设备管理第10章UNIX系统内核结构
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设备管理第10章UNIX系统内核结构
本章习题：
1、2、8、17
38
用 户
fp
种
情B
况用 户
fp
文件表
f_offest f_inode f_flag f_count f_offest f_inode f_flag
…
…
内存索引结点 第i个内存索引结点 第j个内存索引结点
第 二 种
C 用 户
fp
情D
况用 户
fp
…
…
f_count
f_offest f_inode
…
第k个内存索引结点
12
第十章 UNIX系统内核结构
10.2.4 进程调度与切换
1、引起进程调度的原因 2、 调度算法 3、进程优先级的分类 4、 进程优先数的计算
优先数 最近使用CPU的时间 基本用户优先数 2
5、进程切换
13
第十章 UNIX系统内核结构
10.3 进程的同步与通信
1、sleep与wakeup同步机制 2、信号（signal）机制 3、管道机制 4、消息机制 5、共享存储区机制 6、信号量集机制
21
第十章 UNIX系统内核结构
10.5 设 备 管 理
10.5.1 字符设备缓冲区管理
1、空闲字符缓冲区队列
cblock[0] cfreelist c_next
cblock[1] c_next
cblock[2] c_next
cblock[N1]
…
c_next
图 10-12 空闲字符缓冲区队列 2、 空闲字符缓冲区的分配与回收 3、 设备的字符缓冲区队列
34
第十章 UNIX系统内核结构
2、空闲盘块的组织
超级块表
1、2、8、17
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用 户
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况用 户
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文件表
f_offest f_inode f_flag f_count f_offest f_inode f_flag
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内存索引结点 第i个内存索引结点 第j个内存索引结点
第 二 种
C 用 户
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情D
况用 户
fp
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f_count
f_offest f_inode
…
第k个内存索引结点
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第十章 UNIX系统内核结构
10.2.4 进程调度与切换
1、引起进程调度的原因 2、 调度算法 3、进程优先级的分类 4、 进程优先数的计算
优先数 最近使用CPU的时间 基本用户优先数 2
5、进程切换
13
第十章 UNIX系统内核结构
10.3 进程的同步与通信
1、sleep与wakeup同步机制 2、信号（signal）机制 3、管道机制 4、消息机制 5、共享存储区机制 6、信号量集机制
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第十章 UNIX系统内核结构
10.5 设 备 管 理
10.5.1 字符设备缓冲区管理
1、空闲字符缓冲区队列
cblock[0] cfreelist c_next
cblock[1] c_next
cblock[2] c_next
cblock[N1]
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c_next
图 10-12 空闲字符缓冲区队列 2、 空闲字符缓冲区的分配与回收 3、 设备的字符缓冲区队列
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第十章 UNIX系统内核结构
2、空闲盘块的组织
超级块表
10_UNIX系统内核结构
返回
10.6 文件管理
UNIX文件系统概述 文件的物理结构 索引节点的管理 空闲磁盘空间的管理 文件表的管理 目录管理
返回
同步机制：sleep和wakeup 信号机制 管道机制 消息机制 共享存储区机制 信号量集机制
返回
10.4 存储器管理
请求调页管理的0.5 设备管理
字符设备缓冲区管理 块设备缓冲区管理 内核与驱动程序接口 磁盘驱动程序 磁盘读/写程序
10.2 进程的描述和控制
进程控制块
– PCB四部分：进程表项、U区、系统区表、进程区表
进程状态与进程映像
– 9种状态 – 进程映像：进程实体（用户级、寄存器、系统级）
进程控制
– fork()，强调对父进程的进程表项的复制，理解子进
程的程序计数器的初值。
进程调度与切换
返回
10.3 进程的同步与通信
第10章 UNIX系统内核结构
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 UNIX系统概述 进程的描述和控制 进程的同步与通信 存储器管理 设备管理 文件管理
10.1 UNIX系统概述
UNIX系统的发展史
– 发展史：Bell实验室设计，后来多个版本 – 两大集团：OSF集团（IBM等）和UI集团（AT&T等） – 网络操作系统UNIX，1980年实现了TCP/IP协议
