操作系统 ---计算机结构与工作原理基础知识

1、 彭文青彭文青 J Principles of Operating System第 一 章 操作系统是计算机的大脑、操作系统是计算机的大脑、中枢神经、中枢神经、是计算机的灵魂。你想了解是计算机的灵魂。你想了解计算机的中枢计算机的中枢神经是怎样工作的神经是怎样工作的吗？吗？本章讨论的问题冯诺依曼型计算机体系结构指令执行的基本过程与操作系统相关的几种主要寄存器各种存储器的访问速度关于操作系统内核关于中断关于处理机指令系统关于进程运行的状态操作系统操作系统OS（Operating System）是最重要的系）是最重要的系统软件，在计算机系统中占据了统软件，在计算机系统中占据了特殊重要的地特殊重要的地

2、位位。1. OS1. OS是配置在计算机硬件上的第是配置在计算机硬件上的第一一 层软件，层软件， 是对计算机硬件的首是对计算机硬件的首次扩充。次扩充。2. 2. 所有的计算机软件都必须在所有的计算机软件都必须在操作系统操作系统 的支持下才能运行。的支持下才能运行。用户程序用户程序系统应用程序系统应用程序操作系统操作系统裸机裸机操作系统操作系统计算机的五代变化计算机的五代变化第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理 ； 第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制 ； 第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机 ；第四代为19721990年，大规模和超大规模集

3、成电路计算机：微型计算机 ； 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现。基本组成基本组成控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机 存储程序存储程序并按地址顺序执行按地址顺序执行- 这就是冯冯诺依曼诺依曼型计算机的设计思想，也是机器自自动化动化工作的关键。 五大部件： 控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心 指令的执行指令的执行执行指令的基本过程分为两步，即:从内存把指令读入的过程和执行

4、的过程。其中，读指令是根据程序计数器PC所指的地址读入，而执行的指令则是指令寄存器IR中的指令。我们把指令的读入和执行过程称为一个执行周期。 图 指令的执行周期图 计算机的基本硬件元素 图 控制器基本组成框图11与操作系统相关的几种主要寄存器 寄存器寄存器与操作系统密切相关，因为它们是在处理机中交在处理机中交换数据的速度比内存更快、体积也更小，而价格又更贵的暂换数据的速度比内存更快、体积也更小，而价格又更贵的暂存器件。存器件。 处理机中寄存寄存的功能分为二二类，即用户可编程的寄存器用户可编程的寄存器以及控制与状态寄存器控制与状态寄存器。 机器语言或汇编语言的程序员可对用户可编程寄存器用户可编程

5、寄存器进行操作，以获得更高的执行效率等。 控制与状态寄存器控制与状态寄存器则被用来对处理机的优先级、保护模式或用户程序执行时的调用关系等进行控制和操作。 一般来说，用户可编程寄存器和控制与状态寄存器之间没有严格的区分和限制，在不同的系统中，寄存器的功能和作用可能不完全相同。典型的用户可编程寄存器包括以下几种：典型的用户可编程寄存器包括以下几种：1. 数据寄存器数据寄存器编程人员可以通过程序赋予数据寄存器众多的功能。一般来说，对数据进行操作的任何机器指令都被允许访问数据寄存器。不过，根据硬件设置的规定，这些寄存器也可能只被允许进行浮点运算或被其他某些规定所限制。2. 地址寄存器地址寄存器地址寄存

6、器一般用来存放内存中某个数据或指令的地址，或者存放某段数据与指令的入口地址以及被用来进行更复杂的地址计算。下面几种寄存器都可被认为是地址寄存器：(1） 地址标识位寄存器；(2） 内存管理用各种始地址寄存器；(3） 堆栈指针；(4） 设备地址寄存器等。3. 条件码寄存器条件码寄存器条件码寄存器也称标志寄存器。条件码寄存器的比特位由处理机硬件设置。典型的控制与状态寄存器包括以下几种：4. 程序计数器程序计数器PC程序计数器内装有下一周期被执行指令的地址。5. 指令寄存器指令寄存器IR指令寄存器内装有待执行指令。6. 程序状态字程序状态字PSW程序状态字寄存器的各个比特位代表系统中当前的各种不同状态

