第三讲 操作系统运行机制

1、共共28页页 第第8页页College of Technology and Engineering http:/ 第一部分（内容三）第一部分（内容三） 2.1 中断和陷入中断和陷入 引例：引例： 假设在某小饭馆中，仅有一位大师傅，现有三假设在某小饭馆中，仅有一位大师傅，现有三 批客人几乎同时到达，第一批客人点批客人几乎同时到达，第一批客人点6个菜，第二个菜，第二 批点批点8个菜，第三批点个菜，第三批点4个菜，请思考如何炒这多个个菜，请思考如何炒这多个 菜，才能使客人的满意度最高？菜，才能使客人的满意度最高？ 分析：分析：对于大师傅来说，设第一、二、三批对于大师傅来说，设第一、二、三批 客人的点

2、菜单对应任务客人的点菜单对应任务A、B、C,对于对于A任务任务 又可细分为小任务又可细分为小任务A1、A2、A6，同理，同理B 分为分为B1、B2、B8，C分为分为C1、C4。 2.1 中断和陷入中断和陷入 类比：类比： 一个大师傅一个大师傅 一个一个“CPUCPU” 如何完成多个点菜如何完成多个点菜 单单A、B、C？ 如何运行多个程序如何运行多个程序 A、B、C？ 中断是实现多道程中断是实现多道程 序并发运行的基础序并发运行的基础 2.1 中断和陷入中断和陷入 概念概念 中断中断/ /陷入陷入:指系统发生某个异步指系统发生某个异步/ /同步事件后同步事件后, , 处理机暂停正在执行的程序处理

3、机暂停正在执行的程序, ,转去执行处理该事件转去执行处理该事件 的程序的程序, ,执行完后再返回的过程。执行完后再返回的过程。 引入目的引入目的 l 中断的引入中断的引入:为了开发为了开发CPU和通道和通道(或设备或设备)之间的之间的 并行操作。并行操作。当当CPU启动通道启动通道(或设备或设备)进行进行I/O后，通道后，通道 (或设备或设备)可以独立工作了，可以独立工作了，CPU也可以转去做与此次也可以转去做与此次 I/O不相关的事情，那么通道不相关的事情，那么通道(或设备或设备) I/O完成后，还完成后，还 必须告诉必须告诉CPU，让，让CPU继续继续I/O以后的事情，以后的事情，通道通道

4、(或或 设备设备)通过向通过向CPU发中断告诉发中断告诉CPU此次输入输出结束。此次输入输出结束。 2.1 中断和陷入中断和陷入 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 l 陷入引入：陷入引入：用于表示用于表示CPU执行指令时本身出现算执行指令时本身出现算 术溢出，零做除数，取数时的奇偶错，访存指令越术溢出，零做除数，取数时的奇偶错，访存指令越 界，或就是执行了一条所谓界，或就是执行了一条所谓“陷入指令陷入指令”（用于实（用于实 现系统调用）等情况，这时中断当前的执行流程，现系统调用）等情况，这时中断当前的执行流程，

5、 转到相应的错误处理程序或陷入处理程序。转到相应的错误处理程序或陷入处理程序。 注：注：最早最早中断中断和和陷入陷入并没有区分，都把它们叫并没有区分，都把它们叫 做做“中断中断”。随着它们的发生原因和处理方式的差。随着它们的发生原因和处理方式的差 别愈发明显，才有了以后的别愈发明显，才有了以后的中断中断和和陷入陷入。 2.1 中断和陷入中断和陷入 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 中断中断/陷入分类陷入分类 中断中断( (外中断外中断) ) 陷入陷入( (内中断、内中断、 例外、异常例外、异常 I/O中断中断

6、时钟中断时钟中断 机器故障机器故障 系统调用系统调用 程序性异常程序性异常 缺页异常缺页异常 中断中断: : 与正执行指令与正执行指令无关，可以无关，可以屏蔽屏蔽 陷入陷入: : 与正执行指令与正执行指令有关，不可有关，不可屏蔽屏蔽 广义中断广义中断 中断中断(狭义狭义)与陷入的区别与陷入的区别: 2.1 中断和陷入中断和陷入 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 中断的分级中断的分级 l中断信号的存储中断信号的存储 “中断寄存器中断寄存器” Z中断寄存器中断寄存器:寄存中断事件的全部触发器。寄存中断事件的全部触发

