試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

1.8.1中央處理器CPU一、CPU組成與基本工作方式：CPU包含：運(yùn)算器、控制器、存放器、高速緩存。PCIR數(shù)據(jù)存放器處理器內(nèi)存總線PSW地址存放器控制和狀態(tài)存放器高速緩存Cache運(yùn)算器控制器1.8操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第1頁運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)指令中算術(shù)和邏輯運(yùn)算，是計(jì)算機(jī)計(jì)算關(guān)鍵?？刂破髫?fù)責(zé)控制程序運(yùn)行流程，包含取指令、維護(hù)CPU狀態(tài)、CPU與內(nèi)存交互等等。存放器是指令在CPU內(nèi)部作處理過程中暫存數(shù)據(jù)、地址以及指令信息存放設(shè)備，在計(jì)算機(jī)存放系統(tǒng)中它含有最快訪問速度。高速緩存處于CPU和物理內(nèi)存之間，普通由控制器中內(nèi)存管理單元（MMU：MemoryManagementUnit）管理，訪問速度快于內(nèi)存，低于存放器。利用程序局部性原理使得高速指令處理和低速內(nèi)存訪問得以匹配，從而提升CPU效率。試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第2頁處理器中存放器存放器提供了一定存放能力速度比主存快得多造價(jià)高，容量普通都很小兩類存放器：用戶可見存放器高級語言編譯器經(jīng)過算法分配并使用之，以降低程序訪問主存次數(shù)?？刂坪蜖顟B(tài)存放器用于控制處理器操作，由OS特權(quán)代碼使用，以控制其它程序執(zhí)行。試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第3頁用戶可見存放器機(jī)器語言（匯編語言）直接引用包含數(shù)據(jù)存放器、地址存放器等數(shù)據(jù)存放器（dataregister）又稱通用存放器地址存放器（addressregister）用于存放數(shù)據(jù)及指令物理地址。如indexregister、segmentpointer、stackpointer試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第4頁控制和狀態(tài)存放器用于控制處理器操作大部分對于用戶是不可見一部分能夠在某種特權(quán)模式（由OS使用）下訪問試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第5頁常見控制和狀態(tài)存放器程序計(jì)數(shù)器（PC：ProgramCounter），統(tǒng)計(jì)將要取出指令地址指令存放器（IR：InstructionRegister），包含最近取出指令程序狀態(tài)字（PSW：ProgramStatusWord），統(tǒng)計(jì)處理器運(yùn)行模式信息等等試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第6頁指令執(zhí)行基本過程（1）兩個(gè)步驟：先從存放器中每次讀取一條指令然后執(zhí)行這條指令一個(gè)單條指令處理過程稱為一個(gè)指令周期程序執(zhí)行是由不停取指和執(zhí)行指令周期組成試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第7頁每個(gè)指令周期開始時(shí)，依據(jù)在程序計(jì)數(shù)器中指令地址從存放器中取一條指令在取指完成后依據(jù)指令類別自動(dòng)將程序計(jì)數(shù)器值變成下條指令地址取到指令放在指令存放器（IR）中處理器解釋并執(zhí)行所要求動(dòng)作指令執(zhí)行基本過程（2）試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第8頁5類指令訪問存放器指令：處理器和存放器間數(shù)據(jù)傳送I/O指令：處理器和I/O設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送和命令發(fā)送算術(shù)邏輯指令（數(shù)據(jù)處理指令）：執(zhí)行數(shù)據(jù)算術(shù)和邏輯操作控制轉(zhuǎn)移指令：指定一個(gè)新指令執(zhí)行起點(diǎn)處理器控制指令：修改處理器狀態(tài)，改變處理器工作方式試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第9頁特權(quán)指令和非特權(quán)指令特權(quán)指令：只能由操作系統(tǒng)使用指令使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)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?CPU怎樣知道當(dāng)前運(yùn)行是操作系統(tǒng)還是普通應(yīng)用軟件？ 有賴于處理器狀態(tài)試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第10頁處理器狀態(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)行狀態(tài)，較高特權(quán)級別，又稱為特權(quán)態(tài)（特態(tài)）、系統(tǒng)態(tài)、關(guān)鍵態(tài)目態(tài)：用戶程序運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，較低特權(quán)級別，又稱為普通態(tài)（普態(tài)）、用戶態(tài)有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分關(guān)鍵狀態(tài)，管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài)（目標(biāo)狀態(tài)）三種試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第11頁實(shí)例：x86系列處理器386、486、Pentium系列都支持4個(gè)處理器特權(quán)級別（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)管態(tài)R3相當(dāng)于目態(tài)R1和R2則介于二者之間，它們能夠運(yùn)行指令集合含有包含關(guān)系：試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第12頁四個(gè)級別運(yùn)行不一樣類別程序：R0-運(yùn)行操作系統(tǒng)關(guān)鍵代碼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處理器操作系統(tǒng)，如UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3兩個(gè)特權(quán)級別試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第13頁圖：Intel系列CPU特權(quán)級別試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第14頁管態(tài)和目態(tài)差異處理器處于管態(tài)時(shí)：全部指令（包含特權(quán)指令）能夠執(zhí)行可使用全部資源并含有改變處理器狀態(tài)能力處理器處于目態(tài)時(shí)：只有非特權(quán)指令能執(zhí)行試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第15頁程序狀態(tài)字PSWPSW(ProgramStatusWord):CPU狀態(tài)——指明管態(tài)還是目態(tài)，用來說明當(dāng)前在CPU上執(zhí)行是操作系統(tǒng)還是普通用戶程序，從而決定其是否能夠使用特權(quán)指令或擁有其它特殊權(quán)力條件碼——反應(yīng)指令執(zhí)行后結(jié)果特征中止屏蔽碼——指出是否允許中止試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第16頁例1：微處理器M68000程序狀態(tài)字條件位：C：進(jìn)位標(biāo)志位 V：溢出標(biāo)志位Z：結(jié)果為零標(biāo)志位 N：結(jié)果為負(fù)標(biāo)志位I0–I2：三位中止屏蔽位S：CPU狀態(tài)標(biāo)志位，為1處于管態(tài)，為0處于目態(tài)T：陷阱（Trap）中止指示位為1，在下一條指令執(zhí)行后引發(fā)自陷中止試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第17頁CPU狀態(tài)轉(zhuǎn)換

