操作系统运行环境

目录

操作系统运行环境（1）

第一节

一、处理器的构成与基本工作方式

二、特权和非特权指令

三、处理器的工作状态

四、程序状态字

第二节、计算机系统硬件部件

一、存储系统

二、I/O部件：1.I/O结构，2.通道，3.DMA技术，4.缓冲技术 

三、时钟部件

操作系统运行环境（2）

第三节、系统中断

一、中断与异常的概念

二、中断系统

三、中断优先级、中断屏蔽与中断嵌套 

第四节、系统调用

一、系统调用简介

二、系统调用的处理过程

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操作系统运行环境（1）

第一节

一、处理器的构成与基本工作方式

处理器一般由运算器、控制器和一系列寄存器以及高速缓存构成。
运算器：实现算数与逻辑处理
控制器：控制程序运行流程
寄存器：用于处理器执行指令的过程中暂存数据、地址及指令信息。
高速缓存：为CPU和内存提供一个高速的数据缓存区域。
1.处理器中的寄存器分为两类寄存器：
（1）用户可见寄存器，由编译程序分配，减少程序运行时访问内存的次数。
一般包括数据寄存器，地址寄存器、条件码寄存器。
（2）控制和状态寄存器，用来控制处理器的操作，常见的寄存器是程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、程序状态字（PSW）。
2.指令执行的基本过程
最简单的是两个基本步骤：
（1）读取指令，并将程序计数器的值变成下一条指令的地址。
（2）指令放入指令寄存器中，处理器解释并执行该指令。
3.指令的分类：访问存储器指令、I/O指令、算数逻辑指令、控制转移指令、控制器指令。

二、特权和非特权指令

在多道程序环境下，指令分为特权指令和非特权指令。
1.特权指令：
①在操作系统中那些只能由操作系统使用的指令。
②不允许一般用户使用
③比如：设置程序状态字、启动某设备、设置中断屏蔽字等
2.非特权指令：普通用户使用的指令

三、处理器的工作状态

1.管态和目态
管态：操作系统管理程序运行时的状态，又称内核态、系统态等，具有较高特权。
目态：一般用户程序运行时的状态，又称用户态、普通态，具有较低特权。
2.处理器工作状态的转换
目态到管态的转换：唯一途径是通过中断。中断响应时交换中断向量，新的中断向量的PSW处理器状态标志位管态。
管态到目态的转换：可通过设置PSW指令，实现从操作系统到用户程序的转换。
3.限制用户程序执行特权指令，当用户程序执行时，如果取到一条特权指令，则处理器拒绝执行该指令，并形成一个“非法操作事件”，然后操作系统通知用户程序-->程序中有非法指令。

四、程序状态字

为了解决处理器当前工作状态的问题，所有的处理器都有一些特别的寄存器，用以表明处理器当前的工作状态。用来指示处理器状态的寄存器，称为程序状态字。
比如：CF进位标志，ZF：结果为0标志等
程序状态字一般包括如下：
①CPU的工作状态代码，指明当前的工作状态是管态还是目态。
②条件码，反映指令执行后的结果特征，比如结果为0等。
③中断屏蔽码，指出是否允许中断

第二节、计算机系统硬件部件

一、存储系统

1.存储器的类型：
（1）类型：①读写型存储器（RAM），用来存储随机存取的程序和数据；②只读存储器（ROM），存放一些固化的程序
（2）存储分块
存储最小的单位：位（bit）
最小编制单位：字节
分块：为了分配和管理方便，将内存划分为大小相等的块（物理页Page），块为单位分配内存空间，大小一般为512B，1KB，4KB，8KB等。
2.存储器的层次结构
（1）容量、速度和成本的匹配，距离金字塔塔尖越近速度越快成本也越高，距离塔尖越远速度越慢成本越低
（2）存储访问局部性原理，程序执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外，在大多数情况下是顺序执行的。过程调用将会使程序的执行轨迹，由一部分区域转移至另一部分区域，即程序将会在一段时间内，都局限在这些过程的范围内运行。
程序中存在许多循环结构，这些虽由少数指令构成，但是它们将多次执行。程序中还包括对许多数据结构的处理，如对数组进行操作，它们往往都局限于很小的范围内。基于这一原理，设计多级存储的体系结构
3.存储保护，多道程序设计系统中，保证每个程序独立运行、互不干扰，称为存储器保护。
方法：界地址寄存器

