【操作系统课件】计算机系统结构.ppt

计算机的组织结构 冯?诺依曼体系结构 计算机体系结构：用来组成计算机的子部件（处理器、内存、设备）的种类和这些子部件相互连接的方式。 计算机不仅要存储给定计算需要的数字信息，而且也要存储控制数据计算程序执行的指令。 当代传统计算机 CPU由ALU和控制单元组成。体系结构的这一部分负责从主存中取程序指令和执行指令。 I/O设备通过总线连接到CPU中。软件可以通过读写设备控制器的寄存器来控制设备。对输入操作来说，来自设备的数据被送到CPU寄存器，然后进入主存储器。对输出过程则相反。 中央处理单元CPU 处理器包括一组寄存器，它们提供一定的存储能力，比主存储器快但容量较小。处理器中的寄存器有两类： 用户可见寄存器 控制和状态寄存器 程序计数器[PC]：包含将要取的指令的地址； 指令寄存器[ IR ]：包含下一条指令的地址； 程序状态字[PSW]：包含条件码和其他状态信息。 指令的执行 指令主要完成以下4类操作： 处理器－存储器数据交换 处理器－I/O设备数据交换 数据处理：数据的算术运算和逻辑运算 控制：指令可以指定修改后的执行顺序 指令执行的处理器状态 处理器模式（1） 处理器中设置的一个模式位，定义一个程序的执行权能。该位可以设为核心模式或用户模式。核心模式下，CPU可以执行硬件指令系统中的每一条指令；在用户模式中，只能执行指令系统中的一个子集。在核心模式中执行的指令称为监督、特权或保护指令。例如，I/O指令是特权指令。所有应用程序不能直接执行I/O操作。它是请求操作系统来执行I/O操作的。 处理器模式（2） 模式位被用来区分可信软件和不可信软件。模式位可以在用户模式下，通过自陷（trap指令）来设置，也称系统调用指令。该指令设置模式位，并且转移到系统空间中的一个固定的位置，它类似于一个硬件中断。 中 断 一旦设备驱动程序启动设备工作，应用程序要等到I/O操作完成后才能继续执行。 这意味着要等到设备驱动程序需要启动设备，然后等待直到设备完成操作为止。设备驱动程序需要持续地检测busy和done标志位，以确定设备何时完成读操作（忙等待） 。如果是由设备在完成I/O操作后通知CPU，则可以将CPU从忙等待中解放出来，这一方法被称为中断技术。 中断处理 外部设备完成操作后，会向CPU发送中断信号表示其操作状态。 中断首先保存处理器现场 识别产成中断的设备（中断向量） 将控制权交给对应的中断服务程序 处理完成后，恢复中断前处理器现场或将控制权返回给操作系统。 中断源 外中断，一般又称中断，指来自主机之外的中断，包括电源故障中断、时钟中断、I/O中断等。每个不同的中断具有不同的中断优先级，在处理高一级中断时，部分外部中断可以屏蔽。 内中断，指来自处理器和主存内部的中断，一般又称异常，包括地址越界、页面失效、访管中断、算术操作溢出等，异常不能被屏蔽，必须立即响应。 自陷指令：可以完成用户模式到特权模式地转换。由软件产生的中断（由于程序错误或用户请求） 带中断的取指－执行周期 While (halfFlag not set during execution) { IR = memory [ PC ]; PC = PC+1; execute [ IR ]; if (InterruptRequest) { memory [ 0 ] = PC; PC = memory [1 ]; } } I/O设备 每个I/O设备由控制器部件（控制设备的具体操作）和物理设备本身组成。设备控制器将设备与计算机的数据和地址总线相连。控制器提供了一组部件，可以通过CPU指令操纵这些部件使得设备工作。 设备控制器 管理一类特定的设备 维护设备缓冲区用于缓冲数据在设备与CPU间的传送 通过中断系统通知设备的操作状态（主要指设备操作的结束） 系统调用－用户程序的I/O操作用户程序无法直接使用I/O指令完成I/O操作 存储映射I/O IN指令将外部I/O设备的数据传入到AL、AX或EAX。 OUT指令传送AL 、AX或EAX的数据到外部的I/O设备。 IBM PC用16位端口地址访问它的I/O空间。PC的I/O空间放在I/O端口为0000H－03FFH的地方，但也有些适配卡使用的I/O地址可能超过03FFH。 IBM PC机提供了外部设备的抽象接口，并将其固化在BIOS（基本输入/输出系统）中。 存储结构 主存储器：CPU能够直接访问的，可寻址的线性存储空间。 辅助存储器：一个由柱面/磁道/扇区描述的容量较大的非易失性存储介质。 磁带：顺序存储，超大容量。 缓冲区 程序和数据通常是保存在存储系统中 如果必要，数据会被复制到缓冲区 如果我们需要访问某一组数据时，我们会首先查看它是否在缓冲区中： 如果存在，直接使用缓冲区中的数据 否则，我们从主存中取