第2章+操作系统的硬件环境.pdf

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1、1第二章 操作系统的硬件环境第二章 操作系统的硬件环境?讨论操作系统对运行硬件环境的要求，了解讨论操作系统对运行硬件环境的要求，了解OS设计者所面对的硬件设计者所面对的硬件?操作系统运行的硬件环境操作系统运行的硬件环境?中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）?存储系统存储系统?中断机制中断机制?I/O系统系统?时钟时钟?缓冲技术缓冲技术?总线总线概述概述?任何系统软件都是硬件功能的延伸任何系统软件都是硬件功能的延伸?操作系统直接依赖于硬件条件操作系统直接依赖于硬件条件?OS的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结合的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结合?实现操作系统时必须理解实现操作系统时必

2、须理解?计算机基本结构计算机基本结构?操作系统管理的重要资源操作系统管理的重要资源简单的个人计算机中的部件简单的个人计算机中的部件MonitorBus一、中央处理器（一、中央处理器（CPU）专门设计了一系列基本机制：专门设计了一系列基本机制：?具有特权级别的处理器状态，能在不同特权级运行的各种特权指令具有特权级别的处理器状态，能在不同特权级运行的各种特权指令?硬件机制使得OS可以和普通程序隔离，实现保护和控制硬件机制使得OS可以和普通程序隔离，实现保护和控制1.CPU的构成与基本工作方式的构成与基本工作方式处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成处理器由运算器、控制器、一系列的寄

3、存器以及高速缓存构成?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?控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等?寄存器是指令在CPU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在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度寄存器是指令在CPU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在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度?高速缓存处于CPU和物理内存之间一般由控制器中的内存管理单元（MMU：Memor

4、y Management Unit）管理访问速度快于内存，低于寄存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，从而提高CPU的效率。高速缓存处于CPU和物理内存之间一般由控制器中的内存管理单元（MMU：Memory Management Unit）管理访问速度快于内存，低于寄存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，从而提高CPU的效率。2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?速度比主存快得多速度比主存快得多?造价高，容量一般都很小两类寄存器：造价高，容量一般都很小两类寄存器：?用户可见寄存器，高级语言编译器

5、通过算法分配并使用之，以减少程序访问主存次数用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分配并使用之，以减少程序访问主存次数?控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作，由控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作，由OS的特权代码使用，以控制其它程序的执行的特权代码使用，以控制其它程序的执行用户可见寄存器用户可见寄存器?可由机器语言直接引用可由机器语言直接引用?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（data register）又称通用寄存器主要用于各种算术逻辑指令和访存指令）又称通用寄存器主要用于各种算术逻辑指令和访存指令?地址寄存器

6、（地址寄存器（address register）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址。如）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址。如index register、segment pointer、stack pointer?条件码寄存器保存条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位如算术运算产生的溢出、符号等操作结果的各种标记位如算术运算产生的溢出、符号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OS使用）下访问

7、常见的控制和状态寄存器:一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问常见的控制和状态寄存器:?程序计数器（程序计数器（PC：Program Counter），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（IR：Instruction Register），包含最近取出的指令），包含最近取出的指令?程序状态字（程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器的运行模式信息等），记录处理器的运行模式信息等指令执行的基本过程（指令执行的基本过程（1）两个步骤：两个步骤：?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?然后执行这条指令一

8、个单条指令处理过程称为一个指令周期程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止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的执行是由不断取指和执行的指令周期组成仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止?每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的指令地址从存储器中取一条指令每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的指令地址从存储器中取一条指令?在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的值变成下条指令的地址在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的值变成下条指令的地址?取到的指令放在指令寄存器中取到的指令放在指令寄存器中?处理器解释并执行所要求

9、的动作处理器解释并执行所要求的动作指令执行的基本过程（指令执行的基本过程（2）五类指令五类指令?访问存储器指令：处理器和存储器间数据传送访问存储器指令：处理器和存储器间数据传送?I/O指令：处理器和指令：处理器和I/O模块间数据传送和命令发送模块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：指定一个新的指令的执行起点控制转移指令：指定一个新的指令的执行起点?处理器控制指令：修改处理器状态，改变处理器工作方式处理器控制指令：修改处理器状态，改变处理器工作方式32.特权指令和非特权指令.特权指令和非特权

