計算機操作系統(tǒng)ch2.ppt

1、計算機操作系統(tǒng),Operating System of Computer,第二章 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境,主要內容： 個人計算機的組成 中央處理器（CPU） 存儲系統(tǒng) 中斷機制 時鐘 知識點及要求： 學習本章的目的是了解OS的基礎硬件環(huán)境。,2.1 概述,任何系統(tǒng)軟件都是硬件功能的延伸 操作系統(tǒng)直接依賴于硬件條件 硬件環(huán)境以較分散的形式同各種管理相結合,簡單的個人計算機中的部件,Monitor,Bus,2.2 中央處理器（CPU）,具有特權級別的處理器狀態(tài)，能在不同特權級運行各種特權指令 硬件機制使得OS可以和普通程序隔離實現(xiàn)保護和控制,CPU的構成與基本工作方式,處理器由運算器、控制器、一系列的

2、寄存器以及高速緩存構成 運算器實現(xiàn)指令中的算術和邏輯運算，是計算機計算的核心 控制器負責控制程序運行的流程，包括取指令、維護CPU狀態(tài)、CPU與內存的交互等等,寄存器是指令在CPU內部作處理的過程中暫存數(shù)據(jù)、地址以及指令信息的存儲設備； 在計算機的存儲系統(tǒng)中它具有最快的訪問速度。 高速緩存處于CPU和物理內存之間，一般由控制器中的內存管理單元（MMU：Memory Management Unit）管理，訪問速度快于內存，低于寄存器。 利用程序局部性原理使得高速指令處理和低速內存訪問得以匹配，從而提高CPU的效率。,處理器中的寄存器,寄存器提供了一定的存儲能力 速度比主存快得多 造價高，容量一般

3、都很小 兩類寄存器： 用戶可見寄存器，高級語言編譯器通過算法分配并使用之，以減少程序訪問主存次數(shù) 控制和狀態(tài)寄存器，用于控制處理器的操作 由OS的特權代碼使用, 以控制其它程序的執(zhí)行,用戶可見寄存器,機器語言（匯編語言）直接引用 包括數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器等 數(shù)據(jù)寄存器（data register）又稱通用寄存器 地址寄存器（address register）用于存儲數(shù)據(jù)及指令的物理地址。如index register、segment pointer、stack pointer,控制和狀態(tài)寄存器,用于控制處理器的操作 大部分對于用戶是不可見的 一部分可以在某種特權模式（由OS使用）下訪問 常見

4、的控制和狀態(tài)寄存器: 程序計數(shù)器（PC：Program Counter），記錄將要取出的指令的地址 指令寄存器（IR：Instruction Register），包含最近取出的指令 程序狀態(tài)字（PSW：Program Status Word），記錄處理器的運行模式信息等等,指令執(zhí)行的基本過程（1）,兩個步驟： 先從存儲器中每次讀取一條指令 然后執(zhí)行這條指令 一個單條指令處理過程稱為一個指令周期 程序的執(zhí)行是由不斷取指和執(zhí)行的指令周期組成,指令執(zhí)行的基本過程（2）,每個指令周期開始時，依據(jù)在程序計數(shù)器中的指令地址從存儲器中取一條指令 在取指完成后根據(jù)指令類別自動將程序計數(shù)器的值變成下條指令的地址

5、 取到的指令放在指令寄存器（IR）中 處理器解釋并執(zhí)行所要求的動作,5類指令,訪問存儲器指令： 處理器和存儲器間數(shù)據(jù)傳送 I/O指令： 處理器和I/O設備間數(shù)據(jù)傳送和命令發(fā)送 算術邏輯指令（數(shù)據(jù)處理指令）： 執(zhí)行數(shù)據(jù)算術和邏輯操作 控制轉移指令： 指定一個新的指令的執(zhí)行起點 處理器控制指令： 修改處理器狀態(tài)，改變處理器工作方式,特權指令和非特權指令,特權指令：只能由操作系統(tǒng)使用的指令 使用多道程序設計技術的計算機指令系統(tǒng)必須要區(qū)分為特權指令和非特權指令 CPU如何知道當前運行的是操作系統(tǒng)還是一般應用軟件？有賴于處理器狀態(tài),處理器的狀態(tài),根據(jù)運行程序對資源和機器指令的使用權限將處理器設置為不同狀

