第二章操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

第2章操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境討論操作系統(tǒng)的主要運(yùn)行環(huán)境中央處理器（CPU）存儲(chǔ)系統(tǒng)中斷機(jī)制作業(yè)與作業(yè)步2.1中央處理器（CPU）1.單處理器與多處理器系統(tǒng)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只有一個(gè)處理器，稱之為單處理器系統(tǒng)如果有多個(gè)處理器稱之為多處理器系統(tǒng)處理器由運(yùn)算器、控制器和以及高速緩存構(gòu)成。程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器IR處理器狀態(tài)字PSW堆棧指示器SP指令譯碼器IDI/O控制邏輯工作寄存器地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器

ALU

控制器2.1中央處理器（CPU）例：2.處理器中的寄存器兩類寄存器：用戶可見寄存器（工作寄存器）：由處理器執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言來(lái)引用，通常對(duì)所有程序都是可用的，包括系統(tǒng)程序和用戶程序。控制和狀態(tài)寄存器：用于控制處理器的操作，大部分對(duì)用戶不可見，由OS的特權(quán)代碼使用。2.1中央處理器（CPU）（1）用戶可見寄存器機(jī)器語(yǔ)言直接引用包括數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器以及條件碼寄存器數(shù)據(jù)寄存器（dataregister）又稱通用寄存器，主要用于各種算術(shù)邏輯指令和訪存指令地址寄存器（addressregister）用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及指令的物理地址、線性地址或者有效地址，用于某種特定方式的尋址。如索引寄存器（indexregister）、段寄存器（segmentpointer）、棧指針（stackpointer）條件碼寄存器保存CPU操作結(jié)果的各種標(biāo)記位，如算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生的溢出、符號(hào)等等（2）控制和狀態(tài)寄存器用于控制處理器的操作對(duì)于用戶不可見的一部分可以在某種特權(quán)模式（由OS使用）下訪問常見的控制和狀態(tài)寄存器:程序計(jì)數(shù)器（PC：ProgramCounter），記錄將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狀態(tài)字（PSW：ProgramStatusWord），記錄處理器的運(yùn)行模式信息等等3.特權(quán)指令和非特權(quán)指令特權(quán)指令：只能由操作系統(tǒng)使用的指令。特權(quán)指令的執(zhí)行一般會(huì)引起處理器狀態(tài)的切換。使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)必須要區(qū)分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令（why?）4.處理器的狀態(tài)根據(jù)運(yùn)行程序?qū)Y源和機(jī)器指令的使用權(quán)限將處理器設(shè)置為不同狀態(tài)：多數(shù)系統(tǒng)將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài)：管態(tài)：操作系統(tǒng)管理程序運(yùn)行的狀態(tài)，又稱為特權(quán)態(tài)、系統(tǒng)態(tài)、管理態(tài)或核心態(tài)目態(tài)：用戶程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，又稱為普通態(tài)或、用戶態(tài)有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分核心狀態(tài)，管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài)（目標(biāo)狀態(tài)）三種實(shí)例：x86系列處理器-1386、486、Pentium系列都支持4個(gè)處理器特權(quán)級(jí)別（特權(quán)環(huán)：R0、R1、R2和R3）從R0到R3特權(quán)能力依次降低R0相當(dāng)于雙狀態(tài)系統(tǒng)的管態(tài)R3相當(dāng)于目態(tài)R1和R2則介