7、器。 Z中断位中断位:每个触发器称为一个中断位，当发生每个触发器称为一个中断位，当发生 某个中断事件时相应位被置某个中断事件时相应位被置1 1，否则为，否则为0 0。 Z中断序号中断序号:给中断的一个顺序编号给中断的一个顺序编号. . 101 012 中断寄存器示意图中断寄存器示意图 2.1 中断和陷入中断和陷入 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 中断的分级中断的分级 l中断优先级（响应级别）中断优先级（响应级别） 思考：思考：由于中断信号是由不同外部设备产生由于中断信号是由不同外部设备产生 的，可能在同一时刻

8、由不同外设向的，可能在同一时刻由不同外设向CPUCPU发出多发出多 个中断信号，这样就存在谁先被响应、处理的个中断信号，这样就存在谁先被响应、处理的 优先次序问题，该如何解决？优先次序问题，该如何解决？ 中断优中断优 先级先级 2.1 中断和陷入中断和陷入 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 高级中断处理高级中断处理 中级中断处理中级中断处理 低级中断处理低级中断处理 Z中断优先级中断优先级：中断的优先程度。原则上，中断的优先程度。原则上，高、低优高、低优 先级中断同时到先响应高级中断。高级中断可以打先级中断同时

9、到先响应高级中断。高级中断可以打 断低级中断处理程序的运行，同级中断同时到时，断低级中断处理程序的运行，同级中断同时到时， 则按位序响应。则按位序响应。 低级中断处理低级中断处理 中级中断处理中级中断处理 高级中断处理高级中断处理 多级中断同时产生的多级中断同时产生的CPUCPU轨迹轨迹 高级中断打断低级中断的高级中断打断低级中断的CPUCPU轨迹轨迹 2.1 中断和陷入中断和陷入 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 Z中断优先级中断优先级设计原则设计原则：一般来说，高速设备的中一般来说，高速设备的中 断优先级高

10、，慢速设备的中断优先级低。因为高速断优先级高，慢速设备的中断优先级低。因为高速 设备的中断被处理机优先响应可以让处理机尽快地设备的中断被处理机优先响应可以让处理机尽快地 向他发出下一个向他发出下一个I/O请求，提高高速设备的利用率。请求，提高高速设备的利用率。 如如PDP-11机上的机上的UNIX系统把中断级别分为：系统把中断级别分为： 时钟中断：中断优先级时钟中断：中断优先级6级级 磁盘中断：中断优先级磁盘中断：中断优先级5级级 终端等其它外设中断：中断优先级终端等其它外设中断：中断优先级4级级 这里优先数越大，优先级别越高，但不一定，这里优先数越大，优先级别越高，但不一定， 由不同系统的设

11、计而定由不同系统的设计而定 2.1 中断和陷入中断和陷入 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 中断屏蔽中断屏蔽 l概念：概念：中断屏蔽指禁止处理机响应中断或禁止中中断屏蔽指禁止处理机响应中断或禁止中 断出现，一般指前者。断出现，一般指前者。 l方法方法： Z硬件实现硬件实现 (软件置处理机优先级软件置处理机优先级, ,硬件按系统设计硬件按系统设计 时的约定屏蔽那些低优先级中断时的约定屏蔽那些低优先级中断) 处理机优先级处理机优先级: :指出处理机正运行程序的中断响应级别。指出处理机正运行程序的中断响应级别。 即当

12、处理机处于某一优先级时，只允许处理机去响应比该优先即当处理机处于某一优先级时，只允许处理机去响应比该优先 级高的中断级高的中断, ,而屏蔽低于或等于其的中断。可以通过置处理机而屏蔽低于或等于其的中断。可以通过置处理机 优先级来通知硬件优先级来通知硬件( (设置屏蔽寄存器设置屏蔽寄存器) )屏蔽屏蔽优先级优先级小于等于小于等于处理处理 机优先级的中断机优先级的中断. .例：以例：以PDP-11机为例，当处理机优先级为机为例，当处理机优先级为5 时，系统将屏蔽磁盘、终端及其他外设中断，响应时钟中断。时，系统将屏蔽磁盘、终端及其他外设中断，响应时钟中断。 2.1 中断和陷入中断和陷入 College

13、 of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 l方法方法： Z软件实现软件实现(由软件按操作系统优先级约定置屏蔽由软件按操作系统优先级约定置屏蔽 寄存器寄存器) 中断寄存器中断寄存器屏蔽寄存器屏蔽寄存器 1 1 1 0 响应中断响应中断 中断屏蔽图示中断屏蔽图示 高优先级中断源高优先级中断源 低优先级中断源低优先级中断源 2.2 中断中断/陷入响应和处理陷入响应和处理 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 中断中断/陷入响应陷入响应 l中断响应中断响应：中断

