操作系统运行环境课件

操作系統運行環境

2.1.1中央處理器（CPU）單機系統和多機系統單機系統：只有一個處理器的電腦系統多機系統：有多個處理器的電腦系統2.1.1中央處理器（CPU）單用戶單任務和多用戶多任務

單用戶單任務多用戶多任務2.1.1中央處理器（CPU）特權指令和非特權指令在指令系統中只能由操作系統使用的指令，如：啟動設備、設置時鐘、中斷遮罩、清除記憶體、存儲保護等，稱為特權指令。用戶只能使用非特權指令操作系統可以使用所有的指令問題1：電腦如何判斷當前執行指令的是用戶還是操作系統呢？2.1.1中央處理器（CPU）處理器的狀態管態（管理態）：操作系統管理程式運行的狀態。當處理器處於管理態時可以運行所有指令。目態（問題態）：用戶程式運行的狀態。當處理器處於目態時，只能執行非特權指令。問題2：如何使電腦識別當前的處理器狀態呢？2.1.1中央處理器（CPU）程式狀態字PSWPSW是一個特殊的寄存器，用於指示處理器的狀態不同的處理器，他們的PSW的位數不同，格式也不同。一個PSW的例子：見教材page202.1.2主記憶體記憶體的功能程式（包括用戶程式和操作系統程式）只能放在主存中才能運行。記憶體的類型讀寫型（RAM:RandomAccessMemory）只讀型(ROM:ReadOnlyMemory)2.1.2主記憶體存儲分塊為了簡化對記憶體的分配和管理，以“塊”作為記憶體分配的最小單位。不同的電腦系統，塊的大小不同。2.1.2主記憶體存儲保護為什麼要使用存儲保護？存儲保護的方法：界地址寄存器：在CPU中設置一對寄存器來存放用戶作業在主存中的上限地址和下限地址，分別稱為上限寄存器和下限寄存器（或者保存下限和程式長度）2.1.2主記憶體存儲保護存儲保護的方法：界地址寄存器存儲保護鍵：每個存儲塊都有一個五位二進位組成的存儲保護鍵（不佔用塊）2.1.2主記憶體存儲鍵當用戶程式進入記憶體時，操作系統為它分配一個唯一的存儲鍵號，而用於存放該程式的記憶體塊的存儲鍵號也設置為相同的值。因為每個用戶程式的存儲鍵值是唯一的，所以存儲鍵的位數決定了可以同時進入記憶體的程式個數。（0號鍵是操作系統程式使用的鍵值，稱萬能鍵）某個程式在CPU上運行時，它的存儲鍵值寫入PSW，當CPU訪問記憶體時，要檢查訪問的記憶體塊的存儲鍵是否與PSW相應數值相同。2.1.2主記憶體取保護位取0：即使存儲鍵不同，也可以允許對該塊內容進行讀取，但不能進行寫操作。取1：如果存儲鍵不同，就不允許對該塊進行任何操作。Page39習題2.82.1.3緩衝技術緩衝外部設備在進行數據傳輸期間專門用來暫存這些數據的貯存區域為什麼使用緩衝區CPU處理數據的速度與設備傳輸數據速度不匹配2.1.4中斷技術中斷中斷：CPU對系統中發生的非同步事件（隨機事件）的回應中斷事件（中斷源）：引起中斷的事件中斷處理程式：處理中斷事件的程式中斷的作用能充分發揮處理器的使用效率提高系統的即時處理能力2.1.4中斷技術中斷的類型不同的機器對中斷類型的劃分不同，大致包括：不可遮罩中斷（電源故障、機器內部故障等）可遮罩中斷（輸入輸出中斷）程式中斷（溢出、缺頁、讀記憶體錯等）軟體中斷（訪管中斷）外部中斷（時鐘中斷、控制臺中斷、多機通訊）2.1.4中斷技術中斷邏輯中斷邏輯是接收各種中斷源發出的中斷請求信號，並按優先順序決定回應哪個中斷的機構。對應每個中斷源有一個中斷觸發器寄存中斷信號。中斷掃描機構用於在每個指令週期掃描中斷寄存器，檢查是否有中斷信號。2.1.4中斷技術2.1.4中斷技術中斷優先順序優先順序越高的中斷優先被處理具有同樣優先順序的中斷：固定優先數輪轉法中斷回應CPU什麼時候回應中斷如何知道發出中斷的中斷源是哪一個2.1.4中斷技術中斷處理過程保存中斷現場保存中斷點的PSW保存中斷點地址（CS:IP）取中斷向量進入中斷處理程式中斷返回2.1.5時鐘、時鐘佇列電腦系統時鐘的作用定時提供用戶和系統所需的絕對時間用作可編程的發生器記錄用戶使用設備的時間記錄外部事件發生的時間在分時系統中，實現用戶時間片在即時系統中，輸出正確的時間信號2.1.5時鐘、時鐘佇列絕對時鐘和間隔時鐘絕對時鐘：記錄當前的絕對時間，提供給系統真實的時間。相對時鐘：也稱間隔時鐘，用作程式的定時器、中斷觸發器等。時鐘佇列為了定時喚醒某些程式而設計的一種技術。Page292.2操作系統與其它軟體的關係操作系統屬於電腦軟體系統，但是和其他的軟體不同，它管理著整個電腦系統的運行；為其他軟體提供了運行環境。操作系統程式在其他軟體運行的各個階段對它們進行管理。本節涉及到用戶作業在電腦上運行的過程，以及在這個過程中操作系統所起到的作用2.2操作系統與其它軟體的關係2.2.1作業、作業步和進程2.2.2重定位2.2.3裝入程式2.2.1作業、作業步和進程作業：要求電腦處理的一個相對獨立的任務作業步：完成一個作業所需要順序執行的步驟進程：線程：2.2.2重定位重定位對程式中的地址進行重新設置，把相對地址變為絕對地址。相對地址相對於某個基準量編址的時候使用的地址，用於程式編寫和編譯的地址系統。絕對地址存儲控制部件能夠識別的貯存單元編號，即主存單元的實際地址。2.2.2重定位相對地址空間也稱邏輯地址空間、用戶地址空間，即程式中相對地址的全體。物理地址空間即主存的實際地址空間。2.2.2重定位為什麼要重定位？重定位的類型靜態重定位：在程式裝入主存時，由連接裝入程式進行動態重定位：在處理器每次訪問主存時，由動態地址變換機構進行2.2.3裝入程式絕對裝入通常在個人PC機上。編譯程序直接把用戶程式翻譯成絕對地址形式，裝入時只需按順序讀入。相對裝入（連接裝入）如果裝入的程式需要調用過程或子過程，需要先把這些過程和子過程同主程序裝配起來形成一個完整的程式，並裝入主存。2.2.3裝入程式相對裝入的兩個主要問題如何區分地址項和非地址項編譯時把程式中的資料項目加上指示字，便明是否地址項使用一個重定位表，依次給出需要重定位的資料項目如何把各程式段連接起來內部定義符號表：記錄每個內部符號名和它在本程式中的相對地址。外部調用符號表：包括本程式所調用的所有外部符號名。2.2.3裝入程式相對裝入示例：page322.4固件——微程式設計概念固件具有軟體功能的硬體通過微程式設計技術將軟體轉化為硬體微程式設計所謂微程式設計就是指把電腦控制器的操作用微指令編成程式來實現，這樣的程式稱為微程式或微代碼。微指令電腦控制線路的操作是由一系列基本的動作組成的，這些基本動作稱為微操