组成原理演示文稿 第九章 OS支持
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组成原理PPT课件
第9页
（3）CPU指令执行过程
指令执行步骤： 简单归纳为 “取指令”，“指令译码”，“执行指令”
(1) 指令预取部件访问指令cache (内存)提取一条指令 。如快存中无，向 总线接口部件发出请求，要求访问存储器取得一条指令
(2) 总线接口部件在总线空闲时，通过总线取出一条指令放入cache和指 令预取部件。
第18页
存储器操作
1. 读出：从存储器单元中读数据，不破坏存储器 单元中的内容，为保护性读出；
2. 写入：向存储器单元写数据为覆盖性写入，存 储器单元只保存新数据，而旧数据将丢失；
第19页
2.4.1 内存储器
内存（主存）由半导体构成。
内存存取速度快， 价格贵，因此容量较小。
（1）随机存储器（RAM） ▪ 可读可写，掉电后数据丢失 ▪ 分为SRAM(静态）和DRAM （动态）两种
DDR3内存采用8Bit数据预取技术提升频率
第24页
3 数据单位
1. 位（bit）一个二进制位（0 或1）,构成信息的
最小单位。
2. 字节（Byte） 计算机存储信息的基本单位，八
个二进制位构成一个字节。b7b6b5b4b3b2b1b0 （b7 最高位，b0最低位）
第25页
存储单位换算
▪ 千字节：1KB=1024B=210 B ▪ 兆字节：1MB=1024KB=220B ▪ 吉字节：1GB=1024MB=230B ▪ 太字节：1TB=1024GB=240B
第43页
Word.exe 外存储器
D:
通知.Doc
RAM
内存储器
CPU
打印机
输出设备
补充——掌握
存储器层次结构
速 度
ALU 寄存器
（3）CPU指令执行过程
指令执行步骤： 简单归纳为 “取指令”，“指令译码”，“执行指令”
(1) 指令预取部件访问指令cache (内存)提取一条指令 。如快存中无，向 总线接口部件发出请求，要求访问存储器取得一条指令
(2) 总线接口部件在总线空闲时，通过总线取出一条指令放入cache和指 令预取部件。
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存储器操作
1. 读出：从存储器单元中读数据，不破坏存储器 单元中的内容，为保护性读出；
2. 写入：向存储器单元写数据为覆盖性写入，存 储器单元只保存新数据，而旧数据将丢失；
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2.4.1 内存储器
内存（主存）由半导体构成。
内存存取速度快， 价格贵，因此容量较小。
（1）随机存储器（RAM） ▪ 可读可写，掉电后数据丢失 ▪ 分为SRAM(静态）和DRAM （动态）两种
DDR3内存采用8Bit数据预取技术提升频率
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3 数据单位
1. 位（bit）一个二进制位（0 或1）,构成信息的
最小单位。
2. 字节（Byte） 计算机存储信息的基本单位，八
个二进制位构成一个字节。b7b6b5b4b3b2b1b0 （b7 最高位，b0最低位）
第25页
存储单位换算
▪ 千字节：1KB=1024B=210 B ▪ 兆字节：1MB=1024KB=220B ▪ 吉字节：1GB=1024MB=230B ▪ 太字节：1TB=1024GB=240B
第43页
Word.exe 外存储器
D:
通知.Doc
RAM
内存储器
CPU
打印机
输出设备
补充——掌握
存储器层次结构
速 度
ALU 寄存器
计算机系统的组成与工作原理ppt课件
工作原理
参照人类大脑的工作方式，首先我们通过眼 睛、耳朵等感觉器官，将捕捉到的信息输送到 大脑并存储起来。然后经过思考，结合已掌握 的知识，按照一定的方法和步骤，对信息进行 加工处理，产生处理结果。然后在经过大脑的 控制，利用口、手等器官，把结果表达出来。 计算机的工作方式也是类似的：
计算机工作原理
它是计算机的核心部件，负责解释执行计算机的基 本指令，完成计算机对各种信息的加工处理工作。 它主要由运算器和控制器组成。
信息处理 的核心
信息处理的 指挥中心
现在市场上常用的是AMD处理器、英特尔处理器等。
AMD处理器
Intel处理器
主 机 板
二、存储器
（1）内存储器，简称内存，也叫主存储器。 用于存储计算机当前工作中正在运行的程序、 数据等，相当于计算机内部的存储中心。
操作系统有DOS、windows等，我们常用的 WINDOWS 是一个多任务、多窗口的操作系统 。
应用软件是为了解决一些实际问题的计算机程序。 我们在计算机上作画，需要作图软件如photoshop, 作动画需要动画软件flash，我们写文章要用文字 编辑软件，如microsoft word，老师做课件用ppt 等。
注意：在我们使用完USB移动存储器时，一定要在计算机上进行“安全 删除硬件”的操作。等WINDOWS通知可以移除设备时，才可以从USB接口 中拔出设备
内 存 条
U 盘
光驱
三、输入设备：用于计算机从外界获取信息
键
鼠
盘
标
摄 像 头 扫描仪
数码相机
四、输出设备：用于将信息传递给外界 打 印 机
显 示 器
数据输入 输入设备
运算器 存储器
输出 设备 输出 结果
