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of Operating System,第 一 章,操作系统引论,操作系统是计算机的大脑、,中枢神经、,是计算机的灵魂。你想了解,计算机的中枢神经是怎样工作的,吗？,本章讨论的问题,冯,诺依曼型计算机体系结构,指令执行的基本过程,与操作系统相关的几种主要寄存器,各种存储器的访问速度,关于操作系统内核,关于中断,关于处理机指令系统,关于进程运行的状态,为什么要学习“操作系统”,操作系统,OS,（,Operating System,）是最重要的系统软件，在计算机系统中占据了,特殊重要的地位,。,1.OS,是配置在计算机硬件上的第一 层软件，是对计算机硬件的首次扩充。,2.,所有的计算机软件都必须在操作系统 的支持下才能运行。,用户程序,系统应用程序,操作系统,裸机,操作系统,计算机的五代变化,第一代为,19461957,年，电子管计算机：数据处理；,第二代为,19581964,年，晶体管计算机：工业控制；,第三代为,19651971,年，中小规模集成电路计算机：小型计算机；,第四代为,19721990,年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机；,第五代为,1991,年开始，巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现。,基本组成,控制器：人的大脑的操作控制功能,运算器：人的大脑的计算功能,存储器：人的大脑记忆功能,输入设备：交互接口，笔,输出设备：交互接口，纸,冯,诺依曼型计算机,存储程序,并,按地址顺序执行,-,这就是,冯,诺依曼,型计算机的设计思想，也是机器,自动化,工作的关键。,五大部件：,控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备,以运算器为中心,指令的执行,执行指令的基本过程分为两步，即,:,从内存把,指令读入的过程和执行的过程,。,其中，读指令是根据程序计数器,PC,所指的地址读入，而执行的指令则是指令寄存器,IR,中的指令。,我们把指令的读入和执行过程称为一个执行周期。,图,指令的执行周期,图,计算机的基本硬件元素,图 控制器基本组成框图,11,与操作系统相关的几种主要寄存器,寄存器,与操作系统密切相关，因为它们是,在处理机中交换数据的速度比内存更快、体积也更小，而价格又更贵的暂存器件。,处理机中,寄存,的功能分为,二,类，即,用户可编程的寄存器,以及,控制与状态寄存器,。,机器语言或汇编语言的程序员可对,用户可编程寄存器,进行操作，以获得更高的执行效率等。,控制与状态寄存器,则被用来对处理机的优先级、保护模式或用户程序执行时的调用关系等进行控制和操作。,一般来说，用户可编程寄存器和控制与状态寄存器之间没有严格的区分和限制，在不同的系统中，寄存器的功能和作用可能不完全相同。,典型的用户可编程寄存器包括以下几种：,1.,数据寄存器,编程人员可以通过程序赋予数据寄存器众多的功能。一般来说，对数据进行操作的任何机器指令都被允许访问数据寄存器。不过，根据硬件设置的规定，这些寄存器也可能只被允许进行浮点运算或被其他某些规定所限制。,2.,地址寄存器,地址寄存器一般用来存放内存中某个数据或指令的地址，或者存放某段数据与指令的入口地址以及被用来进行更复杂的地址计算。下面几种寄存器都可被认为是地址寄存器：,(1,）地址标识位寄存器；,(2,）内存管理用各种始地址寄存器；,(3,）堆栈指针；,(4,）设备地址寄存器等。,3.,条件码寄存器,条件码寄存器也称标志寄存器。条件码寄存器的比特位由处理机硬件设置。,典型的控制与状态寄存器包括以下几种：,4.,程序计数器,PC,程序计数器内装有下一周期被执行指令的地址。,5.,指令寄存器,IR,指令寄存器内装有待执行指令。,6.,程序状态字,PSW,程序状态字寄存器的各个比特位代表系统中当前的各种不同状态与信息。如执行模式是否允许中断等。,7.,中断现场保护寄存器,如果系统允许不同类型的中断存在，则会设置一组中断现场保护寄存器以便保存被中断程序的现场和链接中断恢复处。,8.,过程调用用堆栈,堆栈被用来存放过程调用时的调用名、调用参数、以及返回地址等。,寄存器被广泛应用于计算机系统中，它们与操作系统有着非常直接和密切的关系。操作系统设计人员只有在完全掌握和了解硬件厂商所提供的各种寄存器的功能和接口之后，才能进行操作系统设计。,关于程序状态字,PSW,任何程序运行时都有反映其运行状态的一组信息，这组信息集中在一起成为程序状态字,(PSW).,程序状态字是反映程序执行时机器所处的现行状态的代码，并存放在特定的寄存器中，其主要内容包括：,1.,程序当前应执行的指令；,2.,当前指令执行情况；,3.,处理机所处的状态；,4.,程序在执行时应屏蔽的中断；,5.,寻址方法，编址，保护键；,6.,响应中断的内容,。