14、信号是外部设备发给中断信号是外部设备发给CPU的，故的，故 在在CPUCPU的控制部件中需增设一个能检测中断的机构。的控制部件中需增设一个能检测中断的机构。 该机构能够在该机构能够在每条机器指令执行周期内的最后时刻每条机器指令执行周期内的最后时刻 扫描中断寄存器，扫描中断寄存器，“询问询问”是否有中断信号。若无是否有中断信号。若无 中断信号，中断信号，CPU继续执行程序的后续指令，否则继续执行程序的后续指令，否则 CPU停止执行当前程序的后续指令，无条件地转入停止执行当前程序的后续指令，无条件地转入 操作系统内的中断处理程序。这一过程称为中断响操作系统内的中断处理程序。这一过程称为中断响 应。

15、应。 2.2 中断中断/陷入响应和处理陷入响应和处理 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 中断中断/陷入响应陷入响应 l陷入响应陷入响应： 陷入是在执行指令的时候，由指令本身的原因发陷入是在执行指令的时候，由指令本身的原因发 生的，因此当指令的实现逻辑发现发生了异常则转生的，因此当指令的实现逻辑发现发生了异常则转 入操作系统内的异常处理程序。入操作系统内的异常处理程序。 2.2 中断中断/陷入响应和处理陷入响应和处理 College of Technology and Engineering http:/ 共共2

16、8页页 第第15页页 ( (一一) )断点和恢复点断点和恢复点 PC： 程序计数器，指向当前指令的下一条指令。程序计数器，指向当前指令的下一条指令。 断点：断点：检测到中断时检测到中断时, ,处理机刚执行完的那条指令处理机刚执行完的那条指令 地址。地址。 恢复点：恢复点：断点的逻辑后续指令地址，即断点的逻辑后续指令地址，即PCPC的值。的值。 现场信息：现场信息：指中断那一刻确保被中断程序能继续指中断那一刻确保被中断程序能继续 运行的有关信息。如运行的有关信息。如PC,PC,通用寄存器通用寄存器, ,特殊寄存器特殊寄存器 的内容等。的内容等。 l几个基本概念几个基本概念 2.2 中断中断/陷入

17、响应和处理陷入响应和处理 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 断点和恢复点图示断点和恢复点图示 断点断点 恢复点恢复点 注：注： 陷入发生后，恢复点会因为不同的陷入原因而有所陷入发生后，恢复点会因为不同的陷入原因而有所 区别（不一定是断点的下一条指令）。如：区别（不一定是断点的下一条指令）。如： 程序性异常（除程序性异常（除0 0错、溢出）错、溢出）结束程序结束程序 系统调用（访管指令）系统调用（访管指令）返回访管指令的下一条执行返回访管指令的下一条执行 访存指令访存指令( (缺页缺页)返回该返回该“访存指令访存

18、指令” 2.2 中断中断/陷入响应和处理陷入响应和处理 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 ( (二二) )核心态与用户态核心态与用户态 u核心态核心态( (系统态系统态, ,监督方式监督方式, ,管态管态) )：操作系统程序的操作系统程序的 运行状态。当运行状态。当CPU处于内核态时，它可以执行处于内核态时，它可以执行计算机计算机 中所有指令。中所有指令。 u用户态用户态( (用户方式用户方式, ,目态目态) )：用户用户程序的运行状态。程序的运行状态。 当当CPUCPU处于用户态时，它处于用户态时，它只能执行

19、非特权指令只能执行非特权指令，包括，包括 访管指令，但不能执行特权指令。访管指令，但不能执行特权指令。 注：注：用户态程序不能直接调用内核态程序，而是通过用户态程序不能直接调用内核态程序，而是通过 执行访管指令即系统调用，引起一次中断，系统控制执行访管指令即系统调用，引起一次中断，系统控制 由中断系统转入执行由中断系统转入执行OSOS内核态程序，这一过程是由硬内核态程序，这一过程是由硬 件完成的。区分的目的：保护件完成的。区分的目的：保护OSOS程序，提高程序，提高OSOS的可靠的可靠 性和安全性。性和安全性。 2.2 中断中断/陷入响应和处理陷入响应和处理 College of Techno

