计算机操作系统(第三版) 第二章 ppt.ppt

《计算机操作系统(第三版) 第二章 ppt.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机操作系统(第三版) 第二章 ppt.ppt（74页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、北京大学软件与微电子学院北京大学软件与微电子学院20092009春季春季操作系统高级操作系统高级Operating Systems Advanced Class 第第二二讲讲 系统机制系统机制讨论讨论讨论讨论操作系统设计者操作系统设计者考虑的硬件问题考虑的硬件问题 讨论讨论操作系统设计者操作系统设计者考虑的其他问题考虑的其他问题中央处理器（中央处理器（CPUCPU）中断机制中断机制系统调用系统调用一、中央处理器（一、中央处理器（CPUCPU）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同特权级运

2、行的各种特权指令-硬件机制使得硬件机制使得OSOS可以和普通程序隔离可以和普通程序隔离 实现实现保护和控制保护和控制1.CPU1.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、控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护维护CPUCPU状态、状态、CPUCPU与内存的交互等等与内存的交互等等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

3、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，高级语言编译器通过算法分用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分配并使用之，以减少程序访问内存次数配并使用之，以减少程序访问内存次数控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作 由由OSOS的的特权代码使用特权代码使用,以控制其他程序的执行以控制其他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 包括包括数据寄存器数据寄存器、地址寄存器地址寄存器以及以及条件码寄存器条件码寄存器数据寄存器数据

4、寄存器（data registerdata register）又称通用寄存器又称通用寄存器 主要用于各种算术逻辑指令和访存指令主要用于各种算术逻辑指令和访存指令地地址址寄寄存存器器（address address registerregister）用用于于存存储储数数据据及及指指令令的的物物理理地地址址、线线性性地地址址或或者者有有效效地地址址，用用于于某某种种特特定定方方式式的的寻寻址址。如如index index registerregister、segment pointersegment pointer、stack pointerstack pointer条件码寄存器条件码寄存器保存保

5、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:程程序序计计数数器器（PCPC：Program Program CounterCounter），记记录录将将要要取取出出的的指指令的地址令的地址指指令令寄寄存存器器（IRIR：Instruction Instruction Reg

6、isterRegister），包包含含最最近近取取出的指令出的指令程程序序状状态态字字（PSWPSW：Program Program Status Status WordWord），记记录录处处理理器器的运行模式信息等等的运行模式信息等等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用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区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

7、运行的特权状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）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陷入 CPUCPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用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软件？有赖于处理器状态的标识3.3.处理器的状态处理器的状态 根根据据运运行行程程序序对对资资源源和和机机器器指指令令的的使使用用权权限限将将处理器设置为不同状态处理器设置为不同状态程序状态字程序状态字PSWPSW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

8、处理器工作状态划分为管态和目态管管态态：操操作作系系统统管管理理程程序序运运行行的的状状态态，较较高高的的特特权权级别，又称为级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态特权态（特态）、核心态、系统态目目态态：用用户户程程序序运运行行时时的的状状态态，较较低低的的特特权权级级别别，又称为又称为普通态（普态）、用户态普通态（普态）、用户态具体处理器将具体处理器将CPUCPU状态划分为两种、三种或四种状态划分为两种、三种或四种实例：实例：x86x86系列处理器系列处理器386386、486486、PentiumPentium系列都支持系列都支持4 4个处理器特权级别个处理器特权级别 特权环：特权环：

9、R0R0、R1R1、R2R2和和R3R3从从R0R0到到R3R3特权能力依次降低：特权能力依次降低：R0R0相当于双状态系统的管相当于双状态系统的管态，态，R3R3相当于目态相当于目态四个级别运行不同类别的程序：四个级别运行不同类别的程序：R0R0-运行操作系统核心代码运行操作系统核心代码R1R1-运行关键设备驱动程序和运行关键设备驱动程序和I/OI/O处理例程处理例程R2R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境R3R3-运行各种用户程序运行各种用户程序 现有基于现有基于x86x86处理器的操作系统大都只用了处理器的操作系统大都只用了R0R0和

