OS硬件环境(补)

1、2022-5-61第第二二讲讲 操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境讨论操作系统对运行硬件环境的要求讨论操作系统对运行硬件环境的要求 讨论讨论操作系统设计者操作系统设计者考虑的硬件问题考虑的硬件问题n操作系统运行的硬件环境组成操作系统运行的硬件环境组成n中央处理器（中央处理器（CPUCPU）n存储系统存储系统n中断机制中断机制nI/O系统系统n时钟以及时钟队列时钟以及时钟队列n其他其他2022-5-62概述概述任何系统软件都是硬件功能的延伸任何系统软件都是硬件功能的延伸操作系统直接依赖于硬件条件操作系统直接依赖于硬件条件OS的硬件环境的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结合以较分散的形式同各种

2、管理相结合 实现操作系统时必须理解的实现操作系统时必须理解的 计算机基本结构计算机基本结构 操作系统管理的重要资源操作系统管理的重要资源2022-5-63简单的个人计算机中的部件简单的个人计算机中的部件MonitorBus2022-5-64一、中央处理器（一、中央处理器（CPU）专门设计了一系列基本机制：专门设计了一系列基本机制：- - 具有特权级别的处理器状态，能在不同具有特权级别的处理器状态，能在不同特权级运行的各种特权指令特权级运行的各种特权指令- - 硬件机制使得硬件机制使得OSOS可以和普通程序隔离可以和普通程序隔离 实现保护和控制实现保护和控制2022-5-651、CPU的构成与基

3、本工作方式的构成与基本工作方式 处理器由处理器由运算器、控制器、一系列的寄运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成存器以及高速缓存构成n运算器实现指令中的运算器实现指令中的算术和逻辑运算算术和逻辑运算，是，是计算机计算的核心计算机计算的核心n控制器负责控制程序运行的流程，包括控制器负责控制程序运行的流程，包括取取指令、维护指令、维护CPUCPU状态、状态、CPUCPU与内存的交互与内存的交互等等等等2022-5-66n寄存器是指令在寄存器是指令在CPUCPU内部作处理的过程中内部作处理的过程中暂存数据、暂存数据、地址以及指令信息的存储设备地址以及指令信息的存储设备 在计算机的存储系统中它

4、具有最快的访问速度在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度n高速缓存处于高速缓存处于CPUCPU和物理内存之间和物理内存之间 一般由控制器中的一般由控制器中的内存管理单元内存管理单元（MMUMMU：Memory Memory Management UnitManagement Unit）管理）管理 访问速度快于内存，低于寄存器访问速度快于内存，低于寄存器 利用程序局部性原理使得高速指令处理和低速内存利用程序局部性原理使得高速指令处理和低速内存访问得以匹配，从而提高访问得以匹配，从而提高CPUCPU的效率的效率2022-5-67处理器中的寄存器处理器中的寄存器n寄存器提供了一定的存储能力寄存器提

5、供了一定的存储能力n速度比主存快得多速度比主存快得多n造价高，容量一般都很小造价高，容量一般都很小两类寄存器：两类寄存器：n用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分配并使用之，以减少程序访问主存次数配并使用之，以减少程序访问主存次数n控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作 由由OS的特权代码使用的特权代码使用, 以控制其他程序的执行以控制其他程序的执行2022-5-68用户可见寄存器用户可见寄存器n机器语言直接引用机器语言直接引用n包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器n

6、数据寄存器数据寄存器（data register）又称通用寄存器又称通用寄存器 主要用于各种算术逻辑指令和访存指令主要用于各种算术逻辑指令和访存指令n地址寄存器地址寄存器（address register）用于存储数据及用于存储数据及指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于某种特定方式的寻址。如某种特定方式的寻址。如index register、segment pointer、stack pointern条件码寄存器保存条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位操作结果的各种标记位 如算术运算产生的溢出、符号等等如算术运算产生的溢出、符号等等2022

7、-5-69控制和状态寄存器控制和状态寄存器n用于控制处理器的操作用于控制处理器的操作n大部分对于用户是不可见的大部分对于用户是不可见的n一部分可以在某种特权模式（由一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问使用）下访问常见的控制和状态寄存器常见的控制和状态寄存器: :n程序计数器程序计数器（PC：Program Counter），记录将要取出的，记录将要取出的指令的地址指令的地址n指令寄存器指令寄存器（IR：Instruction Register），包含最近取出的，包含最近取出的指令指令n程序状态字程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器，记录处理器的运行模

8、式信息等等的运行模式信息等等2022-5-610指令执行的基本过程指令执行的基本过程（1）两个步骤：两个步骤：n先从存储器中每次读取一条指令先从存储器中每次读取一条指令n然后执行这条指令然后执行这条指令一个单条指令处理过程称为一个指令周期一个单条指令处理过程称为一个指令周期程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止2022-5-611n每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的指令地址从存储器中取一条指令指令地址从存储器中取一条