7、与信息。如执行模式是否允许中断等。7. 中断现场保护寄存器中断现场保护寄存器如果系统允许不同类型的中断存在，则会设置一组中断现场保护寄存器以便保存被中断程序的现场和链接中断恢复处。8. 过程调用用堆栈过程调用用堆栈堆栈被用来存放过程调用时的调用名、调用参数、以及返回地址等。寄存器被广泛应用于计算机系统中，它们与操作系统有着非常直接和密切的关系。操作系统设计人员只有在完全掌握和了解硬件厂商所提供的各种寄存器的功能和接口之后，才能进行操作系统设计。关于程序状态字关于程序状态字PSW 任何程序运行时都有反映其运行状态的一组信息，这组信息集中在一起成为程序状态字(PSW). 程序状态字是反映程序执行时

8、机器所处的现行状态的代码，并存放在特定的寄存器中，其主要内容包括： 1. 程序当前应执行的指令； 2.当前指令执行情况； 3.处理机所处的状态； 4.程序在执行时应屏蔽的中断； 5.寻址方法，编址，保护键； 6.响应中断的内容 。 程序状态字如何存放，不同的机器有不同做法。大型机往往存放在一个称为程序状态字（双字）的寄存器中。而小型机或微机则放在两个寄存器中：指令计数 PC 和 处理机状态寄存器PS.存储器的层次结构与访问速度存储器的层次结构与访问速度 一般来说，容量越大的存储介质，访问速度会越慢，但单位存储的成本越低。 例如，光盘和磁带。反过来说，如果存储介质的访问速度越高，则它的成本也会越

9、高，例如寄存器。存储介质的访问速度存储介质的访问速度典型存储时间典型存储时间典型容量典型容量1ns1KB2ns32MB10ns128MB64GB10ms40GB-2TB100ms100s20500G 内核是内核是OSOS的控制和协调中心，由它组织，启动的控制和协调中心，由它组织，启动和协调系统中各种活动。通常由各种原语构成。和协调系统中各种活动。通常由各种原语构成。 内核是内核是OSOS中最重要最核心的部分。中最重要最核心的部分。OSOS的内核紧的内核紧靠硬件，由那些使用频率高，与硬件紧密相关的靠硬件，由那些使用频率高，与硬件紧密相关的模块构成；如中断处理程序，设备驱动程序等。模块构成；如中断

10、处理程序，设备驱动程序等。 二二. .内核的功能内核的功能 1 1）中断处理）中断处理 中断是中断是OSOS内核最重要的功能之一。系统中的所有中断内核最重要的功能之一。系统中的所有中断 都由内核响应。中断是进程并发执行的基础，都由内核响应。中断是进程并发执行的基础， OSOS是由中断是由中断驱动的。驱动的。2 2）原语操作）原语操作 原语操作包括涉及原语操作包括涉及CPUCPU管理，管理，进程进程管理，管理，存储存储管理，管理，设备设备管理，管理，文件文件管理以及起支撑功能的系统管理以及起支撑功能的系统统计统计和和监测监测的的各种各种基本操作。基本操作。3) 3) 时钟管理时钟管理 OSOS的

11、许多重要操作，如：按时间片轮转调度，实时系统的许多重要操作，如：按时间片轮转调度，实时系统中的截止时间控制等，都依赖于时钟管理。中的截止时间控制等，都依赖于时钟管理。操作系统的内核 Linux单内核结构 用 户态 系统库(函数库)应用程序 系统调用接口 模块内核(进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、网络管理) 设备 驱动 计算机硬件核 心态单 内核操作系统提供的用户接口 UNIX/Linux系统程序、库函数、系统调用分层关系 用户 操作系统(进程管理、存储管理、文件管理、设备管理等) 标准库函数(打开、关闭、读、写、创建、撤销等) 标准系统程序(实用程序)(汇编、编译、编辑、Shell等)

12、用户接口库函数接口系统调用接口 硬件 (处理器、存储器、磁盘、打印机、终端等)用户态核心态操作系统提供的程序接口应用程序、库函数、系统调用的调用关系链调用fprintf( )应用程序C函数库内核系统调用处理程序C库中的fprintf( )封装程序C库中的write( ) 封装程序用户态核心态 sys_write( )内核函数中断的定义中断的定义 中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程。 请求系统服务，请求系统服务， 实现并行工作，实现并行工作， 处理突发事件，处理突发事件

