第二章 操作系统硬件环境(1).ppt

第二章第二章 操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境一、硬件环境的组成一、硬件环境的组成二、中央处理器二、中央处理器三、存储系统三、存储系统四、缓冲技术四、缓冲技术五、中断机制五、中断机制六、六、I/OI/O系统系统七、时钟七、时钟一、硬件环境组成一、硬件环境组成计算机基本的硬件元素计算机基本的硬件元素-处理器、存储器、输入输出控制、总线、外部处理器、存储器、输入输出控制、总线、外部 设备设备运行机制运行机制 -缓冲机制、中断机制、缓冲机制、中断机制、I/OI/O机制、时钟等机制、时钟等二、中央处理器二、中央处理器1、CPU的构成与基本工作方式的构成与基本工作方式构成：构成：运算器运算器 控制器控制器 寄存器寄存器 高速缓存高速缓存 运算器运算器:实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心.控制器控制器:负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPUCPU状状态、态、CPUCPU与内存的交互等等与内存的交互等等.寄存器寄存器:指令在指令在CPUCPU内部作处理的过程中暂存数据、地址以及内部作处理的过程中暂存数据、地址以及指令信息的存储设备指令信息的存储设备.在计算机的存储系统中它具有最在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度快的访问速度.高速缓存高速缓存:-处处于于CPU和和物物理理内内存存之之间间,一一般般由由控控制制器器中中的的内内存存管管理理单单元元（MMU）管管理理,其其访访问问速速度度快于内存，低于寄存器快于内存，低于寄存器.-利利用用程程序序局局部部性性原原理理使使得得高高速速指指令令处处理理和和低低速速内内存存访访问问得得以以匹匹配配，从从而而提提高高CPU的的效率效率处理器中的寄存器处理器中的寄存器寄存器提供了一定的存储能力寄存器提供了一定的存储能力速度比主存储器快得多速度比主存储器快得多但是造价高，容量一般都很小但是造价高，容量一般都很小两类寄存器：两类寄存器：用户可见寄存器用户可见寄存器，使用之以减少程序访问主存次数，使用之以减少程序访问主存次数控控制制和和状状态态寄寄存存器器，用用于于控控制制处处理理器器的的操操作作，由由OSOS的的特权代码使用特权代码使用,以控制其它程序的执行以控制其它程序的执行用户可见寄存器用户可见寄存器机器语言直接引用机器语言直接引用包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器数据寄存器数据寄存器又称通用寄存器：主要用于各种算又称通用寄存器：主要用于各种算术逻辑指令和访存指令术逻辑指令和访存指令地址寄存器地址寄存器：用于存储数据及指令的物理地址、：用于存储数据及指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于某种特定方式的寻线性地址或者有效地址，用于某种特定方式的寻址。址。条件码寄存器条件码寄存器：保存：保存CPUCPU操作结果的各种标记位操作结果的各种标记位 如算术运算产生的溢出、符号等等如算术运算产生的溢出、符号等等控制和状态寄存器控制和状态寄存器用于控制处理器的操作用于控制处理器的操作大部分对于用户是不可见的大部分对于用户是不可见的一部分可以在某种特权模式（由一部分可以在某种特权模式（由OSOS使用）下访问使用）下访问常见的控制和状态寄存器常见的控制和状态寄存器:程序计数器程序计数器:记录将要取出的指令的地址记录将要取出的指令的地址指令寄存器指令寄存器:包含最近取出的指令包含最近取出的指令程程序序状状态态字字（PSWPSW：Program Program Status Status WordWord），记记录处理器的运行模式信息等等录处理器的运行模式信息等等指令执行的基本过程指令执行的基本过程两个步骤：两个步骤：1)先从存储器中每次读取一条指令先从存储器中每次读取一条指令2)然后执行这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一个单条指令处理过程称为一个指令周期指令周期程程序序的的执执行行是是由由不不断断取取指指和和执执行行的的指指令令周周期期组组成成，仅仅当当关关机机、出错或有停机相关指令时，程序才停止出错或有停机相关指令时，程序才停止具体执行过程：每每个个指指令令周周期期开开始始时时，依依据据在在程程序序计计数数器器中中的的指指令地址从存储器中取一条指令令地址从存储器中取一条指令在在取取指指完完成成后后根根据据指指令令类类别别自自动动将将程程序序计计数数器器的的值变成下条指令的地址，自增值变成下条指令的地址，自增1取到的指令放在取到的指令放在指令寄存器指令寄存器中中处理器解释并执行所要求的动作处理器解释并执行所要求的动作5 5类指令类指令访问存储器指令：访问存储器指令：处理器和存储器间数据传送I/OI/O指令：指令：处理器和I/O模块间数据传送和命令发送算术逻辑指令（数据处理指令）：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：控制转移指令：指定一个新的指令的执行起点处理器控制指令：处理器控制指令：修改处理器状态，改变处理器工作方式2 2、特权指令和非特权指令、特权指令和非特权指令特权指令：只能由操作系统使用的指令特权指令：只能由操作系统使用的指令使使用用多多道道程程序序设设计计技技术术的的计计算算机机指指令令系系统统必必须须要要区区分分为为特特权权指令和非特权指令指令和非特权指令用户程序使用了特权指令一般引起处理器状态的切换用户程序使用了特权指令一般引起处理器状态的切换 处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状态（管态）行的特权状态（管态）然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为个过程称为陷入陷入 CPU如如何何知知道道当当前前运运行行的的是是操操作作系系统统还还是是一一般般应应用用软软件件？