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1、目 录,第二章 OS的运行环境,2.1 硬件环境,2.2 操作系统与其它系统软件的关系,2.3 OS与人的接口,2.4 固件微程序设计概念,2.5 磁盘操作系统的运行环境及功能,OS直接依赖于硬件条件，与硬件的关系尤为密切， OS 作为系统的管理程序，为了实现其预定的各种管理功能，更需要有一定的条件，或称之为运行环境来支持其工作。,本章主要讲述OS 对运行环境的特殊要求。,2.1 硬件环境,一、中央处理机 (CPU),1. OS 作为一个程序要在CPU上运行,单个CPU 单机系统,多个CPU 多机系统,2. 在多用户的多道程序设计环境中，计算机的指令系统中的指令必须分为两部分,特权指令,非特权
2、指令,特权指令,定义：指令系统中仅由OS 使用的指令，不允许一般用户使用，否则可能使系统陷入混乱。,用途：启动外设备，设置时钟，清内存等。,用户只能使用非特权指令，只有OS才能使用所有指令（包括特权指令）。,3. 程序运行有两种状态,CPU有时执行用户程序，有时执行操作系统的程序，这有赖于处理机状态的标识，将处理机工作状态划分为：管态、目态。, 管态,一般指操作系统管理程序运行的状态 简称管态，即OS 运行态，可使用特权指令和非特权指令。, 目态,用户程序运行态，只允许访问用户程序自己的存贮区域，如果用户程序在执行时，企图访问OS 所在的区域或想使用某个特权指令 (如改变指令计数器的内容)，就
3、立即被捕俘，而被迫中止其执行，然后由OS 处理这一事件，这样保证了OS 的权利和使其程序不会被破坏。,当处理机处在目态中，不可使用特权指令。,4. 程序状态字 (PSW),当处理机处于管理态时，可以执行全部指令(包括特权指令)使用所有资源，并具有改变处理机状态的能力，而当处理机处于目态时，就只能执行非特权指令。,如何知道处理机当前处于什么工作状态呢？以及它下次要执行哪条指令呢？为了解决这些问题，计算机有若干的特殊寄存器。,(1) 用特殊的寄存器存放状态,CS:IP (PC) 程序计数器，指示下一条要执行的指令。,PSW 程序状态字，指示处理机状态。,PSW包含：,条件码：反映指令执行后的结果特
4、征。,中断屏蔽码：指出是否允许中断 (中断优先级),CPU的工作状态：管态还是目态。,(2) M68000的程序状态字 (微机) 16位字,T,S,I2,X,N,Z,V,C,I1,I0,15,13,10,8,4,3,0,自陷 中断位 (跟踪),CPU状态位 1：管态 0：目态,中断屏蔽位,负数,结果为0,溢出,进位标志位,条件码,Trap 连机调试，排错用,优先级 07,(3) 不同的机器有不同的PSW，如：8088 (FLAG),A,T,P,Z,C,溢出,S,D,O,15,10,去向 (增减),跟踪,符号,零,辅助进程,奇偶,进位,PL,I0,Nr,同上,MP,ET,TS,EM,PE,任务,
5、特权标志,扩展,任务切换,仿真,协处理器监控,保护允许,80286 (32位字),IBM 370 大型机的PSW程序状态字,系统屏蔽,钥,EMWP,中断码,ILC,CC,程序屏蔽,指令地址,0,7,11,15,31,33,35,39,63位,IBM370 的程序状态字PSW,M位是机器校验方式位，W位是等待状态位，P位是处理器工作状态位。,二、主存储器 (支持OS运行的硬件环境中一个重要方面),1. 一个作业必须把它的程序和数据存放在主存中才能运行。, 多道程序放入， 互不影响 保 护机构, 操作系统空间和 用户程序空间,2. 存贮器类型,RAM random access memory 可读
