操作系統計算機結構與工作原理基礎知識

1、 彭文青彭文青 J Principles of Operating System第 一 章 操作系統是計算機的大腦、操作系統是計算機的大腦、中樞神經、中樞神經、是計算機的靈魂。你想了解是計算機的靈魂。你想了解計算機的中樞計算機的中樞神經是怎樣工作的神經是怎樣工作的嗎？嗎？本章討論的問題馮諾依曼型計算機體系結構指令執(zhí)行的基本過程與操作系統相關的幾種主要寄存器各種存儲器的訪問速度關于操作系統內核關于中斷關于處理機指令系統關于進程運行的狀態(tài)操作系統操作系統OS（Operating System）是最重要的系）是最重要的系統軟件，在計算機系統中占據了統軟件，在計算機系統中占據了特殊重要的地特殊重要的地

2、位位。1. OS1. OS是配置在計算機硬件上的第是配置在計算機硬件上的第一一 層軟件，層軟件， 是對計算機硬件的首是對計算機硬件的首次擴充。次擴充。2. 2. 所有的計算機軟件都必須在所有的計算機軟件都必須在操作系統操作系統 的支持下才能運行。的支持下才能運行。用戶程序用戶程序系統應用程序系統應用程序操作系統操作系統裸機裸機操作系統操作系統計算機的五代變化計算機的五代變化第一代為19461957年，電子管計算機：數據處理 ； 第二代為19581964年，晶體管計算機：工業(yè)控制 ； 第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機 ；第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集

3、成電路計算機：微型計算機 ； 第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機,單片計算機開始出現?；窘M成基本組成控制器：人的大腦的操作控制功能 運算器：人的大腦的計算功能 存儲器：人的大腦記憶功能 輸入設備：交互接口，筆 輸出設備：交互接口，紙馮馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機 存儲程序存儲程序并按地址順序執(zhí)行按地址順序執(zhí)行- 這就是馮馮諾依曼諾依曼型計算機的設計思想，也是機器自自動化動化工作的關鍵。 五大部件： 控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備 以運算器為中心 指令的執(zhí)行指令的執(zhí)行執(zhí)行指令的基本過程分為兩步，即:從內存把指令讀入的過程和執(zhí)行

4、的過程。其中，讀指令是根據程序計數器PC所指的地址讀入，而執(zhí)行的指令則是指令寄存器IR中的指令。我們把指令的讀入和執(zhí)行過程稱為一個執(zhí)行周期。 圖 指令的執(zhí)行周期圖 計算機的基本硬件元素 圖 控制器基本組成框圖11與操作系統相關的幾種主要寄存器 寄存器寄存器與操作系統密切相關，因為它們是在處理機中交在處理機中交換數據的速度比內存更快、體積也更小，而價格又更貴的暫換數據的速度比內存更快、體積也更小，而價格又更貴的暫存器件。存器件。 處理機中寄存寄存的功能分為二二類，即用戶可編程的寄存器用戶可編程的寄存器以及控制與狀態(tài)寄存器控制與狀態(tài)寄存器。 機器語言或匯編語言的程序員可對用戶可編程寄存器用戶可編程

5、寄存器進行操作，以獲得更高的執(zhí)行效率等。 控制與狀態(tài)寄存器控制與狀態(tài)寄存器則被用來對處理機的優(yōu)先級、保護模式或用戶程序執(zhí)行時的調用關系等進行控制和操作。 一般來說，用戶可編程寄存器和控制與狀態(tài)寄存器之間沒有嚴格的區(qū)分和限制，在不同的系統中，寄存器的功能和作用可能不完全相同。典型的用戶可編程寄存器包括以下幾種：典型的用戶可編程寄存器包括以下幾種：1. 數據寄存器數據寄存器編程人員可以通過程序賦予數據寄存器眾多的功能。一般來說，對數據進行操作的任何機器指令都被允許訪問數據寄存器。不過，根據硬件設置的規(guī)定，這些寄存器也可能只被允許進行浮點運算或被其他某些規(guī)定所限制。2. 地址寄存器地址寄存器地址寄存

