第4章 操作系统的体系结构

注意：1)“本章要点”部分，用红字标注的不是期末考试出题范围。

2)“习题部分”用蓝字标注的是重点习题，期末考试50%的题目是这些习题的原题。

红字标注的习题期末考试不考，仅供考研的同学参考。

3）大部分习题答案只给出要点，同学们可以自行适当补充，但一定要简明扼要。

4）如“本章要点”部分用红字标注的非考试内容，在“习题”部分有相关的重点习题，则对该部分内容只需做该习题即可。

------------------------------------------------------------第四章存储器管理要点4.1 存储器的层次结构理解P116图4-1的存储器层次结构，知道这种结构从经济上考虑，具有好的性能/价格比。

了解P117-118高速缓存CACHE和磁盘缓存，知道它们使用的淘汰算法与虚拟内存的页面置换算法是基本相同的。

4.2 程序的装入和链接这一小节的内容是一些重要的专业常识。

应了解本小节介绍的各种装入和链接方法，要求结合Windows操作系统及C 语言的实际去理解上述装入和链接方法（联系实际部分可上网查询）。

4.3 连续分配方式通用操作系统大都不用连续分配方式，有些嵌入式OS可能使用这种分配方式。

这一小节只需阅读P121-124即可。

4.4 基本分页存储管理方式这是本章最重要的一小节，要求全读。

重点理解页面、物理块、页表、页表的访存、物理地址、逻辑地址、快表（TLB）等概念及相互关系。

4.5 基本分段存储管理方式阅读4.5.1，知道为什么要分段。

阅读4.5.2 知道分段的原理。

考研的同学要知道段表、地址变换，知道分段和分页的主要区别。

阅读4.5.3 知道分段有利于信息共享，知道“纯代码”的概念。

阅读4.5.4 知道什么是段页式存储。

需要补充说明的是：教材说过，分段方便编程，主要是指方便汇编语言程序员，和设计高级语言编译器的程序员。

对使用高级语言进行应用编程的程序员来说，段是透明的，一般不能用高级语言代码去操作段。

操作系统的设计与实现操作系统是计算机硬件的核心，它可以控制整个计算机系统的工作，为用户提供方便和高效的计算机环境。

计算机操作系统不仅需要具有稳定可靠的性能，同时还需要满足安全、易用和灵活等需求。

本文将从操作系统的设计和实现两个方面来探讨计算机操作系统的原理和实践。

一、操作系统的设计1.1、操作系统的层次结构操作系统的层次结构是指在操作系统中采用了不同的层次来完成不同的职责。

操作系统的层次结构可以分为：硬件层、内核层、系统调用层、程序库层和应用层等。

硬件层是指物理层，主要是处理器、内存、硬盘等设备，操作系统需要对这些硬件资源进行管理和分配。

内核层是操作系统的核心，主要提供管理和分配硬件资源的功能，同时还负责处理硬件和软件之间的交互和通讯。

系统调用层是通过应用程序向内核层请求服务的界面，它包含了一系列的系统调用接口，应用程序可以利用这些接口来请求内核级别的服务。

程序库层是应用程序开发的基础，它包含了一些函数库和工具集，开发人员可以通过这些工具来更方便地开发应用程序。

应用层是最外层，包含了各种应用程序，例如浏览器、文本编辑器、游戏等，用户可以通过这些应用程序来完成功能。

1.2、操作系统的功能操作系统的主要功能包括：进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和安全管理。

进程管理：进程是指正在运行的程序，操作系统需要对进程进行管理和调度，使它们能够协调地运行。

进程管理包括进程创建、进程调度、进程通信、进程同步和进程撤销等。

内存管理：内存是计算机的重要组成部分，操作系统需要对内存进行管理和分配。

内存管理包括内存分配、内存回收、内存保护和虚拟内存管理等。

文件管理：文件是计算机系统中重要的数据存储和共享方式，操作系统需要提供文件管理功能。

文件管理包括文件的创建、删除、修改、复制和文件保护等。

设备管理：设备是计算机系统中的重要组成部分，操作系统需要对设备进行管理。

设备管理包括设备的驱动程序开发、设备的分配和设备的控制等。

操作系统原理总结操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石。

它负责控制和协调计算机的各种活动，使得计算机能够高效、稳定地运行。

下面就让我们来深入了解一下操作系统的原理。

操作系统的主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口。

处理机管理的任务是合理地分配和调度处理机资源，以提高处理机的利用率和系统的性能。

进程是处理机管理中的一个重要概念，它是程序的一次执行过程。

操作系统通过进程控制、进程同步、进程通信和进程调度等手段来管理进程。

进程调度算法决定了哪个进程将获得处理机资源，常见的调度算法有先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。

