1、2018/10/21,1,第2章 操作系统的运行环境,2.1 硬件环境 2.2 操作系统与其他系统软件的关系 2.3 操作系统与人的接口 2.4 固件微程序设计概念,2018/10/21,2,2.1 硬件环境,中央处理器（CPU） 主存储器 缓冲技术 中断技术 时钟、时钟队列,2018/10/21,3,中央处理器（CPU）,单机系统：一个计算机系统只有一个处理器 多机系统：一个计算机系统有多个处理器 特权指令： 单用户、单任务方式下的微处理器 多用户的多道程序设计特权指令和非特权指令,2018/10/21,4,特权指令,指在计算机系统中那些只能由操作系统使用的指令，这些指令不允许一般用户使用。
2、 如：启动某设备指令、设置时钟指令、控制中断屏蔽的某些指令、清内存指令、建立存储保护指令等。 CPU如何知道是谁在执行操作？,2018/10/21,5,处理器的状态,核心状态 管理状态 用户程序状态（目标状态）,管态（管理态）可以执行全部指令 目态（问题态）只能执行非特权指令,2018/10/21,6,程序状态字PSW,程序状态字（PSW）：一个专门用来指示处理器状态的寄存器 处理器的状态 条件码反应指令执行后的结果特征 中断屏蔽码指出是否允许中断 CPU的工作状态管态还是目态,2018/10/21,7,程序状态字的内容,程序现在应该执行哪条指令 当前指令执行情况 机器处于何种程序状态 程序在
3、执行时应该屏蔽哪些中断 寻址方法、编址、保护键 响应中断的内容,2018/10/21,8,用户态自动转向管态,用户进程访问操作系统，要求操作系统的某种服务，这种访问称为管理程序调用 发生一次中断 在一个用户进程中产生一个错误状态，这种状态被处理为内部中断，并能用中断处理程序进行处理 在用户态下企图执行一条特权指令，这种企图可被看做是一中特殊类型的错误，并按上面一条处理。,2018/10/21,9,主存储器,存储器类型 读写型存储器 RAM 只读型存储器 ROM PROM EPROM,将常驻内存的模块以微程序形式固化在ROM中 IBM-PC中48KB=8KB(BIOS)+32KB(CBASIC)
4、 +8KB(供用户使用),存储器组织 bit, byte, word, block,2018/10/21,10,多级存储器体系,2018/10/21,11,存储保护,对主存中的信息严格保护，是操作系统和其他程序正确运行的基本条件之一。 常用的存储器保护机制 界地址寄存器（界限寄存器） 在CPU中设置一对界限寄存器来存放该作业在主存中的下限和上限地址 存储键 每个存储块有一个与其相关的由五位二进位组成的存储保护键 左边四位存储保护键 最右边一位取保护位,2018/10/21,12,IBM370存储保护举例,2018/10/21,13,缓冲技术,使用缓冲技术的原因：CPU处理数据速度与设备传输数据
5、速度不相匹配，用缓冲区来缓解这种速度矛盾 避免工作区被长期占用而使用户无法使用 为便于对缓冲区的管理，它往往与设备相联系，而不直接同用户相联系 减少输入输出次数，以减轻对通道和输入输出设备的压力 缓冲区信息可供多个用户共同使用和反复使用,2018/10/21,14,中断技术,中断的概念 中断逻辑与中断寄存器 中断类型 中断响应与中断屏蔽 中断处理,2018/10/21,15,中断的概念,中断：是指CPU对系统中发生的异步事件的响应。 异步事件：是指无一定时间关系的随机发生的事件。 中断事件、中断源、中断处理程序 中断的作用： 能充分发挥处理器的使用效率 提高系统的实时处理能力,2018/10/
6、21,16,中断类型,微型机中断类型 屏蔽中断（I/O中断） 不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断） 程序错误中断（溢出、除法错中断） 软件中断：Trap指令或中断指令 大型机中断类型 机器故障中断 输入输出中断 外部中断 程序中断 访管中断（自陷中断）自愿要求的,2018/10/21,17,中断响应(I),中断级、中断优先级 多级中断系统中，CPU接受优先级最高的中断（其优先级要高于当前程序的优先级） 同一级中的多个设备接口中同时都有中断请求时，采用 固定的优先数 轮转法,2018/10/21,18,中断响应(II),实质：交换指令执行地址和处理器状态，以达到如下目的： 保留程序断点及有关信
