操作系统的运行环境（71页)ppt课件

1、1.7.1 中央处置器CPU一、CPU的构成与根本任务方式：CPU包含：运算器、控制器、存放器、高速缓存。PCIR数据存放器处置器内存总线PSW地址存放器控制和形状存放器高速缓存Cache运算器控制器1.7 操作系统的运转环境运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的中心。控制器担任控制程序运转的流程，包括取指令、维护CPU形状、CPU与内存的交互等等。存放器是指令在CPU内部作处置的过程中暂存数据、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度。高速缓存处于CPU和物理内存之间，普通由控制器中的内存管理单元MMU：Memory Management Unit管理，

2、访问速度快于内存，低于存放器。利用程序部分性原理使得高速指令处置和低速内存访问得以匹配，从而提高CPU的效率。处置器中的存放器存放器提供了一定的存储才干速度比主存快得多造价高，容量普通都很小两类存放器：用户可见存放器 高级言语编译器经过算法分配并运用之，以减少程序访问主存次数。控制和形状存放器 用于控制处置器的操作，由OS的特权代码运用，以控制其它程序的执行。用户可见存放器机器言语汇编言语直接援用包括数据存放器、地址存放器等数据存放器data register又称通用存放器地址存放器address register用于存储数据及指令的物理地址。如index register、segment p

3、ointer、stack pointer控制和形状存放器用于控制处置器的操作大部分对于用户是不可见的一部分可以在某种特权方式由OS运用下访问常见的控制和形状存放器程序计数器PC：Program Counter，记录将要取出的指令的地址指令存放器IR：Instruction Register，包含最近取出的指令程序形状字PSW：Program Status Word，记录处置器的运转方式信息等等指令执行的根本过程1两个步骤：先从存储器中每次读取一条指令然后执行这条指令一个单条指令处置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每个指令周期开场时，根据在程序计数器中的指令地址从存

4、储器中取一条指令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取到的指令放在指令存放器IR中处置器解释并执行所要求的动作指令执行的根本过程25类指令访问存储器指令： 处置器和存储器间数据传送I/O指令： 处置器和I/O设备间数据传送和命令发送算术逻辑指令数据处置指令： 执行数据算术和逻辑操作控制转移指令： 指定一个新的指令的执行起点处置器控制指令： 修正处置器形状，改动处置器任务方式特权指令和非特权指令运用多道程序设计技术的计算机指令系统必需求区分为特权指令和非特权指令特权指令：只能由操作系统运用的指令。如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清主存、设置中断向量，修正PS

5、W等。非特权指令：普通用户运用的指令。如算术逻辑运算、访问内存、访管指令等 CPU如何知道当前运转的是操作系统还是普通运用软件？依赖于处置器形状Which of the following instructions should be privileged?Set value of timer. Read the clock.c. Clear memory. d. Issue a trap instruction. e. Turn off interrupts. f. Modify entries in device-status table. g. Switch from user to k

6、ernel mode.h. Access I/O device. 处置器的形状为了维护操作系统，将处置器任务形状划分为管态和用户态：管态：操作系统管理程序执行时机器所处的形状，较高的特权级别，又称为特权态特态、系统态 、中心态用户态：用户程序执行时机器所处的形状，较低的特权级别，又称为普通态普态、目态有些系统将处置器形状划分中心形状，管理形状和用户程序形状目的形状三种核态Kernel Mode)： CPU执行操作系统程序时所处的形状。 在此形状下允许CPU运用全部资源和全部指令，其中包括一组特权指令如涉及外设的I/O、改动处置机形状、修正存储维护的指令，实现对系统资源的分配与管理，为用户提供运

7、用外部设备的效力。 管态比核态的权限低，在此形状下允许运用一些用户态下不能运用的资源，但不能运用修正CPU形状的指令。无核态时，管态执行核态的全部功能。用户态(User Mode)： 用户程序执行时CPU所处的形状。在此形状下制止运用特权指令，不能直接运用系统资源与改动CPU形状，并且只能访问用户程序所在的存储空间。 在核态下操作系统可以运用一切指令，包括一组特权指令。允许和制止中断；在进程之间切换处置机；存取用于内存维护的存放器；执行输入和输出操作；停顿一个中央处置机的任务。 在以下情况下，由用户态转向核态：用户程序要求操作系统的效力，系统调用；发生一次中断；在用户程序中产生了一个错误的形状

