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1、第2章 操作系统的硬件环境操作系统（第四版）操作系统（第四版） 第第2 2章章 操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境第2章操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境2.12.1中央处理机中央处理机2.22.2存储系统存储系统2.32.3缓冲技术与中断技术缓冲技术与中断技术2.1中央处理机 任何系统软件都是硬件功能的延伸，并且都是建立在硬任何系统软件都是硬件功能的延伸，并且都是建立在硬件基础上的，离不开硬件设施的支持。而操作系统更是直接件基础上的，离不开硬件设施的支持。而操作系统更是直接依赖于硬件条件，与硬件的关系尤为密切依赖于硬件条件，与硬件的关系尤为密切q中央处理机（中央处理机（CPUCPU） C
2、PUCPU的构成与基本工作方式的构成与基本工作方式 一般的处理机由运算器、控制器、一系列的寄存器以及一般的处理机由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成。高速缓存构成。 处理机中的寄存器处理机中的寄存器 寄存器为处理机本身提供了一定的存储能力，它们的速寄存器为处理机本身提供了一定的存储能力，它们的速度比主存储器快得多，但是因为造价很高，存储容量一般都度比主存储器快得多，但是因为造价很高，存储容量一般都很小。很小。 处理器一般包括两类寄存器：用户可见寄存器、控制和状处理器一般包括两类寄存器：用户可见寄存器、控制和状态寄存器（如态寄存器（如PCPC、IRIR、PSWPSW）2.1中央处理机
3、指令执行的基本过程指令执行的基本过程 特权指令和非特权指令特权指令和非特权指令 特权指令特权指令 在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令 非特权指令非特权指令 允许一般的用户使用的指令允许一般的用户使用的指令2.1中央处理机 处理机的状态处理机的状态 管态（特权态、特态、系统态）管态（特权态、特态、系统态） 指操作系统管理程序运行的状态。可以执行全部指令，指操作系统管理程序运行的状态。可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理机状态的能力使用所有资源，具有改变处理机状态的能力 目态（普通态、普态、用户态）目态（普通态、普态、用户态） 指用户程序运行时
4、的状态。只能执行非特权指令指用户程序运行时的状态。只能执行非特权指令 有些系统分为核心状态、管理状态和用户程序状态有些系统分为核心状态、管理状态和用户程序状态 程序状态字程序状态字PSWPSW 用来指示处理器状态，通常包括以下状态代码：用来指示处理器状态，通常包括以下状态代码： CPUCPU的工作状态代码的工作状态代码 条件码条件码 中断屏蔽码中断屏蔽码2.2 存储系统q存储系统存储系统 存储器的类型存储器的类型 读写型存储器（随机访问存储器读写型存储器（随机访问存储器RAMRAM） 只读型存储器（只读存储器只读型存储器（只读存储器ROMROM） 存储器的层次结构存储器的层次结构 计算机存储系
5、统的设计主要考虑三个计算机存储系统的设计主要考虑三个问题：容量、速度和成本问题：容量、速度和成本 提高存储系统效能的关键点就在于程提高存储系统效能的关键点就在于程序的存储访问局部性原理序的存储访问局部性原理2.2 存储系统 存储分块存储分块 为了简化对存储器的分配和管理，在不少计算机系统中为了简化对存储器的分配和管理，在不少计算机系统中把存储器分成块。在为用户分配主存空间时，以块为最小单把存储器分成块。在为用户分配主存空间时，以块为最小单位位 存储保护存储保护 常用的存储保护机构：界地址寄存器（界限寄存器）、常用的存储保护机构：界地址寄存器（界限寄存器）、存储键存储键2.3 缓冲技术与中断技术
6、缓冲技术缓冲技术 引入原因引入原因 缓冲技术缓冲技术般有般有3 3种用途种用途： 1. 1.用在处理机与内存之间的用在处理机与内存之间的 2. 2.用在处理机和其他外部设备之间用在处理机和其他外部设备之间 3. 3.用在设备与设备之间的通信上的用在设备与设备之间的通信上的 目的：为了解决部件之间速度不匹配的问题目的：为了解决部件之间速度不匹配的问题 类型类型 单缓冲、双缓冲、多缓冲（单缓冲、双缓冲、多缓冲（CacheCache）2.3 缓冲技术与中断技术中断技术中断技术 中断的概念中断的概念 什么是中断什么是中断 所谓中断是指所谓中断是指CPUCPU对系统中或系统外发生的异步事件的响对系统中或
7、系统外发生的异步事件的响应；应； - - 引起中断的那些事件称为中断事件或中断源；引起中断的那些事件称为中断事件或中断源； - - 中断源向处理器发出的请求信号称为中断请求；中断源向处理器发出的请求信号称为中断请求； - - 把处理中断事件的那段程序称为中断处理程序把处理中断事件的那段程序称为中断处理程序 - - 中断的作用：能充分发挥处理器的使用效率中断的作用：能充分发挥处理器的使用效率 、提高系统、提高系统的实时能力的实时能力 - - 典型的中断：程序中断、时钟中断、典型的中断：程序中断、时钟中断、I/OI/O中断、硬件失效中断、硬件失效中断中断2.3 缓冲技术与中断技术 中断的分类中断的