有有赖于处理器状态的标识赖于处理器状态的标识3 3、处理器的工作状态、处理器的工作状态管管态态：处处理理器器正正在在执执行行操操作作系系统统的的程程序序，较较高高的的特权级别，又称为特权态（特态）、系统态特权级别，又称为特权态（特态）、系统态目目态态：处处理理器器执执行行用用户户程程序序，较较低低的的特特权权级级别别，又称为普通态（普态）、用户态又称为普通态（普态）、用户态问题：如何知道处理器的状态？问题：如何知道处理器的状态？管态和目态的差别管态和目态的差别处理器处于管态时：处理器处于管态时：全部指令（包括特权指令）可以执行全部指令（包括特权指令）可以执行可使用所有资源可使用所有资源并具有改变处理器状态的能力并具有改变处理器状态的能力处理器处于目态时：处理器处于目态时：只有非特权指令能执行只有非特权指令能执行4、程序状态字（、程序状态字（PSW）用来指示处理器的状态。用来指示处理器的状态。CPUCPU工作状态代码工作状态代码条件码：反映指令执行后的结果特征。条件码：反映指令执行后的结果特征。中断屏蔽码中断屏蔽码CPUCPU状态转换状态转换-目态目态-管态：通过中断管态：通过中断-管态管态-目态：目态：PSW(PSW(修改程序状态字修改程序状态字)三、存储系统三、存储系统支持支持OSOS运行的硬件环境的一个重要方面：运行的硬件环境的一个重要方面：用户程序必须存放在内存中才能运行用户程序必须存放在内存中才能运行多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放内存多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放内存操操作作系系统统要要管管理理、保保护护程程序序和和数数据据，使使它它们们不不至至于于受到破坏受到破坏操作系统本身也要存放在主存储器中并运行操作系统本身也要存放在主存储器中并运行 1、存储器的类型存储器的类型两类存储器：读写型的存储器两类存储器：读写型的存储器 只读型的存储器只读型的存储器读写型的存储器读写型的存储器可可把把数数据据存存入入其其中中任任一一地地址址单单元元，并并可可在在以以后后的的任任何何时时候候把把数数据据读读出出，或或者者重重新新存存入入新新的的数数据据的的一一种种存储器存储器常常被被称称为为随随机机访访问问存存储储器器（RAM：Random Access Memory）RAM主要用作存放随机存取的程序和数据主要用作存放随机存取的程序和数据只读型的存储器只读型的存储器:只只能能从从其其中中读读取取数数据据，但但不不能能随随意意用用普普通通方方法法写写入入数数据据（写写入数据只能用特殊方法）入数据只能用特殊方法）称为只读存储器（称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory）变型：变型：PROM和和EPROMPROM：一一种种可可编编程程只只读读存存储储器器，使使用用特特殊殊PROM写写入入器器写写入数据入数据EPROM：用用特特殊殊的的紫紫外外线线光光照照射射此此芯芯片片，以以“擦擦去去”信信息息，恢复原来状态，然后使用特殊恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器写入数据写入器写入数据在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在ROM中中 如如:PC BIOS和和BASIC解释程序被固化于解释程序被固化于ROM中中2、存储器的层次结构、存储器的层次结构存储系统设计三个问题：存储系统设计三个问题：容量、速度和成本容量、速度和成本容量：需求无止境容量：需求无止境速度：能匹配处理器的速度速度：能匹配处理器的速度成本问题：成本和其它部件相比应在合适范围之内成本问题：成本和其它部件相比应在合适范围之内容量、速度和成本容量、速度和成本三个目标不可能同时达到最优，要作权衡三个目标不可能同时达到最优，要作权衡存取速度快，每比特价格高存取速度快，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容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢解决方案：解决方案：采用采用层次化层次化的存储体系结构的存储体系结构当沿着层次下降时当沿着层次下降时每比特的价格将下降，容量将增大每比特的价格将下降，容量将增大速度将变慢，处理器的访问频率也将下降速度将变慢，处理器的访问频率也将下降磁带机磁带机光盘存储器光盘存储器磁盘存储器磁盘存储器内存储器内存储器高速缓存高速缓存 