于兩者之間，它們能夠運(yùn)行的指令集合具有包含關(guān)系：各個(gè)級(jí)別有保護(hù)性檢查（地址校驗(yàn)、I/O限制），并分別運(yùn)行不同級(jí)別的程序：R0-運(yùn)行操作系統(tǒng)核心代碼R1-運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和I/O處理例程R2-運(yùn)行其它受保護(hù)共享代碼，如語(yǔ)言系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境R3-運(yùn)行各種用戶程序現(xiàn)有基于x86處理器的操作系統(tǒng)，多數(shù)UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3兩個(gè)特權(quán)級(jí)別實(shí)例：x86系列處理器-2管態(tài)和目態(tài)的比較：處理器處于管態(tài)時(shí)可以執(zhí)行全部指令（包括特權(quán)指令）可使用所有資源具有改變處理器狀態(tài)的能力處理器處于目態(tài)時(shí)：只能執(zhí)行非特權(quán)指令特權(quán)級(jí)別不同，可運(yùn)行指令集合也不同特權(quán)級(jí)別越高，可以運(yùn)行指令集合越大高特權(quán)級(jí)別對(duì)應(yīng)的可運(yùn)行指令集合包含低特權(quán)級(jí)的2.1中央處理器（CPU）5.程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字（PSW）：用來(lái)指示處理器條件和狀態(tài)的寄存器。不同的機(jī)器系統(tǒng)，其PSW的格式和信息不盡相同。PSW提供的主要信息：CPU的工作狀態(tài)碼——指明管態(tài)還是目態(tài)，用來(lái)說明當(dāng)前在CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用戶，從而決定其是否可以使用特權(quán)指令或擁有其它的特殊權(quán)力條件碼——反映指令執(zhí)行后的結(jié)果特征中斷屏蔽碼——指出是否允許中斷2.1中央處理器（CPU）目態(tài)→管態(tài)：其轉(zhuǎn)換的唯一途徑是通過中斷管態(tài)→目態(tài)：可用通過設(shè)置PSW(修改程序狀態(tài)字)對(duì)應(yīng)位的值來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)屏蔽鑰EMWP中斷碼ILCCC程序屏蔽指令地址0711153133353963例：IBM370的PSW鑰：用于存儲(chǔ)保護(hù)EMWP：E表示機(jī)器控制方式，M表示機(jī)器校驗(yàn)方式，W表示等待狀態(tài)位，P表示處理器的工作狀態(tài)。ILC：上一次執(zhí)行指令的長(zhǎng)度。CC：條件值。系統(tǒng)屏蔽：指出CPU是否接受特定通道的中斷。程序屏蔽：指示CPU是否接受某種程序性中斷。2.2存儲(chǔ)器系統(tǒng)1.存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)2.存儲(chǔ)訪問局部性原理提高存儲(chǔ)系統(tǒng)效能關(guān)鍵點(diǎn)：程序存儲(chǔ)訪問局部性原理。程序執(zhí)行時(shí)，有很多的循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進(jìn)入這樣的程序段，就會(huì)重復(fù)存取相同的指令集合對(duì)數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短的時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定地保持在一個(gè)存儲(chǔ)器的局部區(qū)域2.2存儲(chǔ)器系統(tǒng)3.存儲(chǔ)保護(hù)：硬件支持對(duì)主存中的信息加以嚴(yán)格的保護(hù)，使操作系統(tǒng)及其它程序不被破壞。地址寄存器（界限寄存器）存儲(chǔ)鍵2.2存儲(chǔ)器系統(tǒng)（1）界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器被廣泛使用的一種存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方法：在CPU中設(shè)置一對(duì)下限寄存器和上限寄存器存放用戶作業(yè)在主存中的下限和上限地址也可將一個(gè)寄存器作為基址寄存器，另一寄存器作為限長(zhǎng)寄存器（指示存儲(chǔ)區(qū)長(zhǎng)度）每當(dāng)CPU要訪問主存，硬件自動(dòng)將被訪問的主存地址與界限寄存器的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷是否越界，如果未越界，則按此地址訪問主存，否則將產(chǎn)生越界中斷——越界中斷（存儲(chǔ)保護(hù)中斷）界地址寄存器存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)（2）存儲(chǔ)鍵每個(gè)存儲(chǔ)塊有一個(gè)由二進(jìn)位組成的存儲(chǔ)保護(hù)鍵。