试论操作系统的运行环境.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.8.1,中央处理器,CPU,一、,CPU,组成与基本工作方式：,CPU,包含：运算器、控制器、存放器、高速缓存。,PC,IR,数据存放器,处理器,内存,总线,PSW,地址存放器,控制和状态存放器,高速缓存,Cache,运算器,控制器,1,.,8,操作系统运行环境,试论操作系统的运行环境,第1页,运算器,实现指令中算术和逻辑运算，是计算机计算关键。,控制器,负责控制程序运行流程，包含取指令、维护,CPU,状态、,CPU,与内存交互等等。,存放器,是指令在,CPU,内部作处理过程中暂存数据、地址以及指令信息存放设备，在计算机存放系统中它含有最快访问速度。,高速缓存,处于,CPU,和物理内存之间，普通由控制器中内存管理单元（,MMU,：,Memory Management Unit,）管理，访问速度快于内存，低于存放器。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，从而提升,CPU,效率。,试论操作系统的运行环境,第2页,处理器中存放器,存放器提供了一定存放能力,速度比主存快得多,造价高，容量普通都很小,两类存放器：,用户可见存放器,高级语言编译器经过算法分配并使用之，以降低程序访问主存次数。,控制和状态存放器,用于控制处理器操作，由,OS,特权代码使用，以控制其它程序执行。,试论操作系统的运行环境,第3页,用户可见存放器,机器语言（汇编语言）直接引用,包含数据存放器、地址存放器等,数据存放器,（,data register,）,又称通用存放器,地址存放器,（,address register,）,用于存放数据及指令物理地址。如,index register,、,segment pointer,、,stack pointer,试论操作系统的运行环境,第4页,控制和状态存放器,用于控制处理器操作,大部分对于用户是不可见,一部分能够在某种特权模式（由,OS,使用）下访问,试论操作系统的运行环境,第5页,常见控制和状态存放器,程序计数器,（,PC,：,Program Counter,）,，统计将要取出指令地址,指令存放器,（,IR,：,Instruction Register,）,，包含最近取出指令,程序状态字（,PSW,：,Program Status Word,）,，统计处理器运行模式信息等等,试论操作系统的运行环境,第6页,指令执行基本过程,（,1,）,两个步骤：,先从存放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,程序执行是由不停取指和执行指令周期组成,试论操作系统的运行环境,第7页,每个指令周期开始时，依据在程序计数器中指令地址从存放器中取一条指令,在取指完成后依据指令类别自动将程序计数器值变成下条指令地址,取到指令放在指令存放器（,IR,）中,处理器解释并执行所要求动作,指令执行基本过程,（,2,）,试论操作系统的运行环境,第8页,5,类指令,访问存放器指令：,处理器和存放器间数据传送,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：,指定一个新指令执行起点,处理器控制指令：,修改处理器状态，改变处理器工作方式,试论操作系统的运行环境,第9页,特权指令和非特权指令,特权指令,：只能由操作系统使用指令,使用多道程序设计技术计算机指令系统必须要区分为,特权指令和非特权指令,CPU,怎样知道当前运行是操作系统还是普通应用软件？,有赖于处理器状态,试论操作系统的运行环境,第10页,处理器状态,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状态，较高特权级别，又称为特权态（特态）、系统态、关键态,目态：,用户程序运行时状态，较低特权级别，又称为普通态（普态）、用户态,有些系统将处理器状态划分关键状态，管理状态和用户程序状态（目标状态）三种,试论操作系统的运行环境,第11页,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,相当于双状态系统管态,R3,相当于目态,R1,和,R2,则介于二者之间，它们能够运行指令集合含有包含关系：,试论操作系统的运行环境,第12页,四个级别运行不一样类别程序：,R0,-,运行操作系统关键代码,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,试论操作系统的运行环境,第13页,图,：,Intel 