9、指令n在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的值变成下条指令的地址，自增的值变成下条指令的地址，自增1 1n取到的指令放在指令寄存器中取到的指令放在指令寄存器中n处理器解释并执行所要求的动作处理器解释并执行所要求的动作指令执行的基本过程指令执行的基本过程（2）2022-5-6125类指令类指令n访问存储器指令：访问存储器指令： 处理器和存储器间数据传送处理器和存储器间数据传送nI/O指令：指令： 处理器和处理器和I/O模块间数据传送和命令发送模块间数据传送和命令发送n算术逻辑指令（数据处理指令）：算术逻辑指令（数据处理指令）： 执行数据算术和逻辑操作执

10、行数据算术和逻辑操作n控制转移指令：控制转移指令： 指定一个新的指令的执行起点指定一个新的指令的执行起点n处理器控制指令：处理器控制指令： 修改处理器状态，改变处理器工作方式修改处理器状态，改变处理器工作方式2022-5-6132、特权指令和非特权指令、特权指令和非特权指令特权指令：只能由操作系统使用的指令特权指令：只能由操作系统使用的指令n使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区分为特权指令和非特权指令分为特权指令和非特权指令n特权指令一般引起处理器状态的切换特权指令一般引起处理器状态的切换n处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运处理

11、器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状态（管态）行的特权状态（管态）n然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为个过程称为陷入陷入 CPUCPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？有赖于处理器状态的标识软件？有赖于处理器状态的标识2022-5-6143、处理器的状态、处理器的状态根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态置为不同状态多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态多数系统将处理器工作状态划分为

12、管态和目态管态：管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又称为又称为特权态（特态）、核心态、系统态特权态（特态）、核心态、系统态目态：目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为为普通态（普态）、用户态普通态（普态）、用户态 有些系统将处理器状态划分核心状态、管理状态和用有些系统将处理器状态划分核心状态、管理状态和用户程序状态（目标状态）三种户程序状态（目标状态）三种2022-5-615实例：实例：x86系列处理器（系列处理器（1）n386、486、Pentium系列都支持系列都支持4个处理器

13、特权个处理器特权级别（特权环：级别（特权环：R0、R1、R2和和R3）n从从R0到到R3特权能力依次降低特权能力依次降低nR0相当于双状态系统的管态相当于双状态系统的管态nR3相当于目态相当于目态nR1和和R2则介于两者之间，它们能够运行的指则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：令集合具有包含关系：3210RRRRIIII2022-5-616各个级别有保护性检查（地址校验、各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制）限制）特权级别之间的转换方式不尽相同特权级别之间的转换方式不尽相同四个级别运行不同类别的程序：四个级别运行不同类别的程序：nR0- -运行操作系统核心代码运行操作系统

14、核心代码nR1- -运行关键设备驱动程序和运行关键设备驱动程序和I/O处理例程处理例程nR2- -运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境nR3- -运行各种用户程序运行各种用户程序现有基于现有基于x86处理器的操作系统，多数处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及以及Windows系列大都只用了系列大都只用了R0和和R3两个特权级别两个特权级别实例：实例：x86系列处理器（系列处理器（2）2022-5-617管态和目态的差别管态和目态的差别处理器处于管态时：处理器处于管态时：n全部指令（包括特权指令）可以执行全部指令（包括特权指令）可以执行n

15、可使用所有资源可使用所有资源n并具有改变处理器状态的能力并具有改变处理器状态的能力处理器处于目态时：处理器处于目态时：n只有非特权指令能执行只有非特权指令能执行特权级别不同，可运行指令集合也不同特权级别不同，可运行指令集合也不同特权级别越高，可以运行指令集合越大特权级别越高，可以运行指令集合越大高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的2022-5-6184、程序状态字、程序状态字PSW (Program Status Word ) 在在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置的权限而设置CPUCP

16、U状态状态nCPU的工作状态码的工作状态码指明管态还是目态，用来指明管态还是目态，用来说明当前在说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其他的特殊权力他的特殊权力n条件码条件码反映指令执行后的结果特征反映指令执行后的结果特征n中断屏蔽码中断屏蔽码指出是否允许中断指出是否允许中断2022-5-619例例:微处理器微处理器M68000的程序状态字的程序状态字1514131211109 8 7 6 5 4 3 2 1 0TSI2I1I0X N Z V C条件位：条件位：C： 进位标志位进

17、位标志位 V： 溢出标志位溢出标志位Z： 结果为零标志位结果为零标志位N： 结果为负标志位结果为负标志位I0 I2：三位中断屏蔽位：三位中断屏蔽位S：CPU状态标志位，为状态标志位，为1处于管态，为处于管态，为0处于目态处于目态T：陷阱陷阱（Trap）中断指示位为中断指示位为1， 在下一条指令执行后引起自陷中断在下一条指令执行后引起自陷中断2022-5-620CF： 进位标志位进位标志位 ZF： 结果为零标志位结果为零标志位 SF： 符号标志位符号标志位OF： 溢出标志位溢出标志位标准条件位：标准条件位： TF：陷阱标志位：陷阱标志位IF：中断允许（中断屏蔽）标志位：中断允许（中断屏蔽）标志位