作業(yè)被允許進(jìn)入主存時(shí)，OS分為它分配一個(gè)唯一的存儲(chǔ)鍵號(hào)分配給該作業(yè)各存儲(chǔ)塊存儲(chǔ)鍵與作業(yè)的存儲(chǔ)鍵號(hào)相同。當(dāng)OS挑選該作業(yè)運(yùn)行時(shí)，將作業(yè)的存儲(chǔ)鍵號(hào)存入程序狀態(tài)字PSW的存儲(chǔ)鍵（“鑰匙”）域中。每當(dāng)CPU訪問主存時(shí)，都將該主存塊的存儲(chǔ)鍵與PSW中的“鑰匙”進(jìn)行比較，如果相匹配，則允許訪問，否則，拒絕并報(bào)警。2.3中斷技術(shù)中斷對(duì)于操作系統(tǒng)的重要性就像機(jī)器中的驅(qū)動(dòng)齒輪一樣，所以有人把操作系統(tǒng)稱為是由“中斷驅(qū)動(dòng)”或者“（中斷）事件驅(qū)動(dòng)”。中斷協(xié)調(diào)系統(tǒng)對(duì)各種外部事件的響應(yīng)和處理中斷是多道程序?qū)崿F(xiàn)的必要條件中斷指CPU對(duì)系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外發(fā)生異步事件的響應(yīng)。異步事件是指無(wú)一定時(shí)序關(guān)系隨機(jī)發(fā)生的事件中斷源（中斷事件）：引起中斷發(fā)生的事件。中斷處理程序：處理中斷的程序代碼。1.概念例：UC/OS中斷響應(yīng)過程中斷隱指令----指令系統(tǒng)中沒有的指令，它由CPU在中斷響應(yīng)周期自動(dòng)完成。其功能是保護(hù)程序斷點(diǎn)、硬件關(guān)中斷、向量地址送PC（硬件向量法）或中斷識(shí)別程序入口地址送PC（軟件查詢法）。中斷類型：不同機(jī)器對(duì)中斷類型的劃分不完全相同。IBM-PC的中斷分為：可屏蔽中斷（I/O中斷）不可屏蔽中斷（機(jī)器故障中斷等）程序錯(cuò)誤中斷（溢出、缺頁(yè)和缺段中斷等）訪管中斷（Trap指令和INT指令等，Trap是在EFLAGES中陷入標(biāo)志TF=1時(shí)每執(zhí)行一條指令后便發(fā)生一次的異常，如斷點(diǎn)、INTO溢出等）。IBM370的中斷機(jī)器故障中斷：如電源故障，機(jī)器電路檢驗(yàn)錯(cuò)等輸入輸出中斷：輸入輸出設(shè)備和通道實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸外部中斷：時(shí)鐘中斷，操作員控制臺(tái)中斷，多機(jī)系統(tǒng)中其它機(jī)器的通信要求中斷，各種外設(shè)或傳感器發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)中斷等程序中斷：程序中問題引起的中斷，如錯(cuò)誤地使用指令或數(shù)據(jù)、溢出等問題，存儲(chǔ)保護(hù)等訪管中斷：訪管指令或陷阱指令（Trap指令）中的操作數(shù)規(guī)定了要求服務(wù)的類型。每當(dāng)CPU執(zhí)行訪管指令或陷阱指令時(shí)，即引起中斷并調(diào)用操作系統(tǒng)相應(yīng)的功能模塊為其服務(wù)訪管中斷是用戶程序在運(yùn)行中請(qǐng)求操作系統(tǒng)為其提供服務(wù)而執(zhí)行一條“訪管指令”所引起的中斷,又稱軟件中斷。訪管中斷是進(jìn)程所期待的,是自愿性的中斷,又稱自愿中斷。引入中斷的目的：解決主機(jī)與外設(shè)的并行工作問題提高可靠性實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)系實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制特點(diǎn)：中斷是隨機(jī)的中斷是可恢復(fù)的中斷是自動(dòng)處理的2.中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)=硬件中斷裝置+中斷處理程序中斷系統(tǒng)的硬件中斷裝置——中斷系統(tǒng)的機(jī)制部分，包括：發(fā)現(xiàn)中斷，響應(yīng)中斷的硬件。該裝置負(fù)責(zé)捕獲中斷源發(fā)出的中斷請(qǐng)求，以一定方式響應(yīng)中斷源，然后將處理器控制權(quán)交給特定的中斷處理程序。軟件中斷處理程序——中斷系統(tǒng)的策略部分，負(fù)責(zé)辨別中斷類型并做出相應(yīng)的操作。