系列CPU特权级别,试论操作系统的运行环境,第14页,管态和目态差异,处理器处于管态时：,全部指令（包含特权指令）能够执行,可使用全部资源,并含有改变处理器状态能力,处理器处于目态时：,只有非特权指令能执行,试论操作系统的运行环境,第15页,程序状态字,PSW,PSW(Program Status Word),:,CPU,状态,指明管态还是目态，用来说明当前在,CPU,上执行是操作系统还是普通用户程序，从而决定其是否能够使用特权指令或拥有其它特殊权力,条件码,反应指令执行后结果特征,中止屏蔽码,指出是否允许中止,试论操作系统的运行环境,第16页,例,1,：微处理器,M68000,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,：三位中止屏蔽位,S,：,CPU,状态标志位，为,1,处于管态，为,0,处于目态,T,：,陷阱,（,Trap,）,中止指示位为,1,，,在下一条指令执行后引发自陷中止,试论操作系统的运行环境,第17页,CPU,状态转换,目态,-,管态,其转换唯一路径是经过中止,管态,-,目态,可用设置,PSW(,修改程序状态字,),实现,试论操作系统的运行环境,第18页,思索题,什么是管态，什么是目态，为何要区分二态？你认为用什么方法能够区分二态？,在什么情况下处理机状态会从目态转换到管态？怎样实现这种转换？,试论操作系统的运行环境,第19页,1.8.2,存放系统,作业必须把它程序和数据存放在内存中才能运行,多道程系统中，若干个程序和相关数据要放入主存放器,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放器中并运行,试论操作系统的运行环境,第20页,一、存放器类型：,RAM,和,ROM,二、存放系统层次结构：存放访问局部性原理,容量,速度,光盘、磁盘、优盘、磁带,硬盘,硬盘缓存,内存,高速缓存,存放器,256K,、,512K,128M,、,2G,2M,40G80G,650M,、,1.44M,、,64M,、,400G,试论操作系统的运行环境,第21页,读写型存放器,可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后任何时候把数据读出，或者重新存入新数据一个存放器,常被称为随机访问存放器,（,RAM,：,Random Access Memory,）,RAM,主要用作存放随机存取程序数据,试论操作系统的运行环境,第22页,只读型存放器,:,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）,称为只读存放器,（,ROM,：,Read-Only Memory,）,变型,：,PROM,和,EPROM,PROM,：,一个可编程只读存放器，使用特殊,PROM,写入器写入数据,EPROM,：,用特殊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,试论操作系统的运行环境,第23页,存放器层次结构,存放系统设计三个问题：,容量、速度和成本,容量：需求无止境,速度：能匹配处理器速度,成本问题：成本和其它部件相比应在适当范围之内,试论操作系统的运行环境,第24页,容量、速度和成本,三个目标不可能同时到达最优，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,试论操作系统的运行环境,第25页,处理方案,采取层次化存放体系结构,当沿着层次下降时,每比特价格将下降，容量将增大,速度将变慢，处理器访问频率也将下降,试论操作系统的运行环境,第26页,存放访问局部性原理,提升存放系统效能关键点：,程序存放访问局部性原理,程序执行时，有很多循环和子程序调用，一旦进入这么程序段，就会重复存取相同指令集合,对数据存取也有局部性，在较短时间内，稳定地保持在一个存放器局部区域,处理器主要和存放器局部打交道,在经过一段时间以后，使用代码和数据集合会改变,试论操作系统的运行环境,第27页,设计多级存放体系结构,假设两级存放器：,第,I,级包含,1KB,，存取时间为,0.1,s,第,II,级包含,1MB,，存取时间为,1,s,存取,I,级中内容，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能够忽略,若在,I,级存放器中发觉存取对象概率是,95%,，则平均访问时间为：,结果非常靠近,I,级存放存取时间,试论操作系统的运行环境,第28页,思索题,层次化存放体系结构有什么好处？