7、息 自动转入相应的中断处理程序执行,2018/10/21,19,CPU如何响应中断,何时响应：指令周期最后时刻接受中断请求 如何知道提出中断请求的设备或中断源 用软件指令去查询各设备接口 中断向量 大型机的中断优先级 机器故障中断 程序中断和访问管理程序中断 外部中断 输入输出中断,2018/10/21,20,中断屏蔽,有时在CPU上运行的程序，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。 大型机中，在PSW中设置中断屏蔽码 微型机中，PSW中建立中断禁止位,2018/10/21,21,中断处理,硬件和软件配合处理 IBM-PC的中断处理过程 将处理器的程序状态字PSW压
8、入堆栈 将指令指针IP和程序代码段基地址寄存器CS的内容压入堆栈，以保存被中断程序的返回地址 取来被接受的中断请求的中断向量地址，以便转入中断处理程序 按中断向量地址把中断处理程序的程序状态字取来，放入处理器的程序状态字寄存器中,2018/10/21,22,软硬件配合完成中断处理,硬件负责中断进入过程，即发现和响应中断请求，把中断的原因和断点记下来供软件处理时查用，同时负责引出中断处理程序； 中断分析、中断处理、恢复被中断程序的现场等工作则由软件的中断处理程序来完成。 保护现场和传递参数 执行相应的中断（自陷）服务例程 恢复和退出中断,2018/10/21,23,时钟、时钟队列,在多道程序运行
9、的环境中，它可以为系统发现一个陷入死循环的作业，从而防止机时的浪费； 在分时系统中，用间隔时钟来实现用户作业间按时间片轮转； 在实时系统中，按要求的时间间隔输出正确的时间讯号传递给一个实时控制设备； 定时的唤醒那些要求延迟执行的各个外部事件； 用作可编程的波特率发生器； 记录用户使用各种设备的时间； 记录某外部事件发生的时间间隔； 提供用户和系统所需要的绝对时间，即年、月、日。,2018/10/21,24,时钟分类,绝对时钟 记录当时的时间（年月日时分秒），以便打印统计报表和日记使用 间隔时钟 又称相对时钟 软时钟（虚拟时钟） 时钟数量终究是很少的 时钟队列,2018/10/21,25,2.2
10、操作系统与其他系统软件的关系,操作系统控制管理其他系统软件，并与其共同支持用户程序的运行提供了运行环境 操作系统的功能设计也受到这些系统软件功能强弱和完备与否的影响 操作系统中常用的软件技术 作业、作业步和进程的关系 重定位的概念 绝对装入程序和相对装入程序,2018/10/21,26,作业、作业步和进程的关系,用户要计算机为他工作的人 作业用户要求计算机给以计算（或处理）的一个相对独立的任务 作业步一个作业一般可以分成几个必须顺序处理的工作单位（或步骤） 进程一个作业步进一步细分为若干个作业步任务 线程进程内一个相对独立的、可调度的执行单元,2018/10/21,27,绝对地址、相对地址 和
11、逻辑地址空间,绝对地址存储控制部件能够识别的主存单元编号（或字节地址），也就是主存单元的实际地址 相对地址相对于某个基准量（通常为零）编址时所使用的地址（是使用于程序编写和编译中的地址系统） 逻辑地址空间一个被汇编、编译或连接装配后的目标程序所限定的地址的集合 为了在多道程序系统中研究如何把逻辑地址空间变换（映射）为实际的主存地址空间的子集，或者把某个相对地址映象为主存绝对地址。,2018/10/21,28,重定位,把程序中相对地址变换为绝对地址 程序装入举例 静态重定位 在程序装入主存时，由连接装入程序进行重定位 动态重定位 在处理器每次访问主存时，由动态地址变换机构（硬件）自动进行把相对地
12、址转换为绝对地址,2018/10/21,29,2018/10/21,30,作业A的逻辑地址空间,作业B的逻辑地址空间,0000h,0000h,0000h,0FFFh,1FFFh,FFFFh,作业B的物理地址空间,作业A的物理地址空间,1000h,2FFFh,5000h,5FFFh,2018/10/21,31,2.3操作系统与人的接口,用户程序 用户通过程序中的指令序列让机器为其完成要求的工作 在程序中用户也要求操作系统的某些功能模块给以服务 通过访管指令进入操作系统 作业控制说明 作业说明卡/书 键盘命令和图形用户接口(GUI),2018/10/21,32,作业控制方式,脱机作业控制：自动控制方式，为批处理的脱机用户提供的，如作业控制语言 联机作业控制：直接控制方式，为联机或终端用户提供的，如终端命令，图形用户接口GUI,2018/10/21,33,小结,硬件环境 CPU；主存储器；缓冲技术；中断技术；时钟、时钟队列 操作系统与其他系统软件的关系 作业、作业步和进程的关系；重定位的概念；绝对装入程序和相对装入程序 操作系统与人的接口 作业控制语言；联机作业控制（终端命令和图形用户接口）,