存储器管理的目标是为程序的运行提供良好的内存环境，提高内存的利用率。

内存分配方式有连续分配和离散分配两种。

连续分配包括单一连续分配和分区分配，离散分配则包括分页存储管理、分段存储管理和段页式存储管理。

虚拟存储器技术通过将部分程序和数据暂时存放在外存上，使得计算机能够运行比实际内存更大的程序。

设备管理的主要任务是管理和控制各类 I/O 设备，方便用户使用设备，并提高设备的利用率。

设备管理包括设备分配、设备驱动、设备缓冲和设备独立性等方面。

设备分配算法要考虑设备的使用情况和请求的优先级。

设备驱动程序是操作系统与设备硬件之间的接口，负责控制设备的操作。

设备缓冲可以减少 I/O 操作的次数，提高系统的性能。

文件管理负责对文件进行组织、存储、检索和保护。

文件系统为用户提供了一种按名存取的方式，方便用户对文件进行操作。

文件的逻辑结构有流式文件和记录式文件，物理结构有连续文件、链接文件和索引文件。

文件存储空间的管理方法有空闲表法、空闲链表法和位示图法等。

文件的保护机制可以防止文件被非法访问和修改。

用户接口是操作系统与用户之间的交互界面，分为命令接口和程序接口。

命令接口包括联机命令接口和脱机命令接口，程序接口则通过系统调用为用户程序提供服务。

操作系统的体系结构主要有单体结构、层次结构、微内核结构和客户/服务器结构等。

第一章计算机体系结构得基本概念1 计算机系统结构得经典定义程序员所瞧到得计算机属性，即概念性结构与功能特性。

2 透明性在计算机技术中，把这种本来存在得事物或属性，但从某种角度瞧又好像不存在得概念称为透明性。

3 系列机由同一厂家生产得具有相同系统结构、但具有不同组成与实现得一系列不同型号得计算机。

4 常见得计算机系统结构分类法有两种：Flynn 分类法、冯氏分类法Flynn 分类法把计算机系统得结构分为4 类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)5 改进后程序得总执行时间系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比6CPI(Cycles Per Instruction ):每条指令执行得平均时钟周期数CPI = 执行程序所需得时钟周期数／IC7 存储程序原理得基本点：指令驱动8冯•诺依曼结构得主要特点1 以运算器为中心。

2 在存储器中，指令与数据同等对待。

指令与数据一样可以进行运算，即由指令组成得程序就是可以修改得。

3 存储器就是按地址访问、按顺序线性编址得一维结构，每个单元得位数就是固定得。

4 指令得执行就是顺序得5 指令由操作码与地址码组成。

6 指令与数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。

9 软件得可移植性一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。

差别只就是执行时间得不同。

我们称这两台计算机就是软件兼容得。

实现可移植性得常用方法:采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。

软件兼容：向上（下）兼容：按某档机器编制得程序，不加修改就能运行于比它高（低）档得机器。

向前（后）兼容：按某个时期投入市场得某种型号机器编制得程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场得机器。

向后兼容就是系列机得根本特征。

兼容机：由不同公司厂家生产得具有相同系统结构得计算机。

10 并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。

了解操作系统的组成与功能操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理和协调计算机硬件、软件和用户之间的交互。

它具有着复杂而庞大的功能和组成部分。

本文将介绍操作系统的基本组成和功能，帮助读者更好地了解操作系统的运作原理。

一、操作系统的基本组成操作系统由多个组成部分组成，主要包括内核（kernel）、文件系统、设备驱动程序和系统工具。

这些组成部分相互配合，共同组成了一个完整的操作系统。

1. 内核内核是操作系统的核心部分，负责管理系统的硬件资源并提供访问硬件的接口。

它是操作系统与硬件之间的桥梁，控制和分配计算机的处理器、内存、硬盘以及其他外部设备的资源。

同时，内核还具备调度任务、处理中断和异常处理等功能。

2. 文件系统文件系统是操作系统中负责管理和组织文件的部分。

它是一种将文件存储在磁盘上的机制，提供了对文件的读取、写入和删除等基本操作。

文件系统还维护了文件的目录结构、权限设置和磁盘空间管理等功能，使用户可以方便地存取和管理文件。

3. 设备驱动程序设备驱动程序是操作系统中的重要组成部分，它负责与硬件设备进行通信。

设备驱动程序通过控制和管理硬件设备的工作，向上层应用程序提供了访问和控制硬件设备的接口。

常见的设备驱动程序包括显卡驱动、打印机驱动和网络适配器驱动等。

4. 系统工具系统工具是操作系统提供给用户的一些辅助工具，用于管理和设置计算机系统的各项功能。

比如任务管理器、磁盘清理工具、网络设置工具等。

这些系统工具可使用户更方便地管理和操作计算机系统，提高了工作效率。

二、操作系统的基本功能操作系统具有多种功能，下面将介绍一些操作系统的基本功能。

1. 进程管理进程管理是操作系统的核心功能之一。

操作系统能够同时管理多个进程，为每个进程分配所需的资源，并实现进程间的切换与通信。

通过进程管理，操作系统能够有效地利用计算机资源，提高系统的运行效率和稳定性。

2. 内存管理内存管理是操作系统对计算机内存的分配和管理。

它通过内存分页、虚拟内存等技术，实现了对内存空间的合理利用和分配。

计算机系统结构前四章知识总结第一章计算机系统结构的基本概念1、层次结构：计算机系统由硬件/器件和软件组成，按功能划分成多级层次结构。

每一级对应一种机器：第0级和第1级是具体实现机器指定功能的中央控制部分；第2级是传统机器语言及其；第3级是操作系统机器；第4级是汇编语言机器；第5级是高级语言机器；第6级是应用语言机器。

2、计算机系统结构：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。

但按照计算机层次结构，不同程序者所看到的计算机有不同的属性。

主要研究软件、硬件功能分配和对软、硬件界面的确定。

3、计算机组成：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

4、计算机实现：是指计算机组成的物理实现。

5、透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。

6、由上往下设计（自上而下设计）：首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，直到由硬件执行或解释那级为止。

7、由下往上设计（自下而上设计）：根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来。

在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、高级语言等虚拟机器级。

最后设计面向应用的虚拟机器级。

8、系列机：是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

9、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各挡机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。

10、兼容机：不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

11、模拟：是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。

12、仿真：用程序直接解释另一种机器指令系统的方法。

13、虚拟机和宿主机：在A计算机上要实现B计算机的指令系统，通常采用解释方法来完成，即B机器的每一条指令用一段A机器的指令进行解释执行，如同A机器上也有B机器的指令系统一样，A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。