,处理器怎样知道要访问数据是在内存还是在,Cache,？请设计一个你认为可行方案。（提醒：从内存装数据到,Cache,以块为单位，一块普通为,1-4k,）,什么叫存放访问局部性原理？,试论操作系统的运行环境,第29页,缓冲技术,引入缓冲目标：,缓解,CPU,与设备速度不匹配矛盾。,CPU,Cache,内存,Buffer,外部设备,字传送,块传送,缓冲包含：,Cache,和,Buffer,。,试论操作系统的运行环境,第30页,内存可看作由一些固定大小块组成，每块,K,个字。,Cache,由一些存放槽组成，每槽,K,个字。需要访问某内存块中字时，把该块移到某个槽中。,Cache,读,开始,CPU,需要读内存地址,RA,中数据,包含,RAM,块在,Cache,中,访问内存中包含,RA,块,为内存块分配,Cache,槽,取,RA,中字传递给,CPU,将内存块装入,Cache,槽,结束,是,否,试论操作系统的运行环境,第31页,什么是中止,?,指,CPU,对系统中或系统外发生异步事件响应,异步事件是指无一定时序关系随机发生事件,如外部设备完成数据传输、实时设备出现异常等,“,中止,”,名称源于：,当异步事件发生后，打断了对当前途序执行,而转去处理该异步事件,直处处理完了后，再转回原程序中止点继续执行,1.8.3,中止技术,试论操作系统的运行环境,第32页,从用户角度看中止,试论操作系统的运行环境,第33页,引入中止目标,处理主机与外设并行工作问题,提升可靠性,实现多机联络,实现实时控制,特点：,1),中止是随机,2),中止是可恢复,3),中止是自动处理,试论操作系统的运行环境,第34页,中止源：引发中止发生事件,中止存放器：统计中止,系统堆栈,:,内存中一块区域，用于保留现场,几个概念,试论操作系统的运行环境,第35页,中止类型,强迫性中止,正在运行程序所不期望，因为某种硬件故障或外部请求引发,自愿性中止,用户在程序中有意识安排中止，是因为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，使中止发生,试论操作系统的运行环境,第36页,强迫性中止,输入,/,输出,(I/O),中止：主要来自外部设备通道,程序性中止：运行程序中本身中止,(,如被,0,除,缺页中止,缺段中止,地址越界,),时钟中止,控制台中止,硬件故障中止,试论操作系统的运行环境,第37页,自愿性中止,又称访管中止,执行,I/O,指令，创建进程，分配内存,信号量操作，发送,/,接收消息,试论操作系统的运行环境,第38页,IBM370,中中止,1.,机器故障中止：如电源故障、电路检验犯错等,2.,输入输出中止：,I/O,设备完成任务时产生,3.,外部中止：时钟中止、多机系统中其它,CPU,通信要求中止等,4.,程序中止：程序中问题引发中止，如错误地使用指令或数据、存放保护等,5.,访管中止：每当,CPU,执行访管指令时，即引发中止并调用操作系统对应功效模块为其服务,试论操作系统的运行环境,第39页,中止系统,中止系统两大组成部分：硬件,中止装置,和软件,中止处理程序,中止装置,-,中止系统,机制部分,负责捕捉中止源发出中止请求，以一定方式响应中止源，然后将处理器控制权交给特定中止处理程序,中止处理程序,-,中止系统,策略部分,试论操作系统的运行环境,第40页,中止装置基本功效,发觉中止,响应中止,：保护现场、找到恰当中止处理程序,试论操作系统的运行环境,第41页,处理器怎样发觉中止信号？,处理器控制部件中设一个能检测中止机构，称为中止扫描机构,在每条指令执行周期最终时刻扫描中止存放器，问询是否有中止信号,若无中止信号，继续执行下一条指令,若有中止，中止硬件就进行中止响应,发觉中止,试论操作系统的运行环境,第42页,中止向量表：存放全部中止处理程序入口地址。,主存最低端若干个字节。中止向量？,关中止,保留中止现场,依据中止向量表设置新运行现场,开中止,执行中止处理程序,关中止,恢复被中止程序现场,开中止,返回断点，继续执行,此时允许中止嵌套。