8、；在用户程序中企图执行一条特权指令；从核态转回用户态用一条指令实现，这条指令也是特权指令。普通情况下是中断前往指令。实例：x86系列处置器386、486、Pentium系列都支持4个处置器特权级别特权环：R0、R1、R2和R3从R0到R3特权才干依次降低R0相当于双形状系统的管态R3相当于目态R1和R2那么介于两者之间，它们可以运转的指令集合具有包含关系：四个级别运转不同类别的程序：R0-运转操作系统中心代码R1-运转关键设备驱动程序和I/O处置例程R2-运转其它受维护共享代码，如言语系统运转环境R3-运转各种用户程序现有基于x86处置器的操作系统，如UNIX、Linux以及Windows系列

9、大都只用了R0和R3两个特权级别图：Intel 系列CPU的特权级别管态和用户态的差别处置器处于管态时：全部指令包括特权指令可以执行可运用一切资源并具有改动处置器形状的才干处置器处于目态时：只需非特权指令能执行程序形状字PSWPSW (Program Status Word ):CPU的形状指明管态还是目态，用来阐明当前在CPU上执行的是操作系统还是普通用户程序，从而决议其能否可以运用特权指令或拥有其它的特殊权益条件码反映指令执行后的结果特征中断屏蔽码指出能否允许中断例1：微处置器M68000的程序形状字条件位：C： 进位标志位 V： 溢出标志位Z： 结果为零标志位N： 结果为负标志位I0 I

10、2：三位中断屏蔽位S：CPU形状标志位，为1处于管态，为0处于目态T：圈套Trap中断指示位为1， 在下一条指令执行后引起自陷中断CPU形状的转换目态-管态 其转换的独一途径是经过中断管态-目态 可用设置PSW(修正程序形状字)实现1.7.2 存储系统作业必需把它的程序和数据存放在内存中才干运转多道程系统中，假设干个程序和相关的数据要放入主存储器操作系统要管理、维护程序和数据，使它们不至于遭到破坏操作系统本身也要存放在主存储器中并运转 一、存储器类型：RAM 和 ROM二、存储系统的层次构造：存储访问的部分性原理容量速度光盘、磁盘、优盘、磁带硬盘硬盘缓存内存高速缓存存放器256K、512K12

11、8M、2G2M40G80G650M、1.44M、64M、400G读写型的存储器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，或者重新存入新的数据的一种存储器常被称为随机访问存储器RAM：Random Access MemoryRAM主要用作存放随机存取的程序的数据只读型的存储器: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称为只读存储器ROM：Read-Only Memory变型：PROM和EPROMPROM：一种可编程只读存储器，运用特殊PROM写入器写入数据EPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去信息，恢复原来形状，然后运用特殊EPROM写

12、入器写入数据存储器的层次构造存储系统设计三个问题： 容量、速度和本钱容量：需求无尽头速度：能匹配处置器的速度本钱问题：本钱和其它部件相比应在适宜范围之内容量、速度和本钱三个目的不能够同时到达最优，要作权衡存取速度快，每比特价钱高容量大，每比特价钱越低，同时存取速度也越慢处理方案采用层次化的存储体系构造当沿着层次下降时每比特的价钱将下降，容量将增大速度将变慢，处置器的访问频率也将下降存储访问部分性原理提高存储系统效能关键点：程序存储访问部分性原理程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入这样的程序段，就会反复存取一样的指令集合对数据存取也有部分性，在较短的时间内，稳定地坚持在一个存储器的部分

13、区域处置器主要和存储器的部分打交道在经过一段时间以后，运用的代码和数据集合会改动设计多级存储的体系构造假设两级存储器：第I级包含1KB，存取时间为0.1s第II级包含1MB，存取时间为1s存取I级中的内容，直接存取存取II级，首先被转移到I级，然后再存取假设确定内容所在位置时间可以忽略假设在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，那么平均访问时间为：结果非常接近I级存储的存取时间缓冲技术引入缓冲目的：缓和CPU与设备速度不匹配的矛盾。CPUCache内存Buffer外部设备字传送块传送缓冲包括：Cache和Buffer。什么是中断?指CPU对系统中或系统外发生异步事件的呼应异步事件是指无一定时

