计算机操作系统ch02

计算机操作系统OperatingSystemofComputer第二章操作系统的硬件环境主要内容：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概述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硬件环境以较分散的形式同各种管理相结合简单的个人计算机中的部件MonitorBus2.2中央处理器（CPU）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硬件机制使得OS可以和普通程序隔离实现保护和控制CPU的构成与基本工作方式处理器由运算器、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控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等寄存器是指令在CPU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；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，一般由控制器中的内存管理单元（MMU：MemoryManagementUnit）管理，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访问得以匹配，从而提高CPU的效率。处理器中的寄存器寄存器提供了一定的存储能力速度比主存快得多造价高，容量一般都很小两类寄存器：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控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作由OS的特权代码使用,以控制其它程序的执行用户可见寄存器机器语言（汇编语言）直接引用包括数据寄存器、地址寄存器等数据寄存器（dataregister）又称通用寄存器地址寄存器（addressregister）用于存储数据及指令的物理地址。如indexregister、segmentpointer、stackpointer控制和状态寄存器用于控制处理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模式（由OS使用）下访问常见的控制和状态寄存器:程序计数器（PC：ProgramCounter），记录将要取出的指令的地址指令寄存器（IR：InstructionRegister），包含最近取出的指令程序状态字（PSW：ProgramStatusWord），记录处理器的运行模式信息等等指令执行的基本过程（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指令执行的基本过程（2）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寄存器（IR）中处理器解释并执行所要求的动作5类指令访问存储器指令：处理器和存储器间数据传送I/O指令：处理器和I/O设备间数据传送和命令发送算术逻辑指令（数据处理指令）：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理器控制指令：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：只能由操作系统使用的指令使用多道程序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CPU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管态：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）、系统态、核心态目态：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）三种实例：x86系列处理器386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别（特权环：R0、R1、R2和R3）从R0到R3特权能力依次降低R0相当于双状态系统的管态R3相当于目态R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：四个级别运行不同类别的程序R0-运行操作系统核心代码R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程R2-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境R3-运行各种用户程序现有基于x86处理器的操作系统，如UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别管态和目态的差别处理器处于管态时：全部指令（包括特权指令）可以执行可使用所有资源并具有改变处理器状态的能力处理器处于目态时：只有非特权指令能执行程序状态字PSWPSW(ProgramStatusWord):CPU的状态——指明管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户程序，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条件码——反映指令执行后的结果特征中断屏蔽码——指出是否允许中断例1:微处理器M68000的程序状态字条件位：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–I2：三位中断屏蔽位S：CPU状态标志位，为1处于管态，为0处于目态T：陷阱（Trap）中断指示位为1，在下一条指令执行后引起自陷中断CPU状态的转换目态--管态其转换的唯一途径是通过中断管态--目态可用设置PSW(修改程序状态字)可实现2.3存储系统支持OS运行硬件环境的一个重要方面：作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受到破坏操作系统本身也要存放在主存储器中并运行存储器的类型两类存储器：读写型的存储器只读型的存储器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：RandomAccessMemory）RAM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-OnlyMemory）变型：PROM和EPROMPROM：一种可编程只读存储器，使用特殊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，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器写入数据在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在ROM中如:PCBIOS和CBASIC解释程序被固化于ROM中存储器的层次结构存储系统设计三个问：容量、速度和成本容量：需求无止境速度：能匹配处理器的速度成本问题：成本和其它部件相比应在合适范围之内容量、速度和成本三个目标不可能同时达到最优，要作权衡存取速度快，每比特价格高容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢解决：采用层次化的存储体系结构当沿着层次下降时每比特的价格将下降，容量将增大速度将变慢，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改变2.4中断技术中断对于操作系统的重要性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“中断驱动”或者“（中断）事件驱动”中断机制中断机制是操作系统得以正常工作的最重要的手段它使得OS可以捕获普通程序发出的系统功能调用及时处理设备的中断请求防止用户程序中破坏性的活动等等2.4.1中断的概念什么是中断?