操作系統概念第二章：計算機系統結構2本章主要內容計算機系統操作I/O結構存儲結構存儲層次硬件保護網絡結構(*)3現代計算機系統42.1計算機系統操作I/O設備和CPU可以并發執行一個設備控制器負責一類設備每個設備控制器都有自己本地的緩沖區CPU負責在這些設備控制器的緩沖區與內存之間進行數據的交換I/O指的就是在設備與控制器緩沖區之間的數據交換設備控制器通過中斷來通知CPU設備操作的完成情況5中斷的功能中斷通過中斷向量表將控制傳輸給中斷服務例程，中斷向量表包括了所有設備服務例程的入口地址。中斷體系結構必須保存中斷指令的地址當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。操作系統是中斷驅動的6中斷處理中斷發生時，OS必須通過保存寄存器和程序計數器來保留CPU的狀態判斷發生了哪種類型的中斷輪詢向量中斷系統將內核例程與用戶例程分離，以決定每種類型的中斷應該采取的動作。7單個進程執行輸出的中斷時間線路82.2I/O結構同步I/O－I/O啟動后，只有當I/O完成后控制權才返回給用戶進程。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，控制權無須等待I/O操作完成就可返回給用戶進程。系統調用－請求OS允許用戶等待I/O操作的完成設備狀態表包含了每個I/O設備的一個條目，用來指示該設備的類型、地址和狀態（不工作、空閑或繁忙）OS通過查詢I/O設備表來判斷設備的狀態，并修改該條目，以反映出現了中斷。9兩種I/O方式10設備狀態表11DMA結構用于高速I/O設備，使之以接近內存的速度進行信息傳輸設備傳輸器以塊為單位直接將數據從存儲器傳輸到主存，而無須CPU的干預每個數據塊傳輸的時候只產生一個中斷，而不是一個字節的傳輸就會產生一個中斷122.3存儲結構主存－唯一能被CPU直接訪問的大型存儲謀體輔助存儲器－是主存的擴充，能夠永久地存儲大量數據磁盤磁盤表面邏輯劃分為磁道，而磁道又分為更小的扇區磁盤控制器決定了磁盤設備與計算機之間的邏輯交互13移動磁頭的磁盤裝置142.4存儲層次存儲系統按層次組織在一起速度（Speed）價格（Cost）易失性（Volatility）緩沖（Caching）－將信息復制到更快速的存儲系統；主存可以看成是輔存的最后一級緩沖15存儲設備層次16緩存技術（Caching）利用高速存儲器保存最近訪問過的數據需要一種緩存管理機制緩存技術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據必須保持一致（consistent）17整數A從磁盤到寄存器的遷移182.5硬件保護雙重模式操作I/O保護內存保護CPU保護19雙重模式操作為了確保操作正常，必須保護操作系統和所有其他程序及數據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分至少以下兩種操作模式用戶模式（usermode）－代表用戶在執行監督程序模式（monitormode）－代表OS在執行20

一個稱為模式位（modebit）的位增加到計算機硬件，以表示當前模式：monitor（0），user（1）當中斷或錯誤發生時，硬件自動切換成監督程序模式（monitormode）monitoruserInterrupt/Faultsetusermode21I/O保護所有的I/O指令都是特權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22使用系統調用執行I/O23內存保護至少必須為中斷向量和中斷服務例程提供內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（baseregister）界限寄存器（limitregister）超出這個范圍之外的內存將受到保護24基址寄存器與界限寄存器的使用25硬件地址保護26硬件保護監督程序模式下，OS可以無限制地訪問monitor和user的內存用于基址寄存器和界限寄存器的裝載指令（load）是特權指令27CPU保護定時器（timer)－以特定的周期定時中斷計算機，以確保操作系統能維持控制。定時器每過一個時鐘周期遞減一次當定時器的值為0時，產生中斷定時器通常用來實現分時定時器也用來計算當前時間Load-timer是一種特權指令28General-SystemArchitectureI/O指令是特殊指令，用戶程序該如何執行I/O操作？系統調用－進程用來向OS請求服務的方式通常采用陷阱的方式來進入中斷向量控制通過中斷向量傳遞到OS內的