第第二二章章 操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境讨论操作系统对运行硬件环境的要求讨论操作系统对运行硬件环境的要求 了解了解OS设计者所面对的硬件设计者所面对的硬件n操作系统运行的硬件环境组成操作系统运行的硬件环境组成n中央处理器（中央处理器（CPUCPU）n存储系统存储系统n中断机制中断机制nI/O系统系统n时钟以及时钟队列时钟以及时钟队列n缓冲技术缓冲技术n总线总线1概述概述任何系统软件都是硬件功能的延伸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操作系统直接依赖于硬件条件OS的硬件环境的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结以较分散的形式同各种管理相结合合 实现操作系统时必须理解的实现操作系统时必须理解的 计算机基本结构计算机基本结构 操作系统管理的重要资源操作系统管理的重要资源2系统引导系统引导n每个计算机系统都有一个“引导程序”（或称初启程序）n当接通计算机电源或重新启动系统时，计算机系统立即自动执行“引导程序”n“引导程序”的工作：进行系统初始化工作，然后把操作系统的核心程序装入主存，等待某个事件发生n当有某个事件出现，操作系统的服务程序就要处理它，处理结束后，又等待下一个事件的发生。
计算机系统中会有许多不同类型的事件发生，对所发生的事件均有硬件识别且触发一个中断，把控制转移给操作系统的某个服务程序3简单的个人计算机中的部件简单的个人计算机中的部件MonitorBus4一、中央处理器（一、中央处理器（CPU）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，能在不同特权级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运行的各种特权指令-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 实现保护和控制实现保护和控制51、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n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n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6n寄存器是指令在寄存器是指令在CPUCPU内部作处理的过程中暂存数据、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在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度n高速缓存处于高速缓存处于CPUCPU和物理内存之间和物理内存之间 一般由控制器中的内存管理单元（一般由控制器中的内存管理单元（MMUMMU：Memory Memory Management UnitManagement Unit）管理）管理 访问速度快于内存，低于寄存器访问速度快于内存，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，从而提高访问得以匹配，从而提高CPUCPU的效率的效率7处理器中的寄存器处理器中的寄存器n寄存器提供了一定的存储能力寄存器提供了一定的存储能力n速度比主存快得多速度比主存快得多n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：n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，以减少程序访问主存次数配并使用之，以减少程序访问主存次数n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OS的特权代码使用的特权代码使用,以控制其它程序的执行以控制其它程序的执行8用户可见寄存器用户可见寄存器n机器语言直接引用机器语言直接引用n包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器n数据寄存器数据寄存器（data 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n地址寄存器地址寄存器（address register）用于存储数据及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。
如某种特定方式的寻址如index register、segment pointer、stack pointern条件码寄存器保存条件码寄存器保存CPU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9控制和状态寄存器控制和状态寄存器n用于控制处理器的操作用于控制处理器的操作n大部分对于用户是不可见的大部分对于用户是不可见的n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OS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:n程序计数器程序计数器（PC：Program Counter），记录将要取出的，记录将要取出的指令的地址指令的地址n指令寄存器指令寄存器（IR：Instruction Register），包含最近取出的，包含最近取出的指令指令n程序状态字程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器，记录处理器的运行模式信息等等的运行模式信息等等10指令执行的基本过程指令执行的基本过程（1）两个步骤：两个步骤：n先从存储器中每次读取一条指令先从存储器中每次读取一条指令n然后执行这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，程序才停止仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止11n每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的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指令地址从存储器中取一条指令n在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器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，自增的值变成下条指令的地址，自增1 