18、VIF：虚拟中断标志位：虚拟中断标志位VIP：虚拟中断待决标志位：虚拟中断待决标志位IOPL：IO特权级别特权级别 例例:微处理器微处理器Pentium的程序状态字的程序状态字2022-5-621CPU状态的转换状态的转换目态目态管态管态 唯一途径唯一途径 是是 中断中断管态管态目态目态 设置设置PSW(PSW(修改程序状态字修改程序状态字) ) 可实现可实现2022-5-622二、二、存储系统存储系统支持支持OS运行硬件环境的一个重要方面：运行硬件环境的一个重要方面：n作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行n多道程系统中，若干个程序和相关的数

19、据要放入内存多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入内存 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受到破坏受到破坏n操作系统本身也要存放在内存中并运行操作系统本身也要存放在内存中并运行 2022-5-6231、存储器的类型存储器的类型半导体存储器半导体存储器 实现实现 内存内存n存储器芯片的内部组织结构存储器芯片的内部组织结构n静态存储器（静态存储器（SRAMSRAM）n异步动态随机存储器（异步动态随机存储器（DRAMDRAM）n同步动态随机存储器（同步动态随机存储器（SDRAMSDRAM）双倍数据速率双倍数据速率SDRAMSDRAM（DDR

20、SDRAMDDR SDRAM）（开放标准）（开放标准）RambusRambus公司的公司的SDRAMSDRAM2022-5-624只读型存储器只读型存储器nROM（ Read-Only Memory） ：只能从其中读取数据，但不只能从其中读取数据，但不能随意用普通方法写入数据（写入数据只能用特殊方法）能随意用普通方法写入数据（写入数据只能用特殊方法）n在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在ROM中，如中，如: :PC BIOS和和CBASIC解释程序被固化于解释程序被固化于ROM中中nPROM：可编程只读存储器，使用特殊可编程只读存储器，使

21、用特殊PROM写入器写入数写入器写入数据据nEPROM：电可擦写：电可擦写可编程只读存储器，用特殊的紫外线光可编程只读存储器，用特殊的紫外线光照射此芯片，以照射此芯片，以“擦去擦去”信息，恢复原来状态，再使用特殊信息，恢复原来状态，再使用特殊EPROM写入器写入数据写入器写入数据n闪存（闪存（flash memoryflash memory）存储器的类型存储器的类型2022-5-6252、存储器的层次结构、存储器的层次结构存储系统设计三个问题：存储系统设计三个问题： 容量、速度和成本容量、速度和成本n容量：需求无止境容量：需求无止境n速度：能匹配处理器的速度速度：能匹配处理器的速度n成本问题：

22、成本和其他部件相比应在合适范围成本问题：成本和其他部件相比应在合适范围之内之内2022-5-626容量、速度和成本容量、速度和成本n三个目标不可能同时达到最优，要作权衡三个目标不可能同时达到最优，要作权衡n存取速度快，每比特价格高存取速度快，每比特价格高n容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢解决方案：采用层次化的存储体系结构解决方案：采用层次化的存储体系结构n当沿着层次下降时当沿着层次下降时n每比特的价格将下降，容量将增大每比特的价格将下降，容量将增大n速度将变慢，处理器的访问频率也将下降速度将变慢，处理器的访问频率也将下降2022-5-627层

23、次化的存储体系结构层次化的存储体系结构2022-5-628存储访问局部性原理存储访问局部性原理提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性原理提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性原理n程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合n对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保持在一个存储器的局部区域持在一个存储器的局部区域处理器主要和存储器的局部打交道处理器主要和存储器的局部打交道在经过一段时间以后，使用的代码和数据集

24、合会改变在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变2022-5-629设计多级存储的体系结构设计多级存储的体系结构原则：级别较低存储器比率小于级别较高存储器比率原则：级别较低存储器比率小于级别较高存储器比率假设两级存储器：假设两级存储器：n第第I I级包含级包含1KB1KB，存取时间为，存取时间为0.10.1ssn第第IIII级包含级包含1MB1MB，存取时间为，存取时间为1 1ss存取存取I I级中的内容，直接存取级中的内容，直接存取存取存取IIII级，首先被转移到级，首先被转移到I I级，然后再存取级，然后再存取假设确定内容所在位置时间可以忽略假设确定内容所在位置时间可以忽略若在若在I

