《操作系统---计算机结构与工作原理基础知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统---计算机结构与工作原理基础知识（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、彭文青 J,计算机操作系统原理,Principles of Operating System,第 一 章,操作系统引论,操作系统是计算机的大脑、中枢神经、是计算机的灵魂。你想了解计算机的中枢神经是怎样工作的吗？,本章讨论的问题,冯诺依曼型计算机体系结构 指令执行的基本过程 与操作系统相关的几种主要寄存器 各种存储器的访问速度 关于操作系统内核 关于中断 关于处理机指令系统 关于进程运行的状态,为什么要学习“操作系统”,操作系统OS（Operating System）是最重要的系统软件，在计算机系统中占据了特殊重要的地位。,1. OS是配置在计算机硬件上的第一 层软件， 是对计算机硬件的首次扩充
2、。,2. 所有的计算机软件都必须在操作系统 的支持下才能运行。,计算机的五代变化,第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理 ； 第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制 ； 第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机 ； 第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机 ； 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现。,基本组成,控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸,冯诺依曼型计算机,存储程序并按地址顺序执行-这就
3、是冯诺依曼型计算机的设计思想，也是机器自动化工作的关键。 五大部件：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心,指令的执行 执行指令的基本过程分为两步，即: 从内存把指令读入的过程和执行的过程。其中，读指令是根据程序计数器PC所指的地址读入，而执行的指令则是指令寄存器IR中的指令。 我们把指令的读入和执行过程称为一个执行周期。图 指令的执行周期,图 计算机的基本硬件元素,图 控制器基本组成框图,11,与操作系统相关的几种主要寄存器寄存器与操作系统密切相关，因为它们是在处理机中交换数据的速度比内存更快、体积也更小，而价格又更贵的暂存器件。处理机中寄存的功能分为二类，即用户可编程的
4、寄存器以及控制与状态寄存器。机器语言或汇编语言的程序员可对用户可编程寄存器进行操作，以获得更高的执行效率等。控制与状态寄存器则被用来对处理机的优先级、保护模式或用户程序执行时的调用关系等进行控制和操作。一般来说，用户可编程寄存器和控制与状态寄存器之间没有严格的区分和限制，在不同的系统中，寄存器的功能和作用可能不完全相同。,典型的用户可编程寄存器包括以下几种： 1. 数据寄存器 编程人员可以通过程序赋予数据寄存器众多的功能。一般来说，对数据进行操作的任何机器指令都被允许访问数据寄存器。不过，根据硬件设置的规定，这些寄存器也可能只被允许进行浮点运算或被其他某些规定所限制。 2. 地址寄存器 地址寄
5、存器一般用来存放内存中某个数据或指令的地址，或者存放某段数据与指令的入口地址以及被用来进行更复杂的地址计算。下面几种寄存器都可被认为是地址寄存器：,(1） 地址标识位寄存器； (2） 内存管理用各种始地址寄存器； (3） 堆栈指针； (4） 设备地址寄存器等。 3. 条件码寄存器 条件码寄存器也称标志寄存器。条件码寄存器的比特位由处理机硬件设置。典型的控制与状态寄存器包括以下几种：4. 程序计数器PC 程序计数器内装有下一周期被执行指令的地址。 5. 指令寄存器IR 指令寄存器内装有待执行指令。,6. 程序状态字PSW 程序状态字寄存器的各个比特位代表系统中当前的各种不同状态与信息。如执行模式
6、是否允许中断等。 7. 中断现场保护寄存器 如果系统允许不同类型的中断存在，则会设置一组中断现场保护寄存器以便保存被中断程序的现场和链接中断恢复处。 8. 过程调用用堆栈 堆栈被用来存放过程调用时的调用名、调用参数、以及返回地址等。寄存器被广泛应用于计算机系统中，它们与操作系统有着非常直接和密切的关系。操作系统设计人员只有在完全掌握和了解硬件厂商所提供的各种寄存器的功能和接口之后，才能进行操作系统设计。,关于程序状态字PSW任何程序运行时都有反映其运行状态的一组信息，这组信息集中在一起成为程序状态字(PSW).程序状态字是反映程序执行时机器所处的现行状态的代码，并存放在特定的寄存器中，其主要内