20、logy and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 （三）中断向量（三）中断向量 u中断向量中断向量: :一片存放中断处理程序入口地址和程一片存放中断处理程序入口地址和程 序运行所需处理机状态字的内存单元。序运行所需处理机状态字的内存单元。 PS(PSW) PS(PSW)：处理机状态字。处理机状态字。PSPS寄存器描述了寄存器描述了CPCP U U的执行状态，主要包括：的执行状态，主要包括： 处理机当前运行态标志位。内设一个标志触发器，处理机当前运行态标志位。内设一个标志触发器， 根据当前值为根据当前值为0 0或或1 1分别表示处理机在核心态或用户分别表示处理机

21、在核心态或用户 态。态。 处理机优先级标志位处理机优先级标志位 是否屏蔽外中断标志位是否屏蔽外中断标志位 2.2 中断中断/陷入响应和处理陷入响应和处理 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页 中断中断/ /陷入处理的一般过程：陷入处理的一般过程： 一旦一旦CPUCPU响应中断响应中断/ /陷入，系统就开始进行中断陷入，系统就开始进行中断/ /陷入陷入 处理，过程如下：处理，过程如下： 保存现场。保存现场。为了在中断处理结束后能使被中断程序正为了在中断处理结束后能使被中断程序正 确地返回到确地返回到中断点中断点，系统

22、必须保存当前处理机的，系统必须保存当前处理机的PSW和和 PC等的值。等的值。 分析原因分析原因, ,转中断转中断/ /陷入处理程序（陷入处理程序（根据根据中断向量中断向量）。）。 在多个中断请求同时发生时，先处理优先级最高的中断在多个中断请求同时发生时，先处理优先级最高的中断 源发出的中断请求。源发出的中断请求。 恢复现场。恢复现场。恢复被中断程序的现场，恢复被中断程序的现场，CPUCPU继续执行原来继续执行原来 被中断的程序。被中断的程序。 2.3 OS与人的接口与人的接口 College of Technology and Engineering http:/ 共共28页页 第第15页页

23、 OS提供的用户接口：提供的用户接口： 系统调用、命令接口、图形接口（系统调用、命令接口、图形接口（GUI） 系统调用系统调用 l 定义：定义：也称为程序接口，用户程序可以利用系统也称为程序接口，用户程序可以利用系统 提供的一组系统调用命令，来调用提供的一组系统调用命令，来调用OS内核中的一个内核中的一个 或一组过程以完成自己所需的功能。如：或一组过程以完成自己所需的功能。如： 打开文件打开文件 fd=open(name,) 关闭文件关闭文件 s=close(fd) 2.3 OS与人的接口与人的接口 College of Technology and Engineering http:/ 共共

24、28页页 第第15页页 系统调用系统调用 l作用：作用： 系统调用是系统调用是OS内核和用户态运行程序之间内核和用户态运行程序之间 的接口的接口，它把用户程序的请求传送至内核，调，它把用户程序的请求传送至内核，调 用相应的内核函数完成所需的处理，将处理结用相应的内核函数完成所需的处理，将处理结 果返回给用户程序。果返回给用户程序。 由于计算机系统中各种共享资源都有由于计算机系统中各种共享资源都有OS统统 一管理，所以在一管理，所以在OS的外层软件或用户程序中，的外层软件或用户程序中， 凡是涉及凡是涉及OS核心管理资源的操作必须由系统调核心管理资源的操作必须由系统调 用实现。用实现。 2.3 O

25、S与人的接口与人的接口 系统调用系统调用 l访管指令：访管指令：由于系统调用而引起处理机由于系统调用而引起处理机“中断中断 （指陷入）（指陷入）”的机器指令称为访管指令或自陷指的机器指令称为访管指令或自陷指 令。它令。它属于非特权指令属于非特权指令，在用户态下执行时会将，在用户态下执行时会将 CPU转换为内核态。转换为内核态。 用户程序执行用户程序执行调用系统调用调用系统调用从系统调用返回从系统调用返回 执行系统调用执行系统调用 内核内核 用户进程用户进程 用户态用户态 模式位模式位=1 核心态核心态 模式位模式位=0 陷入陷入 模式位模式位=0 返回返回 模式位模式位=1 系统调用过程中系统调用过程中CPU模式的转换模式的转换 2.3 OS与人的接口与人的接口 系统调用系统调用 问题：问题：当当OS完成用户要求的完成用户要求的“系统调用系统调用”功能后，功能后， 应使应使CPU在什么状态工作？在什么状态工作？ l一般的程序调用和系统调用的区别：一般的程序调用和系统调用的区别： 一般的程序调用都是调用一个应用子程序或一般的程序调用都是调用一个应用子程序或 者某个系统子程序，调用者与被调用者都处于同者某个系统子程序，调用者与被调用者都处于同 一状态，即用户态或核心态；而系统调用的