操作系統(tǒng)第一第二節(jié)

1、u 主要討論操作系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行硬件環(huán)境的要求主要討論操作系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行硬件環(huán)境的要求u 操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境組成操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境組成u 中斷機(jī)制中斷機(jī)制u 雙重操作模式（雙重操作模式（*）u 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)u處理器：處理器：控制計(jì)算機(jī)的操控制計(jì)算機(jī)的操作，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理功能。作，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理功能。u主存儲(chǔ)器：主存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)程序和數(shù)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。是易失的。據(jù)。是易失的。分層的存分層的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。u輸入輸入/輸出模塊：輸出模塊：在計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)和外部設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。包括：輔存、通信設(shè)備。包括：輔存、通信設(shè)備和終端等。和終端等。u系統(tǒng)總線：

2、系統(tǒng)總線：為上述部件之為上述部件之間的通信而提供的一些結(jié)間的通信而提供的一些結(jié)構(gòu)和機(jī)制。構(gòu)和機(jī)制。u由一個(gè)或多個(gè)由一個(gè)或多個(gè)CPU和若干設(shè)備控制器，通過(guò)公共總線相連和若干設(shè)備控制器，通過(guò)公共總線相連，總線提供對(duì)共享內(nèi)存的訪問(wèn)。，總線提供對(duì)共享內(nèi)存的訪問(wèn)。uCPU和設(shè)備控制器可以并發(fā)執(zhí)行，競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)存周期和設(shè)備控制器可以并發(fā)執(zhí)行，競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)存周期uI/O設(shè)備和設(shè)備和CPU可以同時(shí)執(zhí)行。可以同時(shí)執(zhí)行。u每一設(shè)備控制器負(fù)責(zé)一個(gè)設(shè)備類型。每一設(shè)備控制器負(fù)責(zé)一個(gè)設(shè)備類型。u每個(gè)設(shè)備控制器具有本地緩存。每個(gè)設(shè)備控制器具有本地緩存。uCPU可將數(shù)據(jù)：主存可將數(shù)據(jù)：主存 本地緩存本地緩存uI / O是從設(shè)備到控制器的

3、本地緩沖區(qū)是從設(shè)備到控制器的本地緩沖區(qū)u設(shè)備控制器通過(guò)中斷通知設(shè)備控制器通過(guò)中斷通知CPU已完成操作已完成操作u中斷中斷:CPU對(duì)系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的某個(gè)事件作出的一種反對(duì)系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的某個(gè)事件作出的一種反應(yīng)。如外部設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)設(shè)備出現(xiàn)異常等；應(yīng)。如外部設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)設(shè)備出現(xiàn)異常等；u當(dāng)異步事件發(fā)生后，打斷了對(duì)當(dāng)前程序的執(zhí)行當(dāng)異步事件發(fā)生后，打斷了對(duì)當(dāng)前程序的執(zhí)行u保留現(xiàn)場(chǎng)后自動(dòng)而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)事件的處理程序直到處保留現(xiàn)場(chǎng)后自動(dòng)而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)事件的處理程序直到處理完了后，再轉(zhuǎn)回原程序中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行理完了后，再轉(zhuǎn)回原程序中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行u引入中斷的目的：引入中斷的目的：中斷機(jī)

4、制是操作系統(tǒng)得以正常工作的最中斷機(jī)制是操作系統(tǒng)得以正常工作的最重要的手段，有人把操作系統(tǒng)稱為是由重要的手段，有人把操作系統(tǒng)稱為是由“中斷驅(qū)動(dòng)中斷驅(qū)動(dòng)”或者或者 “（中斷）事件驅(qū)動(dòng)（中斷）事件驅(qū)動(dòng)”。它可以解決：。它可以解決：u主機(jī)與外設(shè)的并行工作問(wèn)題主機(jī)與外設(shè)的并行工作問(wèn)題u提高可靠性提高可靠性u(píng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制u中斷是實(shí)現(xiàn)多道程序的必要條件中斷是實(shí)現(xiàn)多道程序的必要條件u中斷源：中斷源：引起中斷發(fā)生的事件。引起中斷發(fā)生的事件。u 中斷系統(tǒng)組成中斷系統(tǒng)組成：硬件硬件中斷裝置和中斷裝置和軟件軟件中中斷處理程序斷處理程序u中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)的硬件中斷裝置硬件中斷裝置：負(fù)責(zé)捕獲中：負(fù)責(zé)捕獲中斷

