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1、北京大学软件与微电子学院 2009春季 操作系统高级 Operating Systems Advanced Class 第二讲 系统机制 讨论讨论操作系统设计者考虑的硬件问题 讨论操作系统设计者考虑的其他问题 中央处理器（CPU） 中断机制 系统调用 一、中央处理器（CPU） 专门设计了一系列基本机制： - 具有特权级别的处理器状态，能在不 同特权级运行的各种特权指令 - 硬件机制使得OS可以和普通程序隔离 实现保护和控制 1.CPU的构成与基本工作方式 处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以 及高速缓存构成 运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算 机计算的核心 控制器负责控制程序运行的流
2、程，包括取指令 、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等 处理器中的寄存器 寄存器提供了一定的存储能力 速度比主存快得多 造价高，容量一般都很小 两类寄存器： 用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分 配并使用之，以减少程序访问内存次数 控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作 由OS的特权代码使用, 以控制其他程序的执行 用户可见寄存器 机器语言直接引用 包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器 数据寄存器（data register）又称通用寄存器 主要用于各种算术逻辑指令和访存指令 地址寄存器（address register）用于存储数据 及指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用 于
3、某种特定方式的寻址。如index register、 segment pointer、stack pointer 条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位 如算术运算产生的溢出、符号等等 控制和状态寄存器 用于控制处理器的操作 大部分对于用户是不可见的 一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问 常见的控制和状态寄存器: 程序计数器（PC：Program Counter），记录将要取出的指 令的地址 指令寄存器（IR：Instruction Register），包含最近取 出的指令 程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器 的运行模式信息等等 2.特权指令和
4、非特权指令 特权指令：只能由操作系统使用的指令 使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区 分为特权指令和非特权指令 特权指令一般引起处理器状态的切换 处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状 态（管态） 然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为 陷入 CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用 软件？有赖于处理器状态的标识 3.处理器的状态 根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将 处理器设置为不同状态程序状态字PSW 多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态 管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权 级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态
5、目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别， 又称为普通态（普态）、用户态 具体处理器将CPU状态划分为两种、三种或四种 实例：x86系列处理器 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别 特权环：R0、R1、R2和R3 从R0到R3特权能力依次降低：R0相当于双状态系统的管 态，R3相当于目态 四个级别运行不同类别的程序： R0-运行操作系统核心代码 R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程 R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境 R3-运行各种用户程序 现有基于x86处理器的操作系统大都只用了R0和 R3两个特权级别(UNIX、Linux以及Windows系列
6、) 4.程序状态字PSW (Program Status Word ) 在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令 的权限而设置CPU状态 CPU的工作状态码指明管态还是目态，用来 说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用 户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其 他的特殊权力 条件码反映指令执行后的结果特征 中断屏蔽码指出是否允许中断 例:微处理器M68000的程序状态字 条件位： C： 进位标志位 V： 溢出标志位 Z： 结果为零标志位N： 结果为负标志位 I0 I2：三位中断屏蔽位 S：CPU状态标志位，为1处于管态，为0处于目态 T：陷阱（Trap）中断指示位为1， 在下一条指
7、令执行后引起自陷中断 CF： 进位标志位 ZF： 结果为零标志位 SF： 符号标志位 OF： 溢出标志位 标准条件位： TF：陷阱标志位 IF：中断允许（中断屏蔽）标志位 VIF：虚拟中断标志位 VIP：虚拟中断待决标志位 IOPL：IO特权级别 例:微处理器Pentium的FLAGS和描述符 CPU状态的转换 目态管态 唯一途径 是 中断（广义） 管态目态 设置PSW(修改程序状态字) 可 实现 一条特殊的指令：访管指令 供用户调用操作系统的功能（服务） INT，TRAP，SYSCALL 二、中断技术 中断对于操作系统的重要性 就像机器中的驱动齿轮一样 可以认为操作系统 是由“中断驱动”或者
