操作系统教程(第三版) - 西祠胡同

2020年2月23日1时43分1CH2处理器管理2.1中央处理器2.2中断技术2.3进程的描述与控制2020年2月23日1时43分22.1中央处理器2.1.1中央处理器的含义2.1.2单处理器系统和多处理器系统2.1.3处理器的组成2.1.4特权指令与非特权指令2.1.5处理器状态2.1.6程序状态字寄存器2020年2月23日1时43分32.1.1中央处理器中央处理器是电子计算机内部完成指令读出、解释和执行的重要部件，简称CPU。由运算器和控制器组成，有时还包含了高速缓冲存储器。它是现代电子计算机的心脏。2020年2月23日1时43分42.1.2单处理器和多处理器系统单处理器系统：一个计算机系统只包括一个中央处理器；多处理器系统：一个计算机系统有多个中央处理器；2020年2月23日1时43分5从串行到并行早期计算机系统是基于单个处理器的顺序处理机器，程序员编写串行执行的代码，让其在处理器上串行执行。为了提高计算机处理速度，想到将多处理器引入计算机，并行处理指令的方法。2020年2月23日1时43分62.1.3处理器的组成(1)1.运算器CPU中的运算器包括算术逻辑单元（ALU），标志寄存器，累加器，寄存器组等•算术逻辑单元：是运算器的主要部件，完成指令系统所规定的各种运算；2020年2月23日1时43分7处理器的组成(2)寄存器组：包括通用寄存器组和专用寄存器组;通用寄存器组：CPU内部的高速数据暂存器；专用寄存器组：包括程序计数器，堆栈指示器，变址寄存器等；标志寄存器：也称程序状态字寄存器，存放反映运算结果的各种特征，如有无进位，是否溢出等；累加器ACC：参与运算、存放运算结果2020年2月23日1时43分8处理器的组成(3)处理器现场：计算机系统的寄存器个数根据机型的不同而不同，比主存容量小，但访问速度快，称一级存储。这组寄存器所存储的信息与程序的执行有很大关系，构成了处理器现场。2020年2月23日1时43分9处理器的组成(4)2.控制器CPU中的控制器主要包括指令寄存器，指令译码器和控制信号发生器，主要完成指令的翻译，并产生各种控制信号，执行相应的指令；2020年2月23日1时43分102.1.4特权指令与非特权指令从资源管理和控制程序执行的角度出发，必须把指令寄存器中的指令分作两部分：特权指令、非特权指令特权指令：只允许操作系统使用，不允许一般用户使用的指令。如启动I/O设备、设置时钟、加载PSW等；非特权指令：除特权指令之外的指令称为非特权指令；2020年2月23日1时43分112.1.5处理器的状态(1)中央处理器怎么知道当前是操作系统还是一般用户程序在运行呢?处理器状态标志属于程序状态字PSW的一位，可设置处理器成不同状态。大多数计算机系统将CPU执行状态分为管态和目态。2020年2月23日1时43分12管态：又叫特权态，系统态或核心态。CPU在管态下可以执行指令系统的全集，使用全部资源。通常，操作系统程序在管态下运行目态：又叫常态或用户态。CPU处于目态时，只能执行非特权指令。用户程序只能在目态下运行处理器的状态(2)如果用户程序在目态下执行特权指令，将发生执行中断，这样可以防止用户程序有意或无意地破坏系统；2020年2月23日1时43分13处理器的状态(3)从管态到目态可以通过修改PSW来实现，这将伴随由操作系统程序到用户程序的转换从目态转换为管态的唯一途径是中断2020年2月23日1时43分142.1.6程序状态字寄存器(1)PSW寄存器包括以下内容：程序基本状态：(1)下一条指令的地址；(2)条件码；(3）处理器状态；中断码：保存程序执行时当前发生的中断事件；中断屏蔽位：指明程序执行中发生中断事件时，是否响应出现的中断事件；2020年2月23日1时43分152.1.6程序状态字寄存器(2)PSW用来控制指令执行顺序、并保留和指示与程序有关的系统状态，主要作用是实现程序状态的保护和恢复；每个程序都有一个与其执行相关的PSW，每个处理器都设置一个PSW寄存器。