计算机操作系统 第二讲 操作系统的硬件环境

第2讲操作系统的硬件环境主要讨论操作系统对运行硬件环境的要求•操作系统运行的硬件环境组成•中央处理器•存储系统•中断机制•I/O系统•时钟以及时钟队列一、概述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OS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的计算机基本结构、操作系统管理的重要资源1、中央处理器（CPU）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。-硬件机制使得OS可以和普通程序隔离实现保护和控制2、存储系统•分层的存储体系结构•存储保护能力，为实现用户程序虚拟地址空间隔离和保护提供基础•有效管理各种存储设备3、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•它使得OS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•防止用户程序中破坏性的活动等等4、I/O机制I/O机制•操作系统管理各种系统设备的基础设施5、时钟时钟用于：•OS定时•OS多道运转能力的推动力量二、BIOS（基本输入输出系统）概览1、打开电源2、CPU将控制权交给BIOS3、BIOS运行一个程序：通电自测试程序4、BIOS确认所有外部设备：硬盘或扩充卡5、BIOS确定主引导程序或初始程序加载（IPL）设备的位置6、BIOS建立系统资源表7、选择并启用初始输入设备（键盘）和输出设备（显示器）。BIOS在上次成功启动时俘获这些设置，并存储到NVR中8、搜索非PnP设备，如外部设备互连（PCI）总线，并将这些设备的ROM的数据添加到资源表中9、BIOS解决设备冲突，并配置选择的引导设备10、通过用适当参数呼叫PnP设备的任选ROM来启动这些设备11、启动引导装入程序12、IPL设备将操作系统装到存储器中13、BIOS将控制权交给操作系统，操作系统可以进行其他资源的分配BIOS主存CPUSRTNVRPCI总线PnP非PnP电源外存I/O设备扩充设备12345678910111213三、中央处理器（CPU）单机与多处理器系统•如果一个计算机系统只有一个处理器，称之为单机系统•如果有多个处理器称之为多处理器系统指令系统•早期的微处理器，指令系统的功能相对来说比较弱。•当代的微处理器，结构非常复杂1、CPU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•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•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：MemoryManagementUnit）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的效率处理器中的寄存器•寄存器提供了一定的存储能力•速度比主存储器快得多•但是造价高，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OS的特权代码使用,以控制其它程序的执行用户可见寄存器•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•数据寄存器（dataregister）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（addressregister）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indexregister、segmentpointer、stackpointer•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、符号等等控制和状态寄存器•用于控制处理器的操作•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）下访问常见的控制和状态寄存器:•程序计数器（PC：ProgramCounter），记录将要取出的指令的地址•指令寄存器（IR：InstructionRegister），包含最近取出的指令•程序状态字（PSW：ProgramStatusWord），记录处理器的运行模式信息等等指令执行的基本过程-1两个步骤：•先从存储器中每次读取一条指令•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•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，自增1•取到的指令放在指令寄存器中•处理器解释并执行所要求的动作指令执行的基本过程-25类指令•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）：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•处理器控制指令：修改处理器状态，改变处理器工作方式例子地址指令2000h：MOVE[3340h],R12004h：ADDR1,12008h：MOVER1,[3340h]……经过3个取指周期和3个执行周期程序达到预想的效果2、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•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–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•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管态：操作系统管理程序运行的状态，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，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）三种实例：x86系列处理器-1•386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别（特权环：R0、R1、R2和R3）•从R0到R3特权能力依次降低•R0相当于双状态系统的目态•R3相当于管态•R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：3210RRRRIIII各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制）特权级别之间的转换方式不尽相同四个级别运行不同类别的程序：•R0-运行操作系统核心代码•R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程•R2-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境•R3-运行各种用户程序现有基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别实例：x86系列处理器-2管态和目态的差别处理器处于管态时：•全部指令（包括特权指令）可以执行•可使用所有资源•并具有改变处理器状态的能力处理器处于目态时：•只有非特权指令能执行特权级别不同，可运行指令集合也不同特权级别越高，可以运行指令集合越大高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的4、程序状态字PSW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，PSW(ProgramStatusWord):•CPU的工作状态码——指明管态还是目态，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殊权力•条件码——反映指令执行后的结果特征•中断屏蔽码——指出是否允许中断例:微处理器M68000的程序状态字1514131211109876543210TSI2I1I0XNZVC条件位：C：进位标志位V：溢出标志位Z：结果为零标志位N：结果为负标志位I0–I2：三位中断屏蔽位S：CPU状态标志位，为1处于管态，为0处于目态T：陷阱（Trap）中断指示位为1，在下一条指令执行后引起自陷中断CPU状态的转换目态--管态其转换的唯一途径是通过中断管态--目态可用设置PSW(修改程序状态字)可实现四、存储系统支持OS运行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主存储器（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•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1、存储器的类型两类存储器：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的一种存储器•常被称为随机访问存储器（RAM：RandomAccessMemory）•RAM主要用作存放随机存取的程序的数据只读型的存储器:•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（ROM：Read-OnlyMemory）变型:PROM和EPROM•PROM:一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入数据•EPROM:用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去”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ROM中如:PCBIOS和CBASIC解释程序被固化于ROM中2、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•容量：需求无止境•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容量、速度和成本•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•容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢解决方案：采用层次化的存储体系结构•当沿着层次下降时•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层次化的存储体系结构存储访问局部性原理提高存储系统效能关键点：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•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设计多级存储的体系结构原则：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：•第I级包含1KB，存取时间为0.1μs•第II级包含1MB，存取时间为1μs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ssss15.011.005.01.095.0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•存储最小单位:“二进位”，包含信息为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–主存:128MB～512MB之间–辅助存储器:在20GB～70GB工作站、服务器–主存:512MB~4GB之间–硬盘容量:数百GB为简化分配和管理，存储器分成块,称一个物理页（Page）•块的大小：512B、1K、4K、8K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：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）•存储键•地址转换界地址寄存器（界限寄存器）•界地址寄存器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：•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）•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•如果未越