核知识点是： 计算机系统的层次结构 本章的考核知识点是： 1.计算机系统的层次结构 2. 操作系统结构4.UNIX系统结构 5.UNIX 硬件环境 3.操作系统结构 操作系统结构 系统结构 系统的进程 6.UNIX系统的存储管理 7.UNIX系统的 系统的存储管理 系统的 文件系统 8.UNIX系统的 系统的I/O系统 系统 系统的 学习本章要求：了解计算机系统的结构， 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 中断和存储结构， 中断和存储结构 硬件的保护措施； 统的结构，操作系统提供的使用接口。 统的结构，操作系统提供的使用接口。在学习操作系 统基本工作原理的基础上， 统基本工作原理的基础上，了解一个具体操作系统 UNIX的实现方法。 的实现方法。 的实现方法 重点是： 重点是：硬件环境和操作系统的结构
第二章 计算机系统结构简介
计算机系统是由硬件系统和软件系统两 部分组成， 部分组成，操作系统是软件系统的一个 组成部分， 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， 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， 的了解，本章就是讲述计算机系统结构 的基本知识。 的基本知识。
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<2>系统调用 系统调用 操作系统编制了许多不同功能的子程序， 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“ 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， 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， 编译系统会生成一条“访管指令”。程序执行时，CPU取到 取到 访管指令就产生中断事件， 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， 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。 用户程序。 ·系统调用分类 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， 操作系统提供的系统调用主要有：文件操作类，如打开文件， 写文件等；资源申请类，如请求主存分配和归还， 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， 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， 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。 性的设置和查询。
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中断现场的保护和恢复
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硬件环境（识记） 二、 硬件环境（识记） （1）CPU和外设的并行工作 ） 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 在一台通用的计算机系统中， 系统完成外围设备与主存储器之间的信息传送。 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 种外设连接在相应的设备控制器上， 备控制器连接到公共的系统总线上。 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。 和各种外围设备同时并行工作。 和各种外围设备同时并行工作
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（4）硬件保护 ） 在资源共享的计算机系统中， 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。 措施，才能使个别的错误不致影响其他程序。 <1> I/O保护 保护 ·特权指令 特权指令 为保护输入输出的完整性， 启动I/O”等的一类 为保护输入输出的完整性，把“启动 等的一类 可能影响系统安全的指令定义为特权指令。 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， 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。 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， 用户程序若要启动 ，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， 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， 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。 围设备特性以及启动等工作，大大方便了用户。
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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 能直接访问的惟一的存储空间， 主存储器是 能直接访问的惟一的存储空间 何程序和数据都必须被装入主存储器之后， 何程序和数据都必须被装入主存储器之后，CPU才能对 才能对 它进行操作。主存储器以“字节(BYTE)”为单位进行编 它进行操作。主存储器以“字节 为单位进行编 若干字节组成一个“ 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。 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， 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。 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， 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。 必须通过主存储器才能访问。
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（2） I/O中断的作用 ） 中断的作用 当中央处理器执行到一条“启动外设”指令时， 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， 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， 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“ 中断” 工作完成。之后，会形成一个“I/O中断”事件（输 中断 事件（ 入输出结束）， ），通知操作系统的服务处理程序完成 入输出结束），通知操作系统的服务处理程序完成 后继工作。 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 以及各外围设备之间的并行工作能力， 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。 统能让多个程序同时执行。
四、UNIX系统结构（领会） 系统结构（领会） 系统结构 1、UNIX的层次结构。 的层次结构。 、 的层次结构 UNIX可以分为内核层和外壳层两部分。 可以分为内核层和外壳层两部分。 可以分为内核层和外壳层两部分 内核层是UNIX操作系统的核心，它实现存储管理、 操作系统的核心， 内核层是 操作系统的核心 它实现存储管理、 文件管理、设备管理、 文件管理、设备管理、进程管理等功能并为外壳层 提供系统调用。 提供系统调用。 外壳层为用户提供各种操作命令（ 外壳层为用户提供各种操作命令（UNIX把它们称为 把它们称为 shell命令）和程序设计环境。外壳层由 命令） 命令 和程序设计环境。外壳层由shell解释 解释 程序、支持程序设计的各种语言（ 程序、支持程序设计的各种语言（如C、PASCAL和 、 和 BASIC等）、编译程序和解释程序、实用程序和系 编译程序和解释程序、 等）、编译程序和解释程序 统库等组成。 统库等组成。
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三、操作系统结构（识记） 操作系统结构（识记） 层次结构的最大特点是把整体问题局部化。 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， 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。 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， 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， 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。 高了系统的可维护性和可移植性。
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2.1、计算机系统结构 1.层次结构（识记） 层次结构（ 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， 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， 机系统的人，人与硬件系统之间是软件系统
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操作系统的运行方式
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中断机制 中央处理器CPU在任何时刻只能被一个程 在任何时刻只能被一个程 中央处理器 序占用，在它执行程序的时候， 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， 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。 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。 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， 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， 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。 件还是继续执行原来的任务。
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