程序占有处理器执行时，它的PSW将占有PSW寄存器；2020年2月23日1时43分162.2中断技术(1)2.2.1中断的概念2.2.2中断源分类2.2.3中断处理程序2.2.4中断响应2.2.5中断事件的具体处理方法2.2.6中断的优先级和多重中断2020年2月23日1时43分172.2.1中断的概念(1)中断是指程序执行过程中，当发生某个事件时，中止CPU上现行程序的运行，引出处理该事件的程序执行的过程。2020年2月23日1时43分18中断的概念(2)•请求系统服务•实现并行工作•处理突发事件都需要打断处理器正常的工作，为此，才提出了“中断”的概念2020年2月23日1时43分19中断的概念(3)中断源:引起中断的事件称为中断源；中断请求:中断源向CPU提出处理的请求；断点:发生中断时被打断程序的暂停点；中断响应:CPU暂停现行程序而转为响应中断请求的过程；中断处理程序:处理中断源的程序；中断处理:CPU执行有关的中断处理程序；中断返回:返回断点的过程；2020年2月23日1时43分20中断系统：中断的实现实行软件和硬件综合完成，硬件部分叫做中断装置，软件部分即中断处理程序。中断装置和中断处理程序统称为中断系统。中断的概念(4)2020年2月23日1时43分21中断的概念(5)中断装置：是发现中断源并产生中断的硬件，由中断逻辑线路和中断寄存器组成；其职能主要有两点：检查是否有中断事件发生；若有中断发生，启动操作系统的中断处理程序，保护好被中断程序的断点及现场信息，以便程序在适当时候能恢复运行；2020年2月23日1时43分22当中断事件发生后，它能改变处理器内操作执行的顺序，是现代操作系统实现并发性的基础之一中断的概念(6)2020年2月23日1时43分232.2.2中断源分类(1)按照中断源的自愿程度可以将中断源分成两类：•强迫性中断事件•自愿性中断事件2020年2月23日1时43分24中断源分类(2)强迫性中断事件不是正在运行的程序所期待的，而是由于某种事故或外部请求所引起的，它们是否发生，何时发生事先无法预料，因而运行程序可以在任意位置处被打断。分为：2020年2月23日1时43分25硬件故障中断事件：例如电源故障等；程序性中断事件：溢出、地址越界等；外部中断事件：时钟的定时中断、用户在控制台输入了一条命令等；输入输出中断事件：设备出错、传输结束等2020年2月23日1时43分26中断源分类(3)•自愿性中断事件是正在运行的程序所期待的事件正在运行的程序对操作系统有某种需求，一旦机器执行到一条指令（称“访管指令”）时，便自愿停止现行程序的执行而转入访管中断处理程序处理。2020年2月23日1时43分27中断源分类(4)两类中断事件运行程序中断处理程序中断装置机器故障中断事件程序性中断事件外部中断事件输入输出中断事件强迫性中断事件中断处理程序中断装置运行程序访管指令自愿性中断事件2020年2月23日1时43分28中断源分类(5)按照中断信号的来源，可把中断分为外中断和内中断两类：•外中断(又称中断)指来自处理器和主存之外的中断；•内中断(又称异常)指来自处理器和主存内部的中断；2020年2月23日1时43分29中断源分类(6)•外中断包括：电源故障中断、时钟中断、控制台中断、关机中断和I/O中断等•不同的外中断具有不同的中断优先级，处理高一级中断时，往往会屏蔽低级中断2020年2月23日1时43分30中断源分类(7)•内中断包括：通路校验错、主存奇偶错、非法操作码、地址越界、页面失效、调试指令、访管中断、算术操作溢出等各种程序性中断；2020年2月23日1时43分31中断源分类(8)按产生中断的设施来划分中断类型:中断和异常要通过硬件设施来产生中断请求，可看作硬中断不必由硬件发信号而能引发的中断称软中断软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，实现宏观上的异步执行效果2020年2月23日1时43分32中断源分类(9)软中断是由内核或进程对某个进程发出的中断信号，可看作内核与进程或进程与进程之间用来模拟硬中断的一种信号通信方式。