UNIX系统特征
– 开放性 – 多用户、多任务 – 功能强（包括系统调用和网络）、高效 – 支持多处理器
UNIX系统的内核结构
– 四个层次：硬件、内核、shell和应用 – 内核两大部分
• 进程控制子系统：进程控制、进程通信、存储器管理、进程调度 • 文件子系统：文件管理、高数缓冲机制、设备驱动程序 返回
UNIX系统内核结构
4. 用户文件描述符表——记录该进程打开的所有文件
5. 当前记录和当前根——给出进程的文件系统环境 6. 计时器——记录进程及其后代在用户态和核心态运行的时间 7. 内部I/O参数——数据量、数据的地址和文件的I/O偏移量 8. 限制字段——进程的大小和能“写”的文件大小的限制 9. 差错字段——记录系统调用执行时发生的错误 10. 返回值——记录系统调用的执行结果
11. 信号处理数组——记录接收到不同信号时的处理方式
返回本节
第10章 UNIX系统内核结构
五、系统区表(System Region Table)
设置系统区表是为了对程序区(正文区)、数据区、 栈区等进行共享。该区表记录了下述信息。
1. 区的类型和大小
2. 区的状态 3. 区的物理位置
4. 引用计数(共享该区的进程数)
：屏蔽信号，对信号不理会
：缺省值；进程收到信号后自我终止
(3) func=0、1外的整数：把此func作为指向事件处理程序的指针 返回本节
第10章 UNIX系统内核结构
3、对信号的处理 1) 仅当进程返回到用户态时才处理信号 2) 对信号的处理：根据func值的情况进行处理
返回本节
第10章 UNIX系统内核结构
返回本节
第10章 UNIX系统内核结构
10.3 进程的同步与通信
10.3.1 sleep与wakeup同步机制 10.3.2 信号(signal)机制
10.3.3 管道机制
10.3.4 消息机制
10.3.5 共享存储区机制
10.3.6 信号量集机制
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第10章 UNIX系统内核结构
10.3.1 sleep与wakeup同步机制
UNIX内核分析PPT课件
APF
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0-7页
0-127块
6543210
DIB Displacement in block
0-63B
内存管理寄存器(1)
PDP-11设置了2组32位活动页寄存器APR，8个/组， 分别保存进程核心态/用户态下内存使用情况
32位APR可分为2个16位的寄存器，分别为
存储释放：mfree(mp,size,释放区起址)
存储保护
虚/实映射机构基本上使各进程相互隔离，达到保护 各进程占用独立的存储区，且不会重叠 进程在核心态、用户态下运行使用不同的管理寄存器，
且用户进程无权修改寄存器值，不可能破坏操作系统 核心态进程可使用系统提供的特权指令mtpi、
mfpi(向当前运行状态存储空间存、取指令信息)对现 行运行进程的用户态空间进行操作 通过KISD/UISD中页长字段PLF，以及存取控制权限 ACF，可以限定进程的访问长度和访问方式
虚地址到物理地址转换
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
APF
BN
DIB
找对应页的PAR
PAF
11
0
+
物理块号
DIB
17
65
0
总线寻址能力为18位，
形成256KB的物理地址
Unix存储管理
PDP-11进程可访问的地址空间为64KB 进程在核心态下的虚拟地址空间(图1左)
u.u-signal[a]=u.u-arg[1];
if (u.u-procp→p-sig==a) /*如果以前已经收到该信号
u.u-procp→p-sig=0; /*处理方式已改变，清除原收到信号
计算机操作系统第三版PPT课件
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6
用户
应用程序 系统调用 命令 图标、窗口
操作系统 计算机硬件
图 1-1 OS作为接口的示意图
-
7
(1) 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语 言)， 用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算 机系统。
(2) 系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户 可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵 计算机。
新世纪计算机类本科系列教材
计算机操作系统
（修订版） 汤子瀛 哲凤屏 汤小丹 编著
西安电子科技大学出版社
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1
目录
第一章 操作系统引论 第二章 进程管理 第三章 处理机调度与死锁 第四章 存储器管理 第五章 设 备 管 理 第六章 文件管理 第七章 操作系统接口 第八章 网络操作系统 第九章 系统安全性 第十章 UNIX系统内核结构
1. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程
开始
还有 下 一个 作业 ？
是 把下一个作业的源 程序 转换 为目 标程 序
否
停止
是
源程 序
有错 吗？
否
运行 目标 程序
装配 目标 程序
-
14
图 1-3 单道批处理系统的处理流程
2.