8、 “（中断）事件驱 动” 及时处理设备的中断请求 它使得OS可以捕获用户程序发出的系统功能调用 防止用户程序中破坏性的活动 等等 事件： 异步/同步事件 1.中断的概念 CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应 CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转 去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回 断点，继续执行被打断的程序 特点： 1) 中断是随机发生的 2) 中断是可恢复的 3) 中断是自动处理的 中断的引入：为了开发CPU和通道(或设备)之间的并行 操作，当CPU启动通道(或设备)进行输入/输出后，通 道 (或设备)便可以独立工作，CPU转去处理与此次输 入/输出不相关的事情。当通道(或设
9、备)完成输入/输 出后，通过向CPU发中断告诉CPU此次输入/输出结束， 使CPU继续处理输入/输出以后的事情 中断的概念（2/3）中断与异常 异常的引入：用于表示CPU执行指令时本身出现算术溢 出、零做除数、取数时的奇偶错，访存指令越界或就 是执行了一条所谓“异常指令”（用于实现系统调用 ）等情况，这时中断当前的执行流程，转到相应的错 误处理程序或异常处理程序 中断(外中断) 异常(内中断) 例外 I/O中断 时钟中断 系统调用 缺页异常 断点指令 其他程序性异常 (如算术溢出等) 中断(狭义)与异常的区别: 中断: 与正执行指令无关，可以屏蔽 异常: 与正执行指令有关，不可屏蔽 广义中断
10、中断的概念（3/3） 硬件故障 2.中断系统 中断系统是现代计算机系统的核心机制之一 硬件和软件相互配合、相互渗透而使得计算机系 统得以充分发挥能力 中断系统的两大组成部分： 硬件中断装置和软件中断处理程序 中断系统的硬件中断装置-中断系统的机制部分 负责捕获中断源发出的中断请求，以一定方式响 应中断源，然后将处理器控制权交给特定的中断 处理程序 软件中断处理程序-中断系统的策略部分 负责辨别中断类型并做出相应的操作 中断源：引起中断发生的事件 中断寄存器：记录中断 中断字：中断寄存器的内容 系统堆栈: 在内存开辟的一块区域，用于临时保存 现场 中断系统中的相关概念 3.中断类型（1/2） 输
11、入/输出(I/O)中断：由I/O控制器产生 程序性中断：某些条件下由指令执行的结果产生 (如算术溢出,除零，缺页中断, 地址越界，试图 执行一条非法指令) 时钟中断：由CPU内部的计时器产生 硬件故障中断：如掉电或内存奇偶错等 强迫性中断 正在运行的程序所不期望 的，由于某种硬件故障或外部 请求引起的 William Stallings 中断类型（2/2） 访管指令/系统调用引发的中断 执行I/O，创建进程，分配内存 信号量操作，发送/接收消息 断点调试 自愿性中断 用户在程序中有意识安排的 中断，是由于用户在编制程序时 因为要求操作系统提供服务，有 意使用“访管”指令或系统调用 ，使中断发生
12、 例：微机中的中断 1.可屏蔽中断（IO中断） 2.不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断） 3.程序错误中断（溢出、除法错等中断） 4.软件中断（Trap指令或中断指令INT） 例：IBM370中的中断 1. 机器故障中断：如电源故障，机器电路检验错等 2. 输入输出中断：输入输出设备和通道数据传输状态） 3. 外部中断：时钟中断，操作员控制台中断，多机系统中 其他机器的通信要求中断，各种外设或传感器发来的实 时中断等 4. 程序中断：程序中的问题引起的中断，如错误地使用指 令或数据、溢出等问题，存储保护等 5. 访管中断：访管指令或陷阱指令（Trap指令）中的操作 数规定了要求服务的类型。每
13、当CPU执行访管指令或陷阱 指令时，即引起中断并调用操作系统相应的功能模块为 其服务 广义上讲，中断可分为四类：中断、故障、陷 阱、终止，其异同点如下： 类别原因异步/ 同步 返回行为 中断来自I/O设备的信号 异步总是返回到下一条 指令 陷阱有意的异常同步总是返回到下一条 指令 故障潜在可恢复的错误同步返回到当前指令 终止不可恢复的错误同步不会返回 中断优先级设计原则：一般来说，高速设备的中 断优先级高，慢速设备的中断优先级低。因为高 速设备的中断被处理机优先响应时，可以让处理 机尽快地向它发出下一个I/O请求，提高高速设备 的利用率 如PDP-11机上的UNIX系统把中断级别分为： 时钟中
14、断中断优先级6级 磁盘中断中断优先级5级 终端等其他外设中断中断优先级4级 4.中断优先级和中断屏蔽（1/3） 处理机优先级：指出处理机正运行程序的中断响 应级别。即当处理机处于某一优先级时，只允许 处理机去响应比该优先级高的中断,而屏蔽低于或 等于该优先级的中断 可以通过设置处理机优先级来通知硬件：屏 蔽优先级小于等于处理机优先级的中断 中断屏蔽：指禁止CPU响应中断或禁止中断出现 中断优先级和中断屏蔽（2/3） 中断屏蔽有两种方法： n 硬件实现由软件置处理机优先级，硬件按系 统设计时的约定，屏蔽那些低优先级中断 n 软件实现由软件按操作系统优先级约定,设置 屏蔽寄存器 中断优先级和中断屏
15、蔽（3/3） 5.中断响应（1/2） CPU如何响应中断, 要回答两个问题： CPU何时响应中断？ 处理器控制部件中设有：中断扫描机构 如何知道提出中断请求的设备或中断源？ 中断响应： 发现中断、接收中断的过程 由中断装置完成 开始取下一条指令执行指令 检查指令 处理中断 停止 取周期执行周期中断周期 不允许中断 允许 中断 中断响应（2/2） 在每条指令执行周 期的最后时刻扫描 中断寄存器，询问 是否有中断信号 若无中断信号，继 续执行下一条指令 若有中断，中断硬件将 该中断触发器内容按规 定编码送入PSW的相应 位，称为中断码，通过 交换中断向量引出中断 处理程序 中断向量：一个存放中断处
16、理程序入口地址和程 序运行所需处理机状态字的内存单元 硬件按中断号、异常类型的不同通过中断向量表 转移 有的机器中： 将内存最低位128个字保留作为中断向量表，每个中 断向量占两个字 中断向量表 中断响应示意图 简单的中断处理过程 6.中断处理（1/3） 中断处理（2/3） 简单的中断处理 - 典型的处理过程： （1）设备给处理器发一个中断信号 （2）处理器处理完当前指令后响应中断，延迟非常短（要求 处理器没有关闭中断） （3）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 设备将中断信号恢复到一般状态 （4）处理器开始为软件处理中断做准备： 保存中断点的程序执行上下文环境，这通常包括程 序状态 字PSW，程序计数器PC中的下一条指令位置，一些寄存器的 值，它们通