25、 I级存储器中发现存取对象的概率是级存储器中发现存取对象的概率是95%95%，则平均访，则平均访问时间为：问时间为：结果非常接近结果非常接近I I级存储的存取时间级存储的存取时间ssss15.011.005.01.095.02022-5-630T1T1：I I级存储器的存取时间级存储器的存取时间T2T2：IIII级存储器的存取时间级存储器的存取时间一个简单二级存储系统的性能一个简单二级存储系统的性能2022-5-6313、存储分块、存储分块n存储最小单位存储最小单位:“:“二进位二进位”，包含信息为，包含信息为0 0或或1 1n最小编址单位最小编址单位: :字节，一个字节包含八个二进位字节，一

26、个字节包含八个二进位主流个人电脑主流个人电脑n主存主存:2GB:2GB4GB4GB之间之间n辅助存储器辅助存储器: :在在200GB200GB400GB400GB工作站、服务器工作站、服务器n主存主存:8GB :8GB 16GB16GB之间之间n硬盘容量硬盘容量:N:N个数百个数百GBGB为简化分配和管理，存储器分成块为简化分配和管理，存储器分成块, ,称一个物理页（称一个物理页（PagePage）n块的大小：块的大小：512B512B、1K1K、4K4K、8K8K2022-5-6324 4、存储保护设施、存储保护设施 对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统及其对主存中的信息加以严格的保护，

27、使操作系统及其他程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一他程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一多用户，多任务操作系统：多用户，多任务操作系统： OSOS给每个运行进程分配一个存储区域给每个运行进程分配一个存储区域问题：问题：n多个程序同时在同一台机器上运行，怎样才能互不多个程序同时在同一台机器上运行，怎样才能互不侵犯？侵犯？n如何处理重定位？如何处理重定位？2022-5-633保护的硬件支持保护的硬件支持解决方案解决方案 依赖于依赖于 配有特殊硬件的配有特殊硬件的CPUCPU硬件可提供如下功能：硬件可提供如下功能：n界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器（界限寄存器）n存储键存储键n地址转

28、换机制地址转换机制2022-5-634界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器（界限寄存器）n界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术n机制比较简单，易于实现机制比较简单，易于实现实现方法：实现方法：n在在CPUCPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器中设置一对下限寄存器和上限寄存器 存放用户作业在主存中的下限和上限地址存放用户作业在主存中的下限和上限地址n也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为限长寄存器（指示存储区长度）限长寄存器（指示存储区长度）n每当每当CPUCPU要访问主存，硬件自动将被访问的主存

29、地址与要访问主存，硬件自动将被访问的主存地址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界n如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中断中断越界中断（存储保护中断）越界中断（存储保护中断）2022-5-635界地址寄存器界地址寄存器存储保护技术存储保护技术2022-5-636存储键存储键n每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键n一用户作业被允许进入主存，一用户作业被允许进入主存，OSOS分给它一个唯分给它一个唯一的存储键号一的存储键号n并将分配给该作业各存储块存储键

30、也置成同样并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样键号键号n当当OSOS挑选该作业运行时，挑选该作业运行时，OSOS将它的存储键号放将它的存储键号放入程序状态字入程序状态字PSWPSW存储键（存储键（“钥匙钥匙”）域中）域中n每当每当CPUCPU访问主存时，都将该主存块的存储键访问主存时，都将该主存块的存储键与与PSWPSW中的中的“钥匙钥匙”进行比较进行比较n如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警2022-5-637地址转换机制地址转换机制同时有多个程序在内存同时有多个程序在内存程序在内存的位置不是固定的而是随机的程序在内存的位置不是固定的而是随机的

31、用户程序用户程序A A内存内存用户程序用户程序B B2022-5-638CPUMMU内存内存磁盘磁盘控制器控制器总线总线虚拟地址虚拟地址物理地址物理地址MMU：内存管理单元：内存管理单元2022-5-639地址转换机制地址转换机制n虚拟地址（逻辑地址）虚拟地址（逻辑地址） 处理器生成的指令或数据的二进制地址处理器生成的指令或数据的二进制地址n这些地址用硬件和软件结合的方法转换这些地址用硬件和软件结合的方法转换成物理地址成物理地址nMMUMMU：内存管理单元，一种特殊硬件，完：内存管理单元，一种特殊硬件，完成转换工作成转换工作2022-5-640三、三、中断技术中断技术中断对于操作系统的重要性中

32、断对于操作系统的重要性 就像机器中的驱动齿轮一样就像机器中的驱动齿轮一样所以有人把操作系统称为是由所以有人把操作系统称为是由 “中断驱动中断驱动”或者或者 “（中断）事件驱动（中断）事件驱动”n它使得它使得OS可以捕获用户程序发出的系统功能调用可以捕获用户程序发出的系统功能调用n及时处理设备的中断请求及时处理设备的中断请求n防止用户程序中破坏性的活动等等防止用户程序中破坏性的活动等等2022-5-6411 1、中断的概念、中断的概念nCPUCPU对系统发生的某个事件作出的一种反应对系统发生的某个事件作出的一种反应nCPUCPU暂停正在执行的程序，保留现场后暂停正在执行的程序，保留现场后自动自动