指CPU对系统中或系统外发生异步事件的响应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“中断”名称源于：当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行而转去处理该异步事件直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行从用户角度看中断引入中断的目的解决主机与外设的并行工作问题提高可靠性实现多机联系实现实时控制特点：1)中断是随机的2)中断是可恢复的3)中断是自动处理的几个概念中断源：引起中断发生的事件中断寄存器：记录中断中断字：中断寄存器的内容系统堆栈:在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场中断类型强迫性中断正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障或外部请求引起的自愿性中断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，有意使用“访管”指令或系统调用，使中断发生强迫性中断输入/输出(I/O)中断：主要来自外部设备通道程序性中断：运行程序中本身的中断(如溢出,缺页中断,缺段中断,地址越界)时钟中断控制台中断硬件故障自愿性中断执行I/O，创建进程，分配内存信号量操作，发送/接收消息微机中的中断1.可屏蔽中断（I/O中断）2.不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）3.程序错误中断（溢出、除法错等中断）4.软件中断（Trap指令或中断指令INT）2.4.2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处理程序中断系统的硬件中断装置-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源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序软件中断处理程序-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2.4.3中断装置的基本功能提供识别中断源的方法提供查询中断状态的方法，通常使用一个寄存器存储有关中断的状态信息，称为中断字提供中断现场保护的能力提供中断处理程序寻址能力，找到恰当的中断处理程序具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射（中断向量表)等数据结构和它们在主存中的位置，以辅助OS定制中断处理策略和中断调度机制中断寄存器中断寄存器：有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断信号规定值为1时，表示有中断信号，为0时表示无这些触发器的全体称为中断寄存器每个触发器称为一个中断位所以中断寄存器是由若干个中断位组成发现中断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称为中断扫描机构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若无中断信号，继续执行下一条指令若有中断，中断硬件就进行中断响应2.4.4中断响应 CPU如何响应中断,两个问题：CPU何时响应中断？通常在CPU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，或此时扫描中断寄存器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，才能调用相应的中断处理程序两种解决方法用软件指令去查询各设备接口这种方法比较费时多数微型机对此问题的解决方法：使用一种“向量中断”的硬件设施“向量中断”：当CPU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“中断向量”，以标识该设备“中断向量”在各计算机上实现方法差别比较大中断向量表在有的机器中：将主存最低位128个字保留作为中断向量表，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，向处理器发送一个该设备在中断向量表中表目的编号中断优先级在一些机器中，中断优先级按中断类型划分：以机器故障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，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禁止位，以禁止该设备的中断2.4.5中断处理中断处理一般过程：（1）设备给处理器发一个中断信号。（2）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，确认信号使得该设备将中断信号恢复到一般状态。（3）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，这通常包括程序状态字PSW，程序计数器PC，一些寄存器的值，它们通常保存在系统栈中,处理器状态被切换到管态。（4）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PC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（5）中断处理程序开始工作（6）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，处理器状态恢复成原来的状态。（7）PSW和PC被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束中断系统硬件完成的工作中断系统软件完成的工作2.5时钟时钟为计算机完成以下必不可少的工作：在多道程序运行环境中，为系统发现陷入死循环（编程错误）的作业，防止机时的浪费在分时系统中，间隔时钟实现作业间按时间片轮转在实时系统中，按要求的间隔输出正确时间信号给实时的控制设备（如A／D、D/A转换设备）定时唤醒要求延迟执行的各外部事件（如定时为各进程计算优先数，银行中定时运行某类结账程序等）记录用户使用设备时间和记录某外部事件发生时间记录用户和系统所需要的绝对时间，即年、月、日时钟是操作系统运行的必不可少的硬件设施绝对时钟：记录当时时间（年、月、日、时、分、秒）一般来说，绝对时钟准确，当停机时，绝对时钟值仍然自动修改间隔时钟：通过时钟寄存器实现，置上时间间隔初值，每经过一个单位时间，时钟值减1，直到该值为0时，则触发时钟中断，并进行相应中断处理硬件时钟某个寄存器来模拟(根据脉冲频率定时加1，减1)软件时钟用作相对时钟，用内存单元来模拟时钟需要间隔时钟的支持（也就是需要时钟中断的支持）