10、和R3R3两个特权级别两个特权级别(UNIXUNIX、LinuxLinux以及以及WindowsWindows系列系列)4.4.程序状态字程序状态字PSW PSW(Program Status Word)(Program Status Word)在在PSWPSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置的权限而设置CPUCPU状态状态CPUCPU的的工工作作状状态态码码指指明明管管态态还还是是目目态态，用用来来说说明明当当前前在在CPUCPU上上执执行行的的是是操操作作系系统统还还是是一一般般用用户户，从从而而决决定定其其是是否否可可以以使使用用特特权

11、权指指令令或或拥拥有有其其他的特殊权力他的特殊权力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例:微处理器微处理器M68000M68000的程序状态字的程序状态字条件位：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CF

12、：进位标志位进位标志位 ZF：结果为零标志位结果为零标志位 SF：符号标志位符号标志位OF：溢出标志位溢出标志位标准条件位：标准条件位：TF：陷阱标志位：陷阱标志位IF：中断允许（中断屏蔽）标志位：中断允许（中断屏蔽）标志位VIF：虚拟中断标志位：虚拟中断标志位VIP：虚拟中断待决标志位：虚拟中断待决标志位IOPL：IO特权级别特权级别 例例:微处理器微处理器PentiumPentium的的FLAGSFLAGS和描述符和描述符CPUCPU状态的转换状态的转换目态目态管态管态 唯一途径唯一途径 是是 中断（广义）中断（广义）管态管态目态目态 设置设置PSW(PSW(修改程序状态字修改程序状态字)

13、可可实现实现一条特殊的指令：访管指令一条特殊的指令：访管指令 供用户调用操作系统的功能（服务）供用户调用操作系统的功能（服务）INT，TRAP，SYSCALL二、二、中断技术中断技术中断对于操作系统的重要性中断对于操作系统的重要性 就像机器中的驱动齿轮一样就像机器中的驱动齿轮一样可以认为操作系统可以认为操作系统 是由是由“中断驱动中断驱动”或者或者“（中断）事件驱（中断）事件驱动动”及时处理设备的中断请求及时处理设备的中断请求它使得它使得OSOS可以捕获用户程序发出的系统功能调用可以捕获用户程序发出的系统功能调用防止用户程序中破坏性的活动防止用户程序中破坏性的活动 等等等等事件：事件：异步异步

14、/同步事件同步事件1.1.中断的概念中断的概念CPUCPU对系统发生的某个事件作出的一种反应对系统发生的某个事件作出的一种反应CPUCPU暂停正在执行的程序，保留现场后暂停正在执行的程序，保留现场后自动自动转转去去执行相应事件的处理程序执行相应事件的处理程序，处理完成后返回，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序断点，继续执行被打断的程序特点：特点：1)1)中断是随机发生的中断是随机发生的 2)2)中断是可恢复的中断是可恢复的 3)3)中断是自动处理的中断是自动处理的中断的引入中断的引入：为了开发：为了开发CPUCPU和通道和通道(或设备或设备)之间的并行之间的并行操作，当操作，当CPUCP

15、U启动通道启动通道(或设备或设备)进行输入进行输入/输出后，通输出后，通道道 (或设备或设备)便可以独立工作，便可以独立工作，CPUCPU转去处理与此次输转去处理与此次输入入/输出不相关的事情。当通道输出不相关的事情。当通道(或设备或设备)完成输入完成输入/输输出后，通过向出后，通过向CPUCPU发中断告诉发中断告诉CPUCPU此次输入此次输入/输出结束，输出结束，使使CPUCPU继续处理输入继续处理输入/输出以后的事情输出以后的事情中断的概念中断的概念（2/3）中断与异常中断与异常异常的引入异常的引入：用于表示：用于表示CPUCPU执行指令时本身出现算术溢执行指令时本身出现算术溢出、零做除数

16、、取数时的奇偶错，访存指令越界或就出、零做除数、取数时的奇偶错，访存指令越界或就是执行了一条所谓是执行了一条所谓“异常指令异常指令”（用于实现系统调用）（用于实现系统调用）等情况，这时中断当前的执行流程，转到相应的错误等情况，这时中断当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序处理程序或异常处理程序中断中断(外中断外中断)异常异常(内中断内中断)例外例外I/OI/O中断中断时钟中断时钟中断系统调用系统调用缺页异常缺页异常断点指令断点指令其他程序性异常其他程序性异常(如算术溢出等如算术溢出等)中断中断(狭义狭义)与异常的区别与异常的区别:中断中断:与正执行指令无关，可以屏蔽与正执行指令无