目態(tài)--管態(tài)其轉(zhuǎn)換唯一路徑是經(jīng)過中止 管態(tài)--目態(tài)可用設(shè)置PSW(修改程序狀態(tài)字)實(shí)現(xiàn)試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第18頁思索題什么是管態(tài)，什么是目態(tài)，為何要區(qū)分二態(tài)？你認(rèn)為用什么方法能夠區(qū)分二態(tài)？在什么情況下處理機(jī)狀態(tài)會(huì)從目態(tài)轉(zhuǎn)換到管態(tài)？怎樣實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換？試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第19頁1.8.2存放系統(tǒng)作業(yè)必須把它程序和數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中才能運(yùn)行多道程系統(tǒng)中，若干個(gè)程序和相關(guān)數(shù)據(jù)要放入主存放器操作系統(tǒng)要管理、保護(hù)程序和數(shù)據(jù)，使它們不至于受到破壞操作系統(tǒng)本身也要存放在主存放器中并運(yùn)行試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第20頁一、存放器類型：RAM和ROM二、存放系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)：存放訪問局部性原理容量速度光盤、磁盤、優(yōu)盤、磁帶硬盤硬盤緩存內(nèi)存高速緩存存放器256K、512K128M、2G2M40G~80G650M、1.44M、64M、400G試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第21頁讀寫型存放器可把數(shù)據(jù)存入其中任一地址單元，并可在以后任何時(shí)候把數(shù)據(jù)讀出，或者重新存入新數(shù)據(jù)一個(gè)存放器常被稱為隨機(jī)訪問存放器（RAM：RandomAccessMemory）RAM主要用作存放隨機(jī)存取程序數(shù)據(jù)試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第22頁只讀型存放器:只能從其中讀取數(shù)據(jù)，但不能隨意用普通方法寫入數(shù)據(jù)（寫入數(shù)據(jù)只能用特殊方法）稱為只讀存放器（ROM：Read-OnlyMemory）變型：PROM和EPROMPROM：一個(gè)可編程只讀存放器，使用特殊PROM寫入器寫入數(shù)據(jù)EPROM：用特殊紫外線光照射此芯片，以“擦去”信息，恢復(fù)原來狀態(tài)，然后使用特殊EPROM寫入器寫入數(shù)據(jù)試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第23頁存放器層次結(jié)構(gòu)存放系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)問題：

容量、速度和成本容量：需求無止境速度：能匹配處理器速度成本問題：成本和其它部件相比應(yīng)在適當(dāng)范圍之內(nèi)試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第24頁容量、速度和成本三個(gè)目標(biāo)不可能同時(shí)到達(dá)最優(yōu)，要作權(quán)衡存取速度快，每比特價(jià)格高容量大，每比特價(jià)格越低，同時(shí)存取速度也越慢試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第25頁處理方案采取層次化存放體系結(jié)構(gòu)當(dāng)沿著層次下降時(shí)每比特價(jià)格將下降，容量將增大速度將變慢，處理器訪問頻率也將下降試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第26頁存放訪問局部性原理提升存放系統(tǒng)效能關(guān)鍵點(diǎn)：程序存放訪問局部性原理程序執(zhí)行時(shí)，有很多循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進(jìn)入這么程序段，就會(huì)重復(fù)存取相同指令集合對數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定地保持在一個(gè)存放器局部區(qū)域處理器主要和存放器局部打交道在經(jīng)過一段時(shí)間以后，使用代碼和數(shù)據(jù)集合會(huì)改變試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第27頁設(shè)計(jì)多級存放體系結(jié)構(gòu)假設(shè)兩級存放器： 第I級包含1KB，存取時(shí)間為0.1μs

