操作系统课件2.ppt

第二章操作系统的逻辑结构 2 1概述 操作系统的发展过程可以看出 构成操作系统的方法有以下三种 1 无结构操作系统是一组过程的集合 2 层次式结构操作系统由若干层组成 3 客户 服务器模型操作系统由微内核和核外的服务器进程组成 2 1 1操作系统虚拟机 为了执行指令和实施最原始 简单的操作 需要硬件这一物质基础 用户提出的许多功能均由软件完成 为了方便用户使用 通常要为计算机配置各种软件去扩充机器的功能 在裸机上配置了操作系统程序后就构成了操作系统虚拟机 系统所提供的全部操作命令的集合称为操作命令语言 它是用户和系统进行通信的手段和界面 这一用户界面分为两个方面 操作命令 又称命令接口 和系统功能调用 又称程序 接口 1 操作命令 1 键盘命令 2 作业控制语言 3 图形化用户界面2 系统功能调用 2 1 2操作系统逻辑结构 为了组织扩充机器的部分 操作系统 可采用分层结构方法将它的各种功能分成不同的层次 每一层都提供一组功能 这些功能只依赖于该层以内的各层 2 2基本硬件结构 2 2 1中央处理器 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 1 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 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地址 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 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 2 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 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 3 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 2 2 2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 1 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程序被固化于ROM中 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 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 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 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 则平均访问时间为 0 95 0 1 s 0 05 s 0 1 s 1 s 0 15 s结果非常接近I级存储的存取时间 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 512MB 1GB之间辅助存储器 在80GB 120GB工作站 服务器主存 1GB 4GB之间硬盘容量 数百GB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 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 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 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 界地址寄存器存储保护技术 上限 上限 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 八 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时钟 实际上都是硬件时钟寄存器 按时钟电路所产生的脉冲数对时钟寄存器进行加1或减1的工作绝对时钟 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 相对时钟 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 直到该值为负时 则触发时钟中断 并进行相应中断处理 时钟 2 2 2 3中断与俘获 1 中断概念 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的定义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 从用户角度看中断 中断的重要性 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 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 2 中断的类型 输入输出中断I O传输错误 I O传输结束外中断时钟中断 操作员控制台中断 多机系统中CPU到CPU的通信中断机器故障中断机器发生故障时产生的中断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 防管中断对操作系统提出某种需求 请求I O传输 建立进程 中断和俘获 I 0中断和外中断与发生在CPU以外的某种事件有关 而机器故障中断 程序性中断和访管中断是由CPU内部出现的一些事件引起的 一般我们将前者称为中断 而将后面几种统称为俘获 在同时发生中断和俘获请求时 俘获总是优先得到响应和处理的 所以俘获也称为高优先级中断 中断和俘获除了来源和响应的先后次序不同以外 一般机器处理中断和俘获所使用的机构和方式基本上是相同的 3 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 开始 取下一条指令 执行指令 检查指令处理中断 停止 取周期 执行周期 中断周期 不允许中断 允许中断 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 当中断发生时 由中断源自己引导处理机进人中断服务程序的中断过程称为向量中断 为了提高中断的处理速度 在向量中断中 对于每一个中断类型都设置一个中断向量 中断向量表 中断向量就是存储该类型中断的中断服务例行程序的入口地址和处理器状态字的存储单元 系统中所有中断类型的中断向量放在一起 形成中断向量表 在中断向量表中 存放每一个中断向量的地址称为中断向量地址 在向量中断中 由于每一个中断都有自己的中断向量 所以当发生某一中断事件时 可直接进入处理该事件的中断处理程序 6 中断处理 简单的中断处理 典型的处理过程 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响应中断 延迟非常短 要求处理器没有关闭中断 3 如果检测到中断 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 简单的中断处理 典型的处理过程 续1 4 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中的下一条指令位置 一些寄存器的值 它们通常保存在系统控制栈中 处理器状态被切换到管态 5 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 简单的中断处理 典型的处理过程 续2 6 中断处理程序