单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说， 它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。 尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进 步。
-
11
1.2 操作系统的发展过程
1.2.1 无操作系统的计算机系统
1. 人工操作方式
从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于 第一代，这时还未出现OS。这时的计算机操作是由用户(即程 序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员 将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入 机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机， 然 后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让 下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：
UNIX系统的设备管理
UNIX系统的设备管理在UNIX系统中，设备管理主要由设备驱动程序和设备文件系统两部分组成。
设备驱动程序是操作系统内核中的一部分，它负责和硬件设备进行通信，控制设备的操作和数据传输等。
设备文件系统则是用来管理设备文件的一种文件系统，它提供了一种统一的接口，使得用户和应用程序能够方便地访问各种设备。
UNIX系统中的每个设备都有一个对应的设备文件，这个设备文件位于/dev目录下。
用户和应用程序可以通过访问这些设备文件来和硬件设备进行交互，比如读写文件、发送打印任务、控制磁盘驱动器等。
设备文件的命名规则一般是由设备类型和设备序号组成，比如/dev/sda代表第一个SCSI磁盘设备，/dev/lp0代表第一个并行打印机设备。
在UNIX系统中，设备管理也包括了设备的配置和监控。
用户和管理员可以通过命令行工具或者图形界面工具来配置系统中的各种设备，比如添加新设备、修改设备参数、设置设备权限等。
另外，操作系统也会定期地监控设备的状态，比如检测设备是否正常工作、判断设备是否过载等，以保证系统的稳定性和可靠性。
总之，UNIX系统的设备管理是一个极为重要的系统功能，它不仅使得硬件设备能够被有效地管理和利用，还为用户和应用程序提供了一种方便的接口，使得它们能够轻松地和硬件设备进行交互。
UNIX系统的设备管理通过设备驱动程序和设备文件系统两部分的配合，有效地实现了设备的识别、访问和控制。
设备管理是操作系统中的一个核心功能，而在UNIX系统中，设备管理是一个非常重要的方面。
UNIX系统以其多样化的设备支持和稳定性而著称，因此设备管理在其中显得尤为关键。
在UNIX系统中，设备管理不仅涉及到硬件设备的访问和控制，还涉及到设备的配置、监控和维护，以保证系统的正常运行和设备的稳定性。
在UNIX系统中，设备管理涉及到许多不同类型的硬件设备，包括磁盘（硬盘或者固态硬盘）、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络适配器等。
这些设备在UNIX系统中都被表示为文件，并分别对应着不同的设备文件（设备节点）。
第十章 UNIX系统内核结构.ppt
2019-8-12
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10
第十章 UNIX系统内核结构
10.1.2 UNIX系统的特征
1．开放性
UNIX系统最本质的特征是开放性。所谓开放性，是指 系统遵循国际标准规范；凡遵循国际标准所开发的硬件和软 件，均能彼此兼容，并可方便地实现互连。开放性已成为20 世纪90年代计算机技术的核心问题，也是一个新推出的系统 或软件能否被广泛应用的重要因素。人们普遍认为: UNIX是 目前开放性最好的OS，是目前惟一能稳定运行在从微型机 到大、中型等各种机器上的OS，而且还能方便地将已配置 了UNIX OS的机器互连成计算机网络。
2019-8-12
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4
第十章 UNIX系统内核结构
2．两大集团对峙
在UNIX系统的发展史上必须说明的是，由于UNIX的开 放性、发展概念和商业利益等因素，使UNIX呈现出“百家争 鸣”的盛况，后又进一步形成了两大阵营对峙的局面。 此即， 由IBM和DEC等公司于1988年5月结成了开放软件基金会OSF 集团，以及由AT&T、SUN和NCR等公司于同年12月结成了 UI集团。他们分别推出了自己的UNIX系统产品。其中，UI推 出的是“SVR 4”，而OSF推出的是“OSF/I”。虽然两者都 是UNIX，但它们在系统构架、命令操作以及管理方式上，都 有所不同。两者在市场上展开了激烈的竞争。
1．UNIX系统的发展
UNIX系统是美国电报电话公司(AT&T)Bell实验室的 Ennis Ritchie和Ken Thompson合作设计和实现的。他们在设 计时，充分地吸取了以往OS(其中包括著名的CTSS和 MULTICS系统)设计和实践中的各种成功经验和教训。在 DEC公司的小型机PDP7上实现并于1971年正式移植到PDP11 计算机上。
操作系统(二)复习
第四章 存储器管理
存储管理的主要功能 1. 地址转换（地址映射） 2. 存储器的分配和回收 3. 存储保护 4. 存储扩充