OS操作系统概论PPT课件
03
文件管理
实现文件的存储、共享、保护和加密等功能。
05
02
处理机管理
分配和控制处理机资源，实现多道程序并发 执行。
04
设备管理
管理和控制计算机的所有硬件设备， 提供设备驱动和接口。
06
用户接口
提供命令接口、程序接口和图形接口，方便用 户使用计算机。
操作系统的历史与发展
早期操作系统
批处理操作系统、分时操作系统 等，主要解决硬件资源的利用率 和多用户同时使用计算机的问题。
03
内存管理
内存管理的概念与目的
内存管理的概念
内存管理是操作系统对计算机内存 资源的分配、回收、保护和扩充等 一系列操作的总称。
内存管理的目的
提高内存利用率，为用户提供方便、 高效、安全和透明的内存使用环境。
分区存储管理
固定分区
01
将内存划分为大小固定的若干个分区，每个分区只能装入一个
作业。
可变分区
管程
管程是一种特殊的软件模块，它提供 了一组公共的变量和一组操作这些变 量的过程，这些过程可以被多个并发 进程安全地调用。
信号量与PV操作
信号量是一种特殊的变量，用于实现 进程同步。PV操作是对信号量进行加 1或减1的操作，用于控制进程的推进。
消息传递
消息传递是进程间通信的一种方式， 通过发送和接收消息来实现进程间的 数据交换和协调。
允许多个程序同时执行， 提高资源利用率。
实现资源共享，提高资源 使用效率。
通过虚拟技术，将物理实 体变为逻辑上的对应物， 方便用户使用。
允许多个程序并发执行， 但由于资源有限，进程的 执行顺序和执行时间是不 确定的。
02
进程管理
组成原理课件2024新版ppt课件
介绍二进制、十进制、十 六进制等数制的基本概念 及相互转换方法。
计算机中数的表示
讲解计算机内部如何表示 数值型数据，包括原码、 反码、补码等表示方法。
字符编码
介绍ASCII码、Unicode 编码等字符编码方式，以 及它们在计算机中的应用 。
逻辑代数基础
逻辑变量与逻辑函数
阐述逻辑变量和逻辑函数的概念，以 及它们之间的关系。
总线定义
总线是连接计算机各部 件的一组物理信号线， 用于在部件之间传输数 据。
总线分类
根据传输内容的不同， 总线可分为数据总线、 地址总线和控制总线。
总线性能指标
评价总线性能的主要指 标有总线宽度、总线频 率、数据传输率和时钟 同步/异步等。
总线通信控制
01
总线通信的同步方式
包括同步通信和异步通信两种方式。同步通信依赖于统一的时钟信号进
微操作控制
通过微程序或硬布线逻辑实现，控制数据通路中的各个部件 执行相应的微操作。
控制器的实现方式
微程序控制器
采用微指令序列控制，微指令存储在控制存储器中，通过微程序计数器控制微指 令的执行。
硬布线控制器
采用组合逻辑电路实现，根据指令的操作码和时序信号直接产生相应的控制信号 。
07
总线系统
总线概述
中断的分类和优先 级
包括外部中断和内部中断，每种中断都有不同的优先级。
中断处理过程
包括中断请求、中断响应、中断服务和中断返回四个阶段 。
DMA技术
DMA的基本概念
直接内存访问，允许I/O设备直接访问内存，而不需要 CPU的干预。
DMA的传输方式
包括单字节传输、成块传输和猝发传输等。
DMA控制器的组成和功能
计算机中数的表示
讲解计算机内部如何表示 数值型数据，包括原码、 反码、补码等表示方法。
字符编码
介绍ASCII码、Unicode 编码等字符编码方式，以 及它们在计算机中的应用 。
逻辑代数基础
逻辑变量与逻辑函数
阐述逻辑变量和逻辑函数的概念，以 及它们之间的关系。
总线定义
总线是连接计算机各部 件的一组物理信号线， 用于在部件之间传输数 据。
总线分类
根据传输内容的不同， 总线可分为数据总线、 地址总线和控制总线。
总线性能指标
评价总线性能的主要指 标有总线宽度、总线频 率、数据传输率和时钟 同步/异步等。
总线通信控制
01
总线通信的同步方式
包括同步通信和异步通信两种方式。同步通信依赖于统一的时钟信号进
微操作控制
通过微程序或硬布线逻辑实现，控制数据通路中的各个部件 执行相应的微操作。
控制器的实现方式
微程序控制器
采用微指令序列控制，微指令存储在控制存储器中，通过微程序计数器控制微指 令的执行。
硬布线控制器
采用组合逻辑电路实现，根据指令的操作码和时序信号直接产生相应的控制信号 。
07
总线系统
总线概述
中断的分类和优先 级
包括外部中断和内部中断，每种中断都有不同的优先级。
中断处理过程
包括中断请求、中断响应、中断服务和中断返回四个阶段 。
DMA技术
DMA的基本概念
直接内存访问，允许I/O设备直接访问内存，而不需要 CPU的干预。
DMA的传输方式
包括单字节传输、成块传输和猝发传输等。
DMA控制器的组成和功能
计算机组成原理chp9操作系统支持
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9.2调度
进程控制块：为了管理和控制进程，操作系统必须保存与每个 进程有关的状态等信息。为此，操作系统为每个进程设置一个 进程控制块PCB（Process Control Block）。PCB中记录了操 作系统所需要的用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部 信息。PCB通常包含以下信息：
(2)抢占模式：在抢占调度模式中，允许进程调度程序 根据某种策略，暂停某个正在运行的进程，将处理机 时间重新分配给另一个进程。