5、源發(fā)出的中斷請(qǐng)求，以一定方式響應(yīng)斷源發(fā)出的中斷請(qǐng)求，以一定方式響應(yīng)中斷源，然后將處理器控制權(quán)交給特定中斷源，然后將處理器控制權(quán)交給特定的中斷處理程序的中斷處理程序u 軟件中斷處理程序：軟件中斷處理程序：中斷系統(tǒng)的策略部中斷系統(tǒng)的策略部分。負(fù)責(zé)辨別中斷類型并做出相應(yīng)的操分。負(fù)責(zé)辨別中斷類型并做出相應(yīng)的操作。作。u程序中斷：程序中斷： 一般由指令執(zhí)行的結(jié)果產(chǎn)生，一般由指令執(zhí)行的結(jié)果產(chǎn)生，例如算術(shù)例如算術(shù)溢出、除數(shù)為溢出、除數(shù)為0，執(zhí)行非法指令，非法內(nèi)存訪問(wèn)，執(zhí)行非法指令，非法內(nèi)存訪問(wèn)。u時(shí)鐘中斷：時(shí)鐘中斷：由處理器內(nèi)部的由處理器內(nèi)部的計(jì)時(shí)器產(chǎn)生計(jì)時(shí)器產(chǎn)生，允許操作系，允許操作系統(tǒng)以一定的規(guī)律執(zhí)行統(tǒng)

6、以一定的規(guī)律執(zhí)行uI/O中斷：中斷：由由I/O控制器產(chǎn)生控制器產(chǎn)生，用于發(fā)信號(hào)通知一個(gè)操，用于發(fā)信號(hào)通知一個(gè)操作的正常完成或各種錯(cuò)誤條件作的正常完成或各種錯(cuò)誤條件u硬件失效中斷：硬件失效中斷：掉電、存儲(chǔ)器奇偶錯(cuò)掉電、存儲(chǔ)器奇偶錯(cuò)等的故障產(chǎn)生等的故障產(chǎn)生u訪管中斷：訪管中斷：每當(dāng)每當(dāng)CPU執(zhí)行訪管指令或陷入指令時(shí)，即執(zhí)行訪管指令或陷入指令時(shí)，即引起中斷，并調(diào)用操作系統(tǒng)相應(yīng)的功能模塊為其服務(wù)引起中斷，并調(diào)用操作系統(tǒng)相應(yīng)的功能模塊為其服務(wù)中斷中斷( (外中斷外中斷) )異常異常( (內(nèi)中斷內(nèi)中斷) )例外例外I/OI/O中斷中斷時(shí)鐘中斷時(shí)鐘中斷系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用缺頁(yè)異常缺頁(yè)異常斷點(diǎn)指令斷點(diǎn)指令其他程序

7、性異常其他程序性異常( (如算術(shù)溢出等如算術(shù)溢出等) )廣義中斷廣義中斷中斷屏蔽：中斷屏蔽：指禁止指禁止CPU響應(yīng)中斷。方法是在響應(yīng)中斷。方法是在PSW中設(shè)置中斷屏蔽碼以屏蔽某些指定的中斷類型中設(shè)置中斷屏蔽碼以屏蔽某些指定的中斷類型u如果其如果其PSW的中斷禁止位置位后，則屏蔽中斷的中斷禁止位置位后，則屏蔽中斷 （不包括不可屏蔽的那些中斷）（不包括不可屏蔽的那些中斷）u如果如果PSW中的中斷禁止位未置位：則可以接受中的中斷禁止位未置位：則可以接受其中斷優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行程序中斷優(yōu)先級(jí)的那些中其中斷優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行程序中斷優(yōu)先級(jí)的那些中斷斷u可屏蔽的中斷請(qǐng)求可屏蔽的中斷請(qǐng)求:主要是主要是I/O設(shè)備的中

8、斷設(shè)備的中斷, 通通過(guò)建立在過(guò)建立在PSW中的中的中斷屏蔽位中斷屏蔽位加以屏蔽，加以屏蔽，即即使再有使再有I/O中斷，處理器也不響應(yīng)；中斷，處理器也不響應(yīng)；u不可屏蔽的中斷請(qǐng)求不可屏蔽的中斷請(qǐng)求:屬于機(jī)器故障中斷，包屬于機(jī)器故障中斷，包括內(nèi)存奇偶校驗(yàn)錯(cuò)、掉電等中斷源括內(nèi)存奇偶校驗(yàn)錯(cuò)、掉電等中斷源處理器如何發(fā)現(xiàn)中斷信號(hào)？處理器如何發(fā)現(xiàn)中斷信號(hào)？ 處理器的控制部件中設(shè)處理器的控制部件中設(shè)一個(gè)能檢測(cè)中斷的機(jī)構(gòu)，稱為中斷掃描機(jī)構(gòu)。一個(gè)能檢測(cè)中斷的機(jī)構(gòu)，稱為中斷掃描機(jī)構(gòu)。為為適應(yīng)存在中斷的情況，在指令周期中要增加一個(gè)適應(yīng)存在中斷的情況，在指令周期中要增加一個(gè)中斷周期中斷周期，處理器檢查是否有中斷發(fā)生：處