有那些分配的方式，有那些分配的算法，各需要那 些数据结构，如何实现地址转换和存储扩充； 各种方式的优缺点（内存利用率、内零头和碎片）。
地址转换（地址映射、地址重定位）
• 概念： 逻辑地址 地址空间 物理地址 存储空间（物理空间） 方式： 静态地址转换和动态地址转换的区别，实 现过程，优缺点，每种存储分配方式对应 的地址转换是如何实现的。
页式管理和段式管理的比较
页式
大小 信息 目的 逻辑 地址 固定、硬件决定 信息的物理单位 提高内存的利用率 一维的
段式
不固定、程序决定 独立的信息逻辑单位， 更便于共享 方便程序设计 二维的
段页式管理
• 段式和页式的结合，取长补短。 • 逻辑地址：二维的 • 数据结构：每个进程一张段表（页表地址 和页表长度），每个段一张页表，位示图。 • 地址转换：硬件实现的动态地址转换机构， 要访问3次内存。
虚拟存储器
• 局部性（局限性） 时间局部性和空间局部性。 • 硬件支持：动态地址转换机构 ＋ 中断（缺页中断、 缺段中断） • 特征：离散性、多次性、对换性、虚拟性 • 效果：大于内存配置的容量、接近内存的速度、 接近外存的单位价格。 • 容量（地址空间）： MIN(地址结构可表示的大小，内存＋外存）
第四章 设备管理
设备管理的主要功能 • 设备分配、调度 • 缓冲管理 • 设备处理 • 实现设备的无关性和虚拟设备
提高CPU和设备并行工作的程度，设备和设 备并行工作的程度。
设备类型
独占型设备、共享型设备、虚拟型设备
字符型设备。块设备
大中小型计算机的设备连接方式
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中断向量
设备中断
中断向量
图 10-15 设备开关表及系统调用和驱动程序间的接口
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.5.4 磁盘驱动程序
1、打开磁盘驱动器的过程gdopen 2、启动磁盘控制器的过程 3、磁盘中断处理过程 gdintr
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.5.5 磁盘读、写程序
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.5 设 备 管 理
10.5.1 字符设备缓冲区管理
1、空闲字符缓冲区队列
cblock[0] cfreelist c_next
cblock[1] c_next
cblock[2] c_next
cblock[N1]
…
c_next
图 10-12 空闲字符缓冲区队列 2、 空闲字符缓冲区的分配与回收 3、 设备的字符缓冲区队列
sem 6 sem 7
sem 8 0 信 sem 9 1 号 sem 10 2 量 sem 11 0 集
…
图 10-8 信号量集表与信号量表
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.4 存 储 器 管 理 10.4.1 请求调页管理的数据结构
1、页表和磁盘描述表
物理页号 年龄 写时拷贝 修改位 访问位 有效位 保护
设备管理第10章UNIX系统内核结构
2、磁盘索引结点的分配与回收 1. （1）分配过程 ialloc 2. （2）回收过程 ifree
3、内存索引结点的分配与回收 （1）分配过程 iget （2）回收过程 iput
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.6.4 空闲磁盘空间的管理
1、文件卷的组织
f_offest f_inode
…
第k个内存索引结点
…
第 三 种
E
用 户
fp
…
f_offest f_inode
第 l个内存索引结点
…
情F
况
用 户
fp
f_offest f_inode
图 10-23 对文件的三种读/写方式
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.6.6 目录管理
1、构造目录 2、删除目录 3、检索目录
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.2.3 进程控制
1、 fork系统调用
(1) 为新进程分配一个进程表项和进程标识符； (2) (2) 检查同时运行的进程数目； (3) (3) 拷贝进程表项中的数据； (4) (4) 子进程继承父进程的所有文件； (5) (5) 为子进程创建进程上下文； (6) (6) 子进程执行。
设备管理第10章UNIX系统内核结构
…
…
10.3.4 消息机制
队列 i 队列 n
0 消息首部
msgh 0
消息 缓冲区
m 消息首部
3 消息首部
msgh 3
消息 缓冲区
2 消息首部
msgh 2
消息 缓冲区
…
消息队列头表
消息 缓冲区
图 10-6 消息机制中的数据结构
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.3.5 共享存储区机制
设备管理第10章UNIX系统内核结构
2、exec系统调用
trap path arg v
0 arg 2p arg 1p arg 0p
文件名字符串 参数字符串
图 10-5 exec Ⅴ的参数组织方式
设备管理第10章UNIX系统内核结构
3、exit系统调用
(1) 关闭软中断； (2) 回收资源； (3) 写记账信息； (4) 置进程为“僵死”状态。 4、wait系统调用
数据块 367
428 一次间接块
952
952
一次间址 二次间址 三次间址
i.addr(10) i.addr(11) i.addr(12)