6、器一般用來存放內存中某個數據或指令的地址，或者存放某段數據與指令的入口地址以及被用來進行更復雜的地址計算。下面幾種寄存器都可被認為是地址寄存器：(1） 地址標識位寄存器；(2） 內存管理用各種始地址寄存器；(3） 堆棧指針；(4） 設備地址寄存器等。3. 條件碼寄存器條件碼寄存器條件碼寄存器也稱標志寄存器。條件碼寄存器的比特位由處理機硬件設置。典型的控制與狀態(tài)寄存器包括以下幾種：4. 程序計數器程序計數器PC程序計數器內裝有下一周期被執(zhí)行指令的地址。5. 指令寄存器指令寄存器IR指令寄存器內裝有待執(zhí)行指令。6. 程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字寄存器的各個比特位代表系統中當前的各種不同狀態(tài)

7、與信息。如執(zhí)行模式是否允許中斷等。7. 中斷現場保護寄存器中斷現場保護寄存器如果系統允許不同類型的中斷存在，則會設置一組中斷現場保護寄存器以便保存被中斷程序的現場和鏈接中斷恢復處。8. 過程調用用堆棧過程調用用堆棧堆棧被用來存放過程調用時的調用名、調用參數、以及返回地址等。寄存器被廣泛應用于計算機系統中，它們與操作系統有著非常直接和密切的關系。操作系統設計人員只有在完全掌握和了解硬件廠商所提供的各種寄存器的功能和接口之后，才能進行操作系統設計。關于程序狀態(tài)字關于程序狀態(tài)字PSW 任何程序運行時都有反映其運行狀態(tài)的一組信息，這組信息集中在一起成為程序狀態(tài)字(PSW). 程序狀態(tài)字是反映程序執(zhí)行時

8、機器所處的現行狀態(tài)的代碼，并存放在特定的寄存器中，其主要內容包括： 1. 程序當前應執(zhí)行的指令； 2.當前指令執(zhí)行情況； 3.處理機所處的狀態(tài)； 4.程序在執(zhí)行時應屏蔽的中斷； 5.尋址方法，編址，保護鍵； 6.響應中斷的內容 。 程序狀態(tài)字如何存放，不同的機器有不同做法。大型機往往存放在一個稱為程序狀態(tài)字（雙字）的寄存器中。而小型機或微機則放在兩個寄存器中：指令計數 PC 和 處理機狀態(tài)寄存器PS.存儲器的層次結構與訪問速度存儲器的層次結構與訪問速度 一般來說，容量越大的存儲介質，訪問速度會越慢，但單位存儲的成本越低。 例如，光盤和磁帶。反過來說，如果存儲介質的訪問速度越高，則它的成本也會越

9、高，例如寄存器。存儲介質的訪問速度存儲介質的訪問速度典型存儲時間典型存儲時間典型容量典型容量1ns1KB2ns32MB10ns128MB64GB10ms40GB-2TB100ms100s20500G 內核是內核是OSOS的控制和協調中心，由它組織，啟動的控制和協調中心，由它組織，啟動和協調系統中各種活動。通常由各種原語構成。和協調系統中各種活動。通常由各種原語構成。 內核是內核是OSOS中最重要最核心的部分。中最重要最核心的部分。OSOS的內核緊的內核緊靠硬件，由那些使用頻率高，與硬件緊密相關的靠硬件，由那些使用頻率高，與硬件緊密相關的模塊構成；如中斷處理程序，設備驅動程序等。模塊構成；如中斷