19
9.2调度
常用的抢占策略有：
时间片策略处理机时间被分割为等长的时间单位，称
为时间片。每个进程被分配一个时间片运行，当该时 间片超时时，由操作系统重新进行进程调度，将处理 机时间交给另一个就绪进程。这种策略适用于分时系 统和要求较高的批处理系统。 优先权策略操作系统为某些重要或紧急的进程指定较 高的优先级。当这种进程就绪时，如果其优先级比正 在运行的进程的优先级高，便暂停正在运行的进程， 将处理机时间分配给优先级高的进程。 短进程优先策略当就绪队列中的某个进程比正在运行 的进程的运行时间明显地短时，操作系统将剥夺长进 程的执行，将处理机分配给短进程，使之优先运行。 该调度策略能有效地降低进程的平均等待时间，提高
7
9.1.2操作系统的功能
存储管理：按照冯· 诺依曼体系结构，无论是指 令还是操作数，都存储在内存储器中。因此存 储系统的性能对系统整体性能的影响非常大。 随着现代计算机系统的存储系统层次结构的复 杂化，操作系统担负的存储管理任务也越来越 繁杂。尤其在多任务系统中。
（1）存储分配:即根据程序的需要为其分配存储器资源，在方便存储器 使用的同时又要保证存储器的高利用率。 （2）存储共享:允许主存中的多个任务或多个用户程序共享存储器资源， 这一方面可以提高存储器的利用率，另一方面又便于多任务间的数 据交换。 （3）存储保护:确保用户程序不会有意或无意地访问或破坏操作系统的 关键代码和数据。各个用户程序之间也需要相互隔离、互不干扰。 （4）存储扩充:基于存储器的层次结构，存储管理需要为用户提供与实 际物理内存空间不直接相关的逻辑编程空间，并在主存和辅助存储 器的支持下实现逻辑地址空间与物理地址空间之间的映射与变换， 8
计算机系统组成工作原理 ppt课件
RISC：等长精简指令集，执行速度快且性能稳定。可 同时执行多条指令，可将一条指令分割成若干个进程 或线程，交由多个处理器同时执行，并行处理方面 RISC明显优于CISC
软件
CISC：DOS、Windows RISC：成熟的操作系统少，Windows需要翻译过程
，速度慢
RISC,CISC看法的误区
组织角度的多层结构
体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令；
计算机组成Organization
系列机
从硬件角度关注物理机器的组织
如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
计算机实现Realization
底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
STR
寄存器访问 MOV
无条件跳转 JMP
跳转类
条件跳转 过程调用
JX/JNX CALL
操作数示例
Rs1, Rs2, Rd① Rs, Imm②, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd
RISC指令都是简单指令
LDREQ R0,[R1,R2,LSR #16]!指令的强大，一般的CISC处理器 望尘莫及。RISC的“简单”是指指令集的执行时间、指令长度、指 令格式整齐划一
CISC的复杂指令速度慢、执行效率很低
现代CISC处理器具有非常长的流水线（PIII采用了25级的流水线 ），执行速度快。但老的CPU执行速度可能较慢
演进
1. CPU指令集
ห้องสมุดไป่ตู้
软件
CISC：DOS、Windows RISC：成熟的操作系统少，Windows需要翻译过程
，速度慢
RISC,CISC看法的误区
组织角度的多层结构
体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令；
计算机组成Organization
系列机
从硬件角度关注物理机器的组织
如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
计算机实现Realization
底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
STR
寄存器访问 MOV
无条件跳转 JMP
跳转类
条件跳转 过程调用
JX/JNX CALL
操作数示例
Rs1, Rs2, Rd① Rs, Imm②, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd
RISC指令都是简单指令
LDREQ R0,[R1,R2,LSR #16]!指令的强大，一般的CISC处理器 望尘莫及。RISC的“简单”是指指令集的执行时间、指令长度、指 令格式整齐划一
CISC的复杂指令速度慢、执行效率很低
现代CISC处理器具有非常长的流水线（PIII采用了25级的流水线 ），执行速度快。但老的CPU执行速度可能较慢
演进
1. CPU指令集
ห้องสมุดไป่ตู้
计算机系统的组成PPT演示课件
好好的
功能键区
数字键区
主键盘区
编辑键区
好好的
键 Shift
名
功
能
又称上档键，利用此键来输入上档字符 大写字母锁定键，利用此键来输入大写字母 位于键盘最下面的一个最长的键，按下空格键，将输入一个空 格字符 按下此键可使光标回退一格，删除光标左边的一个字符 回车键。按下此键，表示前面的输入结束 制表定位键 转换键，此键通常和其他键组成特殊功能键 控制键，通常和其他键组合在一起使用 系统的热启动，使用的方法是：按住 Ctrl 和 Alt 键不放，再击 打Del键
