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Ch2 操作系统的运行环境

Ch2 操作系统的运行环境. 硬件环境 软件环境 OS 与人的接口 微程序设计 . 中央处理机 CPU 指令系统 处理机状态字 程序状态字 主存储器 存储器类型 存储保护. 缓冲技术 中断技术 时钟和时钟队列. 2.1 硬件环境. 中央处理机（ CPU ） . 单机系统 ： 计算机系统中只有一个处理机 多机系统 ： 有多个处理机（不包括通道）

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Ch2 操作系统的运行环境

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Presentation Transcript

  1. Ch2 操作系统的运行环境 • 硬件环境 • 软件环境 • OS与人的接口 • 微程序设计

  2. 中央处理机CPU 指令系统 处理机状态字 程序状态字 主存储器 存储器类型 存储保护 缓冲技术 中断技术 时钟和时钟队列 2.1 硬件环境

  3. 中央处理机（CPU） • 单机系统：计算机系统中只有一个处理机 多机系统：有多个处理机（不包括通道） • 指令系统： 单用户单任务：用户可用全部指令；多用户或多任务：多道程序设计技术，分为特权指令，非特权指令。用户只能使用非特权指令，只有OS可使用所有的指令（包括特权指令）。

  4. CPU 工作状态 • 处理机工作状态： • 核心状态，管理状态，用户程序状态； • 管态：OS管理程序运行时CPU的状态。此时CPU可以执行全部指令，使用所有资源，并具有改变处理机状态的能力。 • 目态：用户程序运行时CPU的状态。此时CPU只能执行非特权指令。 • 处理机工作状态寄存器： 程序记数器PC；程序状态字PSW

  5. 主存储器－使用及类型 • 作业的程序和数据必须放在主存中才能运行！OS也要在主存中存放并运行！ • 存储器的类型： RAM：读写型，存放随机存取的用户程序 和数据 ROM：只读型（PROM，EPROM），程序固 化 ex: IBM-PC基本系统：48KB ROM= 40KB（BIOS+CBASIC）+8KB（用户） • 存储器组织：bit, byte, word, block

  6. 主存储器－存储保护-界地址寄存器 • 目的：保证OS及其它程序不被错误的操作所破坏。 • 方法：界地址寄存器，存储键 • CPU中设置一对界限地址寄存器，存放该用户作业在主存中的上限和下限地址---上限寄存器，下限寄存器。 访问主存-->硬件比较地址-->判断越界--> 越界中断/存储保护中断 界地址寄存器

  7. 主存储器－存储保护-存储键 • 主存分块->存储块->每块一个存储保护键(4bits存储键+1bit取保护位)。 0--万能键，系统用； 1. . .15--用户用 • 例如：IBM370

  8. 缓冲技术 • 在主存中划出一块空间，暂存来往于I/O设备和处理机间的数据。 • 缓解I/O设备传输数据与处理机处理数据速度间的矛盾！ (1)避免工作区因传输数据而长期被占用；(2)缓冲区与设备联系而不与用户直接联系；(3)减少I/O次数。Buffer信息可供多个用户共同使用和反复使用。 • 多缓冲区技术:提高设备利用率（PDP-11的UNIX系统）

  9. 中断技术－概念 • OS由“中断驱动”！ • 概念：中断，异步事件，中断事件（中断源），中断处理程序。 • 作用： • 能充分发挥处理机的使用效率； • 提高系统的实时处理能力：及时响应中断请求。

  10. 中断逻辑： 中断寄存器寄存中断信号，中断扫描机构检测有否中断信号，有则中断码送PSW中断逻辑： 中断寄存器寄存中断信号，中断扫描机构检测有否中断信号，有则中断码送PSW 微型机中断类型： (IBM-PC) 可屏蔽中断INTR， 不可屏蔽中断NMI， 程序错误中断， 软件中断（Trap, INTn指令）。 大型机中断类型： (IBM-370,43) 机器故障中断 I/O中断 外部中断 程序中断 访管中断/陷阱中断： 大型机的访管指令SVC； 小/微型机的陷阱指令Trap； Z-8000的SC指令； 中断技术－中断逻辑和中断类型