10、處理程序，設備驅動程序等。 二二. .內核的功能內核的功能 1 1）中斷處理）中斷處理 中斷是中斷是OSOS內核最重要的功能之一。系統中的所有中斷內核最重要的功能之一。系統中的所有中斷 都由內核響應。中斷是進程并發(fā)執(zhí)行的基礎，都由內核響應。中斷是進程并發(fā)執(zhí)行的基礎， OSOS是由中斷是由中斷驅動的。驅動的。2 2）原語操作）原語操作 原語操作包括涉及原語操作包括涉及CPUCPU管理，管理，進程進程管理，管理，存儲存儲管理，管理，設備設備管理，管理，文件文件管理以及起支撐功能的系統管理以及起支撐功能的系統統計統計和和監(jiān)測監(jiān)測的的各種各種基本操作。基本操作。3) 3) 時鐘管理時鐘管理 OSOS的

11、許多重要操作，如：按時間片輪轉調度，實時系統的許多重要操作，如：按時間片輪轉調度，實時系統中的截止時間控制等，都依賴于時鐘管理。中的截止時間控制等，都依賴于時鐘管理。操作系統的內核 Linux單內核結構 用 戶態(tài) 系統庫(函數庫)應用程序 系統調用接口 模塊內核(進程管理、存儲管理、文件管理、設備管理、網絡管理) 設備 驅動 計算機硬件核 心態(tài)單 內核操作系統提供的用戶接口 UNIX/Linux系統程序、庫函數、系統調用分層關系 用戶 操作系統(進程管理、存儲管理、文件管理、設備管理等) 標準庫函數(打開、關閉、讀、寫、創(chuàng)建、撤銷等) 標準系統程序(實用程序)(匯編、編譯、編輯、Shell等)

12、用戶接口庫函數接口系統調用接口 硬件 (處理器、存儲器、磁盤、打印機、終端等)用戶態(tài)核心態(tài)操作系統提供的程序接口應用程序、庫函數、系統調用的調用關系鏈調用fprintf( )應用程序C函數庫內核系統調用處理程序C庫中的fprintf( )封裝程序C庫中的write( ) 封裝程序用戶態(tài)核心態(tài) sys_write( )內核函數中斷的定義中斷的定義 中斷是指程序執(zhí)行過程中，遇到急需處理的事件時，暫時中止CPU上現行程序的運行，轉去執(zhí)行相應的事件處理程序，待處理完成后再返回原程序被中斷處或調度其他程序執(zhí)行的過程。 請求系統服務，請求系統服務， 實現并行工作，實現并行工作， 處理突發(fā)事件，處理突發(fā)事件

13、， 滿足實時要求，滿足實時要求， 都需要打斷處理器正常的工作，為此提出了中斷概念。中中 斷斷 源源 引起中斷的異步事件（如：系統調用，引起中斷的異步事件（如：系統調用，I/ OI/ O 請求，請求，系統時鐘，系統時鐘，進程調度，進程調度， 設備驅動，文件設備驅動，文件 處理處理, ,故障源故障源, ,指令運行出錯指令運行出錯等）。等）。中斷請求中斷請求 向向CPUCPU發(fā)出中斷信號。發(fā)出中斷信號。中斷響應中斷響應 CPU CPU停止執(zhí)行當前進程，分辨中斷請求的類型。停止執(zhí)行當前進程，分辨中斷請求的類型。中斷處理中斷處理 CPU CPU將請求交相關的中斷處理程序處理。將請求交相關的中斷處理程序處

14、理。中斷返回中斷返回 眾多處理結束，返回斷點。眾多處理結束，返回斷點?，F場現場 進入中斷服務程序之前進入中斷服務程序之前CPUCPU各個寄存器的狀態(tài)各個寄存器的狀態(tài). .中斷源中斷源中斷請求中斷請求中斷響應中斷響應轉中斷轉中斷處理程序處理程序退出中斷退出中斷向向CPU保護保護CPU現場現場識別中斷源識別中斷源恢復恢復CPU現場現場 IBM PC機中斷的響應過程 IPCSPSW現行PSW 寄存器新IP新CS老IP老CS老PSW新棧頂主存新PSW中斷源分類中斷源分類(1)(1) 強迫性中斷事件強迫性中斷事件 強迫性中斷事件不是正在運行的程序所期待的，而是由于某種事故或外部請求信息所引起的，分為：

