第2章操作系統的運行環境討論操作系統的主要運行環境中央處理器（CPU）存儲系統中斷機制作業與作業步2.1中央處理器（CPU）1.單處理器與多處理器系統一個計算機系統只有一個處理器，稱之為單處理器系統如果有多個處理器稱之為多處理器系統處理器由運算器、控制器和以及高速緩存構成。程序計數器PC指令寄存器IR處理器狀態字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據寄存器

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）：由處理器執行的機器語言來引用，通常對所有程序都是可用的，包括系統程序和用戶程序。控制和狀態寄存器：用于控制處理器的操作，大部分對用戶不可見，由OS的特權代碼使用。2.1中央處理器（CPU）（1）用戶可見寄存器機器語言直接引用包括數據寄存器、地址寄存器以及條件碼寄存器數據寄存器（dataregister）又稱通用寄存器，主要用于各種算術邏輯指令和訪存指令地址寄存器（addressregister）用于存儲數據及指令的物理地址、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操作結果的各種標記位，如算術運算產生的溢出、符號等等（2）控制和狀態寄存器用于控制處理器的操作對于用戶不可見的一部分可以在某種特權模式（由OS使用）下訪問常見的控制和狀態寄存器:程序計數器（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字（PSW：ProgramStatusWord），記錄處理器的運行模式信息等等3.特權指令和非特權指令特權指令：只能由操作系統使用的指令。特權指令的執行一般會引起處理器狀態的切換。使用多道程序設計技術的計算機指令系統必須要區分為特權指令和非特權指令（why?）4.處理器的狀態根據運行程序對資源和機器指令的使用權限將處理器設置為不同狀態：多數系統將處理器工作狀態劃分為管態和目態：管態：操作系統管理程序運行的狀態，又稱為特權態、系統態、管理態或核心態目態：用戶程序運行時的狀態，又稱為普通態或、用戶態有些系統將處理器狀態劃分核心狀態，管理狀態和用戶程序狀態（目標狀態）三種實例：x86系列處理器-1386、486、Pentium系列都支持4個處理器特權級別（特權環：R0、R1、R2和R3）從R0到R3特權能力依次降低R0相當于雙狀態系統的管態R3相當于目態R1和R2則介于兩者之間，它們能夠運行的指令集合具有包含關系：各個級別有保護性檢查（地址校驗、I/O限制），并分別運行不同級別的程序：R0-運行操作系統核心代碼R1-運行關鍵設備驅動程序和I/O處理例程R2-運行其它受保護共享代碼，如語言系統運行環境R3-運行各種用戶程序現有基于x86處理器的操作系統，多數UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3兩個特權級別實例：x86系列處理器-2管態和目態的比較：處理器處于管態時可以執行全部指令（包括特權指令）可使用所有資源具有改變處理器狀態的能力處理器處于目態時：只能執行非特權指令特權級別不同，可運行指令集合也不同特權級別越高，可以運行指令集合越大高特權級別對應的可運行指令集合包含低特權級的2.1中央處理器（CPU）5.程序狀態字PSW程序狀態字（PSW）：用來指示處理器條件和狀態的寄存器。不同的機器系統，其PSW的格式和信息不盡相同。PSW提供的主要信息：CPU的工作狀態碼——指明管態還是目態，用來說明當前在CPU上執行的是操作系統還是一般用戶，從而決定其是否可以使用特權指令或擁有其它的特殊權力條件碼——反映指令執行后的結果特征中斷屏蔽碼——指出是否允許中斷2.1中央處理器（CPU）目態→管態：其轉換的唯一途徑是通過中斷管態→目態：可用通過設置PSW(修改程序狀態字)對應位的值來實現系統屏蔽鑰EMWP中斷碼ILCCC程序屏蔽指令地址0711153133353963例：IBM370的PSW鑰：用于存儲保護EMWP：E表示機器控制方式，M表示機器校驗方式，W表示等待狀態位，P表示處理器的工作狀態。ILC：上一次執行指令的長度。CC：條件值。系統屏蔽：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存儲器系統1.存儲器的層次結構2.存儲訪問局部性原理提高存儲系統效能關鍵點：程序存儲訪問局部性原理。程序執行時，有很多的循環和子程序調用，一旦進入這樣的程序段，就會重復存取相同的指令集合對數據存取也有局部性，在較短的時間內，穩定地保持在一個存儲器的局部區域2.2存儲器系統3.存儲保護：硬件支持對主存中的信息加以嚴格的保護，使操作系統及其它程序不被破壞。地址寄存器（界限寄存器）存儲鍵2.2存儲器系統（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保護技術，實現方法：在CPU中設置一對下限寄存器和上限寄存器存放用戶作業在主存中的下限和上限地址也可將一個寄存器作為基址寄存器，另一寄存器作為限長寄存器（指示存儲區長度）每當CPU要訪問主存，硬件自動將被訪問的主存地址與界限寄存器的內容進行比較，以判斷是否越界，如果未越界，則按此地址訪問主存，否則將產生越界中斷——越界中斷（存儲保護中斷）界地址寄存器存儲保護技術（2）存儲鍵每個存儲塊有一個由二進位組成的存儲保護鍵。作業被允許進入主存時，OS分為它分配一個唯一的存儲鍵號分配給該作業各存儲塊存儲鍵與作業的存儲鍵號相同。