9、理器檢查是否有中斷發(fā)生：u有：有：處理器掛起當(dāng)前程序的執(zhí)行，并執(zhí)行一處理器掛起當(dāng)前程序的執(zhí)行，并執(zhí)行一個(gè)中斷處理程序；當(dāng)中斷處理程序完成后，個(gè)中斷處理程序；當(dāng)中斷處理程序完成后，處理器在中斷點(diǎn)恢復(fù)對(duì)用戶程序的執(zhí)行。處理器在中斷點(diǎn)恢復(fù)對(duì)用戶程序的執(zhí)行。u沒(méi)有沒(méi)有：則取下一條執(zhí)行繼續(xù)執(zhí)行。則取下一條執(zhí)行繼續(xù)執(zhí)行。u 中斷向量表（中斷向量表（IDT）：）：一個(gè)存放中斷處理程序入口一個(gè)存放中斷處理程序入口地址和程序運(yùn)行所需處理機(jī)狀態(tài)字的內(nèi)存單元。地址和程序運(yùn)行所需處理機(jī)狀態(tài)字的內(nèi)存單元。u 中斷向量：中斷向量：每個(gè)中斷都有一個(gè)向量號(hào)，該值是中斷每個(gè)中斷都有一個(gè)向量號(hào)，該值是中斷在在IDT中的索引。中的

10、索引。u每個(gè)中斷均有其相應(yīng)的處理程序，中斷在使用前每個(gè)中斷均有其相應(yīng)的處理程序，中斷在使用前必須在必須在IDT中注冊(cè)信息，以保證發(fā)生中斷時(shí)能找中注冊(cè)信息，以保證發(fā)生中斷時(shí)能找到相應(yīng)的處理程序到相應(yīng)的處理程序u發(fā)出中斷請(qǐng)求的設(shè)備為了標(biāo)識(shí)自己，向發(fā)出中斷請(qǐng)求的設(shè)備為了標(biāo)識(shí)自己，向CPU發(fā)送發(fā)送一個(gè)該設(shè)備在一個(gè)該設(shè)備在IDT中表目的索引，通過(guò)此索引值中表目的索引，通過(guò)此索引值找到中斷處理程序找到中斷處理程序u由于可能有很多中斷源請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生，通過(guò)中斷優(yōu)由于可能有很多中斷源請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生，通過(guò)中斷優(yōu)先級(jí)加以判定響應(yīng)哪個(gè)中斷請(qǐng)求先級(jí)加以判定響應(yīng)哪個(gè)中斷請(qǐng)求u中斷優(yōu)先級(jí)：中斷優(yōu)先級(jí)：表示中斷的優(yōu)先程度。表示

11、中斷的優(yōu)先程度。u高、低優(yōu)先級(jí)中斷同時(shí)到時(shí)先響應(yīng)高級(jí)中斷。高、低優(yōu)先級(jí)中斷同時(shí)到時(shí)先響應(yīng)高級(jí)中斷。u高級(jí)中斷可以打斷低級(jí)中斷處理程序的運(yùn)行，同級(jí)中高級(jí)中斷可以打斷低級(jí)中斷處理程序的運(yùn)行，同級(jí)中斷同時(shí)到時(shí)，則按順序響應(yīng)。斷同時(shí)到時(shí)，則按順序響應(yīng)。u中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)原則：中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)原則：一般來(lái)說(shuō)，高速設(shè)備的中斷一般來(lái)說(shuō)，高速設(shè)備的中斷優(yōu)先級(jí)高，慢速設(shè)備的中斷優(yōu)先級(jí)低。因?yàn)楦咚僭O(shè)優(yōu)先級(jí)高，慢速設(shè)備的中斷優(yōu)先級(jí)低。因?yàn)楦咚僭O(shè)備的中斷被備的中斷被CPU優(yōu)先響應(yīng)時(shí)，可以讓處理機(jī)盡快地優(yōu)先響應(yīng)時(shí)，可以讓處理機(jī)盡快地向它發(fā)出下一個(gè)向它發(fā)出下一個(gè)I/O請(qǐng)求，提高高速設(shè)備的利用率請(qǐng)求，提高高速設(shè)備的利用率 機(jī)器