1） 主机箱
好好的
2）主板
主板又称系统板或母板（mother board），是 计算机主机的核心，被固定在机箱内。计算机整 体性能是否能稳定有效地得到发挥，主板将起到 非常重要的作用。 计算机中几乎所有的基本设备都与主板相连接。 主板是计算机中最大的一块电路板，上面有一系 列的插槽及接口：
好好的
是一种写入信息之后，只能读出而不能再写入的固定存储 器； 特点：信息在断电后仍能保存下来； 用途：常用它来存放固定的程序和数据。 如主机板上的BIOS就是。
好好的
4）内存储器
② 随机存储器(Random Access Memory，简称RAM)
是一种可以任意读写数据的存储器，其中的数据会因掉电 而丢失，故一般用来存放正在使用的数据。 CPU对它们既可读出又可写入数据。
好好的
3)存储器（Memory）
存储器是计算机用来存放程序和数据的记 忆装置。 计算机中的全部信息，包括输入的原始信 息，经过计算机初步加工后的中间信息以及 最后处理得到的结果信息都记忆或存储在存 储器中。另外，对数据信息进行加工处理的 一系列指令所构成的程序也存放其中。 存储器分为两大类：内存储器和外存储器。
计算机系统组成ppt课件
信息交换-总线
总线 (BUS)：交换数据的通道。包括3类：
– 地址总线 (AB) ：是CPU向内存储器或I/O接口传送地址信
息的通路，它是单方向的，只能从CPU向外传送。
– 数据总线 (DB)：传送数据（如在 CPU 与内存之间传送数
据和 CPU与 I/O 接口之间传送）
– 控制总线 (CB)：是CPU向内存储器或I/O接口传送命令信
CPU
• CPU（Central Processing Unit）：也称为中央处理器。
两大功能部件：控制器 +算术逻辑部件（运算器和寄存器） 内存
ALU(arithmetic & Logic Unit)
寄存器 控制器 累加器 寄存器
控制器、寄存器和累加器
• 控制器是计算机的指挥系统，控制器是通过地 址访问存储器，逐条取出选中单元的指令、分 析指令，并根据指令产生相应的控制信号作用 于其它各个部件，控制其它部件完成指令要求 的操作。 • 寄存器：高速存储器（数目很少，价格贵） • 累加器（运算器）：进行算术/逻辑运算
– 内存容量 ：内存容量是指微机内存储器的容量
它表示内存储器所能容纳信息的字节数.内存容量越大,它 所能存储的数据和运行的程序就越多,程序运行的速度就 越高,微机的信息处理能力就越强,所以内存容量是微机的 重要性能指标
微机指标（续）
盘和磁盘驱动器等）是否有故障。
• Step4: 加载 OS（如，Windows）。根据在
CMOS 中设置的磁盘优先顺序，从相应的盘中加载 OS （如A盘为优先盘但没有插入，则依次检查下一个）。 若找不到，则报错
• Step5: 根据配置信息，由 OS 设置计算机的运 行环境。配置信息来自于 CMOS 和配置文件 （Config）。 • Step6: OS 运行，开始接受用户命令。
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只能由操作系统核心程序执行的机器指令 用于系统资源管理与程序执行控制等操作 如：启动输入输出设备、设置系统时钟、控制中断屏蔽位、 设置存储管理状态、加载程序状态字等
非特权指令 操作系统有权执行特权指令和非特权指令，而用户程序 只能执行非特权指令
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2013.6.8
17
操作系统的硬件环境
计算机学院
2013.6.8 47
主存-外存层次的基本信息映射单位
页
主存物理空间划分出来的等长区域 优点： 页大小相同，方便造页表，可能 比段式空间浪费小 缺点：处理、保护和共享不如段方便
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2013.6.8
48
主存-外存层次的基本信息映射单位
段页
程序按逻辑结构分段，段内再分页 进入主存以页为基本信息传送单位 用段表和页表进行两级定位管理
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2013.6.8
49
页式虚拟存储器
主存和虚拟空间划分成 大小相等的页
主存地址空间：物理页 虚地址空间：逻辑页
实地址 高位(5位) 低位(11位) 00000 0000…0 00000 1111…1 00001 0000…0 00001 1111…1 00010 0000…0 00010 1111…1 主存空间 0页 1页 2页 2K 2K 2K
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2013.6.8
11
操作系统的功能：存储管理
在多任务系统中，存储管理要为多道程序运行提供强有力的 支持
存储保护： 确保用户程序不会有意或无意地地访问或破 坏操作系统的关键代码和数据 各个用户程序之间相互隔离 存储扩充： 为用户提供与实际物理内存空间不直接相关 的逻辑编程空间 在主存和辅存的支持下实现逻辑地址空间与 物理地址空间之间的映射与变换