當OS挑選該作業運行時，將作業的存儲鍵號存入程序狀態字PSW的存儲鍵（“鑰匙”）域中。每當CPU訪問主存時，都將該主存塊的存儲鍵與PSW中的“鑰匙”進行比較，如果相匹配，則允許訪問，否則，拒絕并報警。2.3中斷技術中斷對于操作系統的重要性就像機器中的驅動齒輪一樣，所以有人把操作系統稱為是由“中斷驅動”或者“（中斷）事件驅動”。中斷協調系統對各種外部事件的響應和處理中斷是多道程序實現的必要條件中斷指CPU對系統內或系統外發生異步事件的響應。異步事件是指無一定時序關系隨機發生的事件中斷源（中斷事件）：引起中斷發生的事件。中斷處理程序：處理中斷的程序代碼。1.概念例：UC/OS中斷響應過程中斷隱指令----指令系統中沒有的指令，它由CPU在中斷響應周期自動完成。其功能是保護程序斷點、硬件關中斷、向量地址送PC（硬件向量法）或中斷識別程序入口地址送PC（軟件查詢法）。中斷類型：不同機器對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（機器故障中斷等）程序錯誤中斷（溢出、缺頁和缺段中斷等）訪管中斷（Trap指令和INT指令等，Trap是在EFLAGES中陷入標志TF=1時每執行一條指令后便發生一次的異常，如斷點、INTO溢出等）。IBM370的中斷機器故障中斷：如電源故障，機器電路檢驗錯等輸入輸出中斷：輸入輸出設備和通道實現的數據傳輸外部中斷：時鐘中斷，操作員控制臺中斷，多機系統中其它機器的通信要求中斷，各種外設或傳感器發來的實時中斷等程序中斷：程序中問題引起的中斷，如錯誤地使用指令或數據、溢出等問題，存儲保護等訪管中斷：訪管指令或陷阱指令（Trap指令）中的操作數規定了要求服務的類型。每當CPU執行訪管指令或陷阱指令時，即引起中斷并調用操作系統相應的功能模塊為其服務訪管中斷是用戶程序在運行中請求操作系統為其提供服務而執行一條“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：解決主機與外設的并行工作問題提高可靠性實現多機聯系實現實時控制特點：中斷是隨機的中斷是可恢復的中斷是自動處理的2.中斷系統中斷系統=硬件中斷裝置+中斷處理程序中斷系統的硬件中斷裝置——中斷系統的機制部分，包括：發現中斷，響應中斷的硬件。該裝置負責捕獲中斷源發出的中斷請求，以一定方式響應中斷源，然后將處理器控制權交給特定的中斷處理程序。軟件中斷處理程序——中斷系統的策略部分，負責辨別中斷類型并做出相應的操作。中斷裝置的基本功能提供識別中斷源的方法提供查詢中斷狀態的方法，通常使用一個寄存器存儲有關中斷的狀態信息，稱為中斷字提供中斷現場保護的能力提供中斷處理程序尋址能力，找到恰當的中斷處理程序具有預定義的系統控制棧和中斷處理程序入口地址映射表（中斷向量表）等數據結構和它們在主存中的位置，以輔助OS定制中斷處理策略和中斷調度機制3.中斷邏輯與中斷寄存器如何接受和響應中斷源的中斷請求，因機器而異。如在PC中：可屏蔽的中斷請求INTR:主要指來輸入輸出設備的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，處理器也不響應不可屏蔽的中斷請求:屬于機器故障中斷，包括內存奇偶校驗錯以及掉電等中斷源程序中的問題引起的中斷（如溢出、除法錯都可以引起中斷）和軟件中斷等當多個中斷源請求同時發生時，由中斷邏輯按中斷優先級來判定響應哪個中斷請求。非屏蔽中斷請求中斷邏輯中斷指令INTn溢出中斷INT0除法錯中斷單步中斷TF=1中斷控制器8259A可屏蔽性中斷請求…INTRNMIIBM-PC中斷邏輯和中斷源示意圖中斷寄存器有的計算機中，為了區分和不丟失中斷信號，對應每個中斷源分別用一固定觸發器來寄存中斷信號。通常規定：值為1時，表示有中斷信號，為0時表示無中斷信號。這些觸發器的全體組成中斷寄存器，中斷寄存器由若干個中斷位組成，每個觸發器對應一個中斷位。3.中斷邏輯與中斷寄存器例：中斷請求的產生DQ&1INTR中斷請求觸發器MASK中斷屏蔽觸發器來自CPU的中斷查詢信號受設備本身控制INTRDMASKQD完成觸發器中斷請求INTR=1有請求MASK=1被屏蔽中斷掃描機構在CPU的控制部件中，用于檢測是否有中斷發生的機構。在每條指令執行周期的最后時刻掃描中斷寄存器，詢問是否有中斷信號若無中斷信號，繼續執行下一條指令若有中斷，中斷硬件將該中斷觸發器內容按規定編碼送入PSW的相應位，稱為中斷碼3.中斷邏輯與中斷寄存器4.多級中斷多級中斷多數微型處理器有多級中斷系統，可以有多根中斷請求線（級）從不同設備連接到中斷邏輯具有相同特性和優先級的設備可連到同一中斷級上，由中斷排隊器（硬件）決定當前響應哪個中斷源。在多級中斷系統中，可能同時有多個中斷請求，CPU接受中斷優先級為最高的那個中斷，忽略其中斷優先級較低的那些中斷。高優先級的中斷可以打斷低優先級的中斷。5.中斷響應

CPU如何響應中斷,兩個問題：CPU何時響應中斷？通常在CPU執行了一條指令以后，更確切地，在指令周期最后時刻接受中斷請求，或此時掃描中斷寄存器。如何知道提出中斷請求的設備或中斷源？用軟件指令去查詢各設備接口，比較費時（非向量中斷）。使用“中斷向量表”（向量中斷）。非向量中斷：總是轉向中斷查詢程序的入口地址，執行終端查詢程序，以確定被優先批準的中斷源，然后分支進入相應的中斷服務程序。例：中斷向量…向量地址…排隊器輸出

顯示器服務程序

打印機服務程序JMP400JMP300JMP200…………主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址設備編碼器1000…0001001