6、写，随机存贮器,ROM read only memory 只读存贮器(不可改程序存贮) BIOS,设备驱动器,用户,OS,RAM,IBMPC 在 MS/DOS下,内存分区,ROM,48K,8K基本输入/出系统程序BIOS,40K ROM,32KB CBASIC,8KB 空闲,3. 存储分块,存储的最小单位称为“ 二进位”，它包含的信息为0或1。存储器最小单位编址单位是字节，有8位、16位等。,“ 双字”是由两个字组成，以“ 四字” IBM大型机为“ 字”。,两个字节组成“ 字”。,把存储器分为“ 块” 便于管理分配，在为用户分配主存空间时，以块为最小单位：,16字节(一块) PC机 64字节(
7、一块) PDP-11机 2k字节(一块) IBM370机、IBM大型机,4. 存储保护,存放在主存的用户程序和操作系统，以及它们的数据，很可能受到正在CPU上运行的某用户程序的有意或无意的破坏，这可能会造成十分严重的后果。所以对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统及其它程序不被错误的操作所破坏，是其正确运行的基本条件之一。,(1) 界地址寄存器 产生越界中断(存贮器保护中断)，在CPU中设置一对界限寄存器来存放该用户作业在主存中的下限和上限地址。,(2) 存储保护键： (五位二进位/每块组成) 其中最左四位是保护键，最右一位是取保护标志位。,如图：,0010,0,7,钥 Key,11,特权指
8、令,只要键匹配，存取均可 键不匹配，则不可存 是否可取要看保护位,举例：, 存A，取A，均可以 (键Key匹配) 存B，取B，均不可以 (键不匹配，且取保护) 存C，不可以 (键不匹配) 取C，可以，因取保护位为0，即不保护取,程序状态字,5. 存贮器组织,(1) 二维地址结构,8088微处理器的寻址能力为1M字节，因为它有20条地址引线(即微处理器的地址长度为20位)，从而确定了每一个存贮单元的地址，即从0一直扩展到最高的地址单元1048575 (即1024k-1)。但是，8088又是16位的处理器，它包含的寄存器都是16位的。所以它所能执行的运算大部分局限于处理16位的数，其范围为0到65
9、,535 (即64k)。由于整个地址长度为20位，因此必须以某种方法来控制这20位，也就是要解决16位的计算机怎么能够用20位的地址工作的问题。,利用分段编址的方法可以解决这一问题(段式管理)。在段式系统中，一个作业的某一分段在主存中占领一片区域，该分段在主存中有一个段的起始地址，该地址值由段表中的主存始址这一数据项指示(相当于一个基地址寄存器的作用)。,分段内某一指令 (或数据) 的地址应由两部分组成：即段首地址加上段内位移 (如图所示),B,B,段基地址寄存器,SUB,分段,W,用两个16位的数，头一个16位数左移4位，使它构成20位，表示段的基地址 (是一个为 16位数的单元)。第二 个
10、16位数按原样使用，表示段内位移，两个数相加，形成一个完整的20位地址。,例如：,C018,C0180,FFFF,FE7F,CFFFF,代码分段 寄存器,CS:,代码分段,C018,FE7F,0000,CFFFF,+,20位字节(或字)地址,(2) 存贮器的总体布局,IBM-PC所做的安排是将在存储器的高阶部分留作专用，低阶部分 (除最低阶处作中断向量表，系统数据区之外) 的存贮单元供公用。,这样做既能获益于保留的存贮空间，又有足够的地址空间供一般的应用。如图所示：,00000H,10000H,A0000H,B0000H,B8000H,C0000H,F6000H,FE000H,FFFFFH,2
11、56k RAM,扩充RAM,未用,单色显示终端,彩色显示终端,扩充存贮 供未来的ROM使用,ROM-BASIC (32k),ROM-BIOS (8k),216k,40k,显示存贮器128k,64k内存,256k ROM寻址空间,768k RAM寻址空间,1k字节系统中断向量表,DOS 暂驻区 暂驻部分,三、缓冲技术,上章已讲，它是提高CPU利用率，目前广泛使用多缓冲区技术，设备利用率大为提高。,缓冲区是外部设备在进行数据传输期间专门用来暂存这批数据的主存区域。,目前许多计算机系统广泛使用多缓冲区技术。以PDP-11的UNIX操作系统为例，整个系统有两个缓冲池。一个缓冲池是为了磁盘之类的块设备而
