操作系统第一次课程.ppt

1 操作系统 主讲教师 樊凯E mail triumphfan 计算机科学与技术系 2 联系方式 本人邮箱 tirumphfan 本人电话共邮箱 cs os06 密码 123456 3 课程说明 1 教学目的了解操作系统的发展历史掌握操作系统的基本概念对操作系统有一个系统的认识 4 课程说明 Cont 2 教学方式基本课堂讲授5 10次作业课后实验期中测试 5 课程说明 Cont 3 考核方式平时成绩 25分 5 10次作业 考勤 期中测验 实验 期中报告 25分期末考试50分 闭卷 成绩计算方式 正态分布 6 教学内容 操作系统基本原理与应用Windows操作系统原理 课程内容 7 第一讲 操作系统的硬件环境 8 内容提要 主要讨论操作系统对运行硬件环境的要求操作系统运行的硬件环境组成中央处理器 CPU 存储系统中断机制I O系统时钟以及时钟队列 9 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OS的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结合实现操作系统时必须理解的计算机基本结构 操作系统管理的重要资源 10 一 BIOS 基本输入输出系统 11 BIOS 基本输入输出系统 概览 1 打开电源2 CPU将控制权交给BIOS3 BIOS运行一个程序 通电自测试程序4 BIOS确认所有外部设备 硬盘或扩充卡 12 5 BIOS确定主引导程序或初始程序加载 IPL 设备的位置6 BIOS建立系统资源表7 选择并启用初始输入设备 键盘 和输出设备 显示器 BIOS在上次成功启动时俘获这些设置 并存储到NVR中 13 8 搜索非PnP设备 如外部设备互连 PCI 总线 并将这些设备的ROM的数据添加到资源表中9 BIOS解决设备冲突 并配置选择的引导设备10 通过用适当参数呼叫PnP设备的任选ROM来启动这些设备 14 11 启动引导装入程序12 IPL设备将操作系统装到存储器中13 BIOS将控制权交给操作系统 操作系统可以进行其他资源的分配 15 二 中央处理器 CPU 16 1 中央处理器 CPU 专门设计了一系列基本机制 具有特权级别的处理器状态 能在不同特权级运行的各种特权指令 硬件机制使得OS可以和普通程序隔离实现保护和控制 17 单机与多处理器系统如果一个计算机系统只有一个处理器 称之为单机系统如果有多个处理器称之为多处理器系统指令系统早期的微处理器 指令系统的功能相对来说比较弱 当代的微处理器 结构非常复杂 18 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 19 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 20 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储器快得多但是造价高 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 21 用户可见寄存器 机器语言直接引用包括数据寄存器 地址寄存器以及条件码寄存器数据寄存器 dataregister 又称通用寄存器主要用于各种算术逻辑指令和访存指令地址寄存器 addressregister 用于存储数据及指令的物理地址 线性地址或者有效地址 用于某种特定方式的寻址 如索引寄存器indexregister 段指针segmentpointer 栈指针stackpointer条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位如算术运算产生的溢出 符号等等 22 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 23 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仅当关机 出错或有停机相关指令时 程序才停止 24 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 自增1取到的指令放在指令寄存器中处理器解释并执行所要求的动作 25 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模块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 26 例子 地址指令2000h MOVE 3340h R12004h ADDR1 12008h MOVER1 3340h 经过3个取指周期和3个执行周期程序达到预想的效果 27 2 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特权指令一般引起处理器状态的切换处理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 然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码 这一个过程称为陷入CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件 有赖于处理器状态的标识 28 3 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 29 实例 x86系列处理器 1 386 486 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 30 实例 x86系列处理器 2 各个级别有保护性检查 地址校验 I O限制 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 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 多数UNIX Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别 31 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高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的 32 4 程序状态字PSW 在PSW中专门设置一位 根据运行程序使用指令的权限而设置 PSW ProgramStatusWord CPU的工作状态码 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 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 33 例 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 34 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 35 三 存储系统 36 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主存储器 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 37 1 存储器的类型 两类存储器 读写型的存储器和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 38 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 39 2 存储器的层次结构 存储系统设计三个问题 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 40 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方案 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 41 42 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 43 