17、关，可以屏蔽异常异常:与正执行指令有关，不可屏蔽与正执行指令有关，不可屏蔽广义中断广义中断中断的概念（中断的概念（3/3）硬件故障硬件故障2.2.中断系统中断系统中断系统是现代计算机系统的核心机制之一中断系统是现代计算机系统的核心机制之一 硬件和软件相互配合、相互渗透而使得计算机系硬件和软件相互配合、相互渗透而使得计算机系统得以充分发挥能力统得以充分发挥能力中断系统中断系统的两大组成部分：的两大组成部分：硬件中断装置和软件中断处理程序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，以一定方式响负责捕

18、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应中断源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序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中断系统的策略部分 负责辨别中断类型并做出相应的操作负责辨别中断类型并做出相应的操作中断源：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：中断寄存器的内容中断字：中断寄存器的内容系统堆栈系统堆栈:在内存开辟的一块区域，用于临时保存在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场现场中断系统中的相关概念中断系统中的相关概念3.中断类型（中断类型（1/2）输入输入/输出输出(I

19、/O)(I/O)中断中断：由：由I/OI/O控制器产生控制器产生程序性中断程序性中断：某些条件下由指令执行的结果产生：某些条件下由指令执行的结果产生 (如算术溢出如算术溢出,除零，缺页中断除零，缺页中断,地址越界，试图地址越界，试图执行一条非法指令执行一条非法指令)时钟中断时钟中断：由：由CPUCPU内部的计时器产生内部的计时器产生硬件故障中断硬件故障中断：如：如掉电或内存奇偶错掉电或内存奇偶错等等强迫性中断强迫性中断 正在运行的程序所不期望正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障或外部的，由于某种硬件故障或外部请求引起的请求引起的William Stallings中断类型（中断类型（2/2

20、）访管指令访管指令/系统调用引发的中断系统调用引发的中断执行执行I/OI/O，创建进程，分配内存创建进程，分配内存信号量操作，发送信号量操作，发送/接收消息接收消息断点调试断点调试自愿性中断自愿性中断 用户在程序中有意识安排的用户在程序中有意识安排的中断，是由于用户在编制程序时中断，是由于用户在编制程序时因为要求操作系统提供服务，有因为要求操作系统提供服务，有意使用意使用“访管访管”指令或系统调用，指令或系统调用，使中断发生使中断发生例：微机中的中断例：微机中的中断1.1.可屏蔽中断（可屏蔽中断（IOIO中断）中断）2.2.不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电

21、中断）3.3.程序错误中断（溢出、除法错等中断）程序错误中断（溢出、除法错等中断）4.4.软件中断（软件中断（TrapTrap指令或中断指令指令或中断指令INTINT）例：例：IBM370IBM370中的中断中的中断1.1.机器故障中断：如电源故障，机器电路检验错等机器故障中断：如电源故障，机器电路检验错等2.2.输入输出中断：输入输出设备和通道数据传输状态）输入输出中断：输入输出设备和通道数据传输状态）3.3.外外部部中中断断：时时钟钟中中断断，操操作作员员控控制制台台中中断断，多多机机系系统统中中其其他他机机器器的的通通信信要要求求中中断断，各各种种外外设设或或传传感感器器发发来来的的实实

22、时中断等时中断等4.4.程程序序中中断断：程程序序中中的的问问题题引引起起的的中中断断，如如错错误误地地使使用用指指令或数据、溢出等问题，存储保护等令或数据、溢出等问题，存储保护等5.5.访访管管中中断断：访访管管指指令令或或陷陷阱阱指指令令（TrapTrap指指令令）中中的的操操作作数数规规定定了了要要求求服服务务的的类类型型。每每当当CPUCPU执执行行访访管管指指令令或或陷陷阱阱指指令令时时，即即引引起起中中断断并并调调用用操操作作系系统统相相应应的的功功能能模模块块为为其服务其服务广义上讲，中断可分为四类：广义上讲，中断可分为四类：中断、故障、陷阱、中断、故障、陷阱、终止，终止，其异同

