操作系统的硬件环境

目录

1、定时装置

2、堆与栈

3、寄存器

4、特权指令与非特权指令

5、处理器状态及状态转换

6、地址映射机构

7、存储保护设施

8、中断装置

9、通道与DMA

10、IO保护

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1、定时装置

• 绝对时钟：记载实际时间，不发中断。
• 间隔时钟：定时发生中断，一般间隔单位为“毫秒”。

绝对时钟是必要的，操作系统通过根据绝对时钟的值记录作业进入系统和处理时间、文件的修改和存取时间、资源占用时间、日志记录时间等。

间隔时钟是实现多道程序的基础—保证操作系统获得控制权。 其它中断也进入操作系统，但是否发生，何时发生没有保障。（中断时系统并发必要条件按，即只有通过中断才能实现多道批处理）

2、堆与栈

堆：属于用户空间，用于保存程序中的动态变量

用户栈：属于用户空间，用于保存用户函数调用时返回点、参数、局部变量、返回值，传动调用操作系统时传给操作系统的值。

系统栈：也成为核心站，在逻辑上属于操作系统空间，用于保存中断现场，保存子程序转移返回点、参数、局部变量、返回值 

程序切换的同时伴随着堆、用户栈、系统栈的切换，但硬件的指针时多个进程共享的。

3、寄存器

硬件系统提供一套寄存器，由运行进程使用。切换程序时，一般要把寄存器的当前值保存起来，再次运行前再次恢复。这些寄存器有：

程序状态字（PSW）

指令计数器（PC）：记载运行程下一条指令地址

栈指针SP：管态和目态各一个，分别保存系统栈和用户栈的栈顶位置。

通用寄存器（regs）：若干个，用于存数和计算，还可以用来保护系统调用时传给操作系统的参数，以及由操作系统传给用户的返回值。

浮点寄存器（fregs）：若干个，用于存数和计算，也可以用来保存系统调用时传给操作系统的参数，以及由操作系统传给用户的返回值。

地址映射寄存器：一般有一对，分别记录内存区域的起始地址和长度，分别成为基地寄存器（base）和限长寄存器（limit）

4、特权指令与非特权指令

特权指令（privileged instruction） 只有在管态才能执行的指令(影响系统状态)

     关中断，置程序状态字，停机， IO，…….

非特权指令（non-privileged instruction）所有程序可用(不影响系统状态)，即管态和目态下均可运行

     取数，四则运算，……

5、处理器状态及状态转换

处理机状态

系统态（system mode）(管态，核态)，即管态是操作系统运行时所处的状态

用户态（user mode) (目态，常态)，即目态是一般用户程序运行时所处的状态

状态转换

管态 =>目态(置程序状态字,特权指令)

目态 => 管态(中断，trap)

6、地址映射机构

逻辑地址=>物理地址

逻辑地址(虚地址)：程序中产生的地址

物理地址(实地址)：存储器地址

7、存储保护设施

防止应用程序

侵犯操作系统空间; 侵犯其它用戶空间.

地址检查

越界检查; 越权检查（对共享区域）.

8、中断装置

发现并响应中断的硬件机构

当前（PSW，PC）=>系统栈

中断向量（PSW，PC）=>寄存器

9、通道与DMA

通道：负责IO操作的处理机

通道指令系统

读写操作 控制操作 转移操作

通道运控部件

• 通道地址字CAW
• 通道命令字CCW
• 通道状态字CSW
• 通道数据字CDW

10、IO保护

定义所有IO指令为特权指令。

• 方便使用
• 防止发生冲突