33、转转去去执行相应事件的处理程序执行相应事件的处理程序，处理完成后返回，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序断点，继续执行被打断的程序特点：特点： 1) 1) 中断随机的中断随机的 2) 2) 中断是可恢复的中断是可恢复的 3) 3) 中断是自动处理的中断是自动处理的引入中断的目的引入中断的目的n解决主机与外设的并解决主机与外设的并行工作问题行工作问题n实现实时控制实现实时控制2022-5-642中断中断/ /异常：异常：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, ,处处理机暂停正在执行的程序理机暂停正在执行的程序, ,转去执行处理该事件程转去执行处理该事件程序的过程序

34、的过程中断的引入：中断的引入：为了开发为了开发CPUCPU和通道和通道( (或设备或设备) )之间的之间的并行操作，当并行操作，当CPUCPU启动通道启动通道( (或设备或设备) )进行输入进行输入/ /输输出后，通道便出后，通道便( (或设备或设备) )可以独立工作了，可以独立工作了，CPUCPU也可也可以转去做与此次输入以转去做与此次输入/ /输出不相关的事情，那么通输出不相关的事情，那么通道道( (或设备或设备) ) 输入输入/ /输出完成后，还必须告诉输出完成后，还必须告诉CPUCPU继继续输入续输入/ /输出以后的事情，通道输出以后的事情，通道( (或设备或设备) )通过向通过向CP

35、UCPU发中断告诉发中断告诉CPUCPU此次输入此次输入/ /输出结束输出结束中断的概念中断的概念2022-5-643异常引入：异常引入：用于表示用于表示CPUCPU执行指令时本身出现算术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“异常指令异常指令”（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，转到相应的错误处理程序或异常处理程序转到相应的错误处理程序或异常处理程序注意：注意：最早中断和异常并没有区分，都把它们叫最早中断和异常并没

36、有区分，都把它们叫做中断。随着它们的发生原因和处理方式的差别做中断。随着它们的发生原因和处理方式的差别愈发明显，才有了以后的中断和异常愈发明显，才有了以后的中断和异常 中断的概念中断的概念2022-5-644中断中断( (外中断外中断) )异常异常( (内中断内中断) )例外例外I/OI/O中断中断时钟中断时钟中断系统调用系统调用缺页异常缺页异常断点指令断点指令其他程序性异常其他程序性异常( (如算术溢出等如算术溢出等) )中断中断( (狭义狭义) )与异常的区别与异常的区别: :中断中断: : 与正执行指令无关，可以屏蔽与正执行指令无关，可以屏蔽异常异常: : 与正执行指令有关，不可屏蔽与正

37、执行指令有关，不可屏蔽广义中断广义中断中断的概念中断的概念2022-5-6452 2、中断系统、中断系统中断系统是现代计算机系统的核心机制之一中断系统是现代计算机系统的核心机制之一硬件和软件相互配合、相互渗透而使得计算机系统得以充硬件和软件相互配合、相互渗透而使得计算机系统得以充分发挥能力的计算模式分发挥能力的计算模式中断系统的两大组成部分：硬件中断装置和软件中断处理中断系统的两大组成部分：硬件中断装置和软件中断处理程序程序n中断系统的硬件中断装置中断系统的硬件中断装置- -中断系统的机制部分中断系统的机制部分 负责捕获中断源发出的中断请求，以一定方式响应中断负责捕获中断源发出的中断请求，以一

38、定方式响应中断源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序n软件中断处理程序软件中断处理程序- -中断系统的策略部分中断系统的策略部分 负责辨别中断类型并做出相应的操作负责辨别中断类型并做出相应的操作2022-5-646n中断源：引起中断发生的事件中断源：引起中断发生的事件n中断寄存器：记录中断中断寄存器：记录中断n中断字：中断寄存器的内容中断字：中断寄存器的内容系统堆栈系统堆栈: : 在内存开辟的一块区域，用于在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场临时保存现场中断系统中的相关概念中断系统中的相关概念2022-5-647中断优先级设计原则：中断优先级

39、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，慢速设备的中断优先级低。因为高断优先级高，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时，可以让处理速设备的中断被处理机优先响应时，可以让处理机尽快地向它发出下一个机尽快地向它发出下一个I/OI/O请求，提高高速设备请求，提高高速设备的利用率的利用率如如PDP-11PDP-11机上的机上的UNIXUNIX系统把中断级别分为：系统把中断级别分为：时钟中断时钟中断中断优先级中断优先级6 6级级磁盘中断磁盘中断中断优先级中断优先级5 5级级终端等其他外设中断终端等其他外设中断中断优先级中断优先级4 4级级3 3、中断优先