第II級包含1MB，存取時(shí)間為1μs存取I級中內(nèi)容，直接存取存取II級，首先被轉(zhuǎn)移到I級，然后再存取假設(shè)確定內(nèi)容所在位置時(shí)間能夠忽略若在I級存放器中發(fā)覺存取對象概率是95%，則平均訪問時(shí)間為：結(jié)果非常靠近I級存放存取時(shí)間試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第28頁思索題層次化存放體系結(jié)構(gòu)有什么好處？處理器怎樣知道要訪問數(shù)據(jù)是在內(nèi)存還是在Cache？請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)你認(rèn)為可行方案。（提醒：從內(nèi)存裝數(shù)據(jù)到Cache以塊為單位，一塊普通為1-4k）什么叫存放訪問局部性原理？試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第29頁緩沖技術(shù)引入緩沖目標(biāo)：緩解CPU與設(shè)備速度不匹配矛盾。CPUCache內(nèi)存Buffer外部設(shè)備字傳送塊傳送緩沖包含：Cache和Buffer。試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第30頁內(nèi)存可看作由一些固定大小塊組成，每塊K個(gè)字。

Cache由一些存放槽組成，每槽K個(gè)字。

需要訪問某內(nèi)存塊中字時(shí)，把該塊移到某個(gè)槽中。Cache讀開始CPU需要讀內(nèi)存地址RA中數(shù)據(jù)包含RAM塊

在Cache中訪問內(nèi)存中

包含RA塊為內(nèi)存塊分

配Cache槽取RA中字

傳遞給CPU將內(nèi)存塊裝入Cache槽結(jié)束是否試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第31頁什么是中止?指CPU對系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生異步事件響應(yīng)異步事件是指無一定時(shí)序關(guān)系隨機(jī)發(fā)生事件如外部設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)設(shè)備出現(xiàn)異常等“中止”名稱源于：當(dāng)異步事件發(fā)生后，打斷了對當(dāng)前途序執(zhí)行而轉(zhuǎn)去處理該異步事件直處處理完了后，再轉(zhuǎn)回原程序中止點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行1.8.3中止技術(shù)試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第32頁從用戶角度看中止試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第33頁引入中止目標(biāo)處理主機(jī)與外設(shè)并行工作問題提升可靠性實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制特點(diǎn)：

1)中止是隨機(jī)

2)中止是可恢復(fù)

3)中止是自動(dòng)處理試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第34頁中止源：引發(fā)中止發(fā)生事件中止存放器：統(tǒng)計(jì)中止系統(tǒng)堆棧:內(nèi)存中一塊區(qū)域，用于保留現(xiàn)場幾個(gè)概念試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第35頁中止類型強(qiáng)迫性中止正在運(yùn)行程序所不期望，因?yàn)槟撤N硬件故障或外部請求引發(fā)自愿性中止用戶在程序中有意識(shí)安排中止，是因?yàn)橛脩粼诰幹瞥绦驎r(shí)因?yàn)橐蟛僮飨到y(tǒng)提供服務(wù)，有意使用“訪管”指令或系統(tǒng)調(diào)用，使中止發(fā)生試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第36頁強(qiáng)迫性中止輸入/輸出(I/O)中止：主要來自外部設(shè)備通道程序性中止：運(yùn)行程序中本身中止(如被0除,缺頁中止,缺段中止,地址越界)時(shí)鐘中止控制臺(tái)中止硬件故障中止試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第37頁自愿性中止又稱訪管中止執(zhí)行I/O指令，創(chuàng)建進(jìn)程，分配內(nèi)存信號(hào)量操作，發(fā)送/接收消息試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第38頁IBM370中中止1.機(jī)器故障中止：如電源故障、電路檢驗(yàn)犯錯(cuò)等2.輸入輸出中止：I/O設(shè)備完成任務(wù)時(shí)產(chǎn)生3.外部中止：時(shí)鐘中止、多機(jī)系統(tǒng)中其它CPU通信要求中止等4.程序中止：程序中問題引發(fā)中止，如錯(cuò)誤地使用指令或數(shù)據(jù)、存放保護(hù)等5.訪管中止：每當(dāng)CPU執(zhí)行訪管指令時(shí)，即引發(fā)中止并調(diào)用操作系統(tǒng)對應(yīng)功效模塊為其服務(wù)試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第39頁中止系統(tǒng)中止系統(tǒng)兩大組成部分：硬件中止裝置和軟件中止處理程序中止裝置-中止系統(tǒng)機(jī)制部分負(fù)責(zé)捕捉中止源發(fā)出中止請求，以一定方式響應(yīng)中止源，然后將處理器控制權(quán)交給特定中止處理程序中止處理程序-中止系統(tǒng)策略部分