6、態(tài) 多數(shù)系統(tǒng)將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài) 管態(tài)：操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài)，較高的特權級別，又稱為特權態(tài)（特態(tài)）、系統(tǒng)態(tài) 、核心態(tài) 目態(tài)：用戶程序運行時的狀態(tài)，較低的特權級別，又稱為普通態(tài)（普態(tài)）、用戶態(tài) 有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分核心狀態(tài)，管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài)（目標狀態(tài)）三種,實例：x86系列處理器,386、486、Pentium系列都支持4個處理器特權級別（特權環(huán)：R0、R1、R2和R3） 從R0到R3特權能力依次降低 R0相當于雙狀態(tài)系統(tǒng)的管態(tài) R3相當于目態(tài) R1和R2則介于兩者之間，它們能夠運行的指令集合具有包含關系：,四個級別運行不同類別的程序,R0-運行操作系統(tǒng)核心代碼 R1

7、-運行關鍵設備驅動程序和I/O處理例程 R2-運行其它受保護共享代碼，如語言系統(tǒng)運行環(huán)境 R3-運行各種用戶程序 現(xiàn)有基于x86處理器的操作系統(tǒng)，如UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3兩個特權級別,管態(tài)和目態(tài)的差別,處理器處于管態(tài)時： 全部指令（包括特權指令）可以執(zhí)行 可使用所有資源 并具有改變處理器狀態(tài)的能力 處理器處于目態(tài)時： 只有非特權指令能執(zhí)行,程序狀態(tài)字PSW,PSW (Program Status Word ): CPU的狀態(tài)指明管態(tài)還是目態(tài)，用來說明當前在CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用戶程序，從而決定其是否可以使用特權指令或擁有其它的特殊權力 條件碼

8、反映指令執(zhí)行后的結果特征 中斷屏蔽碼指出是否允許中斷,例1:微處理器M68000的程序狀態(tài)字,條件位： C： 進位標志位 V： 溢出標志位 Z： 結果為零標志位N： 結果為負標志位 I0 I2：三位中斷屏蔽位 S：CPU狀態(tài)標志位，為1處于管態(tài)，為0處于目態(tài) T：陷阱（Trap）中斷指示位為1， 在下一條指令執(zhí)行后引起自陷中斷,CPU狀態(tài)的轉換,目態(tài)-管態(tài) 其轉換的唯一途徑是通過中斷 管態(tài)-目態(tài) 可用設置PSW(修改程序狀態(tài)字)可實現(xiàn),2.3 存儲系統(tǒng),支持OS運行硬件環(huán)境的一個重要方面： 作業(yè)必須把它的程序和數(shù)據(jù)存放在內存中才能運行 多道程系統(tǒng)中，若干個程序和相關的數(shù)據(jù)要放入主存儲器 操作系

9、統(tǒng)要管理、保護程序和數(shù)據(jù)，使它們不至于受到破壞 操作系統(tǒng)本身也要存放在主存儲器中并運行,存儲器的類型,兩類存儲器：讀寫型的存儲器 只讀型的存儲器 讀寫型的存儲器 可把數(shù)據(jù)存入其中任一地址單元，并可在以后的任何時候把數(shù)據(jù)讀出，或者重新存入新的數(shù)據(jù)的一種存儲器 常被稱為隨機訪問存儲器（RAM：Random Access Memory） RAM主要用作存放隨機存取的程序的數(shù)據(jù),只讀型的存儲器: 只能從其中讀取數(shù)據(jù)，但不能隨意用普通方法寫入數(shù)據(jù)（寫入數(shù)據(jù)只能用特殊方法） 稱為只讀存儲器（ROM：Read-Only Memory） 變型：PROM和EPROM PROM：一種可編程只讀存儲器，使用特殊PR

10、OM寫入器寫入數(shù)據(jù) EPROM：用特殊的紫外線光照射此芯片，以“擦去”信息，恢復原來狀態(tài)，然后使用特殊EPROM寫入器寫入數(shù)據(jù) 在微機中，一些常駐內存的模塊以微程序形式固化在ROM中 如:PC BIOS和CBASIC解釋程序被固化于ROM中,存儲器的層次結構,存儲系統(tǒng)設計三個問題： 容量、速度和成本 容量：需求無止境 速度：能匹配處理器的速度 成本問題：成本和其它部件相比應在合適范圍之內,容量、速度和成本 三個目標不可能同時達到最優(yōu)，要作權衡 存取速度快，每比特價格高 容量大，每比特價格越低，同時存取速度也越慢 解決方案：采用層次化的存儲體系結構 當沿著層次下降時 每比特的價格將下降，容量將增