23、点如下：其异同点如下：类别类别原因原因异步异步/同步同步返回行为返回行为中断中断来自来自I/OI/O设备的信号设备的信号 异步异步总是返回到下一条总是返回到下一条指令指令陷阱陷阱有意的异常有意的异常同步同步总是返回到下一条总是返回到下一条指令指令故障故障潜在可恢复的错误潜在可恢复的错误同步同步返回到当前指令返回到当前指令终止终止不可恢复的错误不可恢复的错误同步同步不会返回不会返回中断优先级设计原则：中断优先级设计原则：一般来说，高速设备的中一般来说，高速设备的中断优先级高，慢速设备的中断优先级低。因为高断优先级高，慢速设备的中断优先级低。因为高速设备的中断被处理机优先响应时，可以让处理速设备的

24、中断被处理机优先响应时，可以让处理机尽快地向它发出下一个机尽快地向它发出下一个I/OI/O请求，提高高速设备请求，提高高速设备的利用率的利用率如如PDP-11PDP-11机上的机上的UNIXUNIX系统把中断级别分为：系统把中断级别分为：时钟中断时钟中断中断优先级中断优先级6 6级级磁盘中断磁盘中断中断优先级中断优先级5 5级级终端等其他外设中断终端等其他外设中断中断优先级中断优先级4 4级级4.4.中断优先级和中断屏蔽（中断优先级和中断屏蔽（1/3）处理机优先级：处理机优先级：指出处理机正运行程序的中断响指出处理机正运行程序的中断响应级别。即当处理机处于某一优先级时，只允许应级别。即当处理机

25、处于某一优先级时，只允许处理机去响应比该优先级高的中断处理机去响应比该优先级高的中断,而屏蔽低于或而屏蔽低于或等于该优先级的中断等于该优先级的中断 可以通过设置处理机优先级来通知硬件：屏可以通过设置处理机优先级来通知硬件：屏蔽优先级小于等于处理机优先级的中断蔽优先级小于等于处理机优先级的中断中断屏蔽：中断屏蔽：指禁止指禁止CPUCPU响应中断或禁止中断出现响应中断或禁止中断出现中断优先级和中断屏蔽（中断优先级和中断屏蔽（2/3）中断屏蔽有两种方法中断屏蔽有两种方法：n 硬件实现硬件实现由软件置处理机优先级，硬件按系由软件置处理机优先级，硬件按系统设计时的约定，屏蔽那些低优先级中断统设计时的约定

26、，屏蔽那些低优先级中断n 软件实现软件实现由软件按操作系统优先级约定由软件按操作系统优先级约定,设置设置屏蔽寄存器屏蔽寄存器中断优先级和中断屏蔽（中断优先级和中断屏蔽（3/3）5.中断响应（中断响应（1/2）CPUCPU如何响应中断如何响应中断,要回答两个问题：要回答两个问题：CPUCPU何时响应中断？何时响应中断？处理器控制部件中设有：中断扫描机构处理器控制部件中设有：中断扫描机构如何知道提出中断请求的设备或中断源？如何知道提出中断请求的设备或中断源？中断响应：中断响应：发现中断、接收中断的过程发现中断、接收中断的过程 由中断装置完成由中断装置完成开始开始取下一条指令取下一条指令执行指令执行

27、指令检查指令检查指令处理中断处理中断停止停止取周期取周期执行周期执行周期中断周期中断周期不允许中断不允许中断允许允许中断中断中断响应（2/2）在每条指令执行周在每条指令执行周期的最后时刻扫描期的最后时刻扫描中断寄存器，询问中断寄存器，询问是否有中断信号是否有中断信号若无中断信号，继若无中断信号，继续执行下一条指令续执行下一条指令若有中断，中断硬件将若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规该中断触发器内容按规定编码送入定编码送入PSWPSW的相应的相应位，称为中断码，通过位，称为中断码，通过交换中断向量引出中断交换中断向量引出中断处理程序处理程序 中断向量：中断向量：一个存放中断处理程序入口地址