1n取到的指令放在指令寄存器中取到的指令放在指令寄存器中n处理器解释并执行所要求的动作处理器解释并执行所要求的动作指令执行的基本过程指令执行的基本过程（2）125类指令类指令n访问存储器指令：访问存储器指令：处理器和存储器间数据传送处理器和存储器间数据传送nI/O指令：指令：处理器和处理器和I/O模块间数据传送和命令发送模块间数据传送和命令发送n算术逻辑指令（数据处理指令）：算术逻辑指令（数据处理指令）：执行数据算术和逻辑操作执行数据算术和逻辑操作n控制转移指令：控制转移指令：指定一个新的指令的执行起点指定一个新的指令的执行起点n处理器控制指令：处理器控制指令：修改处理器状态，改变处理器工作方式修改处理器状态，改变处理器工作方式132、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n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权指令和非特权指令n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n 处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运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）行的特权状态（管态）n 然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一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个过程称为陷入 CPUCPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？有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赖于处理器状态的标识143、处理器的状态、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，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）三种程序状态（目标状态）三种15实例：实例：x86系列处理器（系列处理器（1）n386、486、Pentium系列都支持系列都支持4个处理器特权个处理器特权级别（特权环：级别（特权环：R0、R1、R2和和R3）n从从R0到到R3特权能力依次降低特权能力依次降低nR0相当于双状态系统的管态相当于双状态系统的管态nR3相当于目态相当于目态nR1和和R2则介于两者之间，它们能够运行的指则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系：令集合具有包含关系：3210RRRRIIII16各个级别有保护性检查（地址校验、各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制）限制）特权级别之间的转换方式不尽相同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：四个级别运行不同类别的程序：nR0-运行操作系统核心代码运行操作系统核心代码nR1-运行关键设备驱动程序和运行关键设备驱动程序和I/O处理例程处理例程nR2-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境nR3-运行各种用户程序运行各种用户程序现有基于现有基于x86处理器的操作系统，多数处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及以及Windows系列大都只用了系列大都只用了R0和和R3两个特权级别两个特权级别实例：实例：x86系列处理器（系列处理器（2）17管态和目态的差别管态和目态的差别处理器处于管态时：处理器处于管态时：n全部指令（包括特权指令）可以执行全部指令（包括特权指令）可以执行n可使用所有资源可使用所有资源n并具有改变处理器状态的能力并具有改变处理器状态的能力处理器处于目态时：处理器处于目态时：n只有非特权指令能执行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高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的184、程序状态字、程序状态字PSW在在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令的中专门设置一位，根据运行程序使用指令的权限而设置，权限而设置，PSW(Program Status Word):nCPU的工作状态码的工作状态码指明管态还是目态，用来指明管态还是目态，用来说明当前在说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用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它的特殊权力n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n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19例例:微处理器微处理器M68000的程序状态字的程序状态字1514131211109876543210TSI2I1I0XNZVC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20CPU状态的转换状态的转换目态目态-管态管态 