操作系统授课讲义-2

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1、第2章 操作系统的运行环境用 户 1计算机硬件（裸机）操 作 系 统应 用 程 序用 户 N.操作系统的运行环境主要包括：系统的硬件环境OS与其它系统软件的关系OS与人的接口2.1 硬件环境 2.1.1 中央处理机(CPU) 1、指令系统：特权指令与非特权指令系统单用户单任务：用户可用全部指令；多用户或多任务：多道程序设计技术，分为特权指令， 非特权指令。用户只能使用非特权指令，只有OS可使用所 有的指令（包括特权指令）。 2、处理机状态：管态与目态 核心状态，管理状态，用户程序状态； 管态：OS管理程序运行时CPU的状态。此时CPU 可以执行全部指令，使用所有资源，并具有改变处理 机状态的能

2、力。 目态：用户程序运行时CPU的状态。此时CPU只 能执行非特权指令。4、程序状态字PSW(IBM370大型机)：3、程序状态字PSW(M68000微机)：2.1.2 主存储器 2.1.2.1 存储器（内存）的类型随机存取存储器（RAM, random access memory ） 缓冲存储器（buffer）高速缓冲存储器（cache）只读存储器（ROM, read-only memory）可编程只读存储器（PROM）可擦可编程只读存储器（EPROM）微机内的分级存储(内存)系统CPUCACHE控制器CACHE(SRAM)磁 盘CACHE磁 盘内存(DRAM)缓冲区BUFFERS2.1.2

3、.2 存储分块存储的最小单位是：二进位（含信息 0或1）存储器的最小编址单位是：字节（8个二进位）存储器存储量的最小计算单位是：1K字节1 KB = 210 B = 1024 B1 MB = 220 B = 1024 KB1 GB = 230 B = 1024 MB1 TB = 240 B = 1024 GB在计算机中作为一个整体进行算术运算或数据处理的一组二进制数，称为计算机的字。每个字中含的位数视计算机的类型而定。在16位微机中，一个字是指16位的二进制数；在32位微机中，一个字是指32位的二进制数；在64位微机中，一个字是指64位的二进制数。计算机的每个字所含的位数，叫做字长。一台计算机

4、的字长是多少，就称它为多少位的计算机。计算机的字长越长，其功能也越强，对数据处理就越有利。字长是衡量计算机功能的重要指标之一。存储器分配和管理的最小单位是：块块的大小视计算机的类型而定。有的以64字 节为一块；有的以2K字节为一块。2.1.2.3 存储保护 1. 界限寄存器与越界中断（存储保护中断）操作系统用户使用区未使用部分0abcCPUa界限寄存器内存b2. 存储键取保护键存储键主存储器. 0010 程序状态字PSW钥存储键号取值：0-15万能键：0取保护键：0（可共享读 ）1（取保护）2.1.3 缓冲技术缓冲（区）：外部设备在进行数据传输 期间专门用来暂存这些数据的主存区域起因：CPU处

5、理数据的速度与设备传输数据的速度不匹配缓冲池：由多个缓冲区所组成的主存区 域，通常用指针连成缓冲区队列l在主存中划出一块空间，暂存来往于I/O设备和 处理机间的数据。l缓解I/O设备传输数据与处理机处理数据速度间 的矛盾！ (1)避免工作 区因传输数据而长期被占用；(2)缓冲区与设备联 系而不与用户直接联系；(3)减少I/O次数。Buffer 信息可供多个用户共同使用和反复使用。l多缓冲区技术:提高设备利用率（PDP-11的UNIX系统）2.1.4 中断技术中断(interrupt)：CPU对系统中发生的异步事件（即无一定时序关系的随机事件）的响应。收到中 断信号后，停止原来的工作，转去处理该

6、事件。处理 完后又回到原工作点继续工作。中断的作用：（1）充分发挥处理机的使用效率（2）提高系统的实时处理能力中断源：引起中断的事件 中断请求：中断源向CPU提出的要求处理的申请中断响应：CPU发现中断请求，并转去对其进行处理中断屏蔽：对某些类型的中断请求不予响应 中断处理(服务)程序：对中断源进行处理的程序中断处理：CPU执行有关的中断处理程序的过程断点：发生中断时现行程序的暂停点 中断返回：CPU返回断点的过程向量中断：由中断源自己引导CPU进入中断处理程序的中断过程中断向量：中断处理程序的内存起始(入口)地址， 每个地址占4个字节 中断向量表：由所有中断向量所组成的一张表， 通常放在内存

7、的最低端IBM-PC 的中断类型： 1. 外部中断：由外部（主要是外设）的请求而引 起的硬件中断（硬中断） （1）不可屏蔽中断，如电源故障中断等 （2）可屏蔽中断，如键盘中断、磁盘I/O中断等 2. 内部中断：由指令的执行而引起的软中断 （1）除法错中断 INT 0 （2）单步中断（debug中的跟踪指令T） INT 1（3）断点中断（debug中的跟踪指令G） INT 3（4）溢出中断 INT 4以上也叫“程序性中断”（5）用户自定义的软件中断 INT n（要求系统提供某服务的中断指令）所有类型的中断都有唯一对应的中断类型号。各中断类型号的优先次序为：l内部中断（除单步中断外）l不可屏蔽中断