,程序状态字如何存放，不同的机器有不同做法。大型机往往存放在一个称为程序状态字（双字）的寄存器中。而小型机或微机则放在两个寄存器中：指令计数,PC,和 处理机状态寄存器,PS.,存储器的层次结构与访问速度,一般来说，容量越大的存储介质，访问速度会越慢，但单位存储的成本越低。,例如，光盘和磁带。反过来说，如果存储介质的访问速度越高，则它的成本也会越高，例如寄存器。,存储介质的访问速度,典型存储时间,典型容量,1ns,1KB,2ns,32MB,10ns,128MB64GB,10ms,40GB-2TB,100ms100s,20500G,2.3,进程控制（二）,内核是,OS,的控制和协调中心，由它组织，启动和协调系统中各种活动。通常由各种原语构成。,操作系统内核,内核是,OS,中最重要最核心的部分。,OS,的内核紧靠硬件，由那些使用频率高，与硬件紧密相关的模块构成；如中断处理程序，设备驱动程序等。,2.3,进程控制（三）,二,.,内核的功能,1,）中断处理,中断是,OS,内核最重要的功能之一。系统中的所有中断 都由内核响应。中断是进程并发执行的基础，,OS,是由中断驱动的。,2,）原语操作,原语操作包括涉及,CPU,管理，,进程,管理，,存储,管理，,设备,管理，,文件,管理以及起支撑功能的系统,统计,和,监测,的各种,基本操作。,3),时钟管理,OS,的许多重要操作，如：按时间片轮转调度，实时系统中的截止时间控制等，都依赖于时钟管理。,操作系统的内核,Linux,单内核结构,用户态,系统库,(,函数库,),应用程序,系统调用接口,模块,内核,(,进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、网络管理,),设备,驱动,计算机硬件,核心态,单内核,操作系统提供的用户接口,UNIX/Linux系统程序、库函数、系统调用分层关系,用户,操作系统,(,进程管理、存储管理、文件管理、设备管理等,),标准库函数,(,打开、关闭、读、写、创建、撤销等,),标准系统程序,(,实用程序,),(,汇编、编译、编辑、,Shell,等,),用户接口,库函数,接口,系统调用,接口,硬件,(,处理器、存储器、磁盘、打印机、终端等,),用,户,态,核,心,态,操作系统提供的程序接口,应用程序、库函数、系统调用的调用关系链,调用,fprintf(),应用程序,C,函数库,内核,系统调用处理程序,C,库中的,fprintf(),封装程序,C,库中的,write(),封装程序,用户态,核心态,sys_write(),内核函数,中断的定义,中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止,CPU,上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程。,请求系统服务，,实现并行工作，,处理突发事件，,满足实时要求，,都需要打断处理器正常的工作，为此提出了中断概念。,中 断 源,引起中断的异步事件（如：系统调用，,I/O,请求，,系统时钟，,进程调度，设备驱动，文件,处理,故障源,指令运行出错,等）。,中断请求,向,CPU,发出中断信号。,中断响应,CPU,停止执行当前进程，分辨中断请求的类型。,中断处理,CPU,将请求交相关的中断处理程序处理。,中断返回,众多处理结束，返回断点。,现场,进入中断服务程序之前,CPU,各个寄存器的状态,.,内核对中断的,有限,处理方式,中断源,中断请求,中断响应,转中断,处理程序,退出中断,向,CPU,保护,CPU,现场,识别中断源,恢复,CPU,现场,IBM PC,机中断的响应过程,IP,CS,PSW,现行,PSW,寄存器,新,IP,新,CS,老,IP,老,CS,老,PSW,新栈顶,主存,新,PSW,中断源分类,(1),强迫性中断事件,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信息所引起的，分为：,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,。,自愿性中断事件,自愿性中断事件是正在运行的程序所期待的事件。,按中断事件的性质和激活方式划分,运行程序,中断处理,程序,中断装置,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,
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