操作系统运行环境课件

操作系统运行环境

2.1.1中央处理器（CPU）单机系统和多机系统单机系统：只有一个处理器的计算机系统多机系统：有多个处理器的计算机系统2.1.1中央处理器（CPU）单用户单任务和多用户多任务

单用户单任务多用户多任务2.1.1中央处理器（CPU）特权指令和非特权指令在指令系统中只能由操作系统使用的指令，如：启动设备、设置时钟、中断屏蔽、清除内存、存储保护等，称为特权指令。用户只能使用非特权指令操作系统可以使用所有的指令问题1：计算机如何判断当前执行指令的是用户还是操作系统呢？2.1.1中央处理器（CPU）处理器的状态管态（管理态）：操作系统管理程序运行的状态。当处理器处于管理态时可以运行所有指令。目态（问题态）：用户程序运行的状态。当处理器处于目态时，只能执行非特权指令。问题2：如何使计算机识别当前的处理器状态呢？2.1.1中央处理器（CPU）程序状态字PSWPSW是一个特殊的寄存器，用于指示处理器的状态不同的处理器，他们的PSW的位数不同，格式也不同。一个PSW的例子：见教材page202.1.2主存储器存储器的功能程序（包括用户程序和操作系统程序）只能放在主存中才能运行。存储器的类型读写型（RAM:RandomAccessMemory）只读型(ROM:ReadOnlyMemory)2.1.2主存储器存储分块为了简化对存储器的分配和管理，以“块”作为存储器分配的最小单位。不同的计算机系统，块的大小不同。2.1.2主存储器存储保护为什么要使用存储保护？存储保护的方法：界地址寄存器：在CPU中设置一对寄存器来存放用户作业在主存中的上限地址和下限地址，分别称为上限寄存器和下限寄存器（或者保存下限和程序长度）2.1.2主存储器存储保护存储保护的方法：界地址寄存器存储保护键：每个存储块都有一个五位二进制组成的存储保护键（不占用块）2.1.2主存储器存储键当用户程序进入内存时，操作系统为它分配一个唯一的存储键号，而用于存放该程序的内存块的存储键号也设置为相同的值。因为每个用户程序的存储键值是唯一的，所以存储键的位数决定了可以同时进入内存的程序个数。（0号键是操作系统程序使用的键值，称万能键）某个程序在CPU上运行时，它的存储键值写入PSW，当CPU访问内存时，要检查访问的内存块的存储键是否与PSW相应数值相同。2.1.2主存储器取保护位取0：即使存储键不同，也可以允许对该块内容进行读取，但不能进行写操作。取1：如果存储键不同，就不允许对该块进行任何操作。Page39习题2.82.1.3缓冲技术缓冲外部设备在进行数据传输期间专门用来暂存这些数据的贮存区域为什么使用缓冲区CPU处理数据的速度与设备传输数据速度不匹配2.1.4中断技术中断中断：CPU对系统中发生的异步事件（随机事件）的响应中断事件（中断源）：引起中断的事件中断处理程序：处理中断事件的程序中断的作用能充分发挥处理器的使用效率提高系统的实时处理能力2.1.4中断技术中断的类型不同的机器对中断类型的划分不同，大致包括：不可屏蔽中断（电源故障、机器内部故障等）可屏蔽中断（输入输出中断）程序中断（溢出、缺页、读内存错等）软件中断（访管中断）外部中断（时钟中断、控制台中断、多机通讯）2.1.4中断技术中断逻辑中断逻辑是接收各种中断源发出的中断请求信号，并按优先级决定响应哪个中断的机构。对应每个中断源有一个中断触发器寄存中断信号。中断扫描机构用于在每个指令周期扫描中断寄存器，检查是否有中断信号。2.1.4中断技术2.1.4中断技术中断优先级优先级越高的中断优先被处理具有同样优先级的中断：固定优先数轮转法中断响应CPU什么时候响应中断如何知道发出中断的中断源是哪一个2.1.4中断技术中断处理过程保存中断现场保存断点的PSW保存断点地址（CS:IP）取中断向量进入中断处理程序中断返回2.1.5时钟、时钟队列计算机系统时钟的作用定时提供用户和系统所需的绝对时间用作可编程的发生器记录用户使用设备的时间记录外部事件发生的时间在分时系统中，实现用户时间片在实时系统中，输出正确的时间信号2.1.5时钟、时钟队列绝对时钟和间隔时钟绝对时钟：记录当前的绝对时间，提供给系统真实的时间。相对时钟：也称间隔时钟，用作程序的定时器、中断触发器等。时钟队列为了定时唤醒某些程序而设计的一种技术。Page292.2操作系统与其它软件的关系操作系统属于计算机软件系统，但是和其它的软件不同，它管理着整个计算机系统的运行；为其它软件提供了运行环境。操作系统程序在其它软件运行的各个阶段对它们进行管理。本节涉及到用户作业在计算机上运行的过程，以及在这个过程中操作系统所起到的作用2.2操作系统与其它软件的关系2.2.1作业、作业步和进程2.2.2重定位2.2.3装入程序2.2.1作业、作业步和进程作业：要求计算机处理的一个相对独立的任务作业步：完成一个作业所需要顺序执行的步骤进程：线程：2.2.2重定位重定位对程序中的地址进行重新设置，把相对地址变为绝对地址。相对地址相对于某个基准量编址的时候使用的地址，用于程序编写和编译的地址系统。绝对地址存储控制部件能够识别的贮存单元编号，即主存单元的实际地址。2.2.2重定位相对地址空间也称逻辑地址空间、用户地址空间，即程序中相对地址的全体。物理地址空间即主存的实际地址空间。2.2.2重定位为什么要重定位？重定位的类型静态重定位：在程序装入主存时，由连接装入程序进行动态重定位：在处理器每次访问主存时，由动态地址变换机构进行2.2.3装入程序绝对装入通常在个人PC机上。编译程序直接把用户程序翻译成绝对地址形式，装入时只需按顺序读入。相对装入（连接装入）如果装入的程序需要调用过程或子过程，需要先把这些过程和子过程同主程序装配起来形成一个完整的程序，并装入主存。2.2.3装入程序相对装入的两个主要问题如何区分地址项和非地址项编译时把程序中的数据项加上指示字，便明是否地址项使用一个重定位表，依次给出需要重定位的数据项如何把各程序段连接起来内部定义符号表：记录每个内部符号名和它在本程序中的相对地址。外部调用符号表：包括本程序所调用的所有外部符号名。2.2.3装入程序相对装入示例：page322.4固件——微程序设计概念固件具有软件功能的硬件通过微程序设计技术将软件转化为硬件微程序设计所谓微程序设计就是指把计算机控制器的操作用微指令编成程序来实现，这样的程序称为微程序或微代码。微指令计算机控制线路的操作是由一系列基本的动作组成的，这些基本动作称为微操作或