8、l可屏蔽中断l单步中断最高最低2.1.5 时钟、时钟队列 时钟：是一个硬件寄存器，系统按时钟电路所产 生的脉冲数对这些时钟寄存器进行加1或减1的工 作 绝对时钟：记录当时的时间（年、月、日、时、 分、秒） 间隔时钟（相对时钟）：由操作人员置上时间间 隔的初值，以后每经过一个单位的时间，时钟寄 存器的值减1。直到该值为负时，则触发一个时钟 中断，并进行相应处理。时钟队列：通过软件为每个进程提供其需要的软 时钟（或称虚拟时钟），以便定时唤醒它运行的 一种技术 例：从现在起，作业A过50毫秒后运行，作业B 过60毫秒后运行，作业C和作业D都要求过65毫 秒后运行。队列头指针作业（进程 ）唤醒时间时钟

9、队列2.2 操作系统与其它系统软件的关系 2.2.1 作业、作业步和进程的关系用户作业作业步.作业步进程进程由用户创建由用户指定由系统创建2.2.2 重定位的概念0100500600逻辑地址逻辑地址空间11001500160010000物理地址内存地址空间2.2.2.1 绝对地址、相对地址和逻辑地址空间绝对地址：存储控制部件能够识别的主存单位编号(或 字节地址)，也就是主存单位的实际地址。也叫物理地址或实地址。相对地址：相对于某个基准量（通常用零作基准量） 编址时所使用的地址，常用于编程和编译中的地址系统。也 叫逻辑地址或虚地址。逻辑(用户)地址空间：程序中所有相对地址的集合。物理(主存)地址

10、空间：所有实际内存地址的集合。2.2.2.2 重定位由于逻辑地址空间与程序实际装入的内存空间 不一致，而引起对有关地址部分的调整过程，叫做 地址重定位。把逻辑地址正确地转换为物理地址的 过程叫做地址映射。f : A M其中A为逻辑地址空间 M为内存地址空间用户源程序转换成机器内可执行形式的过程源 程 序源 程 序源 程 序翻 译目标 程序目标 程序目标 程序库目标 程序连 接相对目 标程序 (装配 模块)地址重 定位绝对目 标程序地址空间内存空间符号名空间. lib文件. obj文件. exe文件程序连接方式静态连接：连接工作是在程序开始执行以前由连接程 序完成。动态连接：连接工作推迟到程序执

11、行期间遇到外部引 用时，先连接后执行。重定位方式静态重定位：在程序执行前进行重定位。它根据装配 模块将要装入的内存起始位置直接修改装配模块中的有关地 址，执行过程中不能再修改。优点：实现简单，无需硬件支持，只要一个内 存装入程序。 缺点:（1）程序在重定位后不能在内存中搬动， 故不能根据内存占用情况的变化，调整程序在 内存的位置。（2）程序的存储空间要求连续，不能充分 利用内存空间（3）多个用户程序很难共享内存中的同一 程序副本。动态重定位：在程序执行过程中，每次访问内存之前 进行重定位。通常由专门的硬件地址转换机构来实现。内存 中程序里面的逻辑地址并不直接改变。LOAD 1,50012345

12、1005006000LOAD 1,5001234511001500160010001000重定位寄存器+逻辑地址空间 内存空间优点:（1）用户程序可以在执行期间在内存中搬动，从 而充分利用内存空间。（2）程序不必连续存放，从原理上只要增加几个 重定位寄存器，每个对应一段程序即可。（3）便于几个用户程序共享同一程序副本。缺点：需要硬件支持，增加了成本。2.3 操作系统与人的接口源程序:系统调用命令操作命令:1.作业控制语言2.键盘命令与GUI操作系统计 算 机操作系统与用户的接口类型：作业控制级接口操作系统为用户提供了各种操作命令，用户可以利用它们来组织作业的工作流程和控制作业的运行。l脱机命令

13、：作业控制语言，用于批处理系统l联机命令：键盘命令和图形用户接口（GUI），用于具交互作用的系统程序级接口操作系统为用户提供了一组系统调用命令，用户可在源程序一级使用它们来请求系统服务（如向系统申请资源等）。用户可在汇编语言程序中直接使用系统调用命令请求系统有关服务。在高级语言程序中，使用过程调用语句来调用有关的系统调用命令。这种接口什么系统都可以使用。系统调用：用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能。这种调用由特殊的指令（广义指令）来实现。它除了提供对操作系统子程序的调用外，还将系统转入特权方式（管态）。系统调用的类型：l一般设备的 I/Ol 磁盘 I/O 及磁盘文件管理l其它系统调用与调用系统库程序有本质的不同 ： （1）系统调用程序属于操作系统的核心，而库 程序不是，它通常作为源文件或目标文件保存在 系统中。从操作系统的角度来看，库程序与用户 自己编写的子程序没有区别。 （2）系统调用在用户目标代码中仅表示为一条 机器指令，当执行到该指令时，机器转入操作系 统核心，而库程序经过连接编辑后变为用户程序 的一部分。（3）系统调用由操作系统提供。一旦操作系统设计好，系统调用的种类、条数和功能就固定下来。而库程序由各种高级语言或汇编语言的编译系统提供，不同的编译系统可以提供不同的库程序。