操作系统概念 第二章：计算机系统结构
本章主要内容 计算机系统操作 I/O结构 存储结构 存储层次 硬件保护 网络结构 (*)
现代计算机系统
2.1 计算机系统操作 I/O设备和CPU可以并发执行 一个设备控制器负责一类设备 每个设备控制器都有自己本地的缓冲区
中断的功能 中断通过中断向量表将控制传输给中断服务例程，中断向量表包括了所有设备服务例程的入口地址。 中断体系结构必须保存中断指令的地址 当一个中断正被处理的时候，其他中断是被禁止的。 陷阱是因错误或用户程序的特定请求所引起的软件生成中断。 操作系统是中断驱动的
中断处理 中断发生时，OS必须通过保存寄存器和程序计数器来保留CPU的状态 判断发生了哪种类型的中断 轮询 向量中断系统 将内核例程与用户例程分离，以决定每种类型的中断应该采取的动作。
单个进程执行输出的中断时间线路
2.2 I/O结构 同步I/O － I/O启动后，只有当I/O完成后控制权才返回给用户进程。 wait指令，使CPU空闲直到下一个中断开始 循环等待 在任何时候最多只能处理一个I/O请求 异步I/O － I/O启动后，控制权无须等待I/O操作完成就可返回给用户进程。 系统调用 － 请求OS允许用户等待I/O操作的完成 设备状态表包含了每个I/O设备的一个条目，用来指示该设备的类型、地址和状态（不工作、空闲或繁忙） OS通过查询I/O设备表来判断设备的状态，并修改该条目，以反映出现了中断。
两种I/O方式
设备状态表
DMA 结构 用于高速I/O设备，使之以接近内存的速度进行信息传输 设备传输器以块为单位直接将数据从存储器传输到主存，而无须CPU的干预 每个数据块传输的时候只产生一个中断，而不是一个字节的传输就会产生一个中断
2.3 存储结构 主存 － 唯一能被CPU直接访问的大型存储谋体 辅助存储器 － 是主存的扩充，能够永久地存储大量数据 磁盘 磁盘表面逻辑划分为磁道，而磁道又分为更小的扇区 磁盘控制器决定了磁盘设备与计算机之间的逻辑交互
移动磁头的磁盘装置
2.4 存储层次 存储系统按层次组织在一起 缓冲（Caching） － 将信息复制到更快速的存储系统；主存可以看成是辅存的最后一级缓冲 速度（Speed） 价格（Cost） 易失性（Volatility） 缓冲（Caching） － 将信息复制到更快速的存储系统；主存可以看成是辅存的最后一级缓冲
存储设备层次
缓存技术（Caching） 利用高速存储器保存最近访问过的数据 需要一种缓存管理机制 缓存技术引入了另一方面的存储层次 迫使同时保存在不同层次上的数据必须保持一致（consistent）
整数A从磁盘到寄存器的迁移
2.5 硬件保护 双重模式操作 I/O保护 内存保护 CPU保护
双重模式操作 为了确保操作正常，必须保护操作系统和所有其他程序及数据使之不受任何故障程序的影响。所有共享资源都需要保护。 OS必须提供硬件支持用来区分至少以下两种操作模式 用户模式（user mode） － 代表用户在执行 监督程序模式（monitor mode）－ 代表OS在执行
一个称为模式位（mode bit）的位增加到计算机硬件，以表示当前模式：monitor（0），user（1） 当中断或错误发生时，硬件自动切换成监督程序模式（monitor mode） Interrupt/Fault user monitor set user mode
I/O保护 所有的I/O指令都是特权指令 必须确保用户程序永远无法以monitor模式获得计算机的控制权
使用系统调用执行I/O
内存保护 至少必须为中断向量和中断服务例程提供内存保护 通过使用以下两个寄存器来确定程序所能访问的合法地址空间 基址寄存器（base register） 界限寄存器（limit register） 超出这个范围之外的内存将受到保护
基址寄存器与界限寄存器的使用
硬件地址保护
硬件保护 监督程序模式下，OS可以无限制地访问monitor和user的内存 用于基址寄存器和界限寄存器的装载指令（load）是特权指令
CPU保护 定时器（timer) － 以特定的周期定时中断计算机，以确保操作系统能维持控制。 定时器通常用来实现分时 定时器每过一个时钟周期递减一次 当定时器的值为0时，产生中断 定时器通常用来实现分时 定时器也用来计算当前时间 Load-timer是一种特权指令
General-System Architecture I/O指令是特殊指令，用户程序该如何执行I/O操作？ 系统调用 － 进程用来向OS请求服务的方式 通常采用陷阱的方式来进入中断向量 控制通过中断向量传递到OS内的服务例程，这时模式位（mode bit）设为监督模式 监督程序检验参数的合法性，执行请求，并将控制返回给系统调用后面的指令
2.6 网络结构 局域网（LAN） 广域网（WAN）
局域网
广域网