9156
331
二次间接块 331
3333
3333
图 10-20 文件的地址映射示例
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.6.3 索引结点的管理
1、超级块(Superblock) (1) (2) 空闲盘块号栈 (3) 当前空闲盘块号数目 (4) 空闲磁盘i结点号栈 (5) 空闲磁盘i结点数目 (6) 空闲盘块编号栈的锁字段 (7) 空闲磁盘i结点栈的锁字段 (8) 超级块修改标志 (9) 修改时间
文件子系统
open close open close read write ioctl mount unmount
read write
字符设备开关表
高速缓冲 调用
块设备开关表
open close read write ioctl
驱动程序 设备中断处理程序
open closestrategy
驱动程序 设备中断处理程序
进程 的虚空间 A 正文
数据
A
内存空间
A′ 共享存储区 栈
进程 的虚空间 B 正文
数据 B B′ 栈
ห้องสมุดไป่ตู้
图 10-7 利用共享存储区进行通信
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.3.6 信号量集机制 信号量集表
信号量表
sem 0 sem 1
sem 2 0 信 sem 3 1 号 sem 4 2 量 sem 5 3 集
页框数据表项794 引用数 1 对换设备 1 块号 2743
对换使用表项 引用数 1
物理页794
对换设备块 2743
图 10-11 四种数据结构之间的关系
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.4.2 换页进程
1、增加有效页的年龄 2、对换出页的几种处理方式 3、将换出页面写到对换设备上
10.4.3 请求调页 1、缺页在可执行文件上 2、缺页在对换设备上 3
1、磁盘的读写方式 2、读过程bread和breada
1. （1）一般读过程bread 2. （2） 提前读过程breada 3、 写过程bwrite、 bawrite和bdwrite （1）一般写过程 bwrite （2）异步写过程 bawrite （3）延迟写过程 bdwrite
设备管理第10章UNIX系统内核结构
设备管理第10章UNIX系统内核结构
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/12/8
设备管理第10章UNIX系统内核结构
1 (1) 进程控制
(2) (2) 进程通信 2、 文件子系统 (3) (3) 存储器管理 (1) 文件管理
(4) (4) 进程调度
(2) (2) 高速缓冲机制
(3) (3) 设备驱动程序
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.2 进程的描述和控制
10.2.1 进程控制块PCB
在UNIX系统Ⅴ中， (1) (2) U区 (3) 进程区表 (4) 系统区表
i
i
bin的目录表
usr的目录表
Wang
i dev的目录表
i
Wang letter test
i test report
i
图 10-18 UNIX文件系统的结构
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.6.2 文件的物理结构
1、寻址方式
直接寻址
i.addr(0) i.addr(1) i.addr(2)
设备管理第10章UNIX系 统内核结构
2020/12/8
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.1 UNIX系统概述
10.1.1 UNIX系统的发展史 10.1.2 UNIX系统的特征
1. 1、开放性 2. 2、多用户、 多任务环境 3. 3、功能强大， 实现高效 4. 4、提供了丰富的网络功能 5. 5、支持多处理器功能
10.6 文 件 管 理
10.6.1 UNIX文件系统概述 1、UNIX文件系统的特点 (1) 文件系统的组织是分级树形结构； (2) (2) 文件的物理结构为混合索引式文件结构； (3) (3) 采用了成组链接法管理空闲盘块。
设备管理第10章UNIX系统内核结构
2、文件系统的结构
Root目录表 bin usr dev
设备管理第10章UNIX系统内核结构
10.1.3 UNIX系统的内核结构 捕俘
用户级 核心级
图
用户程序
库函数
系统调用接口
- UNIX
10
1
文件子系统
进程间通信
进程控制
调度
高速缓存
子系统
核
存储管理
心
字符设备
块设备
的
设备驱动程序
框
图
硬件控制
核心级
硬件级
硬设件备管理第10章UNIX系统内核结构
10.1.3 UNIX系统的内核结构
图 10-21 文件卷的组织 2、空闲盘块的组织 3、 空闲盘块的分配与回收
设备管理第10章UNIX系统内核结构
2、空闲盘块的组织
超级块表
109 106 103 100 95
211 208 205 202
310 307 304 301
409 406 403 400
图 10-22 空闲盘块的组织
设备管理第10章UNIX系统内核结构
设备管理第10章UNIX系统内核结构
4、 本进程区表(Per Process Region Table)
A 正文 进 程 数据 区 表栈
B 正文 进 程 数据 区 表栈
a b c d e
系统区表
a b
c d
e
图 10-2 进程区表项、系统区表项和区的关系
设备管理第10章UNIX系统内核结构