  11. 多级中断系统： 有多根中断请求线从不同设备连接到中断逻辑。 具有相同特性和优先级的设备连在同一中断级（线）上。 中断优先级：决定CPU响应中断请求的优先次序，优先级高的先得到响应。 如大型机： 机器故障中断 程序中断，访管程序中断 外部中断 输入输出中断 中断判别：同级中断 固定优先数， 轮转法 中断响应： 何时：CPU在指令周期内最后时刻询问有无中断请求（扫描中断寄存器）并响应。 如何： 软件查询：费时,经济 中断向量：硬件 中断屏蔽：PSW中的中断禁止位 中断技术－中断响应和中断屏蔽

  12. 中断技术－中断处理 • 硬件过程： （隐操作） （IBM-PC为例） • 保护现场（PSW，IP ，CS入栈）； • 中断向量-> IP，刷新PSW，CS； • 转入中断处理程序； • 恢复中断程序现场（ PSW，IP ，CS出栈）。 • 硬件，软件配合实现。

  13. 时钟的作用 多道程序：为系统发现陷入死循环的作业； 分时系统：实现用户作业间按时间片轮转； 实时系统：定时输出控制信号给实时控制设备； 定时唤醒； 波特率发生器； 记录时间； 提供绝对时间：年月日 类型： 绝对时钟， 间隔 时钟/相对时钟， 软时钟/虚拟时钟 硬件实现：时钟寄存器按时钟电路所产生的脉冲加1或减1。 绝对时钟：年月日时分秒 操作员置时间初值，定时自动加1（如每uS ，64位寄存器可记148年） 间隔 时钟/相对时钟： 操作员置时间间隔初值，定时自动减1（如每1/300s），负值触发时钟中断。 时钟

  14. 时钟队列：间隔时钟的软件实现 • 便于实现进程自己的间隔时钟 • 时钟队列实现作业的定时唤醒： • A要求50毫秒后运行， • B要求60毫秒后运行， • C和D要求65毫秒后运行， • A要求开始运行50毫秒后再运行。

  15. 2.2 OS与其他系统软件的关系 • 关系： • OS控制管理其他系统软件，并与其共同支持用户程序的运行——运行环境； • OS的功能设计也受到这些系统软件的功能强弱和完备与否的影响。 • OS常用的软件技术： • 重定位技术 • 装入程序：绝对装入，相对装入 • OS与人的接口：脱机控制，联机控制 • *微程序设计

  16. OS常用软件技术之一:重定位 • 概念 (1) 用户，作业，作业步，进程； (2) 绝对地址：主存单元的实际地址。 （存储控制部件用来识别单元在主存中的实际位置） (3)相对地址：相对于某个基准地址的位置，程序员编程时使用，用于安排指令和数据。 （用于程序编写和编译 中的地址系统） (4) 逻辑地址空间：相对地址的全体/集合。指一个被汇编、编译和连接装配后的的目标程序所限定的地址的集合。 [5] 物理地址空间：绝对地址的集合，即实际的主存地址空间。

  17. 作业A的逻辑地址空间 0000h 0000h 1000h 作业B的物理地址空间 0FFFh 2FFFh 作业B的逻辑地址空间 5000h 0000h 作业A的物理地址空间 5FFFh 1FFFh FFFFh

  18. 0 LOAD 1,6 2 SUB 1,8 4 STORE 1,10 6 A 8 B 10 400 402 404 406 408 LOAD 1,6 （406） SUB 1,8 （408） STORE 1,10（410） A B LOAD 1,adr1 SUB 1,adr2 STORE 1,adr3 adr1: A adr2: B adr3: 主存 源程序 目标程序 装入主存的程序 名空间 逻辑地址空间 实际地址空间