10、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?使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区分为特权指令和非特权指令使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区分为特权指令和非特权指令?特权指令一般引起处理器状态的切换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行的特权状态（管态）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）?然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为陷入然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为陷入?CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？有赖于

11、处理器状态的标识CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？有赖于处理器状态的标识3.处理器的状态.处理器的状态?根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态?多数系统将处理器工作状态划分为管态和目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的状态，具有较高的特权级别，又称为特权态（特态）、系统态管态：操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，又称为特权态（特态）、系统态?目态：用户程序运行时的状态，具有较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态目态：用户程序运行时的状态，具有

12、较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态?有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状态和用户程序状态（目标状态）三种有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状态和用户程序状态（目标状态）三种4.程序状态字.程序状态字PSW在在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置，中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置，PSW(Program Status Word)：?CPU的工作状态码的工作状态码指明是管态还是目态，用来说明当前在指明是管态还是目态，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它的特权上执行的是操作系统还是一般用户，从

13、而决定其是否可以使用特权指令或拥有其它的特权?条件码条件码反映指令执行后的结果特征反映指令执行后的结果特征?中断屏蔽码中断屏蔽码指出是否允许中断指出是否允许中断例：微处理器例：微处理器M68000的程序状态字的程序状态字1514131211109876543210TSI2I1I0XNZVC条件位：条件位：C：进位标志位：进位标志位V：溢出标志位：溢出标志位Z：结果为零标志位：结果为零标志位N：结果为负标志位：结果为负标志位I0 I2：三位中断屏蔽位：三位中断屏蔽位S：CPU状态标志位，为状态标志位，为1处于管态，为处于管态，为0处于目态处于目态T：陷阱（：陷阱（Trap）中断指示位为）中断指示

14、位为1，在下一条指令执行后引起自陷中断，在下一条指令执行后引起自陷中断二、存储系统二、存储系统支持支持OS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：?作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行?多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器?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：读写型的存储器只

15、读型的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读写型的存储器?可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后的任何时候把数据读出，或者重新存入新的数据可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后的任何时候把数据读出，或者重新存入新的数据?常被称为随机访问存储器（常被称为随机访问存储器（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4只读型的存储器:只读型的存储器:?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）称为只读存储器（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

16、据只能用特殊方法）称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory）变型：）变型：PROM和和EPROM?PROM：一种可编程只读存储器，使用特殊：一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入数据写入器写入数据?EPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片，以：用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去擦去”信息，恢复原来状态，然后使用特殊信息，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM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ROM中如：中如：PC BIOS和和CBASIC解释程序被固化于解释程序被固化于ROM中中2.存

17、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：容量、速度和成本存储系统设计三个问题：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：成本和其它部件相比应在合适范围之内成本：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，每比特价格低，同时存取速度也慢解决方案：采用层次化的存储体系结构当沿着层次下降时容量大，每比特价格低，同时存取速度也慢解决方案：采用层次化的存储体系结构当沿着层

18、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层次化的存储体系结构层次化的存储体系结构存储访问局部性原理存储访问局部性原理提高存储系统效能的关键：程序存储访问局部性原理提高存储系统效能的关键：程序存储访问局部性原理?程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合?对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保持在一个存储器的局部区域处理器主要与存储器的局部区域打交道在经过一

19、段时间以后，使用的代码和数据集合会改变对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保持在一个存储器的局部区域处理器主要与存储器的局部区域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设计多级存储的体系结构设计多级存储的体系结构原则：级别较低存储器比例大于级别较高存储器比例假设两级存储器：原则：级别较低存储器比例大于级别较高存储器比例假设两级存储器：?第I级包含1KB，存取时间为0.1第I级包含1KB，存取时间为0.1ss?第II级包含1MB，存取时间为1第II级包含1MB，存取时间为1ss存取I级中的内容，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可以忽略若