处理机管理：处理机调度、进程控制、进程同步和进程 通信
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2013.6.8 10
操作系统的功能：存储管理
在多任务系统中，存储管理要为多道程序运行提供 强有力的支持 存储分配：根据程序的需要为其分配存储器资源 方便存储器使用，保证存储器的高利用率 存储共享：允许主存中的多个任务或多个用户程 序共享存储资源 提高存储器的利用率 便于多任务间的数据交换
在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（内地 址变换） 在访问辅存时把虚地址变成辅存物理地址（外地 址变换） 主存分配 存储保护
替换问题：决定哪些程序和数据应被调出主存 更新问题：决定如何保持主存与辅存的一致性
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2013.6.8 45
主存-外存层次的基本信息映射单位
段
计算机学院
2013.6.8 9
操作系统的功能：处理机管理
现代的计算机系统：多任务机制 当一个作业需等待I/O操作等外部条件满足时，处理机转 去执行另一个作业，从而实现多任务的并行执行 操作系统负责组织多个任务的并行执行，并负责解决处 理机的调度、分配和回收等问题 多任务系统运行两道程序时处理机的使用效率
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2013.6.8 20
操作系统的硬件环境
中断机制：
中断机制提供了一种程序随机切换的方式 操作系统通过响应硬件定时器中断执行周期性的 例行管理任务 以中断方式实现处理机与外界进行信息交换的握 手联络，保证CPU与外设的并行工作 由CPU执行中断处理程序处理可能发生的软件或 硬件故障
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2013.6.8 39
cache-主存和主存-辅存两个层次的相同点 出发点相同：
为了提高存储系统的性能-价格比而构造 的层次型存储体系 力图使存储系统的性能接近高速存储器， 而价格和容量接近低速存储器
原理相同：
利用了程序的局部性原理，把最近常用的 信息块从相对低速而大容量的存储器调入 相对高速而小容量的存储器
按照程序的逻辑结构划分成的多个相 对独立的逻辑信息单位 例：数据段、代码段、堆栈段、常数 段 段的长度不固定，但通常有一个允许 的最大长度
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2013.6.8
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主存-外存层次的基本信息映射单位
段
优点： 逻辑独立，易于编译、管理、修改和 保护，便于多道程序共享 动态可变段长，允许自由调度，有效 利用主存空间 缺点： 段长不固定，主存空间分配算法复杂 容易在段间留下碎片，造成浪费
存储管理：
系统硬件通过存储管理部件（MMU）支持操作 系统实现多级存储体系和存储保护功能
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2013.6.8 21
虚拟存储器
计算机学院
2013.6.8
35
虚存的引入
程序所需的存储器容量与计算机系统实际配 备的主存储器的容量之间往往存在着矛盾 希望在编制程序时独立编址
不考虑程序是否能在物理存储器中存放得下 不考虑程序应该存放在什么物理位置
寄存器访问权限：
中央处理机内设置的寄存器 用于暂存数据的通用数据寄存器 用于存放处理器的控制和状态信息的控制寄存器
程序计数器PC、程序状态字寄存器PSWR、指令寄存器IR等 和系统存储管理、中断管理等相关的寄存器
用户状态下的寄存器视图是管理状态下寄存器视图的 一个子集 有些寄存器在用户状态下不允许访问 有些寄存器在用户状态下是只读的 用户如果确实需要访问系统资源，必须通过操作系统 进行
操作系统的核心任务：管理计算机系统中的资源
硬件资源：处理机、存储器、输入/输出设备等 软件资源：相应的程序和数据等 分配资源使用权，解决资源争用冲突，跟踪资源使用状 况，最大限度地实现资源共享，提高资源利用率
从资源管理的角度来看，操作系统对计算机硬件资源的 管理主要体现在以下三个方面：
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2013.6.8
41
cache-主存和主存-辅存两个层次的不同点 透明性不同：
cache的管理完全由硬件完成，对系统程 序和应用程序均透明 虚存管理由软件（操作系统）和硬件共同 完成，虚存对系统程序不透明，而只对应 用程序透明
未命中时的损失不同：
主存未命中时系统性能的损失要远大于 cache未命中时的损失
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2013.6.8 40
cache-主存和主存-辅存两个层次的不同点 侧重点不同：
cache主要解决主存与CPU的速度差异问 题 辅存主要是解决存储容量的问题
数据通路不同：
CPU与cache和主存之间均有直接访问通 路，cache不命中时可直接访问主存 辅存与CPU之间不存在直接的数据通路， 主存不命中时只能通过调页解决
