操作系统的运行环境

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非特权指令:
允许一般用户使用的指令,称为非特权指令。
2.1.1 中央处理器
处理器的状态:核心状态(管态)和用 户状态(目态)。
当处理器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.并具有改变处理器状态的 能力。
当处理器处于目态时,就只能执行非特权指令。
程序状态字PSW
--程序计数器PC:专门用来指示下一条要执行的指 令的地址寄存器。
2.1.3缓冲技术
缓冲是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。
例如,当从某输入设备输入数据时,通常是经过通道先把数据送 入缓冲区中,然后CPU再把数据从缓冲区读入用户工作区中进行 处理相计算。
引入缓冲技术的最根本原因:CPU处理 数据速度与设备传输数据速度不相匹配, 用缓冲区来缓解一下其间的速度矛盾。
2.1.2主存储器
1.存储器类型:读写型(RAM);只读型(ROM), PROM,EPROM。 微型计算机中把一些常驻内存的模块以微程序形式固化 在ROM中,如BIOS;RAM主要用作存放随机存取的用 户程序和数据。
2.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。存储器的最小编址单位是字节,一个字节一 般包含八个二进位。在PDP—ll系列中,两个字节组成 为“字”.而在IBM系列中一个字是四个字节。
(1)当一个用户作业被允许进入主存时, 操作系统分给它一个惟一的不与其他作业 相同的存储键号(1~15); (2)并将分配给该作业的各存储块的存储 键也设置成同样的键号。 (3)当作业被操作系统挑选到CPU上运行 时,操作系统同时将它的存储键号放入程 序状态字PSW的存储键(钥)场中。
这样每当CPU访问主存时,都将该主存块的存储键与PSW中的钥 进行比较。如果相匹配,则允许访问。如果不相匹配,则通过取保护位 判断是否允许取数据(读数据)。
处理器的控制部件中增设一个能检测中断的机构,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—Pc中是第16—31位),称 为中断码。
--程序状态字PSW:专门用来指示处理器状态的的 寄存器,称为程序状态字。
2.1.1 中央处理器
所谓处理器的状态通常包括: (1)条件码——反映指令执行厉的结果特征; (2)中断屏蔽码——指出是否允许中断,
有些机器(如PDP—11)使用中断优先级;
(3)CPU的工作状态——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,从而决定其是否可以使用特权指令 或拥有其他的特殊权力。
2.1.1 中央处理器
对于大型机来说,它的程序状态字中就包含有更多的信息。例如
IBM 370的程序状态字其格式如图2.2所示。
第一字节是系统屏蔽码场.用以指出CPU是否接受特定通道的中断。而PSW中的 第五字节中的有四位是程序屏蔽码场.用以说明CPU是否接受某种程序性中断。
第二字节的前四位是钥场,是供存储保护用的(见2.2节),第二字节的有四位是 EMWP场,其中E位用以指示机器控制方式(基本控制方式和扩展控制方式), 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。
也可将一个寄存器作为下限寄存器,另一寄存器作为长度 寄存器(指示存储区长度)的方法来指出程序在内存的存放 区域。
(2)存储键
为了存储保护的目的,每个存储块都有一个与其相关的由 五位二进位组成的存储保护键(如图2.3所示),这五位是附 加在每个存储块上的,不属于编址的2KB块之内。
2.1.2主存储器
2.1.4中断技术
与中断级别相关联的概念是中断优先级。在多级中断系统中,很 可能同时有多个中断请求,这时CPU接受中断优先级为最高的那 个中断(如果其中断优先级高于当前运行程序的中断优先级时), 而忽略其中断优先级较低的那些中断。
2.1.3缓冲技术
不使用用户工作区作为缓冲区的原因:
(1)首先当从工作区向(从)设备输出(入)时,工作区被长期占用而 使用户无法使用。