11、大 速度將變慢，處理器的訪問頻率也將下降,層次化的存儲體系結構,存儲訪問局部性原理,提高存儲系統(tǒng)效能關鍵點：程序存儲訪問局部性原理 程序執(zhí)行時，有很多的循環(huán)和子程序調用，一旦進入這樣的程序段，就會重復存取相同的指令集合 對數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短的時間內，穩(wěn)定地保持在一個存儲器的局部區(qū)域 處理器主要和存儲器的局部打交道 在經(jīng)過一段時間以后，使用的代碼和數(shù)據(jù)集合會改變,2.4 中斷技術,中斷對于操作系統(tǒng)的重要性 就像機器中的驅動齒輪一樣 所以有人把操作系統(tǒng)稱為是由 “中斷驅動”或者 “（中斷）事件驅動”,中斷機制,中斷機制是操作系統(tǒng)得以正常工作的最重要的手段 它使得OS可以捕獲普通程序發(fā)出的系

12、統(tǒng)功能調用 及時處理設備的中斷請求 防止用戶程序中破壞性的活動等等,2.4.1 中斷的概念,什么是中斷? 指CPU對系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生異步事件的響應 異步事件是指無一定時序關系的隨機發(fā)生事件 如外部設備完成數(shù)據(jù)傳輸，實時設備出現(xiàn)異常等 “中斷”名稱源于： 當異步事件發(fā)生后，打斷了對當前程序的執(zhí)行 而轉去處理該異步事件 直到處理完了后，再轉回原程序中斷點繼續(xù)執(zhí)行,從用戶角度看中斷,引入中斷的目的,解決主機與外設的并行工作問題 提高可靠性 實現(xiàn)多機聯(lián)系 實現(xiàn)實時控制 特點： 1) 中斷是隨機的 2) 中斷是可恢復的 3) 中斷是自動處理的,幾個概念,中斷源：引起中斷發(fā)生的事件 中斷寄存器：記錄中斷

13、 中斷字：中斷寄存器的內容 系統(tǒng)堆棧:在內存開辟的一塊區(qū)域，用于臨時保存現(xiàn)場,中斷類型,強迫性中斷 正在運行的程序所不期望的，由于某種硬件故障或外部請求引起的 自愿性中斷 用戶在程序中有意識安排的中斷，是由于用戶在編制程序時因為要求操作系統(tǒng)提供服務，有意使用“訪管”指令或系統(tǒng)調用，使中斷發(fā)生,強迫性中斷,輸入/輸出(I/O)中斷：主要來自外部設備通道 程序性中斷：運行程序中本身的中斷 (如溢出,缺頁中斷,缺段中斷,地址越界) 時鐘中斷 控制臺中斷 硬件故障,自愿性中斷,執(zhí)行I/O，創(chuàng)建進程，分配內存 信號量操作，發(fā)送/接收消息,微機中的中斷,1.可屏蔽中斷（I/O中斷） 2.不可屏蔽中斷（機器

14、內部故障、掉電中斷） 3.程序錯誤中斷（溢出、除法錯等中斷） 4.軟件中斷（Trap指令或中斷指令INT）,2.4.2 中斷系統(tǒng),中斷系統(tǒng)的兩大組成部分：硬件中斷裝置和軟件中斷處理程序 中斷系統(tǒng)的硬件中斷裝置-中斷系統(tǒng)的機制部分 負責捕獲中斷源發(fā)出的中斷請求，以一定方式響應中斷源，然后將處理器控制權交給特定的中斷處理程序 軟件中斷處理程序-中斷系統(tǒng)的策略部分 負責辨別中斷類型并做出相應的操作,2.4.3 中斷裝置的基本功能,提供識別中斷源的方法 提供查詢中斷狀態(tài)的方法，通常使用一個寄存器存儲有關中斷的狀態(tài)信息，稱為中斷字 提供中斷現(xiàn)場保護的能力 提供中斷處理程序尋址能力，找到恰當?shù)闹袛嗵幚沓绦?/p>

