操作系統(tǒng)運行環(huán)境課件

操作系統(tǒng)運行環(huán)境

2.1.1中央處理器（CPU）單機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)單機系統(tǒng)：只有一個處理器的計算機系統(tǒng)多機系統(tǒng)：有多個處理器的計算機系統(tǒng)2.1.1中央處理器（CPU）單用戶單任務(wù)和多用戶多任務(wù)

單用戶單任務(wù)多用戶多任務(wù)2.1.1中央處理器（CPU）特權(quán)指令和非特權(quán)指令在指令系統(tǒng)中只能由操作系統(tǒng)使用的指令，如：啟動設(shè)備、設(shè)置時鐘、中斷屏蔽、清除內(nèi)存、存儲保護等，稱為特權(quán)指令。用戶只能使用非特權(quán)指令操作系統(tǒng)可以使用所有的指令問題1：計算機如何判斷當前執(zhí)行指令的是用戶還是操作系統(tǒng)呢？2.1.1中央處理器（CPU）處理器的狀態(tài)管態(tài)（管理態(tài)）：操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài)。當處理器處于管理態(tài)時可以運行所有指令。目態(tài)（問題態(tài)）：用戶程序運行的狀態(tài)。當處理器處于目態(tài)時，只能執(zhí)行非特權(quán)指令。問題2：如何使計算機識別當前的處理器狀態(tài)呢？2.1.1中央處理器（CPU）程序狀態(tài)字PSWPSW是一個特殊的寄存器，用于指示處理器的狀態(tài)不同的處理器，他們的PSW的位數(shù)不同，格式也不同。一個PSW的例子：見教材page202.1.2主存儲器存儲器的功能程序（包括用戶程序和操作系統(tǒng)程序）只能放在主存中才能運行。存儲器的類型讀寫型（RAM:RandomAccessMemory）只讀型(ROM:ReadOnlyMemory)2.1.2主存儲器存儲分塊為了簡化對存儲器的分配和管理，以“塊”作為存儲器分配的最小單位。不同的計算機系統(tǒng)，塊的大小不同。2.1.2主存儲器存儲保護為什么要使用存儲保護？存儲保護的方法：界地址寄存器：在CPU中設(shè)置一對寄存器來存放用戶作業(yè)在主存中的上限地址和下限地址，分別稱為上限寄存器和下限寄存器（或者保存下限和程序長度）2.1.2主存儲器存儲保護存儲保護的方法：界地址寄存器存儲保護鍵：每個存儲塊都有一個五位二進制組成的存儲保護鍵（不占用塊）2.1.2主存儲器存儲鍵當用戶程序進入內(nèi)存時，操作系統(tǒng)為它分配一個唯一的存儲鍵號，而用于存放該程序的內(nèi)存塊的存儲鍵號也設(shè)置為相同的值。因為每個用戶程序的存儲鍵值是唯一的，所以存儲鍵的位數(shù)決定了可以同時進入內(nèi)存的程序個數(shù)。（0號鍵是操作系統(tǒng)程序使用的鍵值，稱萬能鍵）某個程序在CPU上運行時，它的存儲鍵值寫入PSW，當CPU訪問內(nèi)存時，要檢查訪問的內(nèi)存塊的存儲鍵是否與PSW相應數(shù)值相同。2.1.2主存儲器取保護位取0：即使存儲鍵不同，也可以允許對該塊內(nèi)容進行讀取，但不能進行寫操作。取1：如果存儲鍵不同，就不允許對該塊進行任何操作。Page39習題2.82.1.3緩沖技術(shù)緩沖外部設(shè)備在進行數(shù)據(jù)傳輸期間專門用來暫存這些數(shù)據(jù)的貯存區(qū)域為什么使用緩沖區(qū)CPU處理數(shù)據(jù)的速度與設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)速度不匹配2.1.4中斷技術(shù)中斷中斷：CPU對系統(tǒng)中發(fā)生的異步事件（隨機事件）的響應中斷事件（中斷源）：引起中斷的事件中斷處理程序：處理中斷事件的程序中斷的作用能充分發(fā)揮處理器的使用效率提高系統(tǒng)的實時處理能力2.1.4中斷技術(shù)中斷的類型不同的機器對中斷類型的劃分不同，大致包括：不可屏蔽中斷（電源故障、機器內(nèi)部故障等）可屏蔽中斷（輸入輸出中斷）程序中斷（溢出、缺頁、讀內(nèi)存錯等）軟件中斷（訪管中斷）外部中斷（時鐘中斷、控制臺中斷、多機通訊）2.1.4中斷技術(shù)中斷邏輯中斷邏輯是接收各種中斷源發(fā)出的中斷請求信號，并按優(yōu)先級決定響應哪個中斷的機構(gòu)。