12、故障中斷機(jī)器故障中斷 程序中斷和訪管中斷程序中斷和訪管中斷外部中斷外部中斷I/O中斷中斷u多級(jí)中斷系統(tǒng)，可以有多根中斷請(qǐng)求線從不同設(shè)備連接到多級(jí)中斷系統(tǒng)，可以有多根中斷請(qǐng)求線從不同設(shè)備連接到中斷處理機(jī)構(gòu)。若中斷處理過(guò)程中又發(fā)生中斷，中斷處理機(jī)構(gòu)。若中斷處理過(guò)程中又發(fā)生中斷，2種策略：種策略：u1）順序處理：）順序處理：正在響應(yīng)一個(gè)中斷時(shí)禁止響應(yīng)其它中斷，對(duì)正在響應(yīng)一個(gè)中斷時(shí)禁止響應(yīng)其它中斷，對(duì)任何新中斷置之不理任何新中斷置之不理u在任何中斷處理前使用禁止中斷指令；在任何中斷處理前使用禁止中斷指令；u在處理結(jié)束后開(kāi)放中斷指令在處理結(jié)束后開(kāi)放中斷指令u所有中斷嚴(yán)格按照發(fā)生順序處理所有中斷嚴(yán)格按照發(fā)

13、生順序處理u不考慮中斷緊急程度，無(wú)法達(dá)到較嚴(yán)格時(shí)間要求不考慮中斷緊急程度，無(wú)法達(dá)到較嚴(yán)格時(shí)間要求u2)嵌套中斷處理：嵌套中斷處理：允許嵌套處理，即允許高優(yōu)先級(jí)的中斷引允許嵌套處理，即允許高優(yōu)先級(jí)的中斷引發(fā)低優(yōu)先級(jí)的中斷處理程序自身的中斷。發(fā)低優(yōu)先級(jí)的中斷處理程序自身的中斷。 只要合適地定義只要合適地定義中斷的優(yōu)先級(jí)別，方法中斷的優(yōu)先級(jí)別，方法1的弊端大都可以克服的弊端大都可以克服用戶程序低級(jí)中斷高級(jí)中斷順序處理順序處理嵌套處理嵌套處理保存現(xiàn)場(chǎng)保存現(xiàn)場(chǎng) 轉(zhuǎn)中斷處理程序轉(zhuǎn)中斷處理程序 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單的中斷處理簡(jiǎn)單的中斷處理 - 典型的處理過(guò)程：典型的處理過(guò)程：（1）設(shè)備給）設(shè)備給CPU發(fā)一個(gè)

14、中斷信號(hào)發(fā)一個(gè)中斷信號(hào)（2）CPU處理完當(dāng)前指令后響應(yīng)中斷（要求處理完當(dāng)前指令后響應(yīng)中斷（要求CPU未關(guān)中斷）未關(guān)中斷）（3）CPU處理完當(dāng)前指令后檢測(cè)到中斷，判斷出中斷來(lái)源并處理完當(dāng)前指令后檢測(cè)到中斷，判斷出中斷來(lái)源并向發(fā)送中斷的設(shè)備發(fā)送了確認(rèn)中斷信號(hào)，確認(rèn)信號(hào)使得該向發(fā)送中斷的設(shè)備發(fā)送了確認(rèn)中斷信號(hào)，確認(rèn)信號(hào)使得該設(shè)備將中斷信號(hào)恢復(fù)到一般狀態(tài)設(shè)備將中斷信號(hào)恢復(fù)到一般狀態(tài)（4）CPU開(kāi)始為軟件處理中斷做準(zhǔn)備：開(kāi)始為軟件處理中斷做準(zhǔn)備：u 保存上下文，包括程序狀態(tài)字保存上下文，包括程序狀態(tài)字PSW、程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC中中 的下一條指令位置，一些寄存器的值；的下一條指令位置，一些寄存器的值

15、；u 處理器狀態(tài)被切換到管態(tài)處理器狀態(tài)被切換到管態(tài)簡(jiǎn)單的中斷處理簡(jiǎn)單的中斷處理 -典型的處理過(guò)程典型的處理過(guò)程(續(xù)）：續(xù)）：（5）CPU根據(jù)中斷源查詢中斷向量表，獲得與該中斷相聯(lián)系根據(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，并將的處理程序入口地址，并將PC置成該地址，置成該地址，CPU開(kāi)始一個(gè)開(kāi)始一個(gè)新的指令周期，控制轉(zhuǎn)移到中斷處理程序新的指令周期，控制轉(zhuǎn)移到中斷處理程序（6）中斷處理程序開(kāi)始工作，包括檢查）中斷處理程序開(kāi)始工作，包括檢查I/O相關(guān)的狀態(tài)信息，相關(guān)的狀態(tài)信息，操縱操縱I/O設(shè)備或者在設(shè)備和主存之間傳送數(shù)據(jù)等等設(shè)備或者在設(shè)備和主存之間傳送數(shù)據(jù)等等（7）中斷處理