其转换的唯一途径是通过中断其转换的唯一途径是通过中断管态管态-目态目态 可用设置可用设置PSW(PSW(修改程序状态字修改程序状态字)可实现可实现21二、二、存储系统存储系统支持支持OS运行硬件环境的一个重要方面：运行硬件环境的一个重要方面：n作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行n多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入主存储器储器n操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受到破坏到破坏n操作系统本身也要存放在主存储器中并运行操作系统本身也要存放在主存储器中并运行 221、存储器的类型存储器的类型两类存储器：读写型的存储器两类存储器：读写型的存储器 只读型的存储器只读型的存储器读写型的存储器读写型的存储器n可把数据存入其中任一地址单元，并可在以后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据的一种存储器n常被称为随机访问存储器常被称为随机访问存储器（RAM：Random Access Memory）nRAM主要用作存放随机存取的程序的数据主要用作存放随机存取的程序的数据23只读型的存储器只读型的存储器:n只能从其中读取数据，但不能随意用普通方法写入数据（写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）入数据只能用特殊方法）n称为只读存储器称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory）变型变型：PROM和和EPROMnPROM：一种可编程只读存储器，使用特殊一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写写入器写入数据入数据nEPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片，以用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去擦去”信息，信息，恢复原来状态，然后使用特殊恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器写入数据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在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在ROM中中如如:PC BIOS和和CBASIC解释程序被固化于解释程序被固化于ROM中中242、存储器的层次结构、存储器的层次结构存储系统设计三个问题：存储系统设计三个问题：容量、速度和成本容量、速度和成本n容量：需求无止境容量：需求无止境n速度：能匹配处理器的速度速度：能匹配处理器的速度n成本问题：成本和其它部件相比应在合适范围成本问题：成本和其它部件相比应在合适范围之内之内25容量、速度和成本容量、速度和成本n三个目标不可能同时达到最优，要作权衡三个目标不可能同时达到最优，要作权衡n存取速度快，每比特价格高存取速度快，每比特价格高n容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢容量大，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解决方案：采用层次化的存储体系结构n当沿着层次下降时当沿着层次下降时n每比特的价格将下降，容量将增大每比特的价格将下降，容量将增大n速度将变慢，处理器的访问频率也将下降速度将变慢，处理器的访问频率也将下降26层次化的存储体系结构层次化的存储体系结构27存储访问局部性原理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提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性原理n程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入程序执行时，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这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合n对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保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在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变28设计多级存储的体系结构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：假设两级存储器：n第第I I级包含级包含1KB1KB，存取时间为，存取时间为0.10.1ssn第第IIII级包含级包含1MB1MB，存取时间为，存取时间为1 1ss存取存取I I级中的内容，直接存取级中的内容，直接存取存取存取IIII级，首先被转移到级，首先被转移到I I级，然后再存取级，然后再存取假设确定内容所在位置时间可以忽略假设确定内容所在位置时间可以忽略若在若在I I级存储器中发现存取对象的概率是级存储器中发现存取对象的概率是95%95%，则平均访，则平均访问时间为：问时间为：结果非常接近结果非常接近I I级存储的存取时间级存储的存取时间ssss15.011.005.01.095.029T1T1：I I级存储器的存取时间级存储器的存取时间T2T2：IIII级存储器的存取时间级存储器的存取时间一个简单二级存储系统的性能一个简单二级存储系统的性能303、存储分块、存储分块n存储最小单位存储最小单位:“二进位二进位”，包含信息为，包含信息为0 