15、 具有預定義的系統(tǒng)控制棧和中斷處理程序入口地址映射表（中斷向量表)等數(shù)據(jù)結構和它們在主存中的位置，以輔助OS定制中斷處理策略和中斷調度機制,中斷寄存器,中斷寄存器： 有的計算機中，為了區(qū)分和不丟失中斷信號 對應每個中斷源分別用一固定觸發(fā)器寄存中斷信號 規(guī)定值為1時，表示有中斷信號，為0時表示無 這些觸發(fā)器的全體稱為中斷寄存器 每個觸發(fā)器稱為一個中斷位 所以中斷寄存器是由若干個中斷位組成,發(fā)現(xiàn)中斷,處理器如何發(fā)現(xiàn)中斷信號？ 處理器的控制部件中設一個能檢測中斷的機構 稱為中斷掃描機構 在每條指令執(zhí)行周期的最后時刻掃描中斷寄存器，詢問是否有中斷信號 若無中斷信號，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令 若有中斷，中斷硬

16、件就進行中斷響應,2.4.4 中斷響應,CPU如何響應中斷, 兩個問題： CPU何時響應中斷？ 通常在CPU執(zhí)行了一條指令以后，更確切地，在指令周期最后時刻接受中斷請求，或此時掃描中斷寄存器 如何知道提出中斷請求的設備或中斷源？ 因為只有知道中斷源或中斷設備，才能調用相應的中斷處理程序,兩種解決方法,用軟件指令去查詢各設備接口 這種方法比較費時 多數(shù)微型機對此問題的解決方法： 使用一種“向量中斷”的硬件設施 “向量中斷”： 當CPU接受某中斷請求時，該設備接口給處理器發(fā)送具有唯一性的“中斷向量”，以標識該設備 “中斷向量”在各計算機上實現(xiàn)方法差別比較大,中斷向量表,在有的機器中： 將主存最低位

17、128個字保留作為中斷向量表，每個中斷向量占兩個字 中斷請求的設備接口為了標識自己，向處理器發(fā)送一個該設備在中斷向量表中表目的編號,中斷優(yōu)先級,在一些機器中，中斷優(yōu)先級按中斷類型劃分： 以機器故障中斷的優(yōu)先級最高 程序中斷和訪問管理程序中斷次之 外部中斷更次之 輸入輸出的優(yōu)先級最低,中斷屏蔽,在CPU上運行的程序，有時由于種種原因，不希望其在執(zhí)行過程中被別的事件所中斷，稱為中斷屏蔽 在PSW中設置中斷屏蔽碼以屏蔽某些指定的中斷類型 各設備接口中也有中斷禁止位，以禁止該設備的中斷,2.4.5 中斷處理,中斷處理一般過程： （1）設備給處理器發(fā)一個中斷信號。 （2）處理器處理完當前指令后檢測到中斷

18、，判斷出中斷來源并向發(fā)送中斷的設備發(fā)送了確認中斷信號，確認信號使得該設備將中斷信號恢復到一般狀態(tài)。 （3）處理器開始為軟件處理中斷做準備： 保存中斷點的程序執(zhí)行上下文環(huán)境，這通常包括程序狀態(tài)字PSW，程序計數(shù)器PC，一些寄存器的值，它們通常保存在系統(tǒng)棧中,處理器狀態(tài)被切換到管態(tài)。,（4）處理器根據(jù)中斷源查詢中斷向量表，獲得與該中斷相聯(lián)系的處理程序入口地址，并將PC置成該地址，處理器開始一個新的指令周期，控制轉移到中斷處理程序 （5）中斷處理程序開始工作 （6）中斷處理結束時，執(zhí)行中斷返回指令，被中斷程序的上下文環(huán)境從系統(tǒng)堆棧中被恢復，處理器狀態(tài)恢復成原來的狀態(tài)。 （7）PSW和PC被恢復成中斷前的值，處理器開始一個新的指令周期，中斷處理結束,中斷系統(tǒng)硬件完成的工作,中斷系統(tǒng)軟件完成的工作,2.5 時鐘,時鐘為計算機完成以下必不可少的工作： 在多道程序運行環(huán)境中，為系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)陷入死循環(huán)（編程錯誤）的作業(yè)，防止機時的浪費 在分時系統(tǒng)中，間隔時鐘實現(xiàn)作業(yè)間按時間片輪轉 在實時系統(tǒng)中，按要求的間隔輸出正確時間信號給實時的控制設備（如AD、D/A轉換設備） 定時喚醒要求延遲執(zhí)行的各外部事件（如定時為