28、和程一个存放中断处理程序入口地址和程序运行所需处理机状态字的内存单元序运行所需处理机状态字的内存单元硬件按中断号、异常类型的不同通过中断向量表硬件按中断号、异常类型的不同通过中断向量表转移转移有的机器中：有的机器中：将内存最低位将内存最低位128128个字保留作为中断向量表，每个中个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字断向量占两个字中断向量表中断向量表中断响应示意图中断响应示意图简单的中断处理过程简单的中断处理过程6.中断处理中断处理（1/3）中断处理（中断处理（2/3）简单的中断处理简单的中断处理 -典型的处理过程：典型的处理过程：（1 1）设备给处理器发一个中断信号）设备给处理器发一

29、个中断信号（2 2）处处理理器器处处理理完完当当前前指指令令后后响响应应中中断断，延延迟迟非非常常短短（要要求求处理器没有关闭中断）处理器没有关闭中断）（3 3）处处理理器器处处理理完完当当前前指指令令后后检检测测到到中中断断，判判断断出出中中断断来来源源并并向向发发送送中中断断的的设设备备发发送送了了确确认认中中断断信信号号，确确认认信信号号使使得得该该设备将中断信号恢复到一般状态设备将中断信号恢复到一般状态（4 4）处理器开始为软件处理中断做准备：）处理器开始为软件处理中断做准备：保保存存中中断断点点的的程程序序执执行行上上下下文文环环境境，这这通通常常包包括括程程 序序状状态态字字PSW

30、PSW，程程序序计计数数器器PCPC中中的的下下一一条条指指令令位位置置，一一些些寄寄存存器器的的值，它们通常保存在系统控制栈中值，它们通常保存在系统控制栈中 处理器状态被切换到管态处理器状态被切换到管态（5 5）处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联）处理器根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联系的处理程序入口地址，并将系的处理程序入口地址，并将PCPC置成该地址，处理器开始一置成该地址，处理器开始一个新的指令周期，控制转移到中断处理程序个新的指令周期，控制转移到中断处理程序（6 6）中断处理程序开始工作，包括检查）中断处理程序开始工作，包括检查I/OI/O相关的状态信息，相关

31、的状态信息，操纵操纵I/OI/O设备或者在设备和主存之间传送数据等等设备或者在设备和主存之间传送数据等等（7 7）中断处理结束时，处理器检测到中断返回指令，被中断）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恢复程序的上下文环境从系统堆栈中恢复 处理器状态恢复成原来的状态处理器状态恢复成原来的状态（8 8）PSWPSW和和PCPC恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令周期，中断处理结束周期，中断处理结束中断处理中断处理（3/3）7.典型的中断处理典型的中断处理(1)：I/O中断中断由由I/OI/O设备的控制器或者通道发出

32、设备的控制器或者通道发出两类两类I/OI/O中断：中断：I/OI/O操作正常结束操作正常结束 如如果果要要继继续续I/OI/O操操作作，需需要要在在准准备备好好以以后后重重新新启启动动I/OI/O，若若请请求求I/OI/O程程序序正正处处于于等等待待I/OI/O状状态态，则则应应将将其唤醒其唤醒I/OI/O异常异常 需要重新执行失败的需要重新执行失败的I/OI/O操作操作 重重试试次次数数有有上上限限，次次数数过过大大，系系统统将将判判定定硬硬件件故故障障系系统统多多道道能能力力的的重重要要推推动动力力量量，时时钟钟中中断断处处理理程程序序通通常常做与系统运转、管理和维护相关的工作，包括：做与

33、系统运转、管理和维护相关的工作，包括：维维护护软软件件时时钟钟：系系统统有有若若干干个个软软件件时时钟钟，控控制制定定时时任任务务以以及及进进程程的的处处理理器器时时间间配配额额，时时钟钟中中断断需需要要维维护护、定时更新这些软件时钟定时更新这些软件时钟处处理理器器时时间间调调度度：维维护护当当前前进进程程时时间间片片软软件件时时钟钟，并并在在当当前前进进程程时时间间片片到到时时以以后后运运行行调调度度程程序序选选择择下下一一个个被调度的进程被调度的进程控控制制系系统统定定时时任任务务：通通过过软软件件时时钟钟和和调调度度程程序序定定时时激激活活一一些些系系统统任任务务，如如监监测测死死锁锁、