0或或1 1n最小编址单位最小编址单位:字节，一个字节包含八个二进位字节，一个字节包含八个二进位主流个人电脑主流个人电脑n主存主存:128MB:128MB512MB512MB之间之间n辅助存储器辅助存储器:在在20GB20GB70GB70GB工作站、服务器工作站、服务器n主存主存:512MB:512MB 4GB 4GB之间之间n硬盘容量硬盘容量:数百数百GBGB为简化分配和管理，存储器分成块为简化分配和管理，存储器分成块,称一个物理页（称一个物理页（PagePage）n块的大小：块的大小：512B512B、1K1K、4K4K、8K8K314 4、存储保护设施、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它程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一多用户多用户,多任务操作系统：多任务操作系统：OS OS给每个运行进程分配一个存储区域给每个运行进程分配一个存储区域问题：问题：多个程序同时在同一台机器上运行多个程序同时在同一台机器上运行 怎样才能互不侵犯？怎样才能互不侵犯？32保护的硬件支持保护的硬件支持为了保证软件程序只影响程序的内部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：硬件可提供如下功能：n界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器（界限寄存器）n存储键存储键n地址转换地址转换33界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器（界限寄存器）n界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术n机制比较简单，易于实现机制比较简单，易于实现实现方法：实现方法：n在在CPUCPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器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存放用户作业在主存中的下限和上限地址n也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为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）限长寄存器（指示存储区长度）n每当每当CPUCPU要访问主存，硬件自动将被访问的主存地址与要访问主存，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，以判断是否越界界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界n如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中断中断越界中断（存储保护中断）越界中断（存储保护中断）34界地址寄存器界地址寄存器存储保护技术存储保护技术35存储键存储键n每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键n一用户作业被允许进入主存，一用户作业被允许进入主存，OSOS分给它一个唯分给它一个唯一的存储键号一的存储键号n并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样键号键号n当当OSOS挑选该作业运行时，挑选该作业运行时，OSOS将它的存储键号放将它的存储键号放入程序状态字入程序状态字PSWPSW存储键（存储键（“钥匙钥匙”）域中）域中n每当每当CPUCPU访问主存时，都将该主存块的存储键访问主存时，都将该主存块的存储键与与PSWPSW中的中的“钥匙钥匙”进行比较进行比较n如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警36地址转换地址转换同时有多个程序在内存同时有多个程序在内存程序在内存的位置不是固定的而是随机的程序在内存的位置不是固定的而是随机的37CPUTranslation Box (MMU)虚拟地址虚拟地址物理地址物理地址物理空间物理空间数据读或写数据读或写（不需转换）（不需转换）现代体系结构中的地址转换现代体系结构中的地址转换38codedataheapstack程序2虚地址空间data2stack1code1heap1code2stack2data1heap2OS codeOS dataOS heap&stacks程序 1虚地址空间codedataheapstack内存内存地址转换地址转换39三、三、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所以有人把操作系统称为是由所以有人把操作系统称为是由 “中断驱动中断驱动”或者或者 “（中断）事件驱动（中断）事件驱动”40中断机制中断机制 中断机制中断机制是操作系统得以正常工作的最重要的是操作系统得以正常工作的最重要的手段手段n它使得它使得OS可以捕获普通程序发出的系统功能调可以捕获普通程序发出的系统功能调用用n及时处理设备的中断请求及时处理设备的中断请求n防止用户程序中破坏性的活动等等防止用户程序中破坏性的活动等等41什么是中断什么是中断?n指指CPUCPU对系统中或系统外发生异步事件的响应对系统中或系统外发生异步事件的响应n异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等“中断中断”名称源于：名称源于：n当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行n而转去处理该异步事件而转去处理该异步事件n直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行1、中断的概念、中断的概念42中断定义中断定义nCPUCPU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nCPUCPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回去执行相应事件的处理程序，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43从用户角度看中断从用户角度看中断44引入中断的目的引入中断的目的n解决主机与外设的并行工作问题解决主机与外设的并行工作问题n提高可靠性提高可靠性n实现多机联系实现多机联系n实现实时控制实现实时控制特点：特点：1)1)中断随机的中断随机的 