中斷裝置的基本功能提供識(shí)別中斷源的方法提供查詢中斷狀態(tài)的方法，通常使用一個(gè)寄存器存儲(chǔ)有關(guān)中斷的狀態(tài)信息，稱為中斷字提供中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的能力提供中斷處理程序?qū)ぶ纺芰?，找到恰?dāng)?shù)闹袛嗵幚沓绦蚓哂蓄A(yù)定義的系統(tǒng)控制棧和中斷處理程序入口地址映射表（中斷向量表）等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和它們?cè)谥鞔嬷械奈恢?，以輔助OS定制中斷處理策略和中斷調(diào)度機(jī)制3.中斷邏輯與中斷寄存器如何接受和響應(yīng)中斷源的中斷請(qǐng)求，因機(jī)器而異。如在PC中：可屏蔽的中斷請(qǐng)求INTR:主要指來(lái)輸入輸出設(shè)備的I/O中斷,通過建立在PSW中的中斷屏蔽位加以屏蔽，即使再有I/O中斷，處理器也不響應(yīng)不可屏蔽的中斷請(qǐng)求:屬于機(jī)器故障中斷，包括內(nèi)存奇偶校驗(yàn)錯(cuò)以及掉電等中斷源程序中的問題引起的中斷（如溢出、除法錯(cuò)都可以引起中斷）和軟件中斷等當(dāng)多個(gè)中斷源請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，由中斷邏輯按中斷優(yōu)先級(jí)來(lái)判定響應(yīng)哪個(gè)中斷請(qǐng)求。非屏蔽中斷請(qǐng)求中斷邏輯中斷指令I(lǐng)NTn溢出中斷INT0除法錯(cuò)中斷單步中斷TF=1中斷控制器8259A可屏蔽性中斷請(qǐng)求…INTRNMIIBM-PC中斷邏輯和中斷源示意圖中斷寄存器有的計(jì)算機(jī)中，為了區(qū)分和不丟失中斷信號(hào)，對(duì)應(yīng)每個(gè)中斷源分別用一固定觸發(fā)器來(lái)寄存中斷信號(hào)。通常規(guī)定：值為1時(shí)，表示有中斷信號(hào)，為0時(shí)表示無(wú)中斷信號(hào)。這些觸發(fā)器的全體組成中斷寄存器，中斷寄存器由若干個(gè)中斷位組成，每個(gè)觸發(fā)器對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷位。3.中斷邏輯與中斷寄存器例：中斷請(qǐng)求的產(chǎn)生DQ&1INTR中斷請(qǐng)求觸發(fā)器MASK中斷屏蔽觸發(fā)器來(lái)自CPU的中斷查詢信號(hào)受設(shè)備本身控制INTRDMASKQD完成觸發(fā)器中斷請(qǐng)求INTR=1有請(qǐng)求MASK=1被屏蔽中斷掃描機(jī)構(gòu)在CPU的控制部件中，用于檢測(cè)是否有中斷發(fā)生的機(jī)構(gòu)。在每條指令執(zhí)行周期的最后時(shí)刻掃描中斷寄存器，詢問是否有中斷信號(hào)若無(wú)中斷信號(hào)，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令若有中斷，中斷硬件將該中斷觸發(fā)器內(nèi)容按規(guī)定編碼送入PSW的相應(yīng)位，稱為中斷碼3.中斷邏輯與中斷寄存器4.多級(jí)中斷多級(jí)中斷多數(shù)微型處理器有多級(jí)中斷系統(tǒng)，可以有多根中斷請(qǐng)求線（級(jí)）從不同設(shè)備連接到中斷邏輯具有相同特性和優(yōu)先級(jí)的設(shè)備可連到同一中斷級(jí)上，由中斷排隊(duì)器（硬件）決定當(dāng)前響應(yīng)哪個(gè)中斷源。在多級(jí)中斷系統(tǒng)中，可能同時(shí)有多個(gè)中斷請(qǐng)求，CPU接受中斷優(yōu)先級(jí)為最高的那個(gè)中斷，忽略其中斷優(yōu)先級(jí)較低的那些中斷。高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷。5.中斷響應(yīng)

CPU如何響應(yīng)中斷,兩個(gè)問題：CPU何時(shí)響應(yīng)中斷？通常在CPU執(zhí)行了一條指令以后，更確切地，在指令周期最后時(shí)刻接受中斷請(qǐng)求，或此時(shí)掃描中斷寄存器。如何知道提出中斷請(qǐng)求的設(shè)備或中斷源？用軟件指令去查詢各設(shè)備接口，比較費(fèi)時(shí)（非向量中斷）。使用“中斷向量表”（向量中斷）。非向量中斷：總是轉(zhuǎn)向中斷查詢程序的入口地址，執(zhí)行終端查詢程序，以確定被優(yōu)先批準(zhǔn)的中斷源，然后分支進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。例：中斷向量…向量地址…排隊(duì)器輸出

顯示器服務(wù)程序

打印機(jī)服務(wù)程序JMP400JMP300JMP200…………主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址設(shè)備編碼器1000…0001001