34、系系统统记记帐帐、系系统统审审计计等等实时处理实时处理典型的中断处理典型的中断处理(2)：时钟中断：时钟中断典型的中断处理典型的中断处理(3)：硬件故障中断：硬件故障中断 硬件故障中断处理程序一般需要做的工作：硬件故障中断处理程序一般需要做的工作：保存现场，使用一定警告手段，提供些辅助诊断信息保存现场，使用一定警告手段，提供些辅助诊断信息在在高高可可靠靠系系统统中中，中中断断处处理理程程序序还还要要评评估估系系统统可可用用性性，尽可能恢复系统尽可能恢复系统 如如Windows Windows 2000/XP2000/XP，关关键键硬硬件件发发生生故故障障时时，如如显显示示卡卡损损坏坏，出出现现

35、系系统统蓝蓝屏屏，系系统统实实际际上上进进入入相相应应故故障障处处理理程程序序，发发现现故故障障不不可可恢恢复复，则则在在屏屏幕幕上上打打印印出出发发生生故故障障时时程程序序位位置置，并并开开始始进进行行内内存存转转储储（将将一一定定范范围围的的内内存存内内容容写写上上磁磁盘盘，是是系系统统故故障障时时的的全全系系统统“快快照照”），备备日日后故障诊断后故障诊断程序指令出错、指令越权或者指令寻址越界而引发程序指令出错、指令越权或者指令寻址越界而引发两类处理方法：两类处理方法：只能由操作系统的相关扩展功能模块完成只能由操作系统的相关扩展功能模块完成 多为程序试图作不能做的操作引起的系统保护多为程

36、序试图作不能做的操作引起的系统保护 如如访访问问合合法法的的、但但不不在在内内存存虚虚地地址址内内，引引发发页页故故障障页页故故障障一一般会引发般会引发OSOS虚存模块作一个页面换入虚存模块作一个页面换入可由程序自己完成，如一些算术运算错误可由程序自己完成，如一些算术运算错误 不不同同程程序序可可有有不不同同处处理理方方法法，所所以以很很多多OSOS提提供供由由用用户户自自己己处处理这类中断的理这类中断的“绿色通道绿色通道”系系统统调调试试中中断断（断断点点中中断断、单单步步跟跟踪踪）也也可可被被用用户户程程序序处处理理，用以支持各种程序调试用以支持各种程序调试典型的中断处理典型的中断处理(4

37、)：程序性中断：程序性中断典型的中断处理典型的中断处理(5)：系统服务请求：系统服务请求系统服务请求由处理器专用指令（访管指令）激发系统服务请求由处理器专用指令（访管指令）激发如如x86x86处理器提供处理器提供intint指令，用来激发软件中断指令，用来激发软件中断其他不少处理器则提供系统调用指令其他不少处理器则提供系统调用指令syscallsyscall现代操作系统一般不提供直接使用系统调用指令的接现代操作系统一般不提供直接使用系统调用指令的接口，通常做法：提供一套方便、实用的应用程序函数口，通常做法：提供一套方便、实用的应用程序函数库（应用程序设计接口库（应用程序设计接口APIAPI）从

38、应用层面重新封装系统调用从应用层面重新封装系统调用屏蔽复杂的系统调用传参问题屏蔽复杂的系统调用传参问题高级语言接口，有助于快速开发高级语言接口，有助于快速开发有的系统在更高层面提供系统程序设计模板库和类库有的系统在更高层面提供系统程序设计模板库和类库IA32体系结构对中断的支持基本概念基本概念中断中断由硬件信号引发的，分为可屏蔽和不可屏蔽中由硬件信号引发的，分为可屏蔽和不可屏蔽中断断异常异常由指令执行引发的，比如除零异常由指令执行引发的，比如除零异常80 x8680 x86处理器发布了大约处理器发布了大约2020种不同的异常种不同的异常对于某些异常，对于某些异常，CPUCPU会在执行异常处理程

39、序之前会在执行异常处理程序之前产生硬件出错码，并压入内核态堆栈产生硬件出错码，并压入内核态堆栈系统调用系统调用异常的一种，用户态到系统态的唯一入口异常的一种，用户态到系统态的唯一入口IA32IA32体系结构对中断的支持体系结构对中断的支持(1/6)中断控制器中断控制器负责将硬件的中断信号转换为中断向量，并引负责将硬件的中断信号转换为中断向量，并引发发CPUCPU中断中断中断向量中断向量MS-DOSMS-DOS：存放中断服务程序的入口地址：存放中断服务程序的入口地址入口地址段地址偏移入口地址段地址偏移与一般的过程调用相同与一般的过程调用相同不支持不支持CPUCPU运行状态切换运行状态切换Linu