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45n中断源：引起中断发生的事件中断源：引起中断发生的事件n中断寄存器：记录中断中断寄存器：记录中断n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，用于临时保存现场在内存开辟的一块区域，用于临时保存现场中断系统的概念中断系统的概念46中断类型（中断类型（1 1）强迫性中断强迫性中断 正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障或外部请求引起的或外部请求引起的自愿性中断自愿性中断 用户在程序中有意识安排的中断，是由于用户在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因为要求操作系统提供服务，有意使编制程序时因为要求操作系统提供服务，有意使用用“访管访管”指令或系统调用，使中断发生指令或系统调用，使中断发生47中断类型中断类型（2）强迫性中断强迫性中断n输入输入/输出输出(I/O)(I/O)中断：主要来自外部设备通道中断：主要来自外部设备通道n程序性中断：运行程序中本身的中断程序性中断：运行程序中本身的中断(如溢出如溢出,缺页中断缺页中断,缺段中断缺段中断,地址越界地址越界)n时钟中断时钟中断n控制台中断控制台中断n硬件故障硬件故障48中断类型中断类型（3）自愿性中断自愿性中断n执行执行I/OI/O，创建进程，分配内存，创建进程，分配内存n信号量操作，发送信号量操作，发送/接收消息接收消息49微机中的中断微机中的中断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）50IBM370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.外部中断：时钟中断，操作员控制台中断，多机系统外部中断：时钟中断，操作员控制台中断，多机系统中其它机器的通信要求中断，各种外设或传感器发来中其它机器的通信要求中断，各种外设或传感器发来的实时中断等的实时中断等4.4.程序中断：程序中的问题引起的中断，如错误地使用程序中断：程序中的问题引起的中断，如错误地使用指令或数据、溢出等问题，存储保护等指令或数据、溢出等问题，存储保护等5.5.访管中断：访管指令或陷阱指令（访管中断：访管指令或陷阱指令（TrapTrap指令）中的操指令）中的操作数规定了要求服务的类型。
每当作数规定了要求服务的类型每当CPUCPU执行访管指令或执行访管指令或陷阱指令时，即引起中断并调用操作系统相应的功能陷阱指令时，即引起中断并调用操作系统相应的功能模块为其服务模块为其服务512、中断系统中断系统中断系统的两大组成部分：硬件中断装置和软件中断处理程序中断系统的两大组成部分：硬件中断装置和软件中断处理程序n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，以一定方式响应中断源，负责捕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处理程序然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序n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52中断装置的基本功能中断装置的基本功能n提供识别中断源的方法提供识别中断源的方法n提供查询中断状态的方法，通常使用一个寄存器存储提供查询中断状态的方法，通常使用一个寄存器存储有关中断的状态信息，称为中断字有关中断的状态信息，称为中断字n提供中断现场保护的能力提供中断现场保护的能力n提供中断处理程序寻址能力，找到恰当的中断处理程提供中断处理程序寻址能力，找到恰当的中断处理程序序n具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表（中断向量表射表（中断向量表)等数据结构和它们在主存中的位等数据结构和它们在主存中的位置，以辅助置，以辅助OS定制中断处理策略和中断调度机制定制中断处理策略和中断调度机制533、中断逻辑与中断寄存器（、中断逻辑与中断寄存器（1）如何接受和响应中断源的中断请求，因机器而异如何接受和响应中断源的中断请求，因机器而异如，在如，在PCPC中中:n有可屏蔽的中断请求有可屏蔽的中断请求INTR:INTR:主要是输入输出设备的主要是输入输出设备的I/OI/O中断中断,通过建立在通过建立在PSWPSW中的中断屏蔽位加以屏蔽，即使再有中的中断屏蔽位加以屏蔽，即使再有I/OI/O中中断，处理器也不响应断，处理器也不响应n不可屏蔽的中断请求不可屏蔽的中断请求:属于机器故障中断，包括内存奇偶校属于机器故障中断，包括内存奇偶校验错以及掉电等中断源验错以及掉电等中断源n程序中的问题所引起的中断（如溢出、除法错都可以引起程序中的问题所引起的中断（如溢出、除法错都可以引起中断）和软件中断等中断）和软件中断等由于可能有很多中断源请求同时发生由于可能有很多中断源请求同时发生由中断逻辑按中断优先级加以判定响应哪个中断请求由中断逻辑按中断优先级加以判定响应哪个中断请求54中断寄存器：中断寄存器：n有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号有的计算机中，为了区分和不丢失中断信号 对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断信号对应每个中断源分别用一固定触发器寄存中断信号 规定值为规定值为1 1时，表示有中断信号，为时，表示有中断信号，为0 0时表示无时表示无n这些触发器的全体称为中断寄存器这些触发器的全体称为中断寄存器n每个触发器称为一个中断位每个触发器称为一个中断位n所以中断寄存器是由若干个中断位组成所以中断寄存器是由若干个中断位组成 中断逻辑与中断寄存器（中断逻辑与中断寄存器（2）55处理器如何发现中断信号？