(2)为了便于对缓冲区的管理。缓冲区住往是与设备相联系的,而 不直接同用户相联系。
(3)再者也为了减少输入输出次数,以减轻对通道和输入输出设备 的压力。缓冲区信息可供多个用户共同使用和反复使用。每当用
2.1.4中断技术
3.中断类型
IBM-PC:可屏蔽中断(I/O中断)、不可屏蔽中断(机器内部故障、掉电 中断)、程序错误中断(溢出、除法错等中断)、软件中断 (Trap指令或中断指令INTn)等。
IBM 370等大型机中断类型:
(1)机器故障中断:如电源故障、机器电路检验错、内存奇偶校验错 等。
(2)输入输出中断:用以反映输入输出设备和通道的数据传输状态(完 成或出错)。
通常,用户使用1~15之间的存储键号,而将0号键留 给系统使用,俗称为“万能键”。所以当系统程序在 CPU上运行时,CPU状态为管态,其存储键为0号键, 此时即使与要访问的存储块的存储键不相匹配,也可 进行访问。故操作系统可以访问整个主存。
2.1.2主存储器
① 存A,取A,均可以,存储键匹配 ② 存B,不可以,取B不可以 ③ 存C,不可以,取C可以
2.1.4中断技术
2.中断逻辑与中断寄存器
总线结构的微型计算机中和非总线结构的大型计算机 中在如何接受和响应中断源的中断请求是不同的。
2.1.4中断技术
大型计算机中为了区分和不丢失每个中断信号,通常 对应每个中断源部分别用一个固定的触发器来寄存中 断信号。并常规定其值为1时,表示该触发器有中断信 号,为0时表示无中断信号。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位组成的。
第2章 操作系统的运行环境
2.1 硬件环境 2.2 操作系统与其他软件的关系 2.3操作系统与人的接口 2.4固件—微程序设计的概念
第2章 操作系统的运行环境
运行环境:操作系统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来支 持其工作,这些条件称为操作系统的运行环境。
运行环境包括:
2.1.2主存储器
最右边的一位是“取保护位”。当该位为0时,即使存 储键不匹配,也允许对该块内的数据进行读访问(取数 据),但不许进行写访问。这是为了能在几个用户之间 共享信息。
当该位为1时,在键不匹配的情况下,禁止对该块进行 任何访问,即不提供共享便利,只供用户自己访问(读、 写均可以)。
户要求输入数据时,先从这些缓冲区中去找,如果己在缓冲区中,这就 可减少输入输出次数,而以工作区作为缓冲区使用,就难以提供此种便 利。
PDP11的操作系统两个缓冲池:一个缓冲池是为了磁盘之类的块设备 而设置的,该池共有15个缓冲区,每个缓冲区大小为14KB;另一个缓冲 池是为慢速字符设备而设计的,该池共有100个缓பைடு நூலகம்区,每个缓冲区大小 为8byte。
用汇编语言和机器码编程时用来存放参数和地址。
如段指针,堆栈指针,数据线地址。
(2)处理器用以控制处理器的操作和操作系统的子程序控制 程序的执行。
✓ 程序状态字PSW:用来指示处理器状态 ✓ 程序计数器PC:包含有要取的下一条指令的地 ✓ 指令寄存器IR:包含有新近取来的指令 ✓ 主存地址寄存器MAR:存放CPU将要访问的主存单元地址 ✓ 主存缓冲寄存器MBR:存放写入主存中或从主存中读取的数据 ✓ I/ O地址寄存器IOAR:标明某个特定的I/O设备 ✓ I/ O缓冲寄存器IOBR:用以I/ O设备与处理器交换数据
(1)系统的硬件环境; (2)其他的系统软件组成的软件环境; (3)操作系统与使用它的人之间也有相互作用。
2.1硬件环境
任何系统软件都是硬件功能的延伸,并且都是建立在 硬件基础上的,离不开硬件设备的支持。而操作系统 更是直接依赖于硬件条件,与硬件的关系尤为密切。 操作系统中除通道和中断技术比较集中外,它所要求 的其他硬件环境则以比较分散的形式同各种管理技术 相结合。
(3)外部中断:包括时钟中断,操作员控制台中断,多机系统中其他 机器的通讯要求。
(4)程序中断:程序中的问题引起的中断,如错误地使用指令或数据、 溢出等问题,存储保护,虚拟存储管理中的缺页、缺段 等。
(5)访管中断:用户程序在运行中是经常要请求操作系统为其提供某 种功能的服务,SVC指令,(Trap自陷指令)。
2.1.4中断技术