12、设置的，该池共有15个缓冲区，每个缓冲区大小为514个字节。另一个缓冲池是为慢速字符设备而设置的，该池共有100个缓冲区，每个缓冲区大小为8个字节。所有的缓冲区都用链指针链入不同的缓冲区队列（详见UNIX系统）。当需要缓冲区时，就向操作系统提出请求，操作系统分给一块相应的空闲缓冲区供其使用。,四、中断技术,中断简介：,计算机必须能够对微处理器外面发生的事情作出响应。例如，当按动键盘上一个按键，或时钟的报时信号来到，或软盘驱动器工作完毕发出中断信号时，均将引起微处理器的注意并处理相应事件，这就是中断。,(1) 能充分发挥处理机的使用效率：因为输入输出设备可以用中断的方式同CPU通讯，报告其完成C
13、PU所要求的数据传输的情况和问题，这样可以免除CPU不断地查询和等待，从而大大提高处理机的效率。 (2) 提高系统的实时处理能力：因为具有较高实时处理要求的设备，可以通过中断方式请求及时处理，从而使处理机立即运行该设备的处理程序（也是该中断处理程序）。,非屏蔽中断请求,中断逻辑,中断指令 INTn,溢出中断 INT0,除法错 中断,单步中断 T=1,中断 控制器 8259A,可屏蔽中断请求,IBM-PC中断逻辑和中断源,图中所表示的是IBM-PC的中断源及中断逻辑。在IBM-PC中有可屏蔽的中断请求INTR，这类中断主要是输入输出设备的IO中断。这种IO中断可以通过建立在程序状态字PSW中的中
14、断屏蔽位加以屏蔽，此时即使有IO中断，处理机也不予以响应；另一类中断是不可屏蔽的中断请求，这类中断是属于机器故障中断，包括内存奇偶校验错以及掉电使得机器无法继续操作下去等中断源。它是不能被屏蔽的，一旦发生这类中断，处理机不管程序状态字中的中断屏蔽位是否建立都要响应这类中断并进行处理。,此外还有程序中的问题所引起的中断 (如溢出，除法错都可引起中断)和软件中断等，由于IBM-PC中具有很多中断源请求，它们可能同时发生，因此由中断逻辑按中断优先级加以判定，究竟响应哪个中断请求。,中断信号是发送给中央处理机并要求它处理的，但处理机又如何发现中断信号呢？为此，处理机的控制部件中增设一个能检测中断的机构
15、，称为中断扫描机构。通常在每条指令执行周期内的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号到来。若无中断信号，就继续执行下一条指令。若有中断到来，则中断硬件将该中断触发器内容按规定的编码送入程序状态字PSW的相应位（IBM中是1631位），称为中断码。,(一) 中断的类别,一般中断按其功能来分可有以下几大类：,(1) 硬件故障中断(不可屏蔽中断)：电源故障中断,(2) 输入/输出中断：键盘、计时器、显示器、磁盘I/O中断,(3) 程序性中断：除法错误中断，溢出中断，还包括：断点中断、单点中断(调试用),(4) 外部中断：对CPU而言，它的外部非通道式装置所引起的中断。 如：时钟中断，操作员控制台中断，多机系统中CPU到CPU通讯中断,(5) 软中断 (访管中断)：用户程序和操作系统之间只有一个相通的“门户”，这就是访管指令，如利用INT n 中断指令发生的中断，可以实现对OS功能的访问(调用)。,这五类中断又可按中断方式不同划为：,自愿中断：是正在运行的程序的期待的事件，这种事件是由于执行了一条访管指令而引起的。(只有访管中断是它自愿),强迫性中断：是由随机事件引起的，并非由程序设计人员事先安排的。,(二) 中断向量表,IBMPC对不同的中断事件规定了一个0255 之间的一个数，这些数代表了引起中断的事件，它们称为中断类型。,对于每一个中断类型