计算机系统体系结构计算机系统体系结构是指计算机硬件和软件之间的组织结构，它是计算机系统的基础。

计算机系统体系结构包括计算机的组成部分、它们之间的连接方式、数据传输方式、指令集和操作系统等。

计算机系统体系结构的设计和实现对计算机的性能、可靠性、安全性和可维护性等方面都有着重要的影响。

计算机系统体系结构的组成部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备（I/O设备）和总线等。

中央处理器是计算机系统的核心部件，它负责执行指令、控制计算机的运行和处理数据。

内存是计算机系统中存储数据和程序的地方，它是计算机系统的重要组成部分。

输入输出设备是计算机系统与外部世界交互的方式，它包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

总线是计算机系统中各个组成部分之间传输数据和指令的通道，它是计算机系统的重要组成部分。

计算机系统体系结构的连接方式包括并行连接和串行连接。

并行连接是指多个设备同时连接到计算机系统中，它可以提高计算机系统的处理速度和效率。

串行连接是指一个设备连接到计算机系统中，它可以减少计算机系统的复杂度和成本。

计算机系统体系结构的数据传输方式包括同步传输和异步传输。

同步传输是指数据在固定的时间间隔内传输，它可以提高数据传输的稳定性和可靠性。

异步传输是指数据在不固定的时间间隔内传输，它可以提高数据传输的灵活性和效率。

计算机系统体系结构的指令集是计算机系统中的指令集合，它是计算机系统的重要组成部分。

指令集包括操作码和操作数，它可以控制计算机系统的运行和处理数据。

指令集的设计和实现对计算机系统的性能、可靠性和安全性等方面都有着重要的影响。

计算机系统体系结构的操作系统是计算机系统中的软件系统，它是计算机系统的重要组成部分。

操作系统可以管理计算机系统的资源，控制计算机系统的运行和处理数据。

操作系统的设计和实现对计算机系统的性能、可靠性和安全性等方面都有着重要的影响。

计算机系统体系结构是计算机系统的基础，它对计算机系统的性能、可靠性、安全性和可维护性等方面都有着重要的影响。

操作系统的基本组成与架构解析操作系统是计算机系统中的核心软件之一，负责管理和控制计算机硬件资源，提供给用户和应用程序一个友好、高效的运行环境。

它由多个模块和组件组成，构建了一个复杂而高效的软件体系结构。

本文将对操作系统的基本组成和架构进行解析，以加深对操作系统的理解。

一、引言在计算机科学领域，操作系统是一种中间软件，对计算机的硬件进行管理和控制。

操作系统的主要任务包括进程管理、内存管理、文件系统管理、输入输出设备管理等。

通过这些管理和控制，操作系统为用户提供了一个高效、安全以及友好的计算机使用环境。

二、操作系统的基本组成1. 内核（Kernel）内核是操作系统的核心组件，负责管理和分配计算机的各种资源。

它提供了一个统一的接口，使得其他软件和硬件能够与操作系统进行交互。

内核包括两个主要部分：核心内核（Core Kernel）和外围内核（Periphery Kernel）。

核心内核管理计算机的主要资源，如CPU、内存和硬盘；外围内核则管理与计算机外部设备（如打印机、鼠标等）的交互。

2. 进程管理进程是指计算机中正在运行的程序。

进程管理是操作系统最重要的功能之一，它负责在计算机的CPU上分配不同的进程，以确保每个进程都能得到充分的运行时间。

进程管理包括进程调度、进程同步和进程通信等。

3. 内存管理内存管理是操作系统的另一个重要组成部分，它负责对计算机的内存资源进行分配和管理。

内存管理的主要任务包括内存分配、内存回收和虚拟内存管理等。

通过有效地管理内存，操作系统可以提高计算机的运行效率和资源利用率。

4. 文件系统管理文件系统管理是操作系统的一个重要功能，它负责对计算机中的文件进行组织和管理。

文件系统管理包括文件存储和检索、文件保护和权限控制、文件共享和备份等。

通过文件系统管理，操作系统可以提供一种统一的文件访问方式，使得用户和应用程序可以方便地对文件进行操作。

5. 输入输出设备管理输入输出设备管理是操作系统的另一个重要组成部分，它负责管理计算机与外部设备（如键盘、鼠标、显示器等）之间的数据传输和交互。

计算机操作系统第0章计算机系统概述计算机系统由操作员、软件系统和硬件系统组成。

软件系统：有系统软件、支撑软件和应用软件三类。

系统软件是计算机系统中最靠近硬件层次不可缺少的软件；支撑软件是支撑其他软件的开发和维护的软件；应用软件是特定应用领域的专用软件。

硬件系统：借助电、磁光、机械等原理构成的各种物理部件的组合，是系统赖以工作的实体。

如今计算机硬件的组织结构仍然采用冯诺依曼基本原理（有控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备—通常把控制器和运算器做一起称为中央处理机cpu，把输入输出设备统称为I/O设备）。