40、级和中断屏蔽、中断优先级和中断屏蔽2022-5-648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指出处理机正运行程序的中断响应级别。即当处理机处于某一优先级时，只允许应级别。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处理机去响应比该优先级高的中断, ,而屏蔽低于或而屏蔽低于或等于该优先级的中断。可以通过置处理机优先级等于该优先级的中断。可以通过置处理机优先级来通知硬件：屏蔽优先级小于等于处理机优先级来通知硬件：屏蔽优先级小于等于处理机优先级的中断的中断中断屏蔽：中断屏蔽：指禁止处理机响应中断或禁止中断出指禁止处理机响应中断或禁止中断出现现中断优先级和中断屏蔽

41、中断优先级和中断屏蔽2022-5-649中断屏蔽有两种方法中断屏蔽有两种方法：n 硬件实现硬件实现由软件置处理机优先级，硬件按系由软件置处理机优先级，硬件按系统设计时的约定，屏蔽那些低优先级中断统设计时的约定，屏蔽那些低优先级中断n 软件实现软件实现由软件按操作系统优先级约定由软件按操作系统优先级约定, ,设置设置屏蔽寄存器屏蔽寄存器中断优先级和中断屏蔽中断优先级和中断屏蔽2022-5-6504 4、中断类型、中断类型强迫性中断强迫性中断 正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障或外部请求引起的或外部请求引起的自愿性中断自愿性中断 用户在程序中有意识

42、安排的中断，是由于用户在用户在程序中有意识安排的中断，是由于用户在编制程序时因为要求操作系统提供服务，有意使编制程序时因为要求操作系统提供服务，有意使用用“访管访管”指令或系统调用，使中断发生指令或系统调用，使中断发生2022-5-651中断类型中断类型强迫性中断强迫性中断n输入输入/ /输出输出(I/O)(I/O)中断：主要来自外部设备通道中断：主要来自外部设备通道n程序性中断：运行程序中本身的中断程序性中断：运行程序中本身的中断( (如溢出如溢出, ,缺页中断缺页中断, ,缺段中断缺段中断, ,地址越界地址越界) )n时钟中断时钟中断n控制台中断控制台中断n硬件故障硬件故障2022-5-6

43、52中断类型中断类型自愿性中断自愿性中断n执行执行I/OI/O，创建进程，分配内存，创建进程，分配内存n信号量操作，发送信号量操作，发送/ /接收消息接收消息2022-5-653微机中的中断微机中的中断1.1.可屏蔽中断（可屏蔽中断（IOIO中断）中断）2.2.不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）3.3.程序错误中断（溢出、除法错等中断）程序错误中断（溢出、除法错等中断）4.4.软件中断（软件中断（TrapTrap指令或中断指令指令或中断指令INTINT）2022-5-654IBM370中的中断中的中断1. 1. 机器故障中断：如电源故障，机器电路检验错

44、等机器故障中断：如电源故障，机器电路检验错等2. 2. 输入输出中断：输入输出设备和通道数据传输状态）输入输出中断：输入输出设备和通道数据传输状态）3. 3. 外部中断：时钟中断，操作员控制台中断，多机系统外部中断：时钟中断，操作员控制台中断，多机系统中其他机器的通信要求中断，各种外设或传感器发来中其他机器的通信要求中断，各种外设或传感器发来的实时中断等的实时中断等4. 4. 程序中断：程序中的问题引起的中断，如错误地使用程序中断：程序中的问题引起的中断，如错误地使用指令或数据、溢出等问题，存储保护等指令或数据、溢出等问题，存储保护等5. 5. 访管中断：访管指令或陷阱指令（访管中断：访管指令

45、或陷阱指令（TrapTrap指令）中的操指令）中的操作数规定了要求服务的类型。每当作数规定了要求服务的类型。每当CPUCPU执行访管指令或执行访管指令或陷阱指令时，即引起中断并调用操作系统相应的功能陷阱指令时，即引起中断并调用操作系统相应的功能模块为其服务模块为其服务2022-5-6555、中断响应中断响应CPUCPU如何响应中断如何响应中断, , 两个问题：两个问题： nCPUCPU何时响应中断？何时响应中断？ 通常在通常在CPUCPU执行了一条指令以后，更确切执行了一条指令以后，更确切地，在指令周期最后时刻接受中断请求，地，在指令周期最后时刻接受中断请求，或此时扫描中断寄存器或此时扫描中断

46、寄存器n如何知道提出中断请求的设备或中断源？如何知道提出中断请求的设备或中断源？ 因为只有知道中断源或中断设备，才能因为只有知道中断源或中断设备，才能调用相应的中断处理程序调用相应的中断处理程序2022-5-656处理器如何发现中断信号？处理器如何发现中断信号？ 处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构 称为中断扫描机构称为中断扫描机构n在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号询问是否有中断信号n若无中断信号，继续执行下一条指令若无中断信号，继续执行下一条指令n若有中断，中断硬件将该中断触

