操作系统的硬件环境分析PPT课件

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1、2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,1,第二章 操作系统的硬件环境,2.1 中央处理器（CPU） 2.2 存储系统 2.3 中断机制 2.4 时钟,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,2,2.2 中央处理器（CPU）,计算机中最重要的部件,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,3,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程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,4,寄存器是指令

2、在CPU内部作处理的过程中暂存数据、地址以及指令信息的存储设备 在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度 高速缓存处于CPU和物理内存之间 一般由控制器中的内存管理单元（MMU：Memory Management Unit）管理 访问速度快于内存，低于寄存器 利用程序局部性原理使得高速指令处理和低速内存访问得以匹配，从而提高CPU的效率,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,5,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，以减少程序访问主存次数 控制和状态寄存器，用于控制处理

3、器的操作 由OS的特权代码使用, 以控制其它程序的执行,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,6,用户可见寄存器,机器语言（汇编语言）直接引用 包括数据寄存器、地址寄存器等 数据寄存器（data register）又称通用寄存器 地址寄存器（address register）用于存储数据及指令的物理地址。如index register、segment pointer、stack pointer,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,7,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,2021/6/24,第二章

4、操作系统的硬件环境,8,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,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,9,指令执行的基本过程（1）,两个步骤： 先从存储器中每次读取一条指令 然后执行这条指令 一个单条指令处理过程称为一个指令周期 程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,10,每个指令周期开始时，依据在

5、程序计数器中的指令地址从存储器中取一条指令 在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的值变成下条指令的地址 取到的指令放在指令寄存器（IR）中 处理器解释并执行所要求的动作,指令执行的基本过程（2）,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,11,5类指令,访问存储器指令： 处理器和存储器间数据传送 I/O指令： 处理器和I/O设备间数据传送和命令发送 算术逻辑指令（数据处理指令）： 执行数据算术和逻辑操作 控制转移指令： 指定一个新的指令的执行起点 处理器控制指令： 修改处理器状态，改变处理器工作方式,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,12,特权指令和非特权指令,特权指令

6、：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 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,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,13,处理器的状态,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）、系统态 、核心态 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 有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状态和用户程序状态（目标状态）三种,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,14,实例：x86系列处理器,3

7、86、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 R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,15,四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-运行其它受保护共享代码，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，如UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别,2021/6/24,第二章 操

8、作系统的硬件环境,16,图：Intel 系列CPU的特权级别,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,17,管态和目态的差别,处理器处于管态时： 全部指令（包括特权指令）可以执行 可使用所有资源 并具有改变处理器状态的能力 处理器处于目态时： 只有非特权指令能执行,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,18,程序状态字PSW,PSW (Program Status Word ): CPU的状态指明管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户程序，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其它的特殊权力 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,

9、2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,19,例1: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， 在下一条指令执行后引起自陷中断,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,20,CPU状态的转换,目态-管态 其转换的唯一途径是通过中断 管态-目态 可用设置PSW(修改程序状态字)可实现,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,21,思考题,什么是管态，什么是目态，为什么要区分二态？你

10、认为用什么方法可以区分二态？ 在什么情况下处理机的状态会从目态转换到管态？如何实现这种转换？ 为什么I/O指令是特权指令？ X86处理机提供四种状态，而大多操作系统只使用两种状态，你能说说原因吗？,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,22,2.3 存储系统,存储系统是支持OS运行的硬件环境的一个重要方面： 作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行 多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受到破坏 操作系统本身也要存放在主存储器中并运行,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,23,存储器的类型,两类存储器：读写型的

11、存储器 只读型的存储器,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,24,读写型的存储器 可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后的任何时候把数据读出，或者重新存入新的数据的一种存储器 常被称为随机访问存储器（RAM：Random Access Memory） RAM主要用作存放随机存取的程序的数据,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,25,只读型的存储器: 只能从其中读取数据，但不能随意用普通方法写入数据（写入数据只能用特殊方法） 称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory） 变型：PROM和EPROM PROM：一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入

12、数据 EPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去”信息，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器写入数据,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,26,存储器的层次结构,存储系统设计三个问题： 容量、速度和成本 容量：需求无止境 速度：能匹配处理器的速度 成本问题：成本和其它部件相比应在合适范围之内,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,27,容量、速度和成本 三个目标不可能同时达到最优，要作权衡 存取速度快，每比特价格高 容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,28,解决方案,采用层次化的存储体系结构 当沿着层次下

13、降时 每比特的价格将下降，容量将增大 速度将变慢，处理器的访问频率也将下降,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,29,层次化的存储体系结构,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,30,存储访问局部性原理,提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性原理 程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合 对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保持在一个存储器的局部区域 处理器主要和存储器的局部打交道 在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,31,设计多级存储的体系结构,假设两级

14、存储器： 第I级包含1KB，存取时间为0.1s 第II级包含1MB，存取时间为1s 存取I级中的内容，直接存取 存取II级，首先被转移到I级，然后再存取 假设确定内容所在位置时间可以忽略 若在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，则平均访问时间为： 结果非常接近I级存储的存取时间,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,32,T1：I级存储器的存取时间 T2：II级存储器的存取时间,一个简单二级存储系统的性能,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,33,思考题,层次化的存储体系结构有什么好处？ 处理器如何知道要访问的数据是在内存还是在Cache？请设计一个你认为可行的方案。

15、（提示：从内存装数据到Cache以块为单位，一块一般为1-4k） 什么叫存储访问局部性原理？,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,34,2.4 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 所以有人把操作系统称为是由 “中断驱动”或者 “（中断）事件驱动”,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,35,中断机制,中断机制是操作系统得以正常工作的最重要的手段 它使得OS可以捕获普通程序发出的系统功能调用 及时处理设备的中断请求 防止用户程序中破坏性的活动等等,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,36,什么是中断? 指CPU对系统中或系统外发生异步事

16、件的响应 异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件 如外部设备完成数据传输、实时设备出现异常等 “中断”名称源于： 当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行 而转去处理该异步事件 直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行,2.4.1 中断的概念,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,37,从用户角度看中断,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,38,引入中断的目的 解决主机与外设的并行工作问题 提高可靠性 实现多机联系 实现实时控制 特点： 1) 中断是随机的 2) 中断是可恢复的 3) 中断是自动处理的,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,39,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:内存中的一块区域，用于保存现场,几个概念,2021/6/24,第二章 操作系统的硬件环境,40,中断寄存器： 有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号 对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断信号 规定值为1时，表示有中断信号，为0时表示无 这些触发器的全体称为中断寄存器 每个触发器称为一个中断位 所以中断寄存器是由若干个中断