對應每個中斷源有一個中斷觸發(fā)器寄存中斷信號。中斷掃描機構(gòu)用于在每個指令周期掃描中斷寄存器，檢查是否有中斷信號。2.1.4中斷技術(shù)2.1.4中斷技術(shù)中斷優(yōu)先級優(yōu)先級越高的中斷優(yōu)先被處理具有同樣優(yōu)先級的中斷：固定優(yōu)先數(shù)輪轉(zhuǎn)法中斷響應CPU什么時候響應中斷如何知道發(fā)出中斷的中斷源是哪一個2.1.4中斷技術(shù)中斷處理過程保存中斷現(xiàn)場保存斷點的PSW保存斷點地址（CS:IP）取中斷向量進入中斷處理程序中斷返回2.1.5時鐘、時鐘隊列計算機系統(tǒng)時鐘的作用定時提供用戶和系統(tǒng)所需的絕對時間用作可編程的發(fā)生器記錄用戶使用設(shè)備的時間記錄外部事件發(fā)生的時間在分時系統(tǒng)中，實現(xiàn)用戶時間片在實時系統(tǒng)中，輸出正確的時間信號2.1.5時鐘、時鐘隊列絕對時鐘和間隔時鐘絕對時鐘：記錄當前的絕對時間，提供給系統(tǒng)真實的時間。相對時鐘：也稱間隔時鐘，用作程序的定時器、中斷觸發(fā)器等。時鐘隊列為了定時喚醒某些程序而設(shè)計的一種技術(shù)。Page292.2操作系統(tǒng)與其它軟件的關(guān)系操作系統(tǒng)屬于計算機軟件系統(tǒng)，但是和其它的軟件不同，它管理著整個計算機系統(tǒng)的運行；為其它軟件提供了運行環(huán)境。操作系統(tǒng)程序在其它軟件運行的各個階段對它們進行管理。本節(jié)涉及到用戶作業(yè)在計算機上運行的過程，以及在這個過程中操作系統(tǒng)所起到的作用2.2操作系統(tǒng)與其它軟件的關(guān)系2.2.1作業(yè)、作業(yè)步和進程2.2.2重定位2.2.3裝入程序2.2.1作業(yè)、作業(yè)步和進程作業(yè)：要求計算機處理的一個相對獨立的任務(wù)作業(yè)步：完成一個作業(yè)所需要順序執(zhí)行的步驟進程：線程：2.2.2重定位重定位對程序中的地址進行重新設(shè)置，把相對地址變?yōu)榻^對地址。相對地址相對于某個基準量編址的時候使用的地址，用于程序編寫和編譯的地址系統(tǒng)。絕對地址存儲控制部件能夠識別的貯存單元編號，即主存單元的實際地址。2.2.2重定位相對地址空間也稱邏輯地址空間、用戶地址空間，即程序中相對地址的全體。物理地址空間即主存的實際地址空間。2.2.2重定位為什么要重定位？重定位的類型靜態(tài)重定位：在程序裝入主存時，由連接裝入程序進行動態(tài)重定位：在處理器每次訪問主存時，由動態(tài)地址變換機構(gòu)進行2.2.3裝入程序絕對裝入通常在個人PC機上。編譯程序直接把用戶程序翻譯成絕對地址形式，裝入時只需按順序讀入。相對裝入（連接裝入）如果裝入的程序需要調(diào)用過程或子過程，需要先把這些過程和子過程同主程序裝配起來形成一個完整的程序，并裝入主存。2.2.3裝入程序相對裝入的兩個主要問題如何區(qū)分地址項和非地址項編譯時把程序中的數(shù)據(jù)項加上指示字，便明是否地址項使用一個重定位表，依次給出需要重定位的數(shù)據(jù)項如何把各程序段連接起來內(nèi)部定義符號表：記錄每個內(nèi)部符號名和它在本程序中的相對地址。外部調(diào)用符號表：包括本程序所調(diào)用的所有外部符號名。2.2.3裝入程序相對裝入示例：page322.4固件——微程序設(shè)計概念固件具有軟件功能的硬件通過微程序設(shè)計技術(shù)將軟件轉(zhuǎn)化為硬件微程序設(shè)計所謂微程序設(shè)計就是指把計算機控制器的操作用微指令編成程序來實現(xiàn)，這樣的程序稱為微程序或微代碼。微指令計算機控制線路的操作是由一系列基本的動作組成的，這些基本動作稱為微操作或