47、发器内容按规定编若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入码送入PSWPSW的相应位，称为中断码的相应位，称为中断码n通过交换中断向量引出中断处理程序通过交换中断向量引出中断处理程序中断响应中断响应2022-5-657开始开始取下一条指令取下一条指令执行指令执行指令检查指令检查指令处理中断处理中断停止停止取周期取周期执行周期执行周期中断周期中断周期不允许中断不允许中断允许允许中断中断2022-5-658n用软件指令去查询各设备接口用软件指令去查询各设备接口 这种方法比较费时这种方法比较费时n多数微型机对此问题的解决方法：多数微型机对此问题的解决方法： 使用一种使用一种“向量中断向量中断

48、”的硬件设施的硬件设施“中断向量中断向量”：n当当CPUCPU接受某中断请求时，该设备接口给处理器发接受某中断请求时，该设备接口给处理器发送具有唯一性的送具有唯一性的“中断向量中断向量”，以标识该设备，以标识该设备n“中断向量中断向量”在各计算机上实现方法差别比较大在各计算机上实现方法差别比较大两种解决方法两种解决方法2022-5-659 中断向量：中断向量：一个存放中断处理程序入口地址和程一个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硬件按中断号、异常类型的不同通过中断向量表硬件按中断号、异常类型的不同通过中断向量表转移转移2022-5-66

49、0中断向量表中断向量表在有的机器中：在有的机器中：将主存最低位将主存最低位128128个字保留作为中断向量表，每个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字个中断向量占两个字中断请求的设备接口为了标识自己，向处理器发中断请求的设备接口为了标识自己，向处理器发送一个该设备在中断向量表中表目的地址指针送一个该设备在中断向量表中表目的地址指针2022-5-661中断响应中断响应2022-5-6626、中断处理、中断处理简单的中断处理简单的中断处理 - 典型的处理过程：典型的处理过程：（1 1）设备给处理器发一个中断信号）设备给处理器发一个中断信号（2 2）处理器处理完当前指令后响应中断，延迟非常短（

50、要求）处理器处理完当前指令后响应中断，延迟非常短（要求处理器没有关闭中断）处理器没有关闭中断）（3 3）处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源）处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到一般状态该设备将中断信号恢复到一般状态（4 4）处理器开始为软件处理中断做准备：）处理器开始为软件处理中断做准备： 保存中断点的程序执行上下文环境，这通常包括程保存中断点的程序执行上下文环境，这通常包括程 序状态序状态字字PSWPSW，程序计数器，程序计数器PCPC中的下一条

51、指令位置，一些寄存器的中的下一条指令位置，一些寄存器的值，它们通常保存在系统控制栈中值，它们通常保存在系统控制栈中, , 处理器状态被切换到管态处理器状态被切换到管态2022-5-663（5 5）处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联）处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联系的处理程序入口地址，并将系的处理程序入口地址，并将PCPC置成该地址，处理器开始置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，控制转移到中断处理程序一个新的指令周期，控制转移到中断处理程序（6 6）中断处理程序开始工作，包括检查）中断处理程序开始工作，包括检查I/OI/O相关的状态信息，相关的状态信息，操纵操

52、纵I/OI/O设备或者在设备和主存之间传送数据等等设备或者在设备和主存之间传送数据等等（7 7）中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断）中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复 处理器状态恢复成原来的状态。处理器状态恢复成原来的状态。（8 8）PSWPSW和和PCPC被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束周期，中断处理结束中断处理中断处理2022-5-664简单的中断处理过程简单的中断处理过程2022-5-665多个中断的处理多个中断的处理若中断

53、处理过程中又发生中断，引起多中断处理问题若中断处理过程中又发生中断，引起多中断处理问题两种策略方法：两种策略方法：n第一种：第一种： 处理一个中断时禁止中断，对任何新中断置之不理，在这处理一个中断时禁止中断，对任何新中断置之不理，在这期间发生的中断将保持挂起状态期间发生的中断将保持挂起状态 当再次允许中断时，新中断信号被处理器检测到当再次允许中断时，新中断信号被处理器检测到n软件实现方法：软件实现方法： 在任何中断处理前使用禁止中断指令在任何中断处理前使用禁止中断指令 在处理结束后开放中断指令在处理结束后开放中断指令 所有中断严格按照发生顺序处理所有中断严格按照发生顺序处理 不考虑中断紧急程度

54、，无法达到较严格时间要求不考虑中断紧急程度，无法达到较严格时间要求2022-5-666多中断处理第一种策略方法多中断处理第一种策略方法2022-5-667n第二种：第二种： 中断按照优先度分级中断按照优先度分级 允许优先级高中断打断优先级低的中断处理过程允许优先级高中断打断优先级低的中断处理过程 这样中断优先级技术将引起中断处理的嵌套这样中断优先级技术将引起中断处理的嵌套 只要合适地定义中断的优先级别只要合适地定义中断的优先级别 方法一的弊端大都可以克服方法一的弊端大都可以克服多个中断的处理多个中断的处理2022-5-668用 户 程 序低 级 中 断高 级 中 断多中断处理第二种策略方法多中