寄存器寄存器程序的存储访问局部性原理程序的存储访问局部性原理提高存储系统效能关键点提高存储系统效能关键点程程序序执执行行时时，有有很很多多的的循循环环和和子子程程序序调调用用，一一旦旦进进入入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合对对数数据据存存取取也也有有局局部部性性，在在较较短短的的时时间间内内，稳稳定定地地保保持在一个存储器的局部区域持在一个存储器的局部区域处理器主要和存储器的局部打交道处理器主要和存储器的局部打交道在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变设计多级存储的体系结构设计多级存储的体系结构原则：访问级别较低存储器比率小于级别较高存储器比率原则：访问级别较低存储器比率小于级别较高存储器比率假设两级存储器：假设两级存储器：第第I I级包含级包含1KB1KB，存取时间为存取时间为0.1s0.1s第第IIII级包含级包含1MB1MB，存取时间为存取时间为1s1s存取存取I I级中的内容，直接存取级中的内容，直接存取存取存取IIII级，首先被转移到级，首先被转移到I I级，然后再存取级，然后再存取若若在在I I级级存存储储器器中中发发现现存存取取对对象象的的概概率率是是95%95%，则则平平均均访访问问时时间间为：为：结果非常接近结果非常接近I I级存储的存取时间级存储的存取时间T1T1：I I级存储器的存取时间级存储器的存取时间T2T2：IIII级存储器的存取时间级存储器的存取时间一个简单二级存储系统的性能一个简单二级存储系统的性能3、存储分块、存储分块存储最小单位存储最小单位:“:“二进位二进位”，包含信息为，包含信息为0 0或或1 1最小编址单位最小编址单位:字节，一个字节包含八个二进位字节，一个字节包含八个二进位主流个人电脑主流个人电脑主存主存:辅助存储器辅助存储器:工作站、服务器工作站、服务器主存主存:硬盘容量硬盘容量:为简化分配和管理，存储器分成块为简化分配和管理，存储器分成块,称一个物理页（称一个物理页（PagePage）块的大小：块的大小：512B512B、1K1K、4K4K、8K8K4 4、存储保护设施、存储保护设施对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统及其它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破坏，是其正确运行的基本条件之一程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一多用户多用户,多任务操作系统：多任务操作系统：OSOS给每个运行进程分配一个存储区域给每个运行进程分配一个存储区域问题：问题：多个程序同时在同一台机器上运行多个程序同时在同一台机器上运行 怎样才能互不侵犯？怎样才能互不侵犯？实现方法：实现方法：在在CPU中中设设置置一一对对下下限限寄寄存存器器和和上上限限寄寄存存器器，存存放放用户作业在主存中的下限和上限地址用户作业在主存中的下限和上限地址也也可可将将一一个个寄寄存存器器作作为为基基址址寄寄存存器器，另另一一寄寄存存器器作作为限长寄存器（指示存储区长度）为限长寄存器（指示存储区长度）每每当当CPU要要访访问问主主存存，硬硬件件自自动动将将被被访访问问的的主主存存地地址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界如如果果未未越越界界，则则按按此此地地址址访访问问主主存存，否否则则将将产产生生程程序中断序中断越界中断（存储保护中断）越界中断（存储保护中断）界地址寄存器界地址寄存器存储器存储器进程进程ID 下限寄存器下限寄存器 上限寄存器上限寄存器 1 1000 2000 2 2001 2500 3 2501 3500进程进程1进程进程2 进程进程3100020002501200125001001CPU下限寄存器下限寄存器20012500上限寄存器上限寄存器界限寄存器界限寄存器存储键存储键每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键用用户户作作业业被被允允许许进进入入主主存存，OSOS分分给给它它一一个个唯唯一一的的存存储键号储键号并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样键号并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样键号当当OSOS挑挑选选该该作作业业运运行行时时，OSOS将将它它的的存存储储键键号号放放入入程程序状态字序状态字PSWPSW存储键（存储键（“钥匙钥匙”）域中）域中每每当当CPUCPU访访问问主主存存时时，都都将将该该主主存存块块的的存存储储键键与与PSWPSW中的中的“钥匙钥匙”进行比较进行比较如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警四、缓冲技术四、缓冲技术缓缓冲冲区区是是硬硬件件设设备备之之间间进进行行数数据据传传输输时时专专门门用来暂存数据的一个存储区域。用来暂存数据的一个存储区域。使使用用缓缓冲冲区区的的目目的的：解解决决部部件件之之间间的的速速度度不不匹配问题。匹配问题。缓冲技术用于以下三种情况：缓冲技术用于以下三种情况：-处理器与内存之间处理器与内存之间 -处理器与外部设备之间处理器与外部设备之间 -设备与设备之间设备与设备之间处理器与内存之间的缓冲区处理器与内存之间的缓冲区CPU内存内存Cache ICache II字传送字传送块传送块传送块传送块传送