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操作系统的硬件环境
处理机状态控制：
处理机中设置处理机状态标志： 管理状态（超级用户状态、管态、特权状 态，privileged state）
可以执行全部指令，访问系统内的所有资源，并 能够动态改变处理机的状态
用户状态（目标状态、用户状态、常态、 目态、解题状态，Problem State）
处理机管理 存储器管理 设备管理
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2013.6.8
8
操作系统的功能：处理机管理
早期的计算机系统：单用户、单任务系统
所有的用户和程序必须串行使用计算机 当正在运行的程序由于等待用户指令、等待低速的输入/ 输出设备操作、或等待其他外部条件时，整个系统都必 须空转等待 独占机制：处理机的管理工作十分简单，但大大降低了 系统的效率和处理机利用率 中断机制：单任务系统可以实现简单的程序随机切换， 在一定程度上实现并行操作
只能执行非特权指令，所能访问的资源受到限制
处理机从用户状态转向管理状态： 用户程序请求操作系统服务（执行系统调 用） 用户程序运行时产生了中断请求，处理机 切换到管理状态执行中断服务程序
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2013.6.8 16
操作系统的硬件环境
特权指令：
为了防止用户程序执行有关资源管理的机器指令从而破 坏系统正常工作状态，在多任务环境中，通常把指令系 统中的指令分为两类： 特权指令(Privileged Instructions)
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2013.6.8 12
操作系统的功能：设备管理
设备管理的主要任务：
进行各类外围设备的调度与管理 协调各个用户提出的I/O请求 提高各I/O设备操作与处理机运行的并行性 提高处理机和I/O设备的利用率 提供每种设备的设备驱动程序，向用户屏蔽硬件使用 细节
计算机学院
2013.6.8
硬件 系统软件 应用软件
操作系统（Operating System，OS）是最重要 的系统软件
管理计算机系统资源、控制程序执行的系统软件 计算机用户与计算机硬件间的接口程序
操作系统依托计算机硬件，并在硬件的基础上提供 新的服务和功能
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2013.6.8
5
操作系统的功能
实存地址＝物理页号＋ 页内地址（偏移量） 虚存地址＝逻辑页号＋ 页内地址（偏移量）
11111 0000…0 11111 1111…1 实页号 页内地址
31页
2K
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2013.6.8
50
页式虚拟存储器
页表
页表：虚地址页号与实地址页号对照表，记录程序的 虚页面调入主存时被安排在主存中的位置 页表对应每一个虚存逻辑页号有一个表项，表项内容： 该逻辑页所在的主存页面地址（物理页号） 装入位（有效位）：表示该逻辑页是否已从外存调 入主存 修改位：指出主存页面中的内容是否被修改过
在程序运行时分配给每个程序一定的运行空 间
由地址转换部件（硬件或软件）将编程时的地 址转换成实际内存的地址
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2013.6.8
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实地址与虚地址
虚地址（逻辑地址）：用户编制程序时使用 的地址 虚存空间（逻辑地址空间）：虚地址对应的 存储空间 实地址（物理地址）：计算机物理内存的访 问地址 物理存储空间（主存空间）：实地址对应的 存储空间 程序的再定位：程序进行虚地址到实地址转 换的过程
非特权指令 操作系统有权执行特权指令和非特权指令，而用户程序 只能执行非特权指令
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2013.6.8
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操作系统的硬件环境
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2013.6.8 47
主存-外存层次的基本信息映射单位
页
主存物理空间划分出来的等长区域 优点： 页大小相同，方便造页表，可能 比段式空间浪费小 缺点：处理、保护和共享不如段方便
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2013.6.8
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主存-外存层次的基本信息映射单位
段页
程序按逻辑结构分段，段内再分页 进入主存以页为基本信息传送单位 用段表和页表进行两级定位管理
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2013.6.8