20、在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，则平均访问时间为：结果非常接近I级存储的存取时间存取I级中的内容，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可以忽略若在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，则平均访问时间为：结果非常接近I级存储的存取时间()()()()ssss15.011.005.01.095.0=+5T1：I级存储器的存取时间T2：II级存储器的存取时间一个简单二级存储系统的性能T1：I级存储器的存取时间T2：II级存储器的存取时间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0或1，包含

21、信息为0或1?最小编址单位：字节，一个字节包含八个二进位主流个人电脑最小编址单位：字节，一个字节包含八个二进位主流个人电脑?主存：1GB4GB之间主存：1GB4GB之间?辅助存储器：在160GB500GB工作站、服务器辅助存储器：在160GB500GB工作站、服务器?主存：2GB 16GB之间主存：2GB 16GB之间?硬盘容量：几十TB硬盘容量：几十TB?为简化分配和管理，存储器分成块，称为一个物理页（Page）为简化分配和管理，存储器分成块，称为一个物理页（Page）?块的大小：512B、1K、4K、8K块的大小：512B、1K、4K、8K4.存储保护设施.存储保护设施对主存中的信息加以严

22、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。多用户、多任务操作系统：OS给每个运行进程分配一个存储区域问题：多个程序同时在同一台机器上运行怎样才能互不侵犯？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。多用户、多任务操作系统：OS给每个运行进程分配一个存储区域问题：多个程序同时在同一台机器上运行怎样才能互不侵犯？保护的硬件支持保护的硬件支持为了保证软件程序只影响程序的内部硬件可提供如下功能：为了保证软件程序只影响程序的内部硬件可提供如下功能：?界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器（界限寄存器）?存储键存储键?地址转换地址转换界

23、地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器（界限寄存器）?界地址寄存器是被广泛使用的一种存储保护技术界地址寄存器是被广泛使用的一种存储保护技术?机制比较简单，易于实现实现方法：机制比较简单，易于实现实现方法：?在CPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器存放用户作业在主存中的下限和上限地址在CPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器存放用户作业在主存中的下限和上限地址?也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为限长寄存器（指示存储区长度）也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为限长寄存器（指示存储区长度）?每当CPU要访问主存，硬件自动将被访问的主存地址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界每

24、当CPU要访问主存，硬件自动将被访问的主存地址与界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界?如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中断如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中断越界中断（存储保护中断）越界中断（存储保护中断）界地址寄存器存储保护技术界地址寄存器存储保护技术6三、中断技术三、中断技术中断对于操作系统的重要性就像机器中的驱动齿轮一样所以有人把操作系统称为是由中断对于操作系统的重要性就像机器中的驱动齿轮一样所以有人把操作系统称为是由“中断驱动中断驱动”或者或者“（中断）事件驱动（中断）事件驱动”中断机制中断机制中断机制是操作系统得以正常工作的最重要的手段中断机制是操作系

25、统得以正常工作的最重要的手段?它使得它使得OS可以捕获普通程序发出的系统功能调用可以捕获普通程序发出的系统功能调用?及时处理设备的中断请求及时处理设备的中断请求?防止用户程序中破坏性的活动等防止用户程序中破坏性的活动等什么是中断?什么是中断?指CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应指CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应?异步事件是指无一定时序关系发生的随机事件异步事件是指无一定时序关系发生的随机事件?如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等“中断中断”名称源于：当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行，而转去处理该异步事件，直到处理完了后，

26、再转回原程序的中断点继续执行。名称源于：当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行，而转去处理该异步事件，直到处理完了后，再转回原程序的中断点继续执行。1.中断的概念.中断的概念中断定义中断定义?CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应?CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序从用户角度看中断从用户角度看中断引入中断的目的引入中断的目的?解决主机与外设的并行工作问题解决主机与外设的并