关于计算机系统的详细：Cpu的四大组件构成：ALU、CU、寄存器和中断系统。

存储器：理想存储器是大容量、高速度和低价位。

在计算机系统中存储器的分层结构：寄存器、高速缓存（cache）（用于解决cpu和内存读写速度过于不匹配）、主存（RAM和ROM）、磁盘和磁带。

I/O系统：由I/O软件和I/O硬件组成，前者用于将数据输入主机和将数据计算的结果输出到用户，实现I/O系统与主机工作的协调。

I/O硬件包括接口模块和I/O设备。

关于系统中断：利用中断功能，处理器可以在I/O操作执行过程中执行其他指令。

第1章操作系统引论操作系统的定义：控制和管理计算机软、硬件资源，合理组织计算机的工作流程，以便用户使用的程序集合。

计算机的四代发展：(1)没有操作系统的计算机（没有晶体管，使用机器语言写成的）(2)有监控系统的计算机（出现晶体管，使用汇编语言和高级语言，出现了单道批处理系统）(3)带操作系统的计算机（出现了小规模的集成电路，出现了多道程序设计技术—相当于系统中断，由于多道程序不能很好的满足用户对响应时间的要求，出现了分时系统。

多批道处理系统和分时系统的出现标志着操作系统的形成。

）(4)多元化操作系统的计算机（出现了大规模集成电路，分布式操作系统）操作系统的特征并发性：两个或两个以上的事物在同一个时间间隔内发生。

1.2操作系统结构设计操作系统是一种大型、复杂的并发系统;为了研制操作系统;首先必须研究它的结构;力求设计出结构良好的程序..操作系统的结构设计有两层含义：一是研究操作系统的整体结构;由程序的构成成分组成操作系统程序的构造过程和方法；二是研究操作系统程序的局部结构;包括数据结构和控制结构..采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统..本节将在讨论操作系统构件之后;全面介绍各种操作系统的构造方法..1.2.1操作系统的组件通常把组成操作系统程序的基本单位称作操作系统的构件..剖析现代操作系统;构成操作系统的基本单位除内核之外;主要还有进程、线程、类程和管程..1．内核现代操作系统中大都采用了进程的概念;为了解决系统的并发性、共享性和随机性;并使进程能协调地工作;单靠计算机硬件提供的功能是十分不够的..例如;进程调度工作目前就不能用硬件来实现；而进程自己调度自己也是困难的..所以;系统必须有一个软件部分能对硬件处理器及有关资源进行首次改造;以便给进程的执行提供良好运行环境;这个部分就是操作系统的内核..由于操作系统设计的目标和环境不同;内核的大小和功能有很大差别..有些设计希望把内核做得尽量小仅具有极少的必需功能;称为微内核microkernel;其他功能都在核外实现;通过微内核提供的消息传递机制完成其余功能模块间的联系；有些设计则希望内核具有较多的功能;虽然其内部也可划分成层次或模块;但运行时是一个大二进制映像;模块间的联系可通过函数或过程调用实现;称为单内核monolithickernel..操作系统的一个基本问题就是内核的功能设计..微内核结构是现代操作系统的特征之一;这种方法把内核和核外服务程序的开发分离;可为特定应用程序或运行环境要求定制服务程序;具有较好的可伸缩性;简化了实现;提供了灵活性;很适合分布式系统的构造..一般而言;内核必须提供以下3个方面的功能..1中断处理..中断处理是内核中最基本的功能;也是操作系统赖以活动的基础;为了缩短屏蔽中断的时间;增加系统内的并发性;通常它仅仅进行有限的、简短的处理;其余任务交给在内核之外的特殊用户态进程完成..当中断事件产生时;先由内核截获并转向中断处理例行程序进行原则处理;它分析中断事件的类型和性质;进行必要的状态修改;然后交给内核之外的进程去处理..例如;产生外围设备结束中断事件时;内核首先分析是否正常结束;如果是正常结束;那么;就应释放等待该外围传输的进程；否则启动相应设备管理进程进行出错或异常处理..又如当操作员请求从控制台输入命令时;内核将把这一任务转交给命令管理进程去处理;以接收和执行命令..2短程调度..主要职能是分配处理器..当系统中发生了一个事件之后;可能一个进程要让出处理器;而另一个进程又要获得处理器..短程调度按照一定的策略管理处理器的转让;以及完成保护和恢复现场的工作..由于它是协调进程竞争处理器资源的程序;所以它不是进程而是内核中的一个程序..3原语管理..原语是内核中实现某一功能的不可中断过程..为了协调进程完成通信、并发执行和共享资源;各种原语是必不可少的..通信原语为进程相互传递消息;同步原语能协调并发进程之间的种种制约关系..此外;还有其他原语;如启动外围设备工作的启动原语;若启动不成功则请求启动者应等待;显然;这个启动过程应该是完整的;否则在成为等待状态时;可能外围设备已经空闲..由于设备的操作与硬件密切相关;故通常设备驱动程序等功能都放在内核中完成..内核是操作系统对裸机的首次改造;内核和裸机组成了一台虚拟机;进程就在这台虚拟机上运行;它比裸机的功能更强大;具有以下特性：1虚拟机没有中断;因而;进程的设计者不再需要有硬件中断的概念;用户进程执行中无须处理中断；2虚拟机为每个进程提供了一台虚拟处理器;每个进程就好像在各自的私有处理器上顺序地推进;实现了多个进程的并发执行；3虚拟机为进程提供了功能较强的指令系统;即它们能够使用机器非特权指令、系统调用和原语所组成的新的指令系统..为了保证系统的有效性和灵活性;设计内核应遵循少而精的原则..如果内核功能过强;则一方面在修改系统时可能牵动内核；另一方面它占用的内存容量和执行时间都会增大;且屏蔽中断的时间过长也会影响系统效率..因而;设计内核时应注意：中断处理要简单；调度算法要有效；原语应灵活有力、数量适当..这样就可以做到下次修改系统时;尽量少改动内核;执行时中断屏蔽时间缩短..2．进程管理程序本身并不能做什么;只有在CPU执行它的指令时才能有所作为；因此;可以把进程看做是正在运行的程序..但是当我们进一步研究时;对进程的定义将更为普遍..例如：一个分时用户程序如编译器是一个进程;个人用户在PC上运行的字处理程序是一个进程;一个系统任务如输出到打印机也是一个进程;并可以提供允许进程创建与其并发执行的子进程的系统调用..进程需要特定的资源包括CPU时间、内存、文件和I/O设备来完成工作..这些资源或者在进程创建时分配给它;或者在其运行时分配..除了在进程创建时所获得的各种物理资源和逻辑资源以外;各种各样的初始化数据或输入也可能一同传送给进程..例如;考虑一个能够在终端的显示屏上显示一个文件状态的进程..这个进程将获得包含输入的文件名;将执行相应的指令和系统调用来获取所期望的信息并显示在终端上..着重强调程序本身不是进程；程序是静态实体passiveentity好像是存储在磁盘中的文件的内容;而进程是动态实体activeentity;它用一个程序计数器来指明要执行的下一条指令..