计算机操作系统ch02

1、计算机操作系统Operating System of Computer第二章第二章 操作系统操作系统的硬件环境的硬件环境v主要内容：主要内容：个人计算机的组成中央处理器（CPU）存储系统中断机制时钟v知识点及要求：知识点及要求：学习本章的目的是了解OS的基础硬件环境。2.1 2.1 概述概述v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v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v硬件环境硬件环境以较分散的形式同各种管以较分散的形式同各种管理相结合理相结合简单的个人计算机中的部件简单的个人计算机中的部件MonitorBus2.2 2.2 中央处理器（中央处理器（CPU

2、CPU）v具有特权级别的处理器状态，能具有特权级别的处理器状态，能在不同特权级运行各种特权指令在不同特权级运行各种特权指令v硬件机制使得硬件机制使得OSOS可以和普通程序可以和普通程序隔离实现保护和控制隔离实现保护和控制CPUCPU的构成与基本工作方式的构成与基本工作方式v处理器由运算器、控制器、一系列处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成的寄存器以及高速缓存构成v运算器实现指令中的算术和逻辑运运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心算，是计算机计算的核心v控制器负责控制程序运行的流程，控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护包括取指令、维护CPUCPU状态、

3、状态、CPUCPU与内存的交互等等与内存的交互等等v寄存器是指令在寄存器是指令在CPUCPU内部作处理的过程中暂存内部作处理的过程中暂存数据、地址以及指令信息的存储设备；数据、地址以及指令信息的存储设备； 在计算机的存储系统中它具有最快的访问速在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度。度。v高速缓存处于高速缓存处于CPUCPU和物理内存之间，一般由控和物理内存之间，一般由控制器中的内存管理单元（制器中的内存管理单元（MMUMMU：Memory Memory Management UnitManagement Unit）管理，访问速度快于内存，）管理，访问速度快于内存，低于寄存器。低于寄存器。

4、利用程序局部性原理使得高速指令处理和低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，从而提高速内存访问得以匹配，从而提高CPUCPU的效率。的效率。处理器中的寄存器处理器中的寄存器v寄存器提供了一定的存储能力寄存器提供了一定的存储能力v速度比主存快得多速度比主存快得多v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：v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v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的的特权代码

5、使用特权代码使用, 以控制其它程序的执行以控制其它程序的执行用户可见寄存器用户可见寄存器v机器语言（汇编语言）直接引用机器语言（汇编语言）直接引用v包括数据寄存器、地址寄存器等包括数据寄存器、地址寄存器等v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v地址寄存器地址寄存器（address register）用于存储数用于存储数据及指令的物理地址。如据及指令的物理地址。如index register、segment pointer、stack pointer控制和状态寄存器控制和状态寄存器v用于控制处理器的操作用于控制处理器的操作v大部分对于用户是不可见的大部分

6、对于用户是不可见的v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）下访使用）下访问问常见的控制和状态寄存器常见的控制和状态寄存器: :v程序计数器程序计数器（PC：Program Counter），记，记录将要取出的指令的地址录将要取出的指令的地址v指令寄存器指令寄存器（IR：Instruction Register），包，包含最近取出的指令含最近取出的指令v程序状态字（程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器的运行模式信息等等记录处理器的运行模式信息等等指令执行的基本过程（指令执行的基本过程（1 1）两个步骤：两个步骤：v先从存储器中每次读

7、取一条指令先从存储器中每次读取一条指令v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程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成成指令执行的基本过程（指令执行的基本过程（2 2）v每个指令周期开始时，依据在程序计数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器中的指令地址从存储器中取一条指令v在取指完成后根据指令类别自动将程序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计数器的值变成下条指令的地址v取到的指令放在指令寄存器（取到的指令放在指令寄存器（I

8、RIR）中）中v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5 5类指令类指令v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vI/O指令： 处理器和处理器和I/O设备间数据传送和命令发送设备间数据传送和命令发送v算术逻辑指令（数据处理指令）： 执行数据算术和逻辑操作执行数据算术和逻辑操作v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v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特权指令和非特权指令特权指令和非特权指令特权指令特权指令：只能由操作系统使用的指令：只能由操作系统使用的指令v使用多道程

9、序设计技术的计算机指令使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区分为系统必须要区分为特权指令和非特权特权指令和非特权指令指令vCPUCPU如何知道当前运行的是操作系统还如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？有赖于处理器状态是一般应用软件？有赖于处理器状态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理器设置为不同状态多数系统将处理器工作状态划分为多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态管态和目态管态：管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又称为特权态（特态）

10、、系统态权级别，又称为特权态（特态）、系统态 、核、核心态心态目态：目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态又称为普通态（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）三种和用户程序状态（目标状态）三种实例：实例：x86x86系列处理器系列处理器v386、486、Pentium系列都支持系列都支持4个处理器特个处理器特权级别（特权环：权级别（特权环：R0、R1、R2和和R3）v从从R0到到R3特权能力依次降低特权能力依次降低vR0相当于双状态系统的