处理器如何发现中断信号？处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构 称为中断扫描机构称为中断扫描机构n在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号询问是否有中断信号n若无中断信号，继续执行下一条指令若无中断信号，继续执行下一条指令n若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入码送入PSWPSW的相应位，称为中断码的相应位，称为中断码中断逻辑与中断寄存器（中断逻辑与中断寄存器（3）564、多级中断和中断屏蔽多级中断和中断屏蔽多级中断：多级中断：n多数微型处理器有着多级中断系统，可以有多根中断多数微型处理器有着多级中断系统，可以有多根中断请求线（级）从不同设备连接到中断逻辑请求线（级）从不同设备连接到中断逻辑n如如M 68000M 68000有七级，有七级，PDP11PDP11有有1111级级n具有相同特性和优先级的设备可连到同一中断级上具有相同特性和优先级的设备可连到同一中断级上中断优先级：中断优先级：n在多级中断系统中，可能同时有多个中断请求，在多级中断系统中，可能同时有多个中断请求，CPUCPU接接受中断优先级为最高的那个中断受中断优先级为最高的那个中断n忽略其中断优先级较低的那些中断忽略其中断优先级较低的那些中断575、中断响应中断响应CPUCPU如何响应中断如何响应中断,两个问题：两个问题：nCPUCPU何时响应中断？何时响应中断？通常在通常在CPUCPU执行了一条指令以后，更确切地，在执行了一条指令以后，更确切地，在指令周期最后时刻接受中断请求，或此时扫描中指令周期最后时刻接受中断请求，或此时扫描中断寄存器断寄存器n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？因为只有知道中断源或中断设备，才能调用相应因为只有知道中断源或中断设备，才能调用相应的中断处理程序的中断处理程序58开始开始取下一条指令取下一条指令执行指令执行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59n用软件指令去查询各设备接口用软件指令去查询各设备接口 这种方法比较费时这种方法比较费时n多数微型机对此问题的解决方法：多数微型机对此问题的解决方法：使用一种使用一种“向量中断向量中断”的硬件设施的硬件设施“向量中断向量中断”：n当当CPUCPU接受某中断请求时，该设备接口给处理器发接受某中断请求时，该设备接口给处理器发送具有唯一性的送具有唯一性的“中断向量中断向量”，以标识该设备，以标识该设备n“中断向量中断向量”在各计算机上实现方法差别比较大在各计算机上实现方法差别比较大两种解决方法两种解决方法60中断向量表中断向量表在有的机器中：在有的机器中：将主存最低位将主存最低位128128个字保留作为中断向量表，每个中断向个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字量占两个字中断请求的设备接口为了标识自己，向处理器发送一个中断请求的设备接口为了标识自己，向处理器发送一个该设备在中断向量表中表目的地址指针该设备在中断向量表中表目的地址指针61中断优先级中断优先级在一些机器中，中断优先级按中断类型划分：在一些机器中，中断优先级按中断类型划分：n 以机器故障中断的优先级最高以机器故障中断的优先级最高 n 程序中断和访问管理程序中断次之程序中断和访问管理程序中断次之 n 外部中断更次之外部中断更次之 n 输入输出的优先级最低输入输出的优先级最低62中断屏蔽中断屏蔽在在CPUCPU上运行的程序，有时由于种种原因，不希望其在执行过程中上运行的程序，有时由于种种原因，不希望其在执行过程中被别的事件所中断，称为中断屏蔽被别的事件所中断，称为中断屏蔽n在在PSWPSW中设置中断屏蔽码以屏蔽某些指定的中断类型中设置中断屏蔽码以屏蔽某些指定的中断类型n如果其如果其PSWPSW的中断禁止位建立后，则屏蔽中断的中断禁止位建立后，则屏蔽中断 （不包括不可屏蔽的那些中断）（不包括不可屏蔽的那些中断）n如果如果PSWPSW中的中断禁止位未建立中的中断禁止位未建立 则可以接受其中断优先级高于运行程序中断优先级的那些中断则可以接受其中断优先级高于运行程序中断优先级的那些中断n各设备接口中也有中断禁止位，以禁止该设备的中断各设备接口中也有中断禁止位，以禁止该设备的中断636、中断处理（、中断处理（1）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）设备给处理器发一个中断信号（2 2）处理器处理完当前指令后响应中断，延迟非常短（要求）处理器处理完当前指令后响应中断，延迟非常短（要求处理器没有关闭中断）处理器没有关闭中断）（3 3）处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源）处理器处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到一般状态该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：保存中断点的程序执行上下文环境，这通常包括程保存中断点的程序执行上下文环境，这通常包括程 序状态序状态字字PSWPSW，程序计数器，程序计数器PCPC中的下一条指令位置，一些寄存器的中的下一条指令位置，一些寄存器的值，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64（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一个新的指令周期，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被恢复程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复 