进程必须要按顺序执行;CPU执行完进程的一条指令后再执行下一条;直到进程结束..进一步地讲;一次最多执行一条代表该进程的指令..这样;从来就不会出现两个独立运行的序列..但一个程序在运行时创建多个进程是非常普遍的..进程是并发程序设计的一个工具;并发程序设计支撑了多道程序设计;由于进程能确切、动态地刻画计算机系统内部的并发性;更好地解决系统资源的共享性;所以;在操作系统的发展史上;进程概念被较早地引入了系统..它在操作系统的理论研究和设计实现上均发挥了重要作用..采用进程概念使得操作系统结构变得清晰;主要表现如下..1一个进程到另一个进程的控制转移由进程调度机构统一管理;不能杂乱无章;随意进行..2进程之间的交互如信号发送、消息传递和同步互斥等活动由通信及同步机制完成;从而使进程无法有意或无意破坏其他进程的数据..因此;每个进程相对独立;相互隔离;提高了系统的安全性和可靠性..3进程结构较好地刻画了系统的并发性;动态地描述出系统的执行过程;因而具有进程结构的操作系统;结构清晰、整齐划一;可维护性好..3．主存储器管理主存储器是现代计算机系统运行的核心..主存储器是由字或字节组成的大型队列;每个字或字节都有它自己的地址..主存储器是CPU和I/O设备共享的大容量快速存储器..中央处理器在取指令周期中从主存储器中读取指令;而且在取数据周期中从主存储器中读/写数据..通过DMA动态内存存取;I/O操作也实现了对主存储器的数据读/写..通常主存储器是CPU唯一能够直接寻址和访问的大容量存储空间..例如;CPU要处理磁盘中的数据;那么CPU首先发出I/O调用将这些数据传送到主存储器中..同样;指令必须在存储器中才能够由CPU执行..必须要把程序映射到绝对地址并载入内存中才可以执行..在程序运行时;它通过产生绝对地址来从内存中访问程序指令和数据..最后;程序结束;释放所占的内存空间;方便下一个程序载入..为了提高CPU利用率和计算机响应速度;必须在内存中保留多个程序..有许多不同的内存管理策略;而且不同算法的效率取决于具体的环境..为具体的系统选择内存管理策略要考虑许多因素——尤其是系统的硬件设计..每种算法都需要自己的硬件支持..操作系统要负责下列与内存管理相关的工作：跟踪内存使用情况;明确哪一部分正在使用和为谁所用；在内存空间有效时决定将哪个进程载入内存；根据需要分配和释放内存空间..4．文件管理文件管理是操作系统中可视性最强的组件之一..计算机能够将数据存储在各种类型的物理介质上..磁带、磁盘和光盘是最常用的介质..每种介质都有自己的特性和物理结构..每个存储媒体由一个驱动器控制如磁盘驱动器或磁带驱动器;这种驱动器也有自己的独有特性..这些特性包括访问速度、容量、数据传输率和存取方式顺序的或随机的..为了便于使用计算机系统;操作系统提供了一个计算机系统的整体逻辑层面..操作系统把存储设备的物理属性抽象定义为一个逻辑存储单元——文件..文件被映像到物理媒介中;通过存储设备来访问这些文件..文件是由其创建者定义的相关信息的集合..一般的文件表现为程序源程序和目标代码和数据..数据文件可能是数字的、字母的或二者混合的..文件可能是形式自由的如文本文件;也可能有严格定义的格式如固定字段..由字、字节、行或记录组成的文件结构是其创建者定义的..文件概念具有相当广泛的含义..操作系统通过管理大容量存储体如由驱动器控制的磁盘和磁带实现了文件的抽象概念..另外;为了更简易地使用文件;通常将他们组织到目录中..最后;如果有多个用户访问文件;可能需要控制谁以什么样的方式访问例如：读、写、追加..操作系统要负责下列与文件管理相关的工作：创建和删除文件；创建和删除目录；将文件映像到辅助存储器中；将文件备份到永久非易失性存储体中..5．I/O系统管理操作系统的目的之一就是要向用户隐藏具体的硬件特性..例如;在UNIX中;通过I/O子系统向操作系统隐藏了I/O设备的特性..I/O子系统由以下几个方面组成：一个内存管理模块;这包括Buffering、Caching和SPOOLing；一个通用设备驱动程序接口；针对具体硬件设备的驱动程序..6．辅助存储器管理操作系统的主要目的是执行程序..这些程序在运行时以及它们要访问的数据都必须在主存储器中..因为主存储器的容量太小不能存储所有的程序和数据;而且掉电后会丢失所有的存储信息;所以计算机系统必须要提供辅助存储器作为主存储器的后备..大多数现代计算机系统使用磁盘作为存储程序和数据的主要联机存储体..大多数程序包括编译程序、汇编程序、排列程序、编辑程序和格式化程序在载入内存之前存储在磁盘上;并且在运行时利用磁盘存储它们所处理的源文件和目标文件..因此;合理的磁盘管理对一个计算机系统来说是至关重要的..操作系统要负责下列与辅助存储器管理相关的工作：空闲空间管理；空间分配；磁盘调度..因为频繁地使用辅助存储器;所以必须要能够高效运行..而且计算机的整体运行速度取决于磁盘子系统的速度和该子系统实现算法的效率..7．网络管理分布式系统是一个处理机的集合;这些处理机既不共享内存和外围设备;也不共享时钟..而是每个处理机拥有自己的本地内存和时钟;并且这些处理机可以通过各种通信线路如高速总线或网络进行通信..一个分布式系统中的处理机在规模和功能上有所不同;其中可能包括小型微处理器、工作站、小型机和大型通用计算机..在分布式系统中;处理机通过通信网络相连接;有多种不同的方法可以配置该网络..这种网络可以完全或部分地连接..通信网络的设计必须要考虑报文路由选择和连接策略;以及争用和安全的问题..分布式系统将物理上相互独立的可能不同种类的系统集合成为一个独立相连的系统;它具有向用户提供访问由系统维护的各种资源的能力..对共享资源的访问加快了计算速度、增强了系统功能、提高了数据的可用性并加强了可靠性..操作系统把网络细节包含在了网络接口设备驱动程序中;于是将网络访问泛化为一种文件访问的形式..因此;分布式系统所使用的协议在很大程度上影响到系统的效率和普及..8．系统保护如果一个计算机系统有多个用户并允许并行执行多个进程;那么必须要保护各个进程免受其他进程的侵扰..为此;需要提供一种机制来保证只有那些从操作系统获取了合适权限的进程能够操作文件、存储段、CPU和其他资源..例如;内存寻址硬件确保了一个进程只能在自己的地址空间内执行;计时器确保进程最终能够放弃对CPU的控制;用户不能够访问设备控制寄存器；这样;就保护了各种外围设备的完整性..保护是操作系统定义的控制程序;是进程或用户访问的机制..这个机制必须要提供一种方法来描述要施加的控制;以及强制执行的方法..通过检测子系统接口中潜伏的错误;保护能够增强系统的可靠性..对接口错误的早期检测常常能够阻止一个子系统故障波及到其他正常的子系统..