13、， 满足实时要求，满足实时要求， 都需要打断处理器正常的工作，为此提出了中断概念。中中 断断 源源 引起中断的异步事件（如：系统调用，引起中断的异步事件（如：系统调用，I/ OI/ O 请求，请求，系统时钟，系统时钟，进程调度，进程调度， 设备驱动，文件设备驱动，文件 处理处理, ,故障源故障源, ,指令运行出错指令运行出错等）。等）。中断请求中断请求 向向CPUCPU发出中断信号。发出中断信号。中断响应中断响应 CPU CPU停止执行当前进程，分辨中断请求的类型。停止执行当前进程，分辨中断请求的类型。中断处理中断处理 CPU CPU将请求交相关的中断处理程序处理。将请求交相关的中断处理程序处

14、理。中断返回中断返回 众多处理结束，返回断点。众多处理结束，返回断点。现场现场 进入中断服务程序之前进入中断服务程序之前CPUCPU各个寄存器的状态各个寄存器的状态. .中断源中断源中断请求中断请求中断响应中断响应转中断转中断处理程序处理程序退出中断退出中断向向CPU保护保护CPU现场现场识别中断源识别中断源恢复恢复CPU现场现场中断服务程序返回断点中断处理断点 CS : IP+1正常程序CS : IP继续执行 IBM PC机中断的响应过程 IPCSPSW现行PSW 寄存器新IP新CS老IP老CS老PSW新栈顶主存新PSW中断中断源分类源分类(1)(1) 强迫性中断强迫性中断事件事件 强迫性中

15、断事件不是正在运行的程序所期待的，而是由于某种事故或外部请求信息所引起的，分为： 机器故障中断事件。机器故障中断事件。 程序性中断事件。程序性中断事件。 外部中断事件。外部中断事件。 输入输出中断事件输入输出中断事件。 自愿性中断事件自愿性中断事件自愿性中断事件是正在运行的程序所期待的事件。 按中断事件的性质和激活方式划分 运行程序中断处理程序中断装置中断处理程序中断装置机器故障中断事件程序性中断事件外部中断事件输入输出中断事件运行程序访管指令中断源分类中断源分类(2(2) ) 硬中断软中断外中断(中断、异步中断)内中断(异常、同步中断)信号软件中断按事件来源和实现手段分类 外中断外中断( (

16、中断或异步中断中断或异步中断) 是指来自处理器之外的中断信号，包括时钟中断、键盘时钟中断、键盘中断、它机中断和设备中断中断、它机中断和设备中断等； 外中断又分可屏蔽中断可屏蔽中断和不可屏蔽中断不可屏蔽中断，每个不同中断具有不同的中断优先级，表示事件的紧急程度，在处理高一级中断时，往往会屏蔽部分或全部低级中断。 内中断内中断( (异常或同步中断异常或同步中断)-)-是指来自处理器内部，通常由于程序执行中，发现与当前指令关联的、不正常的、或是错误的事件。 中断和异常的区别中断和异常的区别 中断中断 是由与现行指令无关的中断信号触发的(异步的)，且中断的发生与CPU处在用户模式或内核模式无关，在两条

17、机器指令之间才可响应中断，一般来说，中断处理程序提供的服务不是为当前进程所需的； 异常异常 是由处理器正在执行现行指令而引起的，一条指令执行期间允许响应异常，异常处理程序提供的服务是为当前进程所用的。异常包括很多方面，有出错(fault)，也有陷入(trap)等。 中断的作用中断的作用并行操作，提高工作效率并行操作，提高工作效率CPU与外设同时工作，多个外设同时工作。实现实时处理实现实时处理在控制系统中，有些参量要求计算机能快速处理，用中断方式容易实现。故障处理故障处理出现故障，提出中断申请，要求计算机及时响应。 机器指令的集合称指令系统 (1)数据处理类指令； (2)转移类指令； (3)数据

18、传送类指令； (4)移位与字符串指令； (5)I/O类指令。 微程序控制指令微程序控制指令36 操作系统中，为了防止用户进程对操作系统中，为了防止用户进程对OSOS及及PCBPCB等关键信息等关键信息的破坏。的破坏。 一个进程在其生命期中有两种机器运行状态：一个进程在其生命期中有两种机器运行状态： 系统态系统态 （核心态（核心态, ,管态）管态） 具有较高的访问权，可访具有较高的访问权，可访 问核心模块。问核心模块。 用户态用户态 （目态（目态 ） 限制访问权。限制访问权。 是机器指令的延伸，是非进程模块是机器指令的延伸，是非进程模块, ,不能并发执行。不能并发执行。 执行过程不可中断，用微代码实现。执行过程不可中断，用微代码实现。2、原、原 语（语（primitive）1