40、xLinux：采用门：采用门(gate)(gate)数据结构描述中断向量数据结构描述中断向量IA32IA32体系结构对中断的支持体系结构对中断的支持(2/6)中断向量表中断向量表/中断描述符表中断描述符表表项包含三种类型门描述符表项包含三种类型门描述符任务门任务门(Task gate)(Task gate)中断发生时，必须取代当前进程的那个进程的中断发生时，必须取代当前进程的那个进程的TSSTSS选择符存放在任务门中选择符存放在任务门中（LinuxLinux没有使用任务没有使用任务门）门）中断门中断门(Interrupt gate)(Interrupt gate)包括段选择符、中断包括段选择符

41、、中断/异常程序的段内偏移量，通异常程序的段内偏移量，通过中断门后系统会自动关中断过中断门后系统会自动关中断陷阱门陷阱门(Trap gate)(Trap gate)与中断门类似，但通过陷阱门后系统不会自动关与中断门类似，但通过陷阱门后系统不会自动关中断中断IA32IA32体系结构对中断的支持体系结构对中断的支持(3/6)中断服务程序入口地址：段选择码偏移中断服务程序入口地址：段选择码偏移描述符是否有效段选段选择符择符偏移偏移量量偏移偏移量量IA32IA32体系结构对中断的支持体系结构对中断的支持(4/6)中断中断/异常的硬件处理过程：异常的硬件处理过程：1.1.确定与中断或异常相关联的向量确定

42、与中断或异常相关联的向量i i2.2.读取读取IDTRIDTR寄存器指向的中断向量表的第寄存器指向的中断向量表的第i i项，项，获得中断描述符获得中断描述符3.3.从从GDTRGDTR寄存器获得寄存器获得GDTGDT的基地址，读取中断描的基地址，读取中断描述符中段选择符所标识的段描述符，可从该描述符中段选择符所标识的段描述符，可从该描述符中得到中断或异常处理程序所在的段基址述符中得到中断或异常处理程序所在的段基址IA32IA32体系结构对中断的支持体系结构对中断的支持(5/6)4.4.确信中断是由授权的发生源发生的确信中断是由授权的发生源发生的确保确保CPLCPL（存放在（存放在CSCS寄存器

43、中）寄存器中）=段描述符段描述符DPLDPL当前特权级不高于中断处理程序的特权级当前特权级不高于中断处理程序的特权级确保确保CPL=CPL=门描述符门描述符DPLDPL避免应用程序访问特殊的陷阱门或中断门避免应用程序访问特殊的陷阱门或中断门5.5.检查是否发生了特权级的变化，如果是，必检查是否发生了特权级的变化，如果是，必须使用与新的特权级相关的栈须使用与新的特权级相关的栈(堆栈切换堆栈切换)6.6.硬件压栈，保存上下文，如果异常产生了硬硬件压栈，保存上下文，如果异常产生了硬件出错码，则将它保存在栈中件出错码，则将它保存在栈中IA32IA32体系结构对中断的支持体系结构对中断的支持(6/6)7

44、.7.通过中断描述符中的段内偏移，找到中断通过中断描述符中的段内偏移，找到中断或异常处理程序入口，执行其第一条指令或异常处理程序入口，执行其第一条指令三、系统调用三、系统调用系统调用系统调用：用户在程序中调用操作系统提供的一些子功能：用户在程序中调用操作系统提供的一些子功能一种特殊的过程调用，由特殊的机器指令实现（一种特殊的过程调用，由特殊的机器指令实现（每种机器每种机器的机器指令集中都有一条系统调用指令的机器指令集中都有一条系统调用指令访管指令访管指令）系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口系统状态从目态转入管态系统状态从目态转入管态系统调用是一