16、結(jié)束時(shí)，）中斷處理結(jié)束時(shí)，CPU檢測(cè)到中斷返回指令，恢復(fù)上下檢測(cè)到中斷返回指令，恢復(fù)上下文。文。（8）PSW和和PC被恢復(fù)成中斷前的值，處理器開(kāi)始一個(gè)新的指被恢復(fù)成中斷前的值，處理器開(kāi)始一個(gè)新的指令周期，中斷處理結(jié)束令周期，中斷處理結(jié)束簡(jiǎn)單的中斷處理過(guò)程簡(jiǎn)單的中斷處理過(guò)程u特權(quán)指令：特權(quán)指令：只能由操作系統(tǒng)程序使用的指令，如只能由操作系統(tǒng)程序使用的指令，如啟啟動(dòng)動(dòng)I/O設(shè)備、設(shè)置時(shí)鐘、控制中斷屏蔽位、清內(nèi)存、設(shè)備、設(shè)置時(shí)鐘、控制中斷屏蔽位、清內(nèi)存、加載加載PSW等（能引起損害的機(jī)器指令）。等（能引起損害的機(jī)器指令）。u非特權(quán)指令非特權(quán)指令:用戶程序系統(tǒng)所使用的指令。用戶程序系統(tǒng)所使用的指令。u

17、注意：注意：u使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)必須要使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)必須要區(qū)分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令區(qū)分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令u特權(quán)指令一般引起處理器狀態(tài)的切換特權(quán)指令一般引起處理器狀態(tài)的切換u處理器通過(guò)特殊的機(jī)制將處理器狀態(tài)切換到操作系處理器通過(guò)特殊的機(jī)制將處理器狀態(tài)切換到操作系統(tǒng)運(yùn)行的特權(quán)狀態(tài)（管態(tài)）統(tǒng)運(yùn)行的特權(quán)狀態(tài)（管態(tài)）u然后將處理權(quán)移交給操作系統(tǒng)中的一段特殊代碼，然后將處理權(quán)移交給操作系統(tǒng)中的一段特殊代碼，這一個(gè)過(guò)程稱為陷入這一個(gè)過(guò)程稱為陷入u背景：背景：多道程序系統(tǒng)中，由于采用共享，一個(gè)程多道程序系統(tǒng)中，由于采用共享，一個(gè)程序中的錯(cuò)誤有可能惡意地影響多個(gè)程序

18、，甚至序中的錯(cuò)誤有可能惡意地影響多個(gè)程序，甚至OS程序本身。程序本身。u 根據(jù)運(yùn)行程序?qū)Y源和機(jī)器指令的使用權(quán)限將根據(jù)運(yùn)行程序?qū)Y源和機(jī)器指令的使用權(quán)限將處理器設(shè)置為不同狀態(tài)處理器設(shè)置為不同狀態(tài)程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSWu 一般將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài)一般將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài)u 具體處理器將具體處理器將CPU狀態(tài)劃分為兩種、三種或四種狀態(tài)劃分為兩種、三種或四種u雙重操作模式：雙重操作模式：為了確保為了確保OS和所有其它程序和數(shù)據(jù)不受任和所有其它程序和數(shù)據(jù)不受任何故障程序影響，何故障程序影響，CPU至少需要兩重獨(dú)立的操作模式：至少需要兩重獨(dú)立的操作模式：u系統(tǒng)模式（特權(quán)狀態(tài)、