二、I/O部件：1.I/O结构，2.通道，3.DMA技术，4.缓冲技术 

三、时钟部件

1.功能：（1)发现死循环，防止机时的浪费
（2）分时系统中，时钟间隔实现时间片轮转执行
（3）实时系统中，按要求的时间间隔控制设备
（4）定时唤醒各个外部事件
（5）记录各种设备的使用时间和某外部事件发生的时间间隔
（6）记录用户和系统所需的绝对时间，即年、月、日
2.分类：硬件时钟和软件时钟，用途分绝对时钟和相对时钟

操作系统运行环境（2）

第三节、系统中断

一、中断与异常的概念

中断：指处理器对系统中或系统外发生的异步事件的响应。
异步事件：指无一定时序关系的随机发生的事件，如外部设备完成了数据传输任务，某一实时控制设备出现异常情况等。
1.中断与异常
中断源：引起中断的事件称为中断事件或中断源。
中断请求：中断源向处理器发出的请求信号。
中断事件处理程序：处理中断事件的程序
断点：发生中断时正在执行的程序的暂停点
中断响应：处理器暂停当前程序转而处理中断的过程
中断返回：中断处理程序结束后恢复原来程序的执行
中断向量表：为了使得中断装置可以找到恰当中断处理程序，专门设计了中断处理程序的入口地址映射表，又称中断向量表。
异常：由正在执行的指令引发的中断
2.中断与异常的分类
典型的中断：时钟中断、输入输出中断、控制台中断、硬件故障中断
典型的异常：程序性中断、访管指令异常

二、中断系统

1.中断请求的接收，中断系统如何接受中断源的中断请求，因机器而异，一般由中断逻辑线路和中断寄存器实现
2.中断响应，处理器的控制部件中有中断信号扫描结构，它每条指令执行周期内的最后时刻扫描中断寄存器，查看是否有中断信号到来，若无中断信号，处理器就继续执行下一条指令。若有中断到来，处理器接收由硬件中断装置发来的中断向量代号，准备中断处理准备工作。
中断请求响应过程：①处理器接收中断信号；②保护现场；③分析中断向量；④将处理器的PC值置为中断程序的入口地址；⑤调用中断处理程序；
3.中断处理，中断信号被接收和响应之后，进行中断处理，包括：检查I/O相关的状态信息，操纵I/O设备或者在设备和内存之间传送数据等。
中断处理结束后，中断返回，恢复系统上下文，原有程序继续运行，处理器状态也成管态恢复成目态。
整个中断信号的接收、响应和处理过程，可归纳为以下步骤：
（1）接收和响应中断
（2）保护中断断点现场
（3）分析中断向量，调用中断处理程序
（4）中断处理结束恢复现场，原有程序继续执行
4.几种典型的中断处理
（1）I/O中断；（2）时钟中断；（3）硬件故障中断；（4）程序性中断；（5）系统服务请求

三、中断优先级、中断屏蔽与中断嵌套 

1.多级中断与中断优先级
作用：（1）对各类中断信号依据其紧急程度和重要性划分级别，系统优先处理最紧急或最重要的任务。
（2）解决如果有多个中断信号同时到达，如何选择首个被处理的中断信号的问题。
2.中断屏蔽，整个中断系统中，允许或禁止中断系统对某些类别中断的响应，PSW中设计有中断屏蔽位。
比如：某个I/O被中断屏蔽，意味着即使有I/O中断信号，处理器也不予响应。
注意：有些信号是不能屏蔽的，一般这类中断信号属于机器故障中断，比如掉电，机器无法继续操作，一旦发生，无论信号是否屏蔽，处理器都会立即响应，并进行处理。
3.中断嵌套，一般的计算机系统都有多个中断源，如果一个中断处理的过程又发生了中断，有两种策略处理：（1）当处理一个中断时禁止其他中断；（2）中断嵌套，即中断按照优先级划分，允许优先级高的中断优先级低的中断处理过程，优先进行处理。

第四节、系统调用

一、系统调用简介

系统调用的概念：就是用户在程序中调用操作系统提供的一些子功能，是操作系统提供给编程人员的唯一接口；是一种特殊的调用过程，由特殊的机器指令实现，这条指令将系统转入管态。
1.系统调用与函数调用的区别
（1）运行在不同状态，系统调用是管态，函数调用是目态
（2）状态的转换；（3）返回问题；（4）嵌套调用；
2.系统调用的分类
（1）进程控制类；（2）文件操作类；（3）进程通信类；（4）设备管理类；（5）信息维护类；

二、系统调用的处理过程

陷入（trap）：在系统中为控制系统调用服务的机构称为陷入或异常处理机构。
陷入或异常指令（访管指令）：把由于系统调用引起处理器中断的指令称为陷入或异常指令（或称访管指令）