  19. 重定位 • 重定位：把程序中的相对地址变换成绝对地址，使程序装入主存中后能正确执行。 • 静态重定位：程序装入主存时，运行前，由连接装入程序进行重定位。 • 动态重定位：处理机每次访问主存时，由动态地址变换机构（硬件）自动进行重定位，把相对地址转换成绝对地址。 • 重定位寄存器RR：硬件支持自动完成 • 映象：虚存管理，页表实现虚页到实页的映象 • 重定位的对象：程序中与地址有关的项，即指令，数据，地址指针。

  20. 重定位的实现——装入程序 • 一般地：程序->编译，汇编（可浮动的相对地址空间）->连接装入（绝对地址空间） • 装入程序：（连接程序，连接编辑程序） 把非同一次编译的过程、子程序（目标程序）同主程序装配起来装入主存运行。 • 绝对装入程序：已知用户能用的主存起始地址。程序－>编译汇编（绝对地址空间）！无需重定位！如：Paradigm(Locate, Debug, PDRemote) 相对装入程序：多道程序系统 把作业所用到的各个子程序和过程同主程序装配起来（连接）；把已按相对地址装配好的目标程序装入主存运行（装入）－连接装入程序

  21. 地址缓冲器 M1 • 程序员预先了解地址空间分配： 用C软件开发系统Paradigm 实现 Embedded System 2000h~2FFFh Intel 186 数据缓冲器 M2 3000h~3FFFh 译码器 1000h~1FFFh IO

  22. 连接装入程序 • 准备工作： 程序经编译汇编生成可重定位目标模块（提供全部用于重定位的信息） • 内部定义符号表：本程序被其它程序调用时的名字及其在本程序中的相对地址。 • 外部调用符号表：本程序所调用的其它程序段名表。 • 指示字：对程序中各数据项附加指示字，说明是否需要重定位。或重定位表／重定位词典：给出需重定位的数据项。　　　　 • 代码和数据区 • 连接装入：

  23. 符号名 地址 P e CALL SUB ADD TIME d 内部定义符号表 符号名 地址 P e d 外部调用符号表 SUB1 TIME P e CALL* ADD* SUB1 SUB1 程序段P P e d 代码 与 数据区 内部定义符号： P,e,d 外部调用符号： SUB1 TIME TIME d 重定位词典 全程符号表 程序------->编译汇编------->可重定位目标模块 主存

  24. 2.3OS与人的接口 • OS与用户的接口： 用户程序，作业控制说明（JCB） • 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.

  25. 脱机控制方式 • 作业控制卡方式：作业控制语言穿卡 • 作业控制卡 • 源语句或目标语句卡 • 数据卡 • 作业说明书方式：如IBM370的作业控制语言，英国ICL1900系列的George语言。 • 作业标识命令 • 执行命令 • 数据定义命令 • 定界命令

  26. 终端命令：OS根据自己的设计形成一套命令 系统访问 程序运行 程序开发 文件操作 资源分配 前后台作业转换 系统管理 图形用户接口GUI： 窗口 菜单 列表盒 表目盒 对话盒 按纽 滚动杆 联机控制方式

  27. 2.4*固件－微程序设计概念 • 固件：软件通过微程序设计转化为硬件 • 计算机线路： • 数据流线路：导线、存储元件，传输电信号（数据），包含大量分支。 • 控制线路：译出计算机指令，并确定使用哪条数据通路。 • 计算机动作：由一系列基本动作组成——微操作，微指令 ——微程序（控制器完成）。 • 将主存储器的缓冲寄存器中一个字节送累加器 • 清除加法器 • 将指令地址寄存器增加一个固定值 • 将加法器中内容送累加器

  28. 微操作／微指令：计算机硬件中最基本操作。机器指令->若干控制器基本操作->微程序微操作／微指令：计算机硬件中最基本操作。机器指令->若干控制器基本操作->微程序 • 微程序设计：把计算机控制器的操作用微指令编成程序（微程序或微代码）来实现。 • 优点： • 控制线路设计标准化； • 便于修改维护检查； • 指令系统适应性强-实现兼容； • 多组指令系统共存于一台计算机，程序可移植。 • 微程序在高速控制存储器中运行（控存-CPU中的ROM，不同于主存）。 • OS的部分功能用微程序实现：速度快，改善系统性能，降低程序开发成本…...

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