27、行工作问题?提高可靠性提高可靠性?实现多机联系实现多机联系?实现实时控制特点：1)中断是随机的2)中断是可恢复的3)中断是自动处理的实现实时控制特点：1)中断是随机的2)中断是可恢复的3)中断是自动处理的7?中断源：引起中断发生的事件中断源：引起中断发生的事件?中断寄存器：记录中断中断寄存器：记录中断?中断字：中断寄存器的内容系统堆栈：在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场中断字：中断寄存器的内容系统堆栈：在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场中断系统的概念中断系统的概念中断类型（1）中断类型（1）?强迫性中断正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障或外部请求引起的强迫性中断正在运行的程序所

28、不期望的，由于某种硬件故障或外部请求引起的?自愿性中断用户在程序中有意安排的中断，是由于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，使中断发生自愿性中断用户在程序中有意安排的中断，是由于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，使中断发生中断类型（中断类型（2）强迫性中断强迫性中断?输入/输出(I/O)中断：主要来自外部设备通道输入/输出(I/O)中断：主要来自外部设备通道?程序性中断：运行程序中本身的中断(如溢出，缺页中断，缺段中断，地址越界)程序性中断：运行程序中本身的中断(如溢出，缺页中断，缺段中断，地址越界)?时钟中断时钟中

29、断?控制台中断控制台中断?硬件故障硬件故障中断类型（中断类型（3）自愿性中断自愿性中断?执行I/O，创建进程，分配内存执行I/O，创建进程，分配内存?信号量操作，发送/接收消息信号量操作，发送/接收消息微机系统的中断微机系统的中断(1)可屏蔽中断（I/O中断）(2)不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）(3)程序错误中断（溢出、除法错等中断）(4)软件中断（Trap指令或中断指令INT）(1)可屏蔽中断（I/O中断）(2)不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）(3)程序错误中断（溢出、除法错等中断）(4)软件中断（Trap指令或中断指令INT）2.中断系统.中断系统中断系统的两大组成部分：硬件

30、中断装置和软件中断处理程序中断系统的两大组成部分：硬件中断装置和软件中断处理程序?中断系统的硬件中断装置中断系统的硬件中断装置中断系统的机制部分负责捕获中断源发出的中断请求，以一定方式响应中断源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序中断系统的机制部分负责捕获中断源发出的中断请求，以一定方式响应中断源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序?软件中断处理程序软件中断处理程序中断系统的策略部分负责辨别中断类型并做出相应的处理中断系统的策略部分负责辨别中断类型并做出相应的处理8中断装置的基本功能中断装置的基本功能?提供识别中断源的方法提供识别中断源的方法?提供查询中断状态的方法，通常使用一个寄

31、存器存储有关中断的状态信息，称为中断字提供查询中断状态的方法，通常使用一个寄存器存储有关中断的状态信息，称为中断字?提供中断现场保护的能力提供中断现场保护的能力?提供中断处理程序寻址能力，找到恰当的中断处理程序提供中断处理程序寻址能力，找到恰当的中断处理程序?具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表（中断向量表）等数据结构及它们在主存中的位置，以辅助具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表（中断向量表）等数据结构及它们在主存中的位置，以辅助OS定制中断处理策略和中断调度机制定制中断处理策略和中断调度机制?在有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号，对应每个中断源分别用一个固定

32、触发器寄存中断信号。规定值为1时，表示有中断信号，为0时表示无中断信号在有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号，对应每个中断源分别用一个固定触发器寄存中断信号。规定值为1时，表示有中断信号，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3.中断寄存器（.中断寄存器（1）处理器如何发现中断信号？在处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构，称为中断扫描机构。处理器如何发现中断信号？在处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构，称为中断扫描机

33、构。?在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号?若无中断信号，继续执行下一条指令若无中断信号，继续执行下一条指令?若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入PSW的相应位，称为中断码若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入PSW的相应位，称为中断码中断寄存器（中断寄存器（2）4.多级中断.多级中断多级中断：多级中断：?多数微型处理器有着多级中断系统，可以有多根中断请求线（级）从不同设备连接到中断逻辑多数微型处理器有着多级中断系统，可以有多根中断请求线（级）从不同设备连接到中断逻辑?如M6800