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假设两级存储器 第I级包含1KB 存取时间为0 1 s第II级包含1MB 存取时间为1 s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若在I级存储器中发现存取对象的概率是95 则平均访问时间如下 结果非常接近I级存储的存取时间 44 T1 I级存储器的存取时间T2 II级存储器的存取时间 一个简单二级存储系统的性能 45 3 存储分块 存储最小单位 二进位 包含信息为0或1最小编址单位 字节 一个字节包含八个二进位主流个人电脑主存 128MB 1 5GB之间辅助存储器 在20GB 200GB工作站 服务器主存 2GB 4GB之间硬盘容量 数百GB 数TB 磁盘阵列 为简化分配和管理 存储器分成块 称一个物理页 Page 块的大小 512B 1K 4K 8K 46 存储保护设施 对主存中的信息加以严格的保护 使操作系统及其它程序不被破坏 是其正确运行的基本条件之一多用户 多任务操作系统 OS给每个运行进程分配一个存储区域问题 多个程序同时在同一台机器上运行怎样才能互不侵犯 47 保护的硬件支持 为了保证软件程序只影响程序的内部 硬件可提供如下功能 界地址寄存器 界限寄存器 存储键地址转换 48 界地址寄存器 界限寄存器 界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术机制比较简单 易于实现实现方法 在CPU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 每当CPU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 以判断是否越界如果未越界 则按此地址访问主存 否则将产生程序中断 越界中断 存储保护中断 49 50 存储键 每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键一用户作业被允许进入主存 OS分给它一个唯一的存储键号并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样键号当OS挑选该作业运行时 OS将它的存储键号放入程序状态字PSW存储键 钥匙 域中每当CPU访问主存时 都将该主存块的存储键与PSW中的 钥匙 进行比较如果相匹配 则允许访问 否则 拒绝并报警 51 地址转换 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 52 CPU TranslationBox MMU 虚拟地址 物理地址 物理空间 数据读或写 不需转换 现代体系结构中的地址转换 53 codedataheapstack 程序2虚地址空间 data2stack1code1heap1code2stack2data1heap2OScodeOSdataOSheap stacks 程序1虚地址空间 codedataheapstack 内存 地址转换 54 四 缓冲技术 55 缓冲技术 缓冲区是硬件设备之间进行数据传输时 用来暂存数据的一个存储区域缓冲技术三种用途 处理器与主存储器之间处理器和其它外部设备之间设备与设备之间的通信目的 解决部件之间速度不匹配的问题 56 多缓冲区 Cache 技术 单缓冲区 设备向缓冲区输入数据直到装满后必须等待CPU将其取完 才能继续向其中输入数据为了提高设备利用率 单缓冲区不够多缓冲区 Cache 技术 Cache 离CPU最近 使CPU快速访问常使用的数据CPU首先到一级Cache中找如果没有 CPU到二级Cache中找如果没有 CPU到系统内存中找 57 一级Cache CPU先访问 性能对系统性能作用很大 Cache与主存储器 58 Cache与主存储器的对应 主存储器 主存视作一些固定大小的块构成每块含K个字 主存划分为M 2n K个块Cache C个存储槽 每个槽K个字 C远小于M主存中一些块的集合驻留在Cache的相应槽中对应处理 若某块中的一个字 不在Cache槽中 那个块整个被移到一个槽中替换那一个槽中的内容由处理器的Cache管理单元按照一定的策略来选择并且相应的Cache槽中会有一个专门的标记以表明对应是主存的什么地址块 59 Cache 读 60 五 中断技术 61 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 62 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 63 中断的概念 cont 中断处理是操作系统的一个重要组成部分操作系统就是由中断驱动的中断是现代计算机系统中基本设施之一 它起着通讯联络作用 协调系统对各种外部事件的响应和处理中断是实现多道程序的必要条件 64 中断定义 CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应CPU暂停正在执行的程序 保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序 处理完成后返回断点 继续执行被打断的程序 65 从用户角度看中断 66 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 中断随机的2 中断是可恢复的3 中断是自动处理的 67 中断系统的概念 中断由软硬件协同处理中断装置 指发现中断 响应中断的硬件中断处理程序 由软件来完成中断系统 中断装置 中断处理程序中断源 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 68 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 69 中断类型 Cont 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 70 微机中的中断 1 可屏蔽中断 IO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 71 2 中断系统 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 72 典型的中断处理 硬件故障中断 硬件故障中断处理程序一般需要做的工作 保存现场 使用一定警告手段 提供些辅助诊断信息在高可靠系统中 中断处理程序还要评估系统可用性 尽可能恢复系统如Windows2000 XP 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 是系统故障时的全系统 快照 备日后故障诊断 73 典型的中断处理 系统服务请求实例 DOS 21h号中断的系统服务功能以及参数列表现代操作系统一般不提供直接使用系统调用指令的接口 通常做法 提供一套方便 实用的应用程序函数库 应用程序设计接口API 从应用层面重新封装系统调用屏蔽复杂的系统调用传参问题高级语言接口 有助于快速开发有的系统在更高层面提供系统程序设计模板库和类库如Windows2000 XP提供封装系统用Win32API和高层编程机制MFC以及ATLLinux提供封装系统调用 符合POSIX标准API和C运行库 74 六 I O技术 75 I O技术 I O控制使用下面几种技术 程序控制中断驱动直接存储器存取 DMA 通道 76 1 程序控制I O技术 由处理器提供I O相关指令来实现I O处理单元处理请求并设置I O状态寄存器相关位不中断处理器 也不给处理器警告信息处理器定期轮询I O单元的状态 直到处理完毕I O软件包含直接操纵I O的指令控制指令 用于激活外设 并告诉它做什么状态指令 用于测试I O控制中的各种状态和条件数据传送指令 用于在设备和主存之间来回传送数据主要缺陷 处理器必须关注I O处理单元的状态 因而耗费大量时间轮询信息 严重地降低了系统性能 77 2 中断驱动I O技术 为了解决程序控制I O方法的主要问题应该让处理器从轮询任务中解放出来使I O操作和指令执行并行起来具体作法 当I O处理单元准备好与设备交互的时候 通过物理信号通知处理器 即中断处理器 78 3 DMA技术 中断的引入大大地提高了处理器处理I O的