7、容包括：1. 程序当前应执行的指令；2.当前指令执行情况；3.处理机所处的状态；4.程序在执行时应屏蔽的中断；5.寻址方法，编址，保护键；6.响应中断的内容。程序状态字如何存放，不同的机器有不同做法。大型机往往存放在一个称为程序状态字（双字）的寄存器中。而小型机或微机则放在两个寄存器中：指令计数 PC 和 处理机状态寄存器PS.,存储器的层次结构与访问速度一般来说，容量越大的存储介质，访问速度会越慢，但单位存储的成本越低。例如，光盘和磁带。反过来说，如果存储介质的访问速度越高，则它的成本也会越高，例如寄存器。,存储介质的访问速度,2.3 进程控制 （二）,内核是OS的控制和协调中心，由它组织，
8、启动和协调系统中各种活动。通常由各种原语构成。,操作系统内核,内核是OS中最重要最核心的部分。OS的内核紧靠硬件，由那些使用频率高，与硬件紧密相关的模块构成；如中断处理程序，设备驱动程序等。,2.3 进程控制 （三）,二.内核的功能1）中断处理中断是OS内核最重要的功能之一。系统中的所有中断 都由内核响应。中断是进程并发执行的基础， OS是由中断驱动的。,2）原语操作原语操作包括涉及CPU管理，进程管理，存储管理，设备管理，文件管理以及起支撑功能的系统统计和监测的各种基本操作。,3) 时钟管理OS的许多重要操作，如：按时间片轮转调度，实时系统中的截止时间控制等，都依赖于时钟管理。,操作系统的内
9、核 Linux单内核结构,操作系统提供的用户接口 UNIX/Linux系统程序、库函数、系统调用分层关系,操作系统提供的程序接口 应用程序、库函数、系统调用的调用关系链,中断的定义,中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程。,请求系统服务，实现并行工作， 处理突发事件，满足实时要求，都需要打断处理器正常的工作，为此提出了中断概念。,中 断 源 引起中断的异步事件（如：系统调用，I/ O请求，系统时钟，进程调度， 设备驱动，文件 处理,故障源,指令运行出错等）。 中断请求 向
10、CPU发出中断信号。 中断响应 CPU停止执行当前进程，分辨中断请求的类型。 中断处理 CPU将请求交相关的中断处理程序处理。 中断返回 众多处理结束，返回断点。 现场 进入中断服务程序之前CPU各个寄存器的状态.,内核对中断的有限处理方式,中断源,中断请求,中断响应,转中断 处理程序,退出中断,向CPU,保护CPU现场 识别中断源,恢复CPU现场,IBM PC机中断的响应过程,中断源分类(1),强迫性中断事件强迫性中断事件不是正在运行的程序所期待的，而是由于某种事故或外部请求信息所引起的，分为：机器故障中断事件。 程序性中断事件。 外部中断事件。 输入输出中断事件。自愿性中断事件自愿性中断事
11、件是正在运行的程序所期待的事件。,按中断事件的性质和激活方式划分,中断源分类(2), 外中断(中断或异步中断)是指来自处理器之外的中断信号，包括时钟中断、键盘中断、它机中断和设备中断等；外中断又分可屏蔽中断和不可屏蔽中断，每个不同中断具有不同的中断优先级，表示事件的紧急程度，在处理高一级中断时，往往会屏蔽部分或全部低级中断。 内中断(异常或同步中断)-是指来自处理器内部，通常由于程序执行中，发现与当前指令关联的、不正常的、或是错误的事件。,中断和异常的区别, 中断是由与现行指令无关的中断信号触发的(异步的)，且中断的发生与CPU处在用户模式或内核模式无关，在两条机器指令之间才可响应中断，一般来
12、说，中断处理程序提供的服务不是为当前进程所需的； 异常是由处理器正在执行现行指令而引起的，一条指令执行期间允许响应异常，异常处理程序提供的服务是为当前进程所用的。异常包括很多方面，有出错(fault)，也有陷入(trap)等。,中断的作用,并行操作，提高工作效率 CPU与外设同时工作，多个外设同时工作。 实现实时处理 在控制系统中，有些参量要求计算机能快速处理，用中断方式容易实现。 故障处理 出现故障，提出中断申请，要求计算机及时响应。,机器指令的集合称指令系统(1)数据处理类指令；(2)转移类指令；(3)数据传送类指令；(4)移位与字符串指令；(5)I/O类指令。,微程序控制指令,36,操作
13、系统中，为了防止用户进程对OS及PCB等关键信息的破坏。 一个进程在其生命期中有两种机器运行状态：系统态 （核心态,管态） 具有较高的访问权，可访问核心模块。 用户态 （目态 ） 限制访问权。, 是机器指令的延伸，是非进程模块,不能并发执行。 执行过程不可中断，用微代码实现。,2、原 语（primitive）,一、操作系统的内核,1、进程运行状态,特权指令与非特权指令,特权指令-指只能提供给操作系统的核心程序使用的指令，如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清主存、建立存储键，加载PSW等。处理器处于系统核心状态时，程序可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理器状态的能力；处理器处于用户状态时，程序只能执行非特权指令,