即优先级更高中止请求能够打断低级中止处理。,设备发中止信号,CPU,向设备发确认中止信号,中止处理过程,试论操作系统的运行环境,第43页,中止处理普通过程：,（,1,）设备给处理器发一个中止信号,（,2,）处理器处理完当前指令后检测到中止，判断出中止起源并向发送中止设备发送确认中止信号，确认信号使得该设备将中止信号恢复到普通状态,（,3,）处理器开始为软件处理中止做准备：,保留中止点程序执行上下文环境，这通常包含程序状态字,PSW,，程序计数器,PC,，一些存放器值，它们通常保留在系统栈中,试论操作系统的运行环境,第44页,（,4,）处理器依据中止源查询中止向量表，取得与该中止相联络处理程序入口地址，并将,PC,置成该地址，处理器开始一个新指令周期，控制转移到中止处理程序,（,5,）中止处理程序开始工作,（,6,）中止处理结束时，执行中止返回指令，被中止程序上下文环境从系统堆栈中被恢复，处理器状态恢复成原来状态。,（,7,）,PSW,和,PC,被恢复成中止前值，处理器开始一个新指令周期，中止处理结束,试论操作系统的运行环境,第45页,设备控制器或其它系统硬件发出中止,处理器完成当前指令执行,处理器接收中止,处理器将,PSW,和,PC,推入系统堆栈,处理器依据中止类型读入新,PC,和,PSW,值,中止系统硬件完成工作,试论操作系统的运行环境,第46页,保留,CPU,状态其余信息,执行中止处理程序,恢复,CPU,状态信息,从系统堆栈恢复原,PSW,和,PC,中止系统软件完成工作,试论操作系统的运行环境,第47页,中止其它问题,中止优先级,在一些机器中，中止优先级按中止类型划分：,以机器故障中止优先级最高,程序中止和访问管理程序中止次之,外部中止更次之,输入输出优先级最低,试论操作系统的运行环境,第48页,中止屏蔽,在,CPU,上运行程序，有时因为种种原因，不希望其在执行过程中被别事件所中止，称为中止屏蔽,在,PSW,中设置中止屏蔽码以屏蔽一些指定中止类型,各设备接口中也有中止禁止位，以禁止该设备中止,试论操作系统的运行环境,第49页,多个中止处理,若中止处理过程中又发生中止，引发多中止处理问题,两种处理方法：,第一个：,处理一个中止时禁止中止，对任何新中止置之不理，当再次允许中止时，新中止才被响应。,试论操作系统的运行环境,第50页,多中止处理第一个处理方法,试论操作系统的运行环境,第51页,第二种：,中止按照优先度分级,允许高优先级中止打断低优先级中止,中止处理嵌套,试论操作系统的运行环境,第52页,多中止处理第二种处理方法,试论操作系统的运行环境,第53页,思索题,在中止处理过程中，需要保留哪些信息，怎样保留？,中止装置怎样发觉中止？怎样响应中止？,什么是中止向量？,试论操作系统的运行环境,第54页,I/O,技术,程序控制,中止驱动,DMA,（,Direct Memory Access,）,通道（,I/O,处理机）,试论操作系统的运行环境,第55页,1.8.4,时钟,时钟为计算机完成以下必不可少工作：,在多道程序运行环境中，为系统发觉陷入死循环（编程错误）作业，预防机时浪费,在分时系统中，间隔时钟实现作业间按时间片轮转,在实时系统中，按要求间隔输出正确时间信号给实时控制设备（如,A,D,、,D/A,转换设备）,定时唤醒要求延迟执行各外部事件（如定时为各进程计算优先数，银行中定时运行某类结账程序等）,统计用户使用设备时间和统计某外部事件发生时间,统计用户和系统所需要绝对时间，即年、月、日,试论操作系统的运行环境,第56页,时钟是操作系统运行必不可少硬件设施,绝对时钟,：统计当初时间（年、月、日、时、分、秒）普通来说，绝对时钟准确，当停机时，绝对时钟值依然自动修改,间隔时钟,：经过时钟存放器实现，置上时间间隔初值，每经过一个单位时间，时钟值减,1,，直到该值为,0,时，则触发时钟中止，并进行对应中止处理,试论操作系统的运行环境,第57页,硬件时钟：,某个存放器来模拟,(,依据脉冲频率定时加,1,，减,1),软件时钟：,用作相对时钟，用内存单元来模拟时钟,需要间隔时钟支持（也就是需要时钟中止支持）,试论操作系统的运行环境,第58页,思索题,绝对时钟有什么作用？间隔时钟又有什么作用？对,OS,而言哪个更为主要？,什么是软件时钟？怎样实现软件时钟？,试论操作系统的运行环境,第59页,作业,P33 2、5、13、14、15,60,试论操作系统的运行环境,第60页,