試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第40頁中止裝置基本功效發(fā)覺中止響應(yīng)中止：保護(hù)現(xiàn)場、找到恰當(dāng)中止處理程序試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第41頁處理器怎樣發(fā)覺中止信號(hào)？處理器控制部件中設(shè)一個(gè)能檢測中止機(jī)構(gòu)，稱為中止掃描機(jī)構(gòu)在每條指令執(zhí)行周期最終時(shí)刻掃描中止存放器，問詢是否有中止信號(hào)若無中止信號(hào)，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令若有中止，中止硬件就進(jìn)行中止響應(yīng)發(fā)覺中止試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第42頁中止向量表：存放全部中止處理程序入口地址。主存最低端若干個(gè)字節(jié)。中止向量？關(guān)中止保留中止現(xiàn)場依據(jù)中止向量表

設(shè)置新運(yùn)行現(xiàn)場開中止執(zhí)行中止處理程序關(guān)中止恢復(fù)被中止程序現(xiàn)場開中止返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行此時(shí)允許中止嵌套。即優(yōu)先級更高中止請求能夠打斷低級中止處理。設(shè)備發(fā)中止信號(hào)CPU向設(shè)備發(fā)確認(rèn)中止信號(hào)中止處理過程試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第43頁中止處理普通過程：（1）設(shè)備給處理器發(fā)一個(gè)中止信號(hào)（2）處理器處理完當(dāng)前指令后檢測到中止，判斷出中止起源并向發(fā)送中止設(shè)備發(fā)送確認(rèn)中止信號(hào)，確認(rèn)信號(hào)使得該設(shè)備將中止信號(hào)恢復(fù)到普通狀態(tài)（3）處理器開始為軟件處理中止做準(zhǔn)備：保留中止點(diǎn)程序執(zhí)行上下文環(huán)境，這通常包含程序狀態(tài)字PSW，程序計(jì)數(shù)器PC，一些存放器值，它們通常保留在系統(tǒng)棧中試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第44頁（4）處理器依據(jù)中止源查詢中止向量表，取得與該中止相聯(lián)絡(luò)處理程序入口地址，并將PC置成該地址，處理器開始一個(gè)新指令周期，控制轉(zhuǎn)移到中止處理程序（5）中止處理程序開始工作（6）中止處理結(jié)束時(shí)，執(zhí)行中止返回指令，被中止程序上下文環(huán)境從系統(tǒng)堆棧中被恢復(fù)，處理器狀態(tài)恢復(fù)成原來狀態(tài)。（7）PSW和PC被恢復(fù)成中止前值，處理器開始一個(gè)新指令周期，中止處理結(jié)束試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第45頁設(shè)備控制器或其它系統(tǒng)硬件發(fā)出中止處理器完成當(dāng)前指令執(zhí)行處理器接收中止處理器將PSW和PC推入系統(tǒng)堆棧處理器依據(jù)中止類型讀入新PC和PSW值中止系統(tǒng)硬件完成工作試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第46頁保留CPU狀態(tài)其余信息執(zhí)行中止處理程序恢復(fù)CPU狀態(tài)信息從系統(tǒng)堆?；謴?fù)原PSW和PC中止系統(tǒng)軟件完成工作試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第47頁中止其它問題中止優(yōu)先級在一些機(jī)器中，中止優(yōu)先級按中止類型劃分：以機(jī)器故障中止優(yōu)先級最高程序中止和訪問管理程序中止次之外部中止更次之輸入輸出優(yōu)先級最低試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第48頁中止屏蔽在CPU上運(yùn)行程序，有時(shí)因?yàn)榉N種原因，不希望其在執(zhí)行過程中被別事件所中止，稱為中止屏蔽在PSW中設(shè)置中止屏蔽碼以屏蔽一些指定中止類型各設(shè)備接口中也有中止禁止位，以禁止該設(shè)備中止試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第49頁多個(gè)中止處理

若中止處理過程中又發(fā)生中止，引發(fā)多中止處理問題兩種處理方法：第一個(gè)：處理一個(gè)中止時(shí)禁止中止，對任何新中止置之不理，當(dāng)再次允許中止時(shí)，新中止才被響應(yīng)。試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第50頁多中止處理第一個(gè)處理方法試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第51頁第二種：中止按照優(yōu)先度分級 允許高優(yōu)先級中止打斷低優(yōu)先級中止 中止處理嵌套

試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第52頁多中止處理第二種處理方法試論操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境第53頁思索題在中止處理過程中，需要保留哪些信息，怎