11、管态相当于双状态系统的管态vR3相当于目态相当于目态vR1和和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：集合具有包含关系：3210RRRRIIII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vR0- -运行操作系统核心代码运行操作系统核心代码vR1- -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vR2- -运行其它受保护共享代码，如语言系运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境统运行环境vR3- -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，如处理器的操作系统，如UNIX、Linux以

12、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：v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v可使用所有资源可使用所有资源v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：v只有非特权指令能执行只有非特权指令能执行程序状态字程序状态字PSWPSWPSW (Program Status Word ): :vCPU的状态的状态指明管态还是目态，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上执行的是操作系统

13、还是一般用户程序，从而决定其是否可以使用一般用户程序，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其它的特殊权力特权指令或拥有其它的特殊权力v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v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例例1:1:微处理器微处理器M68000M68000的程序状态字的程序状态字条件位：条件位：vC： 进位标志位进位标志位 V： 溢出标志位溢出标志位vZ： 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vS：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vT：陷

14、阱（：陷阱（Trap）中断指示位为）中断指示位为1，v 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1514131211109876543210TSI2I1I0XNZVCCPUCPU状态的转换状态的转换v目态目态-管态管态 其转换的唯一途径是通过中断其转换的唯一途径是通过中断v管态管态-目态目态 可用设置可用设置PSW(PSW(修改程序状态字修改程序状态字) )可实现可实现2.3 2.3 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：v作业必须把它的程序和数据存放在内存作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行中才能运行v多道程系统中，若

15、干个程序和相关的数多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器据要放入主存储器v操作系统要管理、保护程序和数据，使操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受到破坏它们不至于受到破坏v操作系统本身也要存放在主存储器中并操作系统本身也要存放在主存储器中并运行运行存储器的类型存储器的类型两类存储器：读写型的存储器两类存储器：读写型的存储器 只读型的存储器只读型的存储器读写型的存储器读写型的存储器v可把数据存入其中任一地址单元，并可在以可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后的任何时候把数据读出，或者重新存入新后的任何时候把数据读出，或者重新存入新的数据的一种存储器的数据的一种存储器v常被称

16、为随机访问存储器常被称为随机访问存储器（RAM：Random Access Memory）vRAM主要用作存放随机存取的程序的数据主要用作存放随机存取的程序的数据只读型的存储器只读型的存储器: :v只能从其中读取数据，但不能随意用普通方法写入数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）据（写入数据只能用特殊方法）v称为只读存储器称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory）变型变型：PROM和和EPROMvPROM：一种可编程只读存储器，使用特殊一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写写入器写入数据入器写入数据vEPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片

17、，以用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去擦去”信息，恢复原来状态，然后使用特殊信息，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器写写入器写入数据入数据在微机中，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中中如如: :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v容量：需求无止境容量：需求无止境v速度：能匹配处理器的速度速度：能匹配处理器的速度v成本问题：成本和其它部件相比应在合成本问题：成本和其它部件相比应在合适范

18、围之内适范围之内容量、速度和成本容量、速度和成本v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v存取速度快，每比特价格高存取速度快，每比特价格高v容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢慢解决方案：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v当沿着层次下降时当沿着层次下降时v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v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层次化的存储体系结构层次化的存储体系结构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：提高

19、存储系统效能关键点：程序存储访问局部性程序存储访问局部性原理原理v程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一程序执行时，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旦进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合令集合v对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳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定地保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合会在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变改变2.4 2.4 中断技术中断技术v中断对于操作系统的重要性中断对于操

20、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v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）（中断）事件驱动事件驱动”中断机制中断机制中断机制中断机制是操作系统得以正常工作的是操作系统得以正常工作的最重要的手段最重要的手段v它使得它使得OS可以捕获普通程序发出的可以捕获普通程序发出的系统功能调用系统功能调用v及时处理设备的中断请求及时处理设备的中断请求v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2.4.1 2.4.1 中断的概念中断的概念什么是中断什么是中断? ?v指指CPUCPU对系统中或系统外发生异步事件

21、的响应对系统中或系统外发生异步事件的响应v异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等“中断中断”名称源于：名称源于：v当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行v而转去处理该异步事件而转去处理该异步事件v直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行从用户角度看中断从用户角度看中断引入中断的目的引入中断的目的v解决主机与外设的并行工作问题解决主机与外设的并行工作问题v提高可靠性提高可靠性v实现多机联

22、系实现多机联系v实现实时控制实现实时控制特点：特点： 1) 1) 中断是随机的中断是随机的 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几个概念几个概念v中断源：引起中断发生的事件中断源：引起中断发生的事件v中断寄存器：记录中断中断寄存器：记录中断v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，用于临时保存在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场现场中断类型中断类型v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故障或外部请求引起的v自愿