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被恢复成中断前的值，处理器开始一个新的指令被恢复成中断前的值，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（2）65简单的中断处理过程简单的中断处理过程66多个中断的处理（多个中断的处理（1）若中断处理过程中又发生中断，引起多中断处理问题若中断处理过程中又发生中断，引起多中断处理问题两种策略方法：两种策略方法：n第一种：第一种：处理一个中断时禁止中断，对任何新中断置之不理，在这处理一个中断时禁止中断，对任何新中断置之不理，在这期间发生的中断将保持挂起状态期间发生的中断将保持挂起状态 当再次允许中断时，新中断信号被处理器检测到当再次允许中断时，新中断信号被处理器检测到n软件实现方法：软件实现方法：在任何中断处理前使用禁止中断指令在任何中断处理前使用禁止中断指令 在处理结束后开放中断指令在处理结束后开放中断指令 所有中断严格按照发生顺序处理所有中断严格按照发生顺序处理 不考虑中断紧急程度，无法达到较严格时间要求不考虑中断紧急程度，无法达到较严格时间要求67多中断处理第一种策略方法多中断处理第一种策略方法68n第二种：第二种：中断按照优先度分级中断按照优先度分级 允许优先级高中断打断优先级低的中断处理过程允许优先级高中断打断优先级低的中断处理过程 这样中断优先级技术将引起中断处理的嵌套这样中断优先级技术将引起中断处理的嵌套 只要合适地定义中断的优先级别只要合适地定义中断的优先级别 方法一的弊端大都可以克服方法一的弊端大都可以克服多个中断的处理（多个中断的处理（2）69用户程序低级中断高级中断多中断处理第二种策略方法多中断处理第二种策略方法70典型的中断处理（典型的中断处理（1 1）：）：I/O中断中断由由I/OI/O设备的控制器或者通道发出设备的控制器或者通道发出两类两类I/OI/O中断：中断：nI/OI/O操作正常结束操作正常结束如果要继续如果要继续I/OI/O操作，需要在准备好以后重新启动操作，需要在准备好以后重新启动I/OI/O，若请求若请求I/OI/O程序正处于等待程序正处于等待I/OI/O状态，则应将其唤醒状态，则应将其唤醒nI/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操作操作重试次数有上限，次数过大，系统将判定硬件故障重试次数有上限，次数过大，系统将判定硬件故障71系统多道能力的重要推动力量，时钟中断处理程序通常做系统多道能力的重要推动力量，时钟中断处理程序通常做与系统运转、管理和维护相关的工作，包括：与系统运转、管理和维护相关的工作，包括：n维护软件时钟：系统有若干个软件时钟，控制定时任务维护软件时钟：系统有若干个软件时钟，控制定时任务以及进程的处理器时间配额，时钟中断需要维护、定时以及进程的处理器时间配额，时钟中断需要维护、定时更新这些软件时钟更新这些软件时钟n处理器时间调度：维护当前进程时间片软件时钟，并在处理器时间调度：维护当前进程时间片软件时钟，并在当前进程时间片到时以后运行调度程序选择下一个被调当前进程时间片到时以后运行调度程序选择下一个被调度的进程度的进程n控制系统定时任务：通过软件时钟和调度程序定时激活控制系统定时任务：通过软件时钟和调度程序定时激活一些系统任务，如监测死锁、系统记帐、系统审计等一些系统任务，如监测死锁、系统记帐、系统审计等n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72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：n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n在高可靠系统中，中断处理程序还要评估系统可用性，尽可能在高可靠系统中，中断处理程序还要评估系统可用性，尽可能恢复系统恢复系统如如Windows 2000/XPWindows 2000/XP，关键硬件发生故障时，如显示卡损坏，出，关键硬件发生故障时，如显示卡损坏，出现系统蓝屏，系统实际上进入相应故障处理程序，发现故障不现系统蓝屏，系统实际上进入相应故障处理程序，发现故障不可恢复，则在屏幕上打印出发生故障时程序位置，并开始进行可恢复，则在屏幕上打印出发生故障时程序位置，并开始进行内存转储（将一定范围的内存内容写上磁盘，是系统故障时的内存转储（将一定范围的内存内容写上磁盘，是系统故障时的全系统全系统“快照快照”），备日后故障诊断），备日后故障诊断73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：n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序试图作不能做的操作引起的系统保护 如访问合法的、但不在内存虚地址内，引发页故障页故障一如访问合法的、但不在内存虚地址内，引发页故障页故障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n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 不同程序可有不同处理方法，所以很多不同程序可有不同处理方法，所以很多OSOS提供由用户自己处提供由用户自己处理这类中断的理这类中断的“绿色通道绿色通道”系统调试中断（断点中断、单步跟踪）也可被用户程序处理，系统调试中断（断点中断、单步跟踪）也可被用户程序处理，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)：程序性中断程序性中断74典型的中断处理典型的中断处理(5)：系统服务请求（自愿性中断）：系统服务请求（自愿性中断）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n如如x86x86处理器提供处理器提供int指令，用来激发软件中断指令，用来激发软件中断n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syscall 