55、断处理第二种策略方法2022-5-669典型的中断处理（典型的中断处理（1 1）：）：I/O中断中断由由I/OI/O设备的控制器或者通道发出设备的控制器或者通道发出两类两类I/OI/O中断：中断：nI/OI/O操作正常结束操作正常结束如果要继续如果要继续I/OI/O操作，需要在准备好以后重新启动操作，需要在准备好以后重新启动I/OI/O，若请求若请求I/OI/O程序正处于等待程序正处于等待I/OI/O状态，则应将其唤醒状态，则应将其唤醒nI/OI/O异常异常需要重新执行失败的需要重新执行失败的I/OI/O操作操作重试次数有上限，次数过大，系统将判定硬件故障重试次数有上限，次数过大，系统将判定硬

56、件故障2022-5-670系统多道能力的重要推动力量，系统多道能力的重要推动力量，时钟中断处理程序通常时钟中断处理程序通常做与系统运转、管理和维护相关的工作做与系统运转、管理和维护相关的工作，包括：，包括：n维护软件时钟：系统有维护软件时钟：系统有若干个软件时钟若干个软件时钟，控制定时任，控制定时任务以及进程的处理器时间配额，时钟中断需要维护、务以及进程的处理器时间配额，时钟中断需要维护、定时更新这些软件时钟定时更新这些软件时钟n处理器时间调度：维护当前进程时间片软件时钟，并处理器时间调度：维护当前进程时间片软件时钟，并在当前进程时间片到时以后运行调度程序选择下一个在当前进程时间片到时以后运行

57、调度程序选择下一个被调度的进程被调度的进程n控制系统定时任务：通过软件时钟和调度程序定时激控制系统定时任务：通过软件时钟和调度程序定时激活一些系统任务，如监测死锁、系统记帐、系统审计活一些系统任务，如监测死锁、系统记帐、系统审计等等n实时处理实时处理典型的中断处理典型的中断处理（2）：时钟中断时钟中断2022-5-671典型的中断处理（典型的中断处理（3）：硬件故障中断硬件故障中断 硬件故障中断处理程序一般需要做的工作：硬件故障中断处理程序一般需要做的工作：n保存现场，使用一定警告手段，提供些辅助诊断信息保存现场，使用一定警告手段，提供些辅助诊断信息n在高可靠系统中，中断处理程序还要评估系统可

58、用性，尽可能在高可靠系统中，中断处理程序还要评估系统可用性，尽可能恢复系统恢复系统如如Windows 2000/XPWindows 2000/XP，关键硬件发生故障时，如显示卡损坏，出，关键硬件发生故障时，如显示卡损坏，出现系统蓝屏，系统实际上进入相应故障处理程序，发现故障不现系统蓝屏，系统实际上进入相应故障处理程序，发现故障不可恢复，则在屏幕上打印出发生故障时程序位置，并开始进行可恢复，则在屏幕上打印出发生故障时程序位置，并开始进行内存转储（将一定范围的内存内容写上磁盘，是系统故障时的内存转储（将一定范围的内存内容写上磁盘，是系统故障时的全系统全系统“快照快照”），备日后故障诊断），备日后故

59、障诊断2022-5-672程序指令出错、指令越权或者指令寻址越界而引发程序指令出错、指令越权或者指令寻址越界而引发两类处理方法：两类处理方法：n只能由操作系统的相关扩展功能模块完成只能由操作系统的相关扩展功能模块完成 多为程序试图作不能做的操作引起的系统保护多为程序试图作不能做的操作引起的系统保护 如访问合法的、但不在内存虚地址内，引发页故障页故障一如访问合法的、但不在内存虚地址内，引发页故障页故障一般会引发般会引发OSOS虚存模块作一个页面换入虚存模块作一个页面换入n可由程序自己完成，如一些算术运算错误可由程序自己完成，如一些算术运算错误 不同程序可有不同处理方法，所以很多不同程序可有不同处

60、理方法，所以很多OSOS提供由用户自己处提供由用户自己处理这类中断的理这类中断的“绿色通道绿色通道” 系统调试中断（断点中断、单步跟踪）也可被用户程序处理，系统调试中断（断点中断、单步跟踪）也可被用户程序处理，用以支持各种程序调试用以支持各种程序调试典型的中断处理典型的中断处理( (4) )：程序性中断程序性中断2022-5-673典型的中断处理典型的中断处理(5)：系统服务请求（自愿性中断）：系统服务请求（自愿性中断）系统服务请求由处理器专用指令（访管指令）激发系统服务请求由处理器专用指令（访管指令）激发n如如x86x86处理器提供处理器提供int指令，用来激发软件中断指令，用来激发软件中断