23、性中断自愿性中断 用户在程序中有意识安排的中断，是由于用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，有户在编制程序时因为要求操作系统提供服务，有意使用意使用“访管访管”指令或系统调用，使中断发生指令或系统调用，使中断发生强迫性中断强迫性中断v输入输入/ /输出输出(I/O)(I/O)中断：主要来自外部设中断：主要来自外部设备通道备通道v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) )v时钟中断时钟中断v控制台中断控制台中断v硬件故障硬件故障自愿性中断自愿性

24、中断v执行执行I/OI/O，创建进程，分配内存，创建进程，分配内存v信号量操作，发送信号量操作，发送/ /接收消息接收消息微机中的中断微机中的中断1.1.可屏蔽中断（可屏蔽中断（I/OI/O中断）中断）2.2.不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）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）2.4.2 2.4.2 中断系统中断系统中断系统的两大组成部分：硬件中断装置和软件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中断处理程序v中

25、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，以一定方负责捕获中断源发出的中断请求，以一定方式响应中断源，然后将处理器控制权交给特定式响应中断源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序的中断处理程序v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2.4.3 2.4.3 中断装置的基本功能中断装置的基本功能v提供识别中断源的方法提供识别中断源的方法v提供查询中断状态的方法，通常使用一个寄存提供查询中断状态的方法，通常使用一个寄存器存

26、储有关中断的状态信息，称为中断字器存储有关中断的状态信息，称为中断字v提供中断现场保护的能力提供中断现场保护的能力v提供中断处理程序寻址能力，找到恰当的中断提供中断处理程序寻址能力，找到恰当的中断处理程序处理程序v具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表（中断向量表地址映射表（中断向量表)等数据结构和它们在等数据结构和它们在主存中的位置，以辅助主存中的位置，以辅助OS定制中断处理策略和定制中断处理策略和中断调度机制中断调度机制中断寄存器中断寄存器中断寄存器：中断寄存器：v有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号有的计算机中，为了区分和不丢失中断信

27、号 对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断信号信号 规定值为规定值为1 1时，表示有中断信号，为时，表示有中断信号，为0 0时表示无时表示无v这些触发器的全体称为中断寄存器这些触发器的全体称为中断寄存器v每个触发器称为一个中断位每个触发器称为一个中断位v所以中断寄存器是由若干个中断位组成所以中断寄存器是由若干个中断位组成发现中断发现中断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v在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存在每条指令执行

28、周期的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号器，询问是否有中断信号v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v若有中断，中断硬件就进行中断响应若有中断，中断硬件就进行中断响应2.4.4 2.4.4 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： vCPUCPU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，更确切地，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，或此时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扫描中断寄存器v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

29、设备或中断源？ 因为只有知道中断源或中断设备，才能调用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相应的中断处理程序两种解决方法两种解决方法v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v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”的硬件设施的硬件设施“向量中断向量中断”：v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v“中断向量中断向量”在各计算机上实现方法差别比

30、较大在各计算机上实现方法差别比较大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个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字表，每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理器发送一个该设备在中断向量表中表目的编号目的编号中断优先级中断优先级在一些机器中，中断优先级按中断类型在一些机器中，中断优先级按中断类型划分：划分：v 以机器故障中断的优先级最高以机器故障中断的优先级最高 v 程序中断和访问管理程序中断次之程序中断和访问管理程序中断次之 v 外部中断更

31、次之外部中断更次之 v 输入输出的优先级最低输入输出的优先级最低中断屏蔽中断屏蔽在在CPUCPU上运行的程序，有时由于种种原因，上运行的程序，有时由于种种原因，不希望其在执行过程中被别的事件所中断，不希望其在执行过程中被别的事件所中断，称为中断屏蔽称为中断屏蔽v在在PSWPSW中设置中断屏蔽码以屏蔽某些指定中设置中断屏蔽码以屏蔽某些指定的中断类型的中断类型v各设备接口中也有中断禁止位，以禁止各设备接口中也有中断禁止位，以禁止该设备的中断该设备的中断2.4.5 2.4.5 中断处理中断处理中断处理一般过程：（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

32、当前指令后检测到中断，判）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，确认信号使得该设备将中断信号恢中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到一般状态。复到一般状态。（3 3）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，这通常包保存中断点的程序执行上下文环境，这通常包括程序状态字括程序状态字PSWPSW，程序计数器，程序计数器PCPC，一些寄存，一些寄存器的值，它们通常保存在系统栈中器的值，它们通常保存在系统栈中, ,处理器状处理器状态被切换到管态。态被切

33、换到管态。（4 4）处理器根据中断源查询中断向量表，获得）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，并将与该中断相联系的处理程序入口地址，并将PCPC置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，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控制转移到中断处理程序（5 5）中断处理程序开始工作）中断处理程序开始工作（6 6）中断处理结束时，执行中断返回指令，被）中断处理结束时，执行中断返回指令，被中断程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复，中断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。（7 7）PSWPSW和和PCPC被恢复成中断前的值，处理器开始被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束一个新的指令周期，中断处理结