34、0有7级，PDP-11有11级如M68000有7级，PDP-11有11级?具有相同特性和优先级的设备可连到同一中断级上中断优先级：具有相同特性和优先级的设备可连到同一中断级上中断优先级：?在多级中断系统中，可能同时有多个中断请求，CPU接受中断优先级为最高的那个中断在多级中断系统中，可能同时有多个中断请求，CPU接受中断优先级为最高的那个中断?忽略中断优先级较低的那些中断忽略中断优先级较低的那些中断5.中断响应.中断响应CPU如何响应中断,有两个问题：CPU如何响应中断,有两个问题：?CPU何时响应中断？通常在CPU执行了一条指令以后，更确切地说，是在指令周期最后时刻接受中断请求，或在此时扫描

35、中断寄存器CPU何时响应中断？通常在CPU执行了一条指令以后，更确切地说，是在指令周期最后时刻接受中断请求，或在此时扫描中断寄存器?如何发现提出中断请求的设备或中断源？因为只有知道中断源或中断设备，才能调用相应的中断处理程序如何发现提出中断请求的设备或中断源？因为只有知道中断源或中断设备，才能调用相应的中断处理程序开始开始取下一条指令取下一条指令执行指令执行指令检查指令处理中断检查指令处理中断停止取周期执行周期中断周期不允许中断允许中断停止取周期执行周期中断周期不允许中断允许中断9?使用软件指令去查询各设备接口这种方法比较费时使用软件指令去查询各设备接口这种方法比较费时?使用一种使用一种“向量

36、中断向量中断”的硬件设施多数微型机对此问题的解决方法的硬件设施多数微型机对此问题的解决方法“向量中断向量中断”：?当CPU接受某中断请求时，该设备接口给处理器发送具有唯一性的当CPU接受某中断请求时，该设备接口给处理器发送具有唯一性的“中断向量中断向量”，以标识该设备，以标识该设备?“中断向量中断向量”在各计算机上实现方法差别比较大在各计算机上实现方法差别比较大两种解决方法两种解决方法中断向量表中断向量表在有的机器中：在有的机器中：?将主存最低位128个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字将主存最低位128个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字?中断请求的设备接口为了标识自己，向处

37、理器发送一个该设备在中断向量表中表目的地址指针中断请求的设备接口为了标识自己，向处理器发送一个该设备在中断向量表中表目的地址指针中断优先级中断优先级在一些机器中，中断优先级按中断类型划分：在一些机器中，中断优先级按中断类型划分：?以机器故障中断的优先级最高以机器故障中断的优先级最高?程序中断和访问管理程序中断次之程序中断和访问管理程序中断次之?外部中断更次之外部中断更次之?输入输出的优先级最低输入输出的优先级最低中断屏蔽中断屏蔽在CPU上运行的程序，有时由于种种原因，不希望其在执行过程中被别的事件所中断，称为中断屏蔽。在PSW中设置中断屏蔽码以屏蔽某些指定的中断类型在CPU上运行的程序，有时由

38、于种种原因，不希望其在执行过程中被别的事件所中断，称为中断屏蔽。在PSW中设置中断屏蔽码以屏蔽某些指定的中断类型?如果其PSW的中断禁止位建立后，则屏蔽中断（不包括不可屏蔽的那些中断）如果其PSW的中断禁止位建立后，则屏蔽中断（不包括不可屏蔽的那些中断）?如果PSW中的中断禁止位未建立则可以接受其中断优先级高于运行程序中断优先级的那些中断如果PSW中的中断禁止位未建立则可以接受其中断优先级高于运行程序中断优先级的那些中断?各设备接口中也有中断禁止位，以禁止该设备的中断各设备接口中也有中断禁止位，以禁止该设备的中断6.中断处理（.中断处理（1）简单的中断处理简单的中断处理典型的处理过程：（1）设

39、备给处理器发一个中断信号（2）处理器处理完当前指令后响应中断，延迟非常短（当求处理器没有关闭中断）（3）处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源并向发送中断的设备返回确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到正常状态（4）处理器开始为软件处理中断做准备：保存中断点程序执行的上下文环境，这通常包括程序状态字PSW、程序计数器PC中的下一条指令位置、一些寄存器的值，它们通常保存在系统堆栈中,处理器状态被切换到管态典型的处理过程：（1）设备给处理器发一个中断信号（2）处理器处理完当前指令后响应中断，延迟非常短（当求处理器没有关闭中断）（3）处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来