执行专用指令的结果是系统被切换到管态，并且转移到执行专用指令的结果是系统被切换到管态，并且转移到一段专门一段专门OS程序处开始执行程序处开始执行n指令格式通常是指令名加请求服务识别号（中断号）指令格式通常是指令名加请求服务识别号（中断号）nOS利用处理器提供的这种接口建立系统服务体系利用处理器提供的这种接口建立系统服务体系n处理器一般不负责定义系统调用所传递的参数格式处理器一般不负责定义系统调用所传递的参数格式75nDOS：21h号中断的系统服务功能以及参数列表号中断的系统服务功能以及参数列表 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库（应用程序常做法：提供一套方便、实用的应用程序函数库（应用程序设计接口设计接口APIAPI）n从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n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n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 如如Windows 2000/XPWindows 2000/XP提供封装系统用提供封装系统用Win32 APIWin32 API和高层编程机和高层编程机制制MFCMFC以及以及ATLATL Linux Linux提供封装系统调用、符合提供封装系统调用、符合POSIXPOSIX标准标准 API API和和C C运行库运行库典型的中断处理典型的中断处理(6)：系统服务请求实例系统服务请求实例76设备控制器或其他设备控制器或其他系统硬件发出中断系统硬件发出中断处理器完成当前指处理器完成当前指令的执行令的执行处理器接受中断处理器接受中断处理器将处理器将PSW和和PC推入系统堆栈推入系统堆栈处理器根据中断类处理器根据中断类型读入新的型读入新的PC值值中断系统硬件完成的工中断系统硬件完成的工作作77保存进程状态的其保存进程状态的其余信息余信息进程中断进程中断恢复进程状态信息恢复进程状态信息从系统堆栈恢复原从系统堆栈恢复原PSW和和PC中断系统软件完成的工作中断系统软件完成的工作78强迫性中断事件强迫性中断事件自愿性中断事件自愿性中断事件保存现场信息保存现场信息保存现场信息保存现场信息取出中断码取出中断码取出访管号取出访管号分析中断原因分析中断原因分析何种系统调用分析何种系统调用转相应处理程序转相应处理程序是否中断嵌套是否中断嵌套由系统恢复现场由系统恢复现场由系统恢复现场由系统恢复现场转低级调度程序转低级调度程序返回上层中断返回上层中断返回目态程序返回目态程序需要切换进程需要切换进程 TFFT79四、四、I/O技术技术I/O控制使用下面几种技术：控制使用下面几种技术：n程序控制程序控制n中断驱动中断驱动n直接存储器存取直接存储器存取（DMA）n通道通道801、程序控制、程序控制I/O技术技术由处理器提供由处理器提供I/OI/O相关指令来实现相关指令来实现nI/O处理单元处理请求并设置处理单元处理请求并设置I/O状态寄存器相关位状态寄存器相关位n不中断处理器，也不给处理器警告信息不中断处理器，也不给处理器警告信息n处理器定期轮询处理器定期轮询I/O单元的状态，直到处理完毕单元的状态，直到处理完毕I/O软件包含直接操纵软件包含直接操纵I/O的指令的指令n控制指令控制指令:用于激活外设，并告诉它做什么用于激活外设，并告诉它做什么n状态指令状态指令:用于测试用于测试I/OI/O控制中的各种状态和条件控制中的各种状态和条件n数据传送指令数据传送指令:用于在设备和主存之间来回传送数据用于在设备和主存之间来回传送数据主要缺陷：处理器必须关注主要缺陷：处理器必须关注I/OI/O处理单元的状态，因而耗费大处理单元的状态，因而耗费大量时间轮询信息，严重地降低了系统性能量时间轮询信息，严重地降低了系统性能812、中断驱动、中断驱动I/O技术技术为了解决程序控制为了解决程序控制I/O方法的主要问题方法的主要问题 应该让处理器从轮询任务中解放出来应该让处理器从轮询任务中解放出来 使使I/O操作和指令执行并行起来操作和指令执行并行起来具体作法：具体作法：当当I/O处理单元准备好与设备交互的时候处理单元准备好与设备交互的时候 通过物理信号通知处理器，即中断处理器通过物理信号通知处理器，即中断处理器823、DMA技术（技术（1）中断的引入大大地提高了处理器处理中断的引入大大地提高了处理器处理I/O的的效率效率当处理器和当处理器和I/O间间传送数据时，效率仍旧不高传送数据时，效率仍旧不高解决方法：解决方法：直接存储器访问直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）n通过系统总线中一独立控制单元通过系统总线中一独立控制单元DMA控控制器制器n自动控制成块数据在内存和自动控制成块数据在内存和I/O单元间的传送单元间的传送n大大提高处理大大提高处理I/O的效能的效能83DMA技术技术（2）当处理器需要读写一整块数据时当处理器需要读写一整块数据时给给DMA控制单元发送一条命令控制单元发送一条命令包含：是否请求一次读或写，包含：是否请求一次读或写，I/O设备的编址，开始设备的编址，开始读或写的主存编址，需要传送的数据长度等信息读或写的主存编址，需要传送的数据长度等信息n处理器发送完命令后就可处理其它事情处理器发送完命令后就可处理其它事情nDMADMA控制器将自动管理数据的传送控制器将自动管理数据的传送n当这个过程完成后，它会给处理器发一个中断当这个过程完成后，它会给处理器发一个中断处理器只在开始传送和传送结束时关注一下就可处理器只在开始传送和传送结束时关注一下就可84n处理器和处理器和DMA传送不完全并行传送不完全并行n有时会有总线竞争的情况发生有时会有总线竞争的情况发生 处理器用总线时可能稍作等待处理器用总线时可能稍作等待 不会引起中断不会引起中断 不引起程序上下文的保存不引起程序上下文的保存n通常过程只有一个总线周期通常过程只有一个总。