45、个低级过程，只能由汇编语言直接访问系统调用是一个低级过程，只能由汇编语言直接访问利用系统调用，动态请求和释放系统资源利用系统调用，动态请求和释放系统资源 完成与硬件相关的工作以及控制程序的执行等完成与硬件相关的工作以及控制程序的执行等每个操作系统都提供几百种系统调用每个操作系统都提供几百种系统调用1.1.系统调用的处理过程（系统调用的处理过程（1/21/2）机制的设计机制的设计陷入陷入（TRAPTRAP）或异常处理机制或异常处理机制 系统中控制系统调用服务的机制系统中控制系统调用服务的机制陷入或异常指令（或称访管指令）陷入或异常指令（或称访管指令）由系统调用引起处理机中断的指令由系统调用引起处

46、理机中断的指令系统调用的功能号和参数系统调用的功能号和参数 每个系统调用都对应一个事先给定的功能号每个系统调用都对应一个事先给定的功能号 在陷入指令中必须包括对应的系统调用的功能号在陷入指令中必须包括对应的系统调用的功能号 有些陷入指令中，还带有传给陷入处理机制和内部处理有些陷入指令中，还带有传给陷入处理机制和内部处理程序的有关参数程序的有关参数入口地址表入口地址表 每个入口地址对应一个系统调用功能子程序每个入口地址对应一个系统调用功能子程序 陷入处理机制把陷入指令中的功能号与入口地址表有关项对陷入处理机制把陷入指令中的功能号与入口地址表有关项对应应,驱动有关子程序执行驱动有关子程序执行保护现

47、场：保护现场：进入系统调用处理前，陷入处理机制还需保存处理机现场进入系统调用处理前，陷入处理机制还需保存处理机现场在系统调用处理结束之后，要恢复处理机现场，现场被保护在系统调用处理结束之后，要恢复处理机现场，现场被保护在特定的内存区或寄存器中在特定的内存区或寄存器中系统调用的处理过程（系统调用的处理过程（2/22/2）系统系统调用调用 入口地址表入口地址表 (1)保存现场保存现场(2)取系统调取系统调用功能号并用功能号并寻找子程序寻找子程序入口入口(3)返回返回A0A1Ai AnA0 A1AiAnSub0Sub1SubiSubn 用户程序用户程序 陷入处理机制陷入处理机制 系统子程序系统子程序

48、系统调用的处理过程示意系统调用的处理过程示意参数传递过程问题参数传递过程问题怎样实现用户程序和系统程序之间的参数传递？怎样实现用户程序和系统程序之间的参数传递？常用的常用的3 3种实现方法：种实现方法：由陷入指令自带参数由陷入指令自带参数：陷入指令的长度有限，且：陷入指令的长度有限，且还要携带系统调用功能号，只能自带有限的参数还要携带系统调用功能号，只能自带有限的参数通过通用寄存器传递参数通过通用寄存器传递参数：这些寄存器是系统程：这些寄存器是系统程序和用户程序都能访问的，由于寄存器长度较短，序和用户程序都能访问的，由于寄存器长度较短，传递的参数数量有限传递的参数数量有限在内存中开辟专用堆栈区

49、来传递参数在内存中开辟专用堆栈区来传递参数2.2.系统调用的分类系统调用的分类系统的功能可分为两部分：系统的功能可分为两部分：系统自身所需要的系统自身所需要的作为服务提供给用户的作为服务提供给用户的OSOS的系统调用的系统调用:进程控制类系统调用进程控制类系统调用文件操作类系统调用文件操作类系统调用进程通信类系统调用进程通信类系统调用设备管理类系统调用设备管理类系统调用信息维护类系统调用信息维护类系统调用进程管理进程管理文件管理文件管理目录管理目录管理其他其他3.Win32 3.Win32 应用程序接口应用程序接口在在WindowsWindows中，定义了一系列程序中，定义了一系列程序(应用程

50、序接口应用程序接口Win32 API)Win32 API)，提供提供OSOS服务服务这个接口（部分）支持这个接口（部分）支持Win95 Win95 以后的以后的WindowsWindows版本版本Win32 APIWin32 API调用的种类非常多，以千计算调用的种类非常多，以千计算在在WindowsWindows中不可能分辨出哪些是系统调用（被内核执行），中不可能分辨出哪些是系统调用（被内核执行），哪些是用户空间的库调用哪些是用户空间的库调用事实上，一个事实上，一个WindowsWindows版本中的系统调用也许在另一个版本中的系统调用也许在另一个WindowsWindows版本中会在用户空