19、系統(tǒng)態(tài)、系統(tǒng)模式（特權(quán)狀態(tài)、系統(tǒng)態(tài)、管態(tài)管態(tài)）：操作系統(tǒng)管理：操作系統(tǒng)管理程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，較高的特權(quán)級(jí)別。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，較高的特權(quán)級(jí)別。當(dāng)CPU處于系統(tǒng)處于系統(tǒng)模式時(shí)，程序可以執(zhí)行特權(quán)指令，訪問(wèn)所有資源，并可模式時(shí)，程序可以執(zhí)行特權(quán)指令，訪問(wèn)所有資源，并可以改變處理器狀態(tài)。以改變處理器狀態(tài)。u用戶模式（用戶態(tài)、用戶模式（用戶態(tài)、目態(tài)目態(tài)、常態(tài)）、常態(tài)）：用戶程序運(yùn)行時(shí)的用戶程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，較低的特權(quán)級(jí)別。當(dāng)狀態(tài)，較低的特權(quán)級(jí)別。當(dāng)CPU處于用戶狀態(tài)時(shí)，程序處于用戶狀態(tài)時(shí)，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令只能執(zhí)行非特權(quán)指令。u如如MSDOS沒(méi)有雙重模式，因而錯(cuò)誤用戶程序可以會(huì)沒(méi)有雙重模式，因而錯(cuò)

20、誤用戶程序可以會(huì)清除整個(gè)操作系統(tǒng)，造成災(zāi)難性后果。清除整個(gè)操作系統(tǒng)，造成災(zāi)難性后果。u386、486、Pentium系列都支持系列都支持4個(gè)處理器特權(quán)個(gè)處理器特權(quán)級(jí)別（特權(quán)環(huán)：級(jí)別（特權(quán)環(huán)：R0、R1、R2和和R3）u從從R0到到R3特權(quán)能力依次降低特權(quán)能力依次降低uR0相當(dāng)于雙狀態(tài)系統(tǒng)的管態(tài)相當(dāng)于雙狀態(tài)系統(tǒng)的管態(tài)uR3相當(dāng)于目態(tài)相當(dāng)于目態(tài)uR1和和R2則介于兩者之間，它們能夠運(yùn)行的指則介于兩者之間，它們能夠運(yùn)行的指令集合具有包含關(guān)系：令集合具有包含關(guān)系：3210RRRRIIII各個(gè)級(jí)別有保護(hù)性檢查（地址校驗(yàn)、各個(gè)級(jí)別有保護(hù)性檢查（地址校驗(yàn)、I/O限制）限制）特權(quán)級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換方式相似特權(quán)級(jí)別

21、之間的轉(zhuǎn)換方式相似四個(gè)級(jí)別運(yùn)行不同類別的程序：四個(gè)級(jí)別運(yùn)行不同類別的程序：uR0-運(yùn)行操作系統(tǒng)核心代碼運(yùn)行操作系統(tǒng)核心代碼uR1-運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和I/O處理例程處理例程uR2-運(yùn)行其他受保護(hù)共享代碼，如語(yǔ)言系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)運(yùn)行其他受保護(hù)共享代碼，如語(yǔ)言系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境境uR3-運(yùn)行各種用戶程序運(yùn)行各種用戶程序 現(xiàn)有基于現(xiàn)有基于x86處理器的操作系統(tǒng)，處理器的操作系統(tǒng)，多數(shù)多數(shù)UNIX、Linux以及以及Windows系列系列大都只用了大都只用了R0和和R3兩個(gè)兩個(gè)特權(quán)級(jí)別特權(quán)級(jí)別u問(wèn)題：?jiǎn)栴}： CPU如何知道當(dāng)前運(yùn)行的是操作系統(tǒng)還是如何知道當(dāng)前運(yùn)行的是操作系統(tǒng)還是一般應(yīng)用軟件

22、？根據(jù)一般應(yīng)用軟件？根據(jù)PSW中的標(biāo)識(shí)進(jìn)行判斷中的標(biāo)識(shí)進(jìn)行判斷。u在在PSW中專門設(shè)置一位，根據(jù)運(yùn)行程序使用指令的權(quán)中專門設(shè)置一位，根據(jù)運(yùn)行程序使用指令的權(quán)限而設(shè)置限而設(shè)置CPU狀態(tài)狀態(tài)uPSW：寄存寄存CPU運(yùn)行狀態(tài)的寄存器。運(yùn)行狀態(tài)的寄存器。u在在PSW中專門設(shè)置一位，根據(jù)運(yùn)行程序使用指令的權(quán)中專門設(shè)置一位，根據(jù)運(yùn)行程序使用指令的權(quán)限而設(shè)置限而設(shè)置，用來(lái)說(shuō)明當(dāng)前在用來(lái)說(shuō)明當(dāng)前在CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用戶，從而決定其是否可以使用特權(quán)指令或還是一般用戶，從而決定其是否可以使用特權(quán)指令或擁有其它的特殊權(quán)力擁有其它的特殊權(quán)力1514131211109876543210T