14、序关系的随机发惹事件如外部设备完成数据传输、实时设备出现异常等“中断称号源于：当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行而转去处置该异步事件直四处置完了后，再转回原程序中断点继续执行1.7.3 中断技术从用户角度看中断几个概念中断是指某个事件例如，电源掉电、俘点运算溢出、外部设备传输完成或出错等发生时，系统中止现运转程序的执行，引出处置事件程序对相应事件进展处置，处置终了后前往断点继续执行。中断源：引起中断的事件称中断源，如打印完成中断，其中断源是打印机。断点：发生中断时正在运转的程序被暂时停顿，程序的暂停点称为断点。例如，某程序正在执行0200地址的指令被中断，那么，0200地址就是断点， 在

15、中断前往时就执行0200的下一条指令。中断呼应：是处置机发现有中断恳求时，中止现运转程序的执行并自动引出中断处置程序的过程。中断处置程序： 对中断事件进展处置的程序叫中断处置程序。如时钟中断处置、打印机完成中断处置、打印机缺纸中断处置等等。它是操作系统中与硬件最接近的一部分，是操作系统与硬件的接口。强迫性中断输入/输出(I/O)中断：主要来自外部设备通道程序性中断：运转程序中本身的中断(如被0除,缺页中断,缺段中断,地址越界)时钟中断控制台中断硬件缺点中断自愿性中断又称访管中断IBM370中的中断1. 机器缺点中断：如电源缺点、电路检验出错等2. 输入输出中断：I/O设备完成义务时产生3. 外

16、部中断：时钟中断、多机系统中其它CPU的通讯要求中断等4. 程序中断：程序中的问题引起的中断，如错误地运用指令或数据、存储维护等5. 访管中断：每当CPU执行访管指令时，即引起中断并调用操作系统相应的功能模块为其效力中断系统中断系统的两大组成部分：硬件中断安装和软件中断处置程序中断安装-中断系统的机制部分 担任捕获中断源发出的中断恳求，以一定方式呼应中断源，然后将处置器控制权交给特定的中断处置程序中断处置程序-中断系统的战略部分 中断安装的根本功能发现中断呼应中断：维护现场、找到恰当的中断处置程序处置器如何发现中断信号？ 处置器的控制部件中设一个能检测中断的机构，称为中断扫描机构在每条指令执行

17、周期的最后时辰扫描中断存放器，讯问能否有中断信号假设无中断信号，继续执行下一条指令假设有中断，中断硬件就进展中断呼应发现中断中断向量表：存放一切中断处置程序的入口地址。主存最低端的假设干个字节。中断向量？关中断保管中断现场根据中断向量表设置新运转现场开中断执行中断处置程序关中断恢复被中断程序的现场开中断前往断点，继续执行此时允许中断嵌套。即优先级更高的中断恳求可以打断低级中断的处置。设备发中断信号CPU向设备发确认中断信号中断处置过程中断处置普经过程：1设备给处置器发一个中断信号2处置器处置完当前指令后检测到中断，判别出中断来源并向发送中断的设备发送确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢

18、复到普通形状3处置器开场为软件处置中断做预备： 保管中断点的程序执行上下文环境，这通常包括程序形状字PSW，程序计数器PC，一些存放器的值，它们通常保管在系统栈中4处置器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联络的处置程序入口地址，并将PC置成该地址，处置器开场一个新的指令周期，控制转移到中断处置程序5中断处置程序开场任务6中断处置终了时，执行中断前往指令，被中断程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复，处置器形状恢复成原来的形状。7PSW和PC被恢复成中断前的值，处置器开场一个新的指令周期，中断处置终了设备控制器或其他系统硬件发出中断处置器完成当前指令的执行处置器接受中断处置器将PSW和PC推入

19、系统堆栈处置器根据中断类型读入新的PC和PSW值中断系统硬件完成的任务保管CPU形状的其他信息执行中断处置程序恢复CPU形状信息从系统堆栈恢复原PSW和PC中断系统软件完成的任务中断的其它问题中断优先级在一些机器中，中断优先级按中断类型划分： 以机器缺点中断的优先级最高 程序中断和访问管理程序中断次之 外部中断更次之 输入输出的优先级最低中断屏蔽在CPU上运转的程序，有时由于种种缘由，不希望其在执行过程中被别的事件所中断，称为中断屏蔽在PSW中设置中断屏蔽码以屏蔽某些指定的中断类型各设备接口中也有中断制止位，以制止该设备的中断多个中断的处置 假设中断处置过程中又发生中断，引起多中断处置问题两种