一个未受保护的资源难以防止未授权或不适当的用户的使用或误用..一个面向保护的系统提供了一种区分授权的和未授权的使用方法..9．操作系统服务操作系统提供了程序运行的环境..它为程序和程序用户提供了特定的服务..当然;不同的操作系统提供的具体服务不同;但是我们能够找出其共同部分..提供的这些操作系统服务是为了便于程序员设计程序..具体如下..程序执行：系统必须能够将程序载入内存并运行它..程序必须能够正常地或异常地指示错误结束运行..I/O操作：一个正在运行的程序可能要请求I/O操作..这可能会涉及文件或I/O 设备..针对具体的设备;需要特定的功能如倒卷一个磁带驱动器或清空一个CRT屏幕显示..出于系统效率和保护的原因;用户通常不能够直接控制I/O设备..因此;操作系统必须要提供一种I/O运行机制..文件系统处理：文件系统相当有意思..显然;程序需要能够读写文件;也要能够创建和删除文件..通信：在很多情况下;一个进程需要与另外一个进程交换信息..通信有两种主要的方式..第一种方式是在运行在同一台计算机上的进程间通信；另外一种方式是运行在由一个计算机网络连接的不同的计算机系统上的进程间通信..可以通过共享存储器或报文传送这种方式中;操作系统在进程之间将信息打包移动的方式实现进程间的通信..错误检测：操作系统需要经常注意可能发生的错误..错误可能发生在CPU、内存如存储错误或电源故障、I/O设备如磁带奇偶检验错误、连结网络失败或打印机缺纸及用户程序如运算溢出、试图访问非法存储器地址或过多占用CPU时间中..对于每种类型的错误;操作系统应该能够采取针对性措施以确保计算的正确性和相容性..另外;操作系统还存在另外一些功能;它们不是为了帮助用户工作;而是为了确保系统本身的高效运行..如：资源分配：当多个用户登录到系统中或同时有多个作业运行时;必须要在它们之间分配资源..操作系统管理许多不同类型的资源..有些资源如CPU周期、主存储器和外存储器可能有专用的分配代码;而其他的如I/O设备可能有更通用的请求和释放代码..例如;在决定如何最好地使用CPU的问题上;操作系统的CPU调度程序要考虑CPU速度、必须要执行的作业、有效的寄存器数量和其他的一些因素；账户管理：我们希望跟踪记录每个用户使用哪些类型的计算机资源和用了多少..这个记录保持可能用于记账以便用户付账或简单地用于累加使用率统计..对于研究者来说;使用率统计可能是个有效的工具..利用使用率统计;研究者可以重新配制系统以改善计算服务；保护：存储在多用户计算机系统上的信息的所有者希望能够控制对该信息的使用..当多个不相关的进程并发执行时;一个进程不应该能够干扰其他进程或操作系统本身..保护包括了监控所有对系统资源的访问..对来自外界的系统安全检测security也是非常重要的..这种保护往往通过密码的方式;用户向系统验证口令才能访问资源..它也包括了保护外部I/O设备包括调制解调器和网络适配器免于非法的访问企图和记录所有这样的非法闯入..如果一个系统受到保护并且是安全的;那么就必须要建立预防措施..一般;系统的安全强度与其最薄弱的一个环节密切相关..1.2.2操作系统功能的实现模型操作系统本身是一组程序;像其他程序一样也在处理器上执行;那么;操作系统程序是否组织成进程它是如何控制和怎样执行的呢下面来讨论这个问题..从操作系统的执行方式来看;可以把它分成：非进程内核模型、OS功能函数在用户进程内执行的模型和OS功能函数作为独立进程执行的模型3种..1．非进程内核模型许多老式操作系统的实现采用非进程内核模型;即操作系统的功能都不组织成进程来实现;如图1-2所示;该模型包括一个较大的操作系统内核程序;进程的执行在内核之外..当中断发生时;当前运行进程的上下文现场信息将被保存;并把控制权传递给操作系统内核..操作系统具有自己的内存区和系统堆栈区;用于控制过程调用和返回..它将在核心态执行相应的操作;并根据中断的类型和具体的情况;或者是恢复被中断进程的现场并让它继续执行;或是转向进程调度指派另一个就绪进程运行..在这种情况下;进程的概念仅仅是针对用户程序而言的;操作系统代码作为一个独立实体在内核模式下运行..2．OS功能在用户进程内执行的模型小型机和工作站操作系统如UNIX等往往采用OS的所有功能在用户进程内执行的模型;如图1-3所示;在这种实现模型中;大部分操作系统功能组织成一组例行程序供用户程序调用;认为操作系统例程与用户进程是上下文相关的;操作系统的地址空间被包含在用户进程的地址空间中；因而;操作系统例行程序也在用户进程的上下文环境中执行..图1-4给出了OS的所有功能在用户进程内执行的模型中的进程映像;它既包含进程控制块、用户堆栈、容纳用户程序和数据的地址空间等;还包括操作系统内核的程序、数据和系统堆栈区..当发生一次中断或系统调用后;处理器状态将被置成内核模式;控制从用户进程手中被剥夺并传递给操作系统例行程序..此时;发生了模式切换;模式上下文现场信息被保存;但是进程上下文切换并没有发生;操作系统仍在该用户进程中执行;提供单独的内核堆栈用于管理进程在核心态下执行时的调用和返回;操作系统例行程序和数据放在共享地址空间;且被所有用户进程共享..当操作系统例程完成了工作之后;如果让当前进程继续运行的话;就可以做一次模式切换来恢复执行原先被中断的用户进程..这种技术提供了不必要通过进程上下文切换就可以中断用户进程来调用操作系统例行程序的手段..如果发生进程切换;控制就被传递给操作系统的进程切换例行程序;由它来实现进程切换操作;把当前进程的状态置为非运行状态;而指派另一个就绪进程来占有处理器运行..需要指出的是;一些系统中进程切换例行程序是在当前进程中执行的;而另一些系统则不是..3．OS功能作为独立进程执行的模型OS功能作为独立进程执行的模型把操作系统组织成一组系统进程、即操作系统功能是这些系统进程集合运行的结果;这些系统进程也称为服务器或服务器进程;于是与用户进程或其他服务器进程之间构成了Client/Server关系;Windows2000/XP采用了这种结构..如图1-5所示;除了极少部分功能在内核模式下运行;大部分操作系统功能被组织在一组分离的独立进程内实现;这组进程在用户模式下运行;而进程切换例行程序的执行仍然在进程之外..这一实现模型有很多优点..首先;它采用了模块化的操作系统实现方法;模块之间具有最少和简洁的接口..其次;大多数操作系统功能被组织成独立的进程;有利于操作系统的实现、配置和扩充;如性能监控程序用来记录各种资源的利用率和系统中用户进程的执行速度;由于这些程序并不提供给进程特别的服务;仅仅被操作系统调用;把它设计成一个服务器进程;便可赋予一定的优先级;夹在其他进程中运行..最后;这一结构在多处理器和多计算机的环境下非常有效;一些操作系统服务可指派到专门处理器上执行;有利于系统性能的改进..。