2020年2月23日1时43分332.2.3中断处理程序中断处理程序主要工作：保护CPU现场；处理发生的中断事件；恢复正常操作；不同中断源对应不同的中断处理程序；2020年2月23日1时43分342.2.4中断响应（1）处理器总是按程序状态字寄存器中的PSW字的内容来控制程序的执行，所以，哪个程序的PSW在程序状态字寄存器中，处理器就一定执行哪个程序的指令。为了说明中断响应过程，区分三种PSW：1）当前PSW2）旧PSW3）新PSW2020年2月23日1时43分35中断响应过程：1）中断装置发现中断事件，将中断事件存入程序状态字寄存器中当前PSW的中断码位置上；2）根据发生的事件找出对应的旧PSW的存放位置，把当前的PSW保存到该位置上；3）找出对应的新PSW，将它送入程序状态字寄存器；中断响应（2）2020年2月23日1时43分364）保护被中断程序的现场信息把中断时的通用寄存器内容、控制寄存器内容以及已被中断装置保护的旧PSW保存到被中断程序的进程控制块中；5）分析中断原因通过分析PSW中的中断码，可知中断的具体原因；6）处理发生的中断事件针对不同事件，进行不同的中断处理；中断响应（3）2020年2月23日1时43分372.2.5自愿中断事件的处理方法自愿中断事件的处理用户程序执行访管指令而引起的中断，它表示运行程序对操作系统功能的调用，所以，也称“系统调用”，可以看作是机器指令的一种扩充。2020年2月23日1时43分38自愿中断事件的处理方法系统调用机制通过特殊指令和中断系统来实现。处理流程为：用户程序执行n号系统调用；通过中断系统进入访管中断处理；保护现场；通过系统调用入口表，按功能号跳转找到相应功能入口地址；执行相应例行程序，结束后正常情况返回原程序的下一条指令继续执行；2020年2月23日1时43分392.2.6中断优先级和多重中断1、中断的优先级2、如何确定中断的优先级?3、中断的屏蔽4、多重中断事件的处理5、定义中断优先级2020年2月23日1时43分40中断优先级和多重中断1、中断的优先级计算机执行的每一瞬间，可能有几个中断事件同时发生，中断装置如何来响应同时发生的中断呢?按照预定顺序来响应，这个预定顺序称中断的优先级2020年2月23日1时43分41中断优先级和多重中断2、如何确定中断的优先级?计算机系统中，各中断源的优先顺序是根据某个中断源或中断级若得不到及时响应，造成计算机出错的严重性程度来定。2020年2月23日1时43分42中断优先级和多重中断一般来讲，中断优先级由高到低的顺序是：硬件故障中断→自愿性中断→程序性中断→外部中断→输入输出中断2020年2月23日1时43分43中断优先级和多重中断3、中断的屏蔽指程序提出中断请求后，CPU不予响应的状态。常常用来在处理某一中断请求时防止同级中断的干扰或在处理一段不可分割，必须连续执行的程序时防止任何中断事件的干扰。如允许或禁止所有的I/O中断、一些外部中断等通过设程序状态字中的状态屏蔽位标志2020年2月23日1时43分44中断优先级和多重中断通常，中断处理程序只屏蔽比自己级别低的中断事件。自愿性访管中断不能被屏蔽电源断电中断不能被屏蔽2020年2月23日1时43分45中断优先级和多重中断4、多重中断中断正在进行处理期间，这时CPU又响应了新的中断事件，于是暂时停止正在运行的中断处理程序，转去执行新的中断处理程序，这就叫多重中断（又称中断嵌套）。2020年2月23日1时43分46中断优先级和多重中断5、中断优先级对优先级更高的中断源，允许在运行中断处理程序时，可响应这些中断，系统负责保护被中断的中断处理程序的现场，再转向处理新中断的中断处理程序