中断作用: (1)能充分发挥处理器的使用效率。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CPU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 高处理器的效率。
(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。从而使处理器立即运行该设备的处理程 序(也是该中断的中断处理程序)。
I 0——I2 这三位是中断屏蔽位,它建立CPU的中断优先级的值由0到7,只接受优 先级高于此值的那些中断。
S CPU状态标志位,该位为1时则说明CPU处于管理态,为0时说明CPU处于用户 态(目态)。
T 自陷(Trap)中断指示位,该位为1时则在下一条指令执行后引起自陷中断,这主 要用于连机调试排错。
如外部设备完成数据传输,实时控制设备出现异常情况等。 “中断”这个名称是来源于:当这些异步事件发生后,打断了处理器对 当前程序的执行,而转去处理该异步事件(即执行该事件的中断处理程序)。 直到处理完该异步事件之后,再转回原程序的中断点继续执行。
2.1.4中断技术
最初,中断技术是作为向处理器报告 “本设备已完成数据传输”的一种手段, 以免处理器不断地测试该设备状态来判 定此设备是否已完成传输工作。
2.1.1 中央处理器
不同机器的程序状态字的格式,以及其包含的信息都不同,windows NT 和UNIX(奔腾处理器)使用32位的寄存器,叫做EFLAGS。 现以微型计算机M68000的程序状态字为例来加以介绍 (在Intel 8088中 称为FLAG)。
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,以上 四位称为标准的条件位,几乎所有的微型计算机的PSW中都有此四位标志位。
为了简化对存储器的分配相管理,在不少计算机 系统中把存储器分成块。在为用户分配主存空间时, 以块为最小单位。PDP11以64字节作为一块,而在IBM 中是以2KB为一块。
2.1.2主存储器
3. 存储保护 (1)界地址寄存器(界限寄存器)
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,分别称为下限寄存器和上限寄存器。
中央处理器 主存储器 缓冲技术 中断技术 时钟、时钟队列
2.1.1 中央处理器
单机系统:
一个计算机系统只有一个处理器,为单机系统。
多机系统:
如果含有多个处理器(不包括通道)称之为多机系统。
特权指令:
在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令,这 些持权指令是不允许一般用户使用的。
包括:启动某设备指令、设置时钟指令、控制中断 屏蔽的某些指令、清内存指令、建立存储保护指令
目前,中断技术的应用范围已大为扩大, 作为所有要打断处理器正常工作并要求 其去处理某一事件的一种常用手段。
2.1.4中断技术
引起中断发生的那些事件称为中断事件或中断 源。
中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中 断请求。
CPU收到中断请求后转到相应的事件处理程序 称为中断响应。
把处理中断事件的那段程序称为中断处理程序。
第三、第四字节为中断码场,其中台有最近接收到的中断的编码信息。 ILC场含有上一次被执行的指令长度.使程序员能回溯一条指令。CC场是条件码
场,含有条件码的当前值。 第6—8字节是指令地址场,指出将要被执行的下一条指令的地址。
2.1.1 中央处理器
寄存器分类: (1)用户可见的寄存器,常称为通用或专用寄存器,用户在
2.1.4中断技术
1.中断的概念
中断指计算机在执行期间,系统内发生任何非寻常的 或非预期的急需处理事件,使得CPU暂时中断当前正在执 行的程序而转去执行相应的事件处理程序,待处理完毕 后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的 过程。 中断是指CPU对系统中发生的异步事件的响应。异步事 件是指无一定时序关系的随机发生的事件。
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