第四章 MIPS 异常和中断处理MIPS 异常和中断处理(Exception and Interrupt handling)任何一个CPU都要提供一个详细的异常和中断处理机制。

一个软件系统，如操作系统，就是一个时序逻辑系统，通过时钟，外部事件来驱动整个预先定义好的逻辑行为。

这也是为什么当写一个操作系统时如何定义时间的计算是非常重要的原因。

大家都非常清楚UNIX提供了一整套系统调用(System Call)。

系统调用其实就是一段EXCEPTION处理程序。

我们可能要问：为什么CPU要提供Excpetion 和 Interrupt Handling呢？*处理illegal behavior, 例如，TLB Fault, or, we say, the Page fault; Cache Error;* Provide an approach for accessing priviledged resources, for example, CP0 registers. As we know, for user level tasks/processes, they are runningwith the User Mode priviledge and are prohibilited to directly control CPO. CPU need provide a mechanism for them to trap to kernel mode and then safely manipulate resources that are only availablewhen CPU runs in kernel mode.* Provide handling for external/internal interrupts. For instance, the timer interrupts and watch dog exceptions. Those two interrupt/exceptions are very important for an embedded system applicances.Now let's get back to how MIPS supports its exception and interrupt handling.For simplicty, all information below will be based on R7K CPU, which is derived from the R4k family.* The first thing for understanding MIPS exception handling is: MIPS adopts **Precise Exceptions** mechanisms. What that means? Here is the explaination from the book of "See MIPS Run": "In a precise-exception CPU, on any exception we get pointed at one instruction(the exception victim). All instructions preceding the exception victim in executionsequence are complete; any work done on the victim and on any subsequent instructions (BNN NOTE: pipeline effects) has no side effects that the software need worry about. The software that handles exceptions can ignore all the timing effects of the CPU's implementations"上面的意思其实很简单：在发生EXCEPTION之前的一切计算行为会**FINISH**。