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页式虚拟存储器
主存和虚拟空间划分成 大小相等的页
主存地址空间：物理页 虚地址空间：逻辑页
实地址 高位(5位) 低位(11位) 00000 0000…0 00000 1111…1 00001 0000…0 00001 1111…1 00010 0000…0 00010 1111…1 主存空间 0页 1页 2页 2K 2K 2K
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2013.6.8
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操作系统的功能：存储管理
在多任务系统中，存储管理要为多道程序运行提供强有力的 支持
存储保护： 确保用户程序不会有意或无意地地访问或破 坏操作系统的关键代码和数据 各个用户程序之间相互隔离 存储扩充： 为用户提供与实际物理内存空间不直接相关 的逻辑编程空间 在主存和辅存的支持下实现逻辑地址空间与 物理地址空间之间的映射与变换
处理机管理：处理机调度、进程控制、进程同步和进程 通信
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2013.6.8 10
操作系统的功能：存储管理
在多任务系统中，存储管理要为多道程序运行提供 强有力的支持 存储分配：根据程序的需要为其分配存储器资源 方便存储器使用，保证存储器的高利用率 存储共享：允许主存中的多个任务或多个用户程 序共享存储资源 提高存储器的利用率 便于多任务间的数据交换
在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（内地 址变换） 在访问辅存时把虚地址变成辅存物理地址（外地 址变换） 主存分配 存储保护
替换问题：决定哪些程序和数据应被调出主存 更新问题：决定如何保持主存与辅存的一致性
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2013.6.8 45
主存-外存层次的基本信息映射单位
段
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操作系统的功能：处理机管理
现代的计算机系统：多任务机制 当一个作业需等待I/O操作等外部条件满足时，处理机转 去执行另一个作业，从而实现多任务的并行执行 操作系统负责组织多个任务的并行执行，并负责解决处 理机的调度、分配和回收等问题 多任务系统运行两道程序时处理机的使用效率
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操作系统的硬件环境
中断机制：
中断机制提供了一种程序随机切换的方式 操作系统通过响应硬件定时器中断执行周期性的 例行管理任务 以中断方式实现处理机与外界进行信息交换的握 手联络，保证CPU与外设的并行工作 由CPU执行中断处理程序处理可能发生的软件或 硬件故障
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2013.6.8 39
cache-主存和主存-辅存两个层次的相同点 出发点相同：
为了提高存储系统的性能-价格比而构造 的层次型存储体系 力图使存储系统的性能接近高速存储器， 而价格和容量接近低速存储器
原理相同：
利用了程序的局部性原理，把最近常用的 信息块从相对低速而大容量的存储器调入 相对高速而小容量的存储器
按照程序的逻辑结构划分成的多个相 对独立的逻辑信息单位 例：数据段、代码段、堆栈段、常数 段 段的长度不固定，但通常有一个允许 的最大长度
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主存-外存层次的基本信息映射单位
段
优点： 逻辑独立，易于编译、管理、修改和 保护，便于多道程序共享 动态可变段长，允许自由调度，有效 利用主存空间 缺点： 段长不固定，主存空间分配算法复杂 容易在段间留下碎片，造成浪费
存储管理：
系统硬件通过存储管理部件（MMU）支持操作 系统实现多级存储体系和存储保护功能
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2013.6.8 21
虚拟存储器
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2013.6.8
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虚存的引入
程序所需的存储器容量与计算机系统实际配 备的主存储器的容量之间往往存在着矛盾 希望在编制程序时独立编址
不考虑程序是否能在物理存储器中存放得下 不考虑程序应该存放在什么物理位置
寄存器访问权限：
中央处理机内设置的寄存器 用于暂存数据的通用数据寄存器 用于存放处理器的控制和状态信息的控制寄存器
程序计数器PC、程序状态字寄存器PSWR、指令寄存器IR等 和系统存储管理、中断管理等相关的寄存器
用户状态下的寄存器视图是管理状态下寄存器视图的 一个子集 有些寄存器在用户状态下不允许访问 有些寄存器在用户状态下是只读的 用户如果确实需要访问系统资源，必须通过操作系统 进行