40、源并向发送中断的设备返回确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到正常状态（4）处理器开始为软件处理中断做准备：保存中断点程序执行的上下文环境，这通常包括程序状态字PSW、程序计数器PC中的下一条指令位置、一些寄存器的值，它们通常保存在系统堆栈中,处理器状态被切换到管态（5）处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相关联的处理程序入口地址，并将PC置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，控制转移到中断处理程序（6）中断处理程序开始工作，包括检查I/O相关的状态信息，操纵I/O设备或者在设备和主存之间传送数据等（7）中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断程序的上下文环境从系统

41、堆栈中被恢复，处理器状态恢复成原来的状态（8）PSW和PC被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束（5）处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相关联的处理程序入口地址，并将PC置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，控制转移到中断处理程序（6）中断处理程序开始工作，包括检查I/O相关的状态信息，操纵I/O设备或者在设备和主存之间传送数据等（7）中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复，处理器状态恢复成原来的状态（8）PSW和PC被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束中断处理（中断处理（2）10简单的中断处

42、理过程简单的中断处理过程多个中断的处理（多个中断的处理（1）若中断处理过程中又发生中断，将引起多中断处理问题，有两种解决方法：若中断处理过程中又发生中断，将引起多中断处理问题，有两种解决方法：?第一种第一种?处理一个中断时禁止其他中断，对任何新中断置之不理，在这期间发生的中断将保持挂起状态处理一个中断时禁止其他中断，对任何新中断置之不理，在这期间发生的中断将保持挂起状态?在处理结束后开放中断指令，当再次允许中断时，新的中断信号被处理器检测到在处理结束后开放中断指令，当再次允许中断时，新的中断信号被处理器检测到?所有中断严格按照发生顺序处理，不考虑中断紧急程度，无法达到较严格时间要求所有中断严格

43、按照发生顺序处理，不考虑中断紧急程度，无法达到较严格时间要求多中断处理的第一种方法多中断处理的第一种方法?第二种第二种?中断按照优先度分级允许优先级高的中断打断优先级低的中断处理过程中断按照优先度分级允许优先级高的中断打断优先级低的中断处理过程?这种中断优先级技术将引起中断处理的嵌套只要适当地定义中断的优先级别，方法一的弊端大都可以克服这种中断优先级技术将引起中断处理的嵌套只要适当地定义中断的优先级别，方法一的弊端大都可以克服多个中断的处理（多个中断的处理（2）用户程序低级中断高级中断多中断处理第二种方法多中断处理第二种方法四、四、I/O技术技术I/O控制使用下面几种技术：控制使用下面几种技术

44、：?程序控制程序控制?中断驱动中断驱动?直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）?通道通道111.程序控制.程序控制I/O技术技术由处理器提供I/O相关指令来实现由处理器提供I/O相关指令来实现?I/O处理单元处理请求并设置处理单元处理请求并设置I/O状态寄存器相关位状态寄存器相关位?不中断处理器，也不给处理器警告信息不中断处理器，也不给处理器警告信息?处理器定期轮询处理器定期轮询I/O单元的状态，直到处理完毕I/O软件包含直接操纵I/O的指令单元的状态，直到处理完毕I/O软件包含直接操纵I/O的指令?控制指令:用于激活外设，并告诉它做什么控制指令:用于激活外设，并告诉它做什么?状态指令:用于

45、测试I/O控制中的各种状态和条件状态指令:用于测试I/O控制中的各种状态和条件?数据传送指令:用于在设备和主存之间来回传送数据主要缺陷：处理器必须关注I/O处理单元的状态，因而耗费大量时间轮询信息，严重地降低了系统性能。数据传送指令:用于在设备和主存之间来回传送数据主要缺陷：处理器必须关注I/O处理单元的状态，因而耗费大量时间轮询信息，严重地降低了系统性能。2.中断驱动.中断驱动I/O技术技术?为了解决程序控制为了解决程序控制I/O方法的主要问题应该让处理器从轮询任务中解放出来使方法的主要问题应该让处理器从轮询任务中解放出来使I/O操作和指令执行并行起来操作和指令执行并行起来?具体作法：当具体