linux操作系统的基本体系结构一、内核（Kernel）Linux操作系统的核心是内核，它负责管理系统资源、控制硬件设备、调度进程和提供基本的系统服务。

Linux内核采用单内核结构，包含了操作系统的大部分核心功能和驱动程序。

内核是操作系统的核心组件，它提供了操作系统运行所必须的基本功能。

Linux内核具有以下特点：1、多任务处理：Linux内核支持多任务处理，可以同时运行多个程序，并实现多个程序之间的切换和管理。

2、硬件管理：Linux内核负责管理硬件设备，与硬件设备交互，控制硬件设备的工作状态。

3、内存管理：Linux内核负责管理系统的内存，包括内存的分配、释放、映射和交换等操作。

4、文件系统：Linux内核支持多种文件系统，包括ext4、NTFS、FAT等，负责文件的读写、管理和保护。

5、进程管理：Linux内核管理系统进程，包括进程的创建、调度、挂起、唤醒和终止等操作。

6、网络通信：Linux内核支持网络通信功能，包括TCP/IP协议栈、网卡驱动等，实现网络数据传输和通信。

二、ShellShell是Linux操作系统的命令解释器，用户通过Shell与操作系统进行交互。

Shell接受用户的命令，并将其转换为对应的系统调用，最终由内核执行。

Linux系统中常用的Shell有Bash、Zsh等，用户可以根据自己的喜好选择不同的Shell。

Shell具有以下功能：1、命令解释：Shell接受用户输入的命令，并将其翻译为操作系统可以执行的命令。

2、执行程序：Shell可以执行各种程序、脚本和命令，包括系统工具、应用程序等。

3、环境控制：Shell可以设置环境变量、别名和路径等，帮助用户管理系统环境。

4、文件处理：Shell可以处理文件操作，包括创建、删除、复制、移动等。

5、脚本编程：Shell支持脚本编程，用户可以编写Shell脚本来自动执行一系列操作。

三、系统工具Linux操作系统提供了丰富的系统工具，帮助用户管理系统和执行各种任务。

linux系统层次结构
Linux系统的层次结构可以分为以下几个主要层次:
1. 硬件层(Hardware Layer)
这是最底层,包括CPU、内存、硬盘、网卡等硬件设备。

2. 内核层(Kernel Layer)
Linux内核是操作系统的核心部分,负责管理硬件资源、调度进程、提供系统服务等。

常见的内核版本有Linux、FreeBSD、Solaris等。

3. 系统库层(System Libraries Layer)
系统库是应用程序和内核之间的接口,提供了常用的系统调用函数,如文件操作、进程管理、网络通信等。

常见的系统库有glibc、musl 等。

4. 系统工具层(System Utilities Layer)
系统工具是管理和维护操作系统的工具程序,如文件系统工具、网络工具、系统管理工具等。

常见的系统工具有bash、cron、systemd 等。

5. 服务层(Services Layer)
服务层包括各种系统服务,如Web服务(Apache、Nginx)、数据库服务(MySQL、PostgreSQL)、文件服务(Samba、NFS)等。

6. 桌面环境层(Desktop Environment Layer)
桌面环境提供了图形化的用户界面,方便用户与系统交互。

常见的桌面环境有GNOME、KDE、Xfce等。

7. 应用层(Application Layer)
应用层包括各种应用程序,如办公软件、浏览器、媒体播放器、游戏等。

Linux系统的层次结构由底层的硬件到上层的应用程序,每一层都扮演着重要的角色,相互协作为用户提供了完整的操作系统功能。

计算机系统结构与组成了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统结构与组成：了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，它们共同实现计算、控制、存储和输入/输出等功能。

在这个系统中，计算机的层次结构和各个组成部分具有紧密的功能联系和相互依赖关系，下面将介绍计算机系统结构的层次和各个组成部分的功能。

一、计算机系统结构的层次计算机系统结构可以划分为五个层次：硬件层、微程序层、指令系统层、操作系统层和应用层。

1. 硬件层：硬件层包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，它们是计算机系统的基本组成部分，负责数据的处理和信息的存储。

2. 微程序层：微程序层主要包括微操作和微指令，它们是控制中央处理器工作的关键，通过微指令的执行来完成指令的解码和执行操作。

3. 指令系统层：指令系统层包括指令格式、寻址方式、指令集等，它规定了计算机的指令集和指令执行的方式，为高级语言提供了底层支持。

调计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口，为应用程序提供服务。

5. 应用层：应用层是计算机系统的最上层，包括各种应用软件（如文字处理、电子表格、数据库等），它们通过操作系统层来实现与底层硬件的交互。

二、计算机系统各部分的功能与相互关系1. 中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心，它负责进行算术逻辑运算、控制计算机的工作流程和解释执行指令等。

CPU由运算器和控制器组成，其中运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责指令的解码和执行。

2. 存储器：存储器用于存储数据和程序，包括主存储器（例如RAM）和辅助存储器（例如硬盘、光盘等）。

主存储器是CPU直接访问的存储空间，而辅助存储器用于长期存储和备份数据。

3. 输入输出设备：输入设备用于将外部数据输入到计算机系统中，如键盘、鼠标等；输出设备则用于将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机等。

输入输出设备与计算机系统通过接口进行数据传输和控制操作。