15、機器故障中斷事件。機器故障中斷事件。 程序性中斷事件。程序性中斷事件。 外部中斷事件。外部中斷事件。 輸入輸出中斷事件輸入輸出中斷事件。 自愿性中斷事件自愿性中斷事件自愿性中斷事件是正在運行的程序所期待的事件。 按中斷事件的性質和激活方式劃分 運行程序中斷處理程序中斷裝置中斷處理程序中斷裝置機器故障中斷事件程序性中斷事件外部中斷事件輸入輸出中斷事件運行程序訪管指令中斷源分類中斷源分類(2(2) ) 外中斷外中斷( (中斷或異步中斷中斷或異步中斷) 是指來自處理器之外的中斷信號，包括時鐘中斷、鍵盤時鐘中斷、鍵盤中斷、它機中斷和設備中斷中斷、它機中斷和設備中斷等； 外中斷又分可屏蔽中斷可屏蔽中斷和

16、不可屏蔽中斷不可屏蔽中斷，每個不同中斷具有不同的中斷優(yōu)先級，表示事件的緊急程度，在處理高一級中斷時，往往會屏蔽部分或全部低級中斷。 內中斷內中斷( (異?；蛲街袛喈惓；蛲街袛?-)-是指來自處理器內部，通常由于程序執(zhí)行中，發(fā)現與當前指令關聯的、不正常的、或是錯誤的事件。 中斷和異常的區(qū)別中斷和異常的區(qū)別 中斷中斷 是由與現行指令無關的中斷信號觸發(fā)的(異步的)，且中斷的發(fā)生與CPU處在用戶模式或內核模式無關，在兩條機器指令之間才可響應中斷，一般來說，中斷處理程序提供的服務不是為當前進程所需的； 異常異常 是由處理器正在執(zhí)行現行指令而引起的，一條指令執(zhí)行期間允許響應異常，異常處理程序提供的服務

17、是為當前進程所用的。異常包括很多方面，有出錯(fault)，也有陷入(trap)等。 中斷的作用中斷的作用并行操作，提高工作效率并行操作，提高工作效率CPU與外設同時工作，多個外設同時工作。實現實時處理實現實時處理在控制系統中，有些參量要求計算機能快速處理，用中斷方式容易實現。故障處理故障處理出現故障，提出中斷申請，要求計算機及時響應。 機器指令的集合稱指令系統 (1)數據處理類指令； (2)轉移類指令； (3)數據傳送類指令； (4)移位與字符串指令； (5)I/O類指令。 微程序控制指令微程序控制指令36 操作系統中，為了防止用戶進程對操作系統中，為了防止用戶進程對OSOS及及PCBPCB

18、等關鍵信息等關鍵信息的破壞。的破壞。 一個進程在其生命期中有兩種機器運行狀態(tài)：一個進程在其生命期中有兩種機器運行狀態(tài)： 系統態(tài)系統態(tài) （核心態(tài)（核心態(tài), ,管態(tài)）管態(tài)） 具有較高的訪問權，可訪具有較高的訪問權，可訪 問核心模塊。問核心模塊。 用戶態(tài)用戶態(tài) （目態(tài)（目態(tài) ） 限制訪問權。限制訪問權。 是機器指令的延伸，是非進程模塊是機器指令的延伸，是非進程模塊, ,不能并發(fā)執(zhí)行。不能并發(fā)執(zhí)行。 執(zhí)行過程不可中斷，用微代碼實現。執(zhí)行過程不可中斷，用微代碼實現。2、原、原 語（語（primitive）1 1、進程運行狀態(tài)、進程運行狀態(tài)特權指令與非特權指令 特權指令- 指只能提供給操作系統的核心程序使用的指令，如指只能提供給操作系統的核心程序使用的指令，如 啟動啟動I/OI/O設備、設置時鐘、控制中斷屏蔽位、清主存、設備、設置時鐘、控制中斷屏蔽位、清主存、 建立存儲鍵，加載建立存儲鍵，加載PSWPSW等。等。 處理器處于系統核心