23、SI2I1I0XNZVC條件位：條件位：C： 進(jìn)位標(biāo)志位進(jìn)位標(biāo)志位 V： 溢出標(biāo)志位溢出標(biāo)志位Z： 結(jié)果為零標(biāo)志位結(jié)果為零標(biāo)志位N： 結(jié)果為負(fù)標(biāo)志位結(jié)果為負(fù)標(biāo)志位I0 I2：三位中斷屏蔽位三位中斷屏蔽位S：CPU狀態(tài)標(biāo)志位，為狀態(tài)標(biāo)志位，為1處于管態(tài)，為處于管態(tài)，為0處于目態(tài)處于目態(tài)T：陷阱陷阱（Trap）中斷指示位為中斷指示位為1， 在下一條指令執(zhí)行后引起自陷中斷在下一條指令執(zhí)行后引起自陷中斷CF： 進(jìn)位標(biāo)志位進(jìn)位標(biāo)志位 ZF： 結(jié)果為零標(biāo)志位結(jié)果為零標(biāo)志位 SF： 符號(hào)標(biāo)志位符號(hào)標(biāo)志位OF： 溢出標(biāo)志位溢出標(biāo)志位標(biāo)準(zhǔn)條件位：標(biāo)準(zhǔn)條件位： TF：陷阱標(biāo)志位：陷阱標(biāo)志位IF：中斷允許（中斷屏蔽

24、）標(biāo)志位：中斷允許（中斷屏蔽）標(biāo)志位VIF：虛擬中斷標(biāo)志位：虛擬中斷標(biāo)志位VIP：虛擬中斷待決標(biāo)志位：虛擬中斷待決標(biāo)志位IOPL：IO特權(quán)級(jí)別特權(quán)級(jí)別 目態(tài)目態(tài) 管態(tài)（用戶態(tài)系統(tǒng)態(tài)）管態(tài)（用戶態(tài)系統(tǒng)態(tài)）唯一途徑唯一途徑 ： 通過(guò)中斷（系統(tǒng)調(diào)用、中斷事件）通過(guò)中斷（系統(tǒng)調(diào)用、中斷事件）管態(tài)管態(tài)目態(tài)（系統(tǒng)態(tài)用戶態(tài)）目態(tài)（系統(tǒng)態(tài)用戶態(tài)）設(shè)置設(shè)置PSW(PSW(修改程序狀態(tài)字修改程序狀態(tài)字) )一條特殊的指令：訪管指令一條特殊的指令：訪管指令 供用戶調(diào)用操作系統(tǒng)的功能（服務(wù)）供用戶調(diào)用操作系統(tǒng)的功能（服務(wù)）INT，TRAP，SYSCALL處理器處于系統(tǒng)模式（管態(tài)）時(shí)：處理器處于系統(tǒng)模式（管態(tài)）時(shí)：u全

25、部指令（包括特權(quán)指令）可以執(zhí)行全部指令（包括特權(quán)指令）可以執(zhí)行u可使用所有資源可使用所有資源u并具有改變處理器狀態(tài)的能力并具有改變處理器狀態(tài)的能力處理器處于用戶模式（目態(tài)）時(shí)：處理器處于用戶模式（目態(tài)）時(shí)：u只有非特權(quán)指令能執(zhí)行只有非特權(quán)指令能執(zhí)行特權(quán)級(jí)別越高，可以運(yùn)行指令集合越大特權(quán)級(jí)別越高，可以運(yùn)行指令集合越大高特權(quán)級(jí)別對(duì)應(yīng)的可運(yùn)行指令集合包含低特權(quán)級(jí)的高特權(quán)級(jí)別對(duì)應(yīng)的可運(yùn)行指令集合包含低特權(quán)級(jí)的u存儲(chǔ)系統(tǒng)是支持存儲(chǔ)系統(tǒng)是支持OS運(yùn)行硬件環(huán)境的一個(gè)重要運(yùn)行硬件環(huán)境的一個(gè)重要方面：方面：u多道程系統(tǒng)中，若干個(gè)程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)要放入主多道程系統(tǒng)中，若干個(gè)程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)要放入主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器u操

26、作系統(tǒng)要管理、保護(hù)程序和數(shù)據(jù)，使它們不至于操作系統(tǒng)要管理、保護(hù)程序和數(shù)據(jù)，使它們不至于受到破壞受到破壞u操作系統(tǒng)本身也要存放在主存儲(chǔ)器中并運(yùn)行操作系統(tǒng)本身也要存放在主存儲(chǔ)器中并運(yùn)行u存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)問(wèn)題：存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)問(wèn)題：容量、速度和成本容量、速度和成本u 容量：需求無(wú)止境容量：需求無(wú)止境u 速度：能匹配處理器的速度速度：能匹配處理器的速度u 成本問(wèn)題：成本和其它部件相比應(yīng)在合適范圍之內(nèi)成本問(wèn)題：成本和其它部件相比應(yīng)在合適范圍之內(nèi)容量、速度和成本容量、速度和成本u三個(gè)目標(biāo)不可能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，要作權(quán)衡三個(gè)目標(biāo)不可能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，要作權(quán)衡u存取速度快，每比特價(jià)格高存取速度快，每比特價(jià)格高u容量