操作系统的核心任务：管理计算机系统中的资源
硬件资源：处理机、存储器、输入/输出设备等 软件资源：相应的程序和数据等 分配资源使用权，解决资源争用冲突，跟踪资源使用状 况，最大限度地实现资源共享，提高资源利用率
从资源管理的角度来看，操作系统对计算机硬件资源的 管理主要体现在以下三个方面：
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2013.6.8
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cache-主存和主存-辅存两个层次的不同点 透明性不同：
cache的管理完全由硬件完成，对系统程 序和应用程序均透明 虚存管理由软件（操作系统）和硬件共同 完成，虚存对系统程序不透明，而只对应 用程序透明
未命中时的损失不同：
主存未命中时系统性能的损失要远大于 cache未命中时的损失
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2013.6.8 40
cache-主存和主存-辅存两个层次的不同点 侧重点不同：
cache主要解决主存与CPU的速度差异问 题 辅存主要是解决存储容量的问题
数据通路不同：
CPU与cache和主存之间均有直接访问通 路，cache不命中时可直接访问主存 辅存与CPU之间不存在直接的数据通路， 主存不命中时只能通过调页解决
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操作系统的硬件环境
处理机状态控制：
处理机中设置处理机状态标志： 管理状态（超级用户状态、管态、特权状 态，privileged state）
可以执行全部指令，访问系统内的所有资源，并 能够动态改变处理机的状态
用户状态（目标状态、用户状态、常态、 目态、解题状态，Problem State）
处理机管理 存储器管理 设备管理
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操作系统的功能：处理机管理
早期的计算机系统：单用户、单任务系统
所有的用户和程序必须串行使用计算机 当正在运行的程序由于等待用户指令、等待低速的输入/ 输出设备操作、或等待其他外部条件时，整个系统都必 须空转等待 独占机制：处理机的管理工作十分简单，但大大降低了 系统的效率和处理机利用率 中断机制：单任务系统可以实现简单的程序随机切换， 在一定程度上实现并行操作
只能执行非特权指令，所能访问的资源受到限制
处理机从用户状态转向管理状态： 用户程序请求操作系统服务（执行系统调 用） 用户程序运行时产生了中断请求，处理机 切换到管理状态执行中断服务程序
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操作系统的硬件环境
特权指令：
为了防止用户程序执行有关资源管理的机器指令从而破 坏系统正常工作状态，在多任务环境中，通常把指令系 统中的指令分为两类： 特权指令(Privileged Instructions)
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2013.6.8 12
操作系统的功能：设备管理
设备管理的主要任务：
进行各类外围设备的调度与管理 协调各个用户提出的I/O请求 提高各I/O设备操作与处理机运行的并行性 提高处理机和I/O设备的利用率 提供每种设备的设备驱动程序，向用户屏蔽硬件使用 细节
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2013.6.8
硬件 系统软件 应用软件
操作系统（Operating System，OS）是最重要 的系统软件
管理计算机系统资源、控制程序执行的系统软件 计算机用户与计算机硬件间的接口程序
操作系统依托计算机硬件，并在硬件的基础上提供 新的服务和功能
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操作系统的功能
实存地址＝物理页号＋ 页内地址（偏移量） 虚存地址＝逻辑页号＋ 页内地址（偏移量）
11111 0000…0 11111 1111…1 实页号 页内地址
31页
2K
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页式虚拟存储器
页表
页表：虚地址页号与实地址页号对照表，记录程序的 虚页面调入主存时被安排在主存中的位置 页表对应每一个虚存逻辑页号有一个表项，表项内容： 该逻辑页所在的主存页面地址（物理页号） 装入位（有效位）：表示该逻辑页是否已从外存调 入主存 修改位：指出主存页面中的内容是否被修改过
在程序运行时分配给每个程序一定的运行空 间
由地址转换部件（硬件或软件）将编程时的地 址转换成实际内存的地址
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实地址与虚地址
虚地址（逻辑地址）：用户编制程序时使用 的地址 虚存空间（逻辑地址空间）：虚地址对应的 存储空间 实地址（物理地址）：计算机物理内存的访 问地址 物理存储空间（主存空间）：实地址对应的 存储空间 程序的再定位：程序进行虚地址到实地址转 换的过程