20、处置方法：第一种： 处置一个中断时制止中断，对任何新中断置之不理，当再次允许中断时，新中断才被呼应。多中断处置第一种处置方法第二种： 中断按照优先度分级 允许高优先级中断打断低优先级的中断中断处置嵌套 多中断处置第二种处置方法1.8 用户界面用户任务环境 效力一系统生成 系统生成是指在一台裸机上或者安装新的操作系统安装操作系统的过程。 普通情况下，系统生成的任务是由系统程序员来完成的，在系统生成的过程中涉及到机器的硬件配置和操作系统中心参数的设置。还涉及软件系统的版权的问题。 在微机上的系统生成用户是可以完成的，比如安装WINDOWS 98、LINUX、MINIX 、 UNIX。 二系统初启

21、在系统生成后，用户每次运用机器时必需启动系统。对于大、中、小型计算机来说，系统启动的任务是由系统程序员或系统管理员来完成的，对于微机来说，是由用户本人完成。 WINDOWS 98初启：1、翻开机器电源；2、ROM中引导程序运转装入系统盘中的主引导块;3、主引导块程序执行，启动DOS7.0引导程序做系统初始化的任务；包括系统资源初始形状的设置、系统主要数据构造初始化、引导图形用户界面程序；4、图形用户界面运转，生成用户的图形用户界面，系统初启任务完成。Windows 98系统初启完成后的用户界面UNIX系统初启：1、将指定的UNIX操作系统执行代码程序装入内存； a. ROM中引导程序将主引导块

22、装入指定内存， 启动主引导程序运转； b. 主引导程序在系统盘上找到UNIX文件， 装入内存，并启动其初启程序；2、存储空间及其管理机构初始化；3、与设备有关的初始化；4、与文件系统有关的初始化；5、创建0和1进程；6、1进程创建各终端进程；7、终端进程运转shell;8、各用户终端上出现 login:表示系统初启完成，等待用户键入命令。作业 作业步在操作系统中，把编好源程序后上机调试的任务分成四个步骤，称为四个作业步： 编辑 编译 衔接 运转运转一个用户程序的过程用户界面操作系统提供两个用户接口：程序级：系统调用操作命令级： 作业控制言语 早期批处置操作 系统 键盘命令交互式操作系统，分时操

23、作系 统为代表 图形用户接口UNIX、WINDOWS一作业控制言语 在批处置操作系统时代，用户运用机是采用脱机方式，即用户将本人的程序、数据和用作业控制言语编写的上机操作的步骤的程序一同提交给计算中心或机房，隔一段时间去机房取结果。 作业控制言语是一种言语，用来写程序操作步骤的程序。二键盘命令 分时操作系统诞生后，用户可以经过用户终端直接运用计算机，并且可与计算机“对话，这就是所谓的交互式计算机。用户可经过键盘直接向计算机发布各种命令，计算机可接受、执行用户命令。DOS系统把键盘命令分为：文件管理COPY、COMP、TYPE、DEL、REN磁盘管理FORMAT、CHKDSK、DISKCOPY、

24、DISKCOMP目录管理DIR、CD、MD、RD、TREE设备任务方式CLS、MODE日期、时间、系统设置DATE、TIME、VER、VOL 运转用户程序(MASM、LINK、DEBUG)系统功能调用 例如，在程序中要求显示某个子目录，这时就不能让正在运转的程序退出，然后发出“DIR命令。这就要求在程序中能直接运用“DIR命令，这种直接运用操作系统命令的功能称为系统功能调用。 系统功能调用：系统调用是操作系统与用户的接口之一，用户在程序中运用系统功能调用恳求操作系统的效力。系统功能调用命令、进管指令、访管指令。 系统调用是经过访管指令恳求操作系统效力的， PDP11系统计算机的UNIX系统 TRAP n 微机系统windows 95/98 , NT MS-DOS INT N 教材上称为自愿进管指令： SVC N SVC supervisor call ：自愿进管指令的操作码 N：为地址码 系统调用是经过访管指令实现的。在程序中，假设希望恳求操作系统的效力例如，翻开一个文件，显示某个目录的内容等，就要执行一条访管指令trap、int，系统处置这个中断，即为用户提供相应的效力或者称响运用户的恳求。留意： 在汇编程序中是显式地运用访管中断命令，trap、INT。在高级言语中C言语是隐式运用访管指令。 不同的操作系统，系统调用实现的详细方法有所不同，但其本质的特点是一样的