46、作法：当I/O处理单元准备好与设备交互的时候通过物理信号通知处理器，即中断处理处理单元准备好与设备交互的时候通过物理信号通知处理器，即中断处理3.DMA技术（技术（1）中断的引入大大提高了处理器处理I/O的效率当处理器和I/O间传送数据时，效率仍旧不高。解决方法：直接存储器访问（中断的引入大大提高了处理器处理I/O的效率当处理器和I/O间传送数据时，效率仍旧不高。解决方法：直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）?通过系统总线中一个独立控制单元通过系统总线中一个独立控制单元DMA控制器控制器?自动控制成块数据在内存和自动控制成块数据在内存和I/O单元间的传送单元间的传

47、送?大大提高处理大大提高处理I/O的效率的效率DMA技术（技术（2）?当处理器需要读写一整块数据时，给当处理器需要读写一整块数据时，给DMA控制单元发送一条命令控制单元发送一条命令?包含：是否请求一次读或写，包含：是否请求一次读或写，I/O设备的编址，开始读或写的主存编址，需要传送的数据长度等信息设备的编址，开始读或写的主存编址，需要传送的数据长度等信息?处理器发送完命令后就可处理其它事情处理器发送完命令后就可处理其它事情?DMA控制器将自动管理数据的传送DMA控制器将自动管理数据的传送?当这个过程完成后，它会给处理器发一个中断当这个过程完成后，它会给处理器发一个中断?处理器只在开始传送和传送

48、结束时关注一下即可处理器只在开始传送和传送结束时关注一下即可?处理器和处理器和DMA传送不完全并行传送不完全并行?有时会有总线竞争的情况发生有时会有总线竞争的情况发生?处理器用总线时可能稍作等待处理器用总线时可能稍作等待?不会引起中断不会引起中断?不引起程序上下文的切换不引起程序上下文的切换?通常过程只有一个总线周期通常过程只有一个总线周期?在在DMA传送时，处理器访问总线速度会变慢传送时，处理器访问总线速度会变慢?对于大量数据对于大量数据I/O传送，传送，DMA技术很有价值技术很有价值DMA技术（技术（3）4.通道.通道独立于中央处理器，专门负责数据独立于中央处理器，专门负责数据I/O传输的

49、处理机传输的处理机?它对外设实现统一管理它对外设实现统一管理?代替代替CPU对对I/O操作进行控制操作进行控制?使使CPU和外设可以并行工作和外设可以并行工作?通道又称为通道又称为I/O处理机引入通道的目的：处理机引入通道的目的：?为了使CPU从I/O事务中解脱出来为了使CPU从I/O事务中解脱出来?同时提高CPU与设备、设备与设备之间的并行度同时提高CPU与设备、设备与设备之间的并行度12五、时钟（五、时钟（1）时钟为计算机完成以下必不可少的工作：时钟为计算机完成以下必不可少的工作：?在多道程序运行环境中，为系统发现陷入死循环（编程错误）的作业，防止机时的浪费在多道程序运行环境中，为系统发现

50、陷入死循环（编程错误）的作业，防止机时的浪费?在分时系统中，间隔时钟实现作业间按时间片轮转在分时系统中，间隔时钟实现作业间按时间片轮转?在实时系统中，按要求的间隔输出正确时间信号给实时的控制设备（如在实时系统中，按要求的间隔输出正确时间信号给实时的控制设备（如A/D、D/A转换设备）转换设备）?定时唤醒要求延迟执行的各外部事件（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）定时唤醒要求延迟执行的各外部事件（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）?记录用户使用设备时间和记录某外部事件发生时间记录用户使用设备时间和记录某外部事件发生时间?记录用户和系统所需要的绝对时间，