OS02硬件环境ppt课件

1、第二章 操作系统的硬件环境2.1 中央处置器CPU2.2 存储系统2.3 中断机制2.4 时钟 2.2 中央处置器CPU计算机中最重要的部件CPU的构成与根本任务方式处置器由运算器、控制器、一系列的存放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 访问速度快于

2、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 pointer、s

3、tack 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储器中取一条指令

4、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特权指令：只能由操作系统运用的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 CPU如何知道当前运转的是操作系统还是普通运用软件？有赖于处置器形状处置器的形状多数系统将

5、处置器任务形状划分为管态和目态：管态：操作系统管理程序运转的形状，较高的特权级别，又称为特权态特态、系统态 、中心态目态：用户程序运转时的形状，较低的特权级别，又称为普通态普态、用户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

6、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的特权级别管态和目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

7、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 I2：三位中断屏蔽位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)可实现思索题什么是管态，什么是目态，为什么要区分二态？他以为用什么方法可以区分二态？在什么情况下处置机的形状会从目态转换到管态？如何实现这种转换？为什么I/O指令是特权指令？X86处置机提供四种形状，而大多操作系统只运用两种形状，他能说说

8、缘由吗？2.3 存储系统存储系统是支持OS运转的硬件环境的一个重要方面：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 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：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

9、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

10、度将变慢，处置器的访问频率也将下降层次化的存储体系构造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%

11、，那么平均访问时间为：结果非常接近I级存储的存取时间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思索题层次化的存储体系构造有什么益处？处置器如何知道要访问的数据是在内存还是在Cache？请设计一个他以为可行的方案。提示：从内存装数据到Cache以块为单位，一块普通为1-4k什么叫存储访问部分性原理？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任务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置设备的中断恳求防止用户程序中破坏性

12、的活动等等什么是中断?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2.4.1 中断的概念从用户角度看中断引入中断的目的处理主机与外设的并行任务问题提高可靠性实现多机联络实现实时控制特点： 1) 中断是随机的 2) 中断是可恢复的 3) 中断是自动处置的中断源：引起中断发生的事件中断存放器：记录中断中断字：中断存放器的内容系统堆栈:内存中的一块区域，用于保管现场几个概念中断存放器：有的计算机中，为了区

13、分和不丧失中断信号 对应每个中断源分别用一固定触发器存放中断信号 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存放器每个触发器称为一个中断位所以中断存放器是由假设干个中断位组成中断类型强迫性中断 正在运转的程序所不期望的，由于某种硬件缺点或外部恳求引起的自愿性中断 用户在程序中有认识安排的中断，是由于用户在编制程序时由于要求操作系统提供效力，有意运用“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执行I/O指

14、令，创建进程，分配内存信号量操作，发送/接纳音讯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2.4.2 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

15、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呼应中断如何呼应中断？运用“向量中断机制中断向量表：将主存最低端的假设干个字节保管作为中断向量表，每个中断向量占两个字中断向量？PC、PSW中断呼应的过程中断处置过程小结中断处置普经过程：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

16、号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到普通形状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,处置器形状被切换到管态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

17、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2.4.3 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

18、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战略方法：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。第一种战略的软件实现方法： 在任何中断处置前运用制止中断指令 在处置终了后开放中断指令 一切中断严厉按照发生顺序处置 不思索中断紧急程度，无法到达较严厉时间要求多中断处置第一种战略方法第二种： 中断按照优先度分级 允许优先级高中断打断优先级低的中断处置过程 这样中断优先级技术将引起中断处置的嵌套 只需适宜地定义中断的优先级别 方法一的弊端大都可以抑制多中断处置第二种战略方法典型的中断处置1：I/O中断由I/O设备的控制器或者通道

19、发出两类I/O中断：I/O操作正常终了假设要继续I/O操作，需求在预备好以后重新启动I/O，假设恳求I/O程序正处于等待I/O形状，那么应将其唤醒I/O异常需求重新执行失败的I/O操作重试次数有上限，次数过大，系统将断定硬件缺点典型的中断处置2：硬件缺点中断 硬件缺点中断处置程序普通需求做的任务：保管现场，运用一定警告手段，提供些辅助诊断信息在高可靠系统中，中断处置程序还要评价系统可用性，尽能够恢复系统如Windows 2000/XP，关键硬件发生缺点时，如显示卡损坏，出现系统蓝屏，系统实践上进入相应缺点处置程序，发现缺点不可恢复，那么在屏幕上打印出发生缺点时程序位置，并开场进展内存转储将一定

20、范围的内存内容写上磁盘，是系统缺点时的全系统“快照，备日后缺点诊断程序指令出错、指令越权或者指令寻址越界而引发两类处置方法：只能由操作系统的相关扩展功能模块完成 多为程序试图作不能做的操作引起的系统维护 如访问合法的、但不在内存虚地址内，引发页缺点，页缺点普通会引发OS虚存模块作一个页面换入可由程序本人完成，如一些算术运算错误 不同程序可有不同处置方法典型的中断处置(3)：程序性中断典型的中断处置(4)：系统效力恳求自愿性中断系统效力恳求由处置器公用指令访管指令激发如x86处置器提供int指令其他不少处置器那么提供系统调用指令syscall 执行公用指令的结果是系统被切换到管态，并且转移到一段专门OS程序处开场执行指令格式通常是指令名加恳求效力识别号OS利用途置器提供的这种接口建立系统效力体系处置器普通不担任定义系统调用所传送的参数格式现代操作系统普通不提供直接运用系统调用指令的接口，通常做法：提供一套方便、适用的运用