8、分类 依据中断的功能：可屏蔽中断（依据中断的功能：可屏蔽中断（I/OI/O中断）、不可屏蔽中断）、不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）、程序错误中断（溢出、中断（机器内部故障、掉电中断）、程序错误中断（溢出、除法错等中断）、软件中断（除法错等中断）、软件中断（TrapTrap指令或中断指令指令或中断指令INTINT） 依据被激发的手段：强迫性中断、自愿性中断依据被激发的手段：强迫性中断、自愿性中断 依据中断事件发生和处理是否是异步依据中断事件发生和处理是否是异步 ：异步中断（中：异步中断（中断）、同步中断（异常）断）、同步中断（异常） 依据中断源的类型依据中断源的类型 ：硬件中断、软件中断：
9、硬件中断、软件中断 中断系统中断系统 中断系统组成部分中断系统组成部分 中断系统的硬件中断装置中断系统的硬件中断装置 软件中断处理程序软件中断处理程序 2.3 缓冲技术与中断技术 中断装置一般要提供的基本功能中断装置一般要提供的基本功能 提供识别中断源的方法提供识别中断源的方法 提供查询中断状态的方法提供查询中断状态的方法 提供中断现场保护的能力提供中断现场保护的能力 提供中断处理程序寻址能力提供中断处理程序寻址能力 具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表等数据结构和它们在主存中的位置表等数据结构和它们在主存中的位置 中断逻辑与中断寄
10、存器中断逻辑与中断寄存器 中断寄存器：有的大型计算机中为了区分和不丢失每个中断寄存器：有的大型计算机中为了区分和不丢失每个中断信号，通常对应每个中断源都分别用一个固定的触发器中断信号，通常对应每个中断源都分别用一个固定的触发器来寄存中断信号，这些触发器的全体称为中断寄存器来寄存中断信号，这些触发器的全体称为中断寄存器 中断扫描机构中断扫描机构 ：处理器的控制部件中能检测中断的机构：处理器的控制部件中能检测中断的机构2.3 缓冲技术与中断技术 多级中断和中断屏蔽多级中断和中断屏蔽 中断优先级：高优先级屏蔽低优先级中断优先级：高优先级屏蔽低优先级 同一中断级中有多个中断请求时，可采用固定的优先数和
11、同一中断级中有多个中断请求时，可采用固定的优先数和轮转法来处理轮转法来处理 中断响应中断响应 CPUCPU何时响应中断：通常在指令周期最后时刻接受中断请何时响应中断：通常在指令周期最后时刻接受中断请求，或是在此时扫描中断寄存器求，或是在此时扫描中断寄存器 如何知道提出中断请求的设备或中断源：一是用软件指如何知道提出中断请求的设备或中断源：一是用软件指令去查询各设备接口；二是使用令去查询各设备接口；二是使用“向量中断向量中断”硬件设施硬件设施 中断处理中断处理 中断处理的一般过程中断处理的一般过程 设备给处理器发了一个中断信号设备给处理器发了一个中断信号 处理器处理完当前指今后响应中断处理器处理
12、完当前指今后响应中断 2.3 缓冲技术与中断技术 简单的中断处理过程2.3 缓冲技术与中断技术 处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得该并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到一般状态。设备将中断信号恢复到一般状态。 处理器开始为软件处理中断做准备处理器开始为软件处理中断做准备 处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联系的处理程序入口地址，并将系的处理程序入口地址，并将PCPC置成该地址，处理器开始一
13、置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，结果是控制转移到中断处理程序个新的指令周期，结果是控制转移到中断处理程序 中断处理程序开始工作中断处理程序开始工作 中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复, ,处理器状态恢复成处理器状态恢复成原来的状态。原来的状态。2.3 缓冲技术与中断技术PSWPSW和和PCPC被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束期，中断处理结束 多个中断处理问题多个中断处理问题 正当处理一个
14、中断时禁止中断，此时系统将对任何新发正当处理一个中断时禁止中断，此时系统将对任何新发生的中断置之不理生的中断置之不理 中断按照优先度分级，允许优先级较高的中断打断优先中断按照优先度分级，允许优先级较高的中断打断优先级较低的中断处理过程级较低的中断处理过程 几种典型中断的处理几种典型中断的处理 I/OI/O中断、时钟中断、硬件故障中断、程序性中断、系统中断、时钟中断、硬件故障中断、程序性中断、系统服务请求（自愿性中断）服务请求（自愿性中断） 2.3 缓冲技术与中断技术q时钟时钟 时钟的工作时钟的工作 在多道程序运行的环境中，它可以为系统发现一个陷入在多道程序运行的环境中，它可以为系统发现一个陷入
15、死循环（编程错误）的作业，从而防止机时的浪费死循环（编程错误）的作业，从而防止机时的浪费 在分时系统中，用间隔时钟来实现作业间按时间片轮转在分时系统中，用间隔时钟来实现作业间按时间片轮转 在实时系统中，按要求的时间间隔输出正确的时间信号在实时系统中，按要求的时间间隔输出正确的时间信号给一个实时的控制设备给一个实时的控制设备 定时唤醒那些要求延迟执行的各个外部事件定时唤醒那些要求延迟执行的各个外部事件 记录用户使用各种设备的时间和记录某外部事件发生的记录用户使用各种设备的时间和记录某外部事件发生的时间间隔时间间隔 记录用户和系统所需要的绝对时间，即年、月、日记录用户和系统所需要的绝对时间，即年、月、日 绝对时钟和间隔时钟（相对时钟）绝对时钟和间隔时钟（相对时钟） 绝对时钟：记录当时的时间（年、月、日、时、分、秒）绝对时钟：记录当时的时间（年、月、日、时、分、秒） 间隔时钟：又叫做相对时钟间隔时钟：又叫做相对时钟