27、大，每比特價(jià)格越低，同時(shí)存取速度也越慢容量大，每比特價(jià)格越低，同時(shí)存取速度也越慢解決方案：采用層次化的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)解決方案：采用層次化的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)u當(dāng)沿著層次下降時(shí)當(dāng)沿著層次下降時(shí)u每比特的價(jià)格將下降，容量將增大每比特的價(jià)格將下降，容量將增大u速度將變慢，處理器的訪問(wèn)頻率也將下降速度將變慢，處理器的訪問(wèn)頻率也將下降層次化的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵：提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵： 程序存儲(chǔ)訪問(wèn)局部性原理程序存儲(chǔ)訪問(wèn)局部性原理u程序執(zhí)行時(shí)，有很多循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進(jìn)入這樣程序執(zhí)行時(shí)，有很多循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進(jìn)入這樣的程序段，就會(huì)重復(fù)存取相同的指令集合的程序段，就會(huì)

28、重復(fù)存取相同的指令集合u對(duì)數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短的時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定地保持對(duì)數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短的時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定地保持在一個(gè)存儲(chǔ)器的局部區(qū)域在一個(gè)存儲(chǔ)器的局部區(qū)域處理器主要和存儲(chǔ)器的局部打交道處理器主要和存儲(chǔ)器的局部打交道經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，使用的代碼和數(shù)據(jù)集合會(huì)改變經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，使用的代碼和數(shù)據(jù)集合會(huì)改變u存儲(chǔ)最小單位存儲(chǔ)最小單位:“二進(jìn)位二進(jìn)位”，包含信息為，包含信息為0或或1u最小編址單位最小編址單位:字節(jié)，一個(gè)字節(jié)包含八個(gè)二進(jìn)位字節(jié)，一個(gè)字節(jié)包含八個(gè)二進(jìn)位主流個(gè)人電腦主流個(gè)人電腦u主存主存:1G4G之間之間u輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器:在在160GB500GB工作站、服務(wù)器工作站、服務(wù)器

29、u主存主存:512MB 8GB之間之間u硬盤容量硬盤容量:數(shù)百數(shù)百GB為簡(jiǎn)化分配和管理，存儲(chǔ)器分成塊為簡(jiǎn)化分配和管理，存儲(chǔ)器分成塊,稱一個(gè)物理頁(yè)（稱一個(gè)物理頁(yè)（Page）u塊的大?。簤K的大?。?12B、1KB、4KB、8KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MBu問(wèn)題：?jiǎn)栴}：多用戶多用戶,多任務(wù)操作系統(tǒng)，多任務(wù)操作系統(tǒng)，OS給每個(gè)運(yùn)行進(jìn)給每個(gè)運(yùn)行進(jìn)程分配一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。多個(gè)程序同時(shí)在同一臺(tái)機(jī)程分配一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。多個(gè)程序同時(shí)在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，器上運(yùn)行， 怎樣才能互不侵犯？怎樣才能互不侵犯？u存儲(chǔ)保護(hù)：存儲(chǔ)保護(hù)：對(duì)主存中的信息加以嚴(yán)格的保護(hù)，使對(duì)主存中的信息加以嚴(yán)格的保護(hù)，使操作系統(tǒng)及其它程序不被破壞，是其正確運(yùn)行的操作系統(tǒng)及其它程序不被破壞，是其正確運(yùn)行的基本條件之一基本條件之一u 保護(hù)的硬件支持保護(hù)的硬件支持：u界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器（界限寄存器）u存儲(chǔ)鍵存儲(chǔ)鍵u地址轉(zhuǎn)換地址轉(zhuǎn)換界地址寄存器界地址寄存器存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)u界地址寄存器：一種存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)界地址寄存器：一種存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)u機(jī)制比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)制比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法：u在在CPU中設(shè)置一對(duì)下限寄存器和上限寄存器中設(shè)置一對(duì)下限寄存器和上限寄存器 存放用戶作業(yè)在內(nèi)存中的下限和上限地址存放用戶作業(yè)在內(nèi)存中的下限和上限地址