第二章 操作系统的运行机制

中央处理器

一：CPU的构成与基本的工作方式

1、CPU组成
（1）CPU由运算器、控制器、一系列寄存器、高速缓存组成
运算器：实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机系统的核心
控制器：负责控制程序的运行流程、包括取指令、维护CPI的状态
寄存器：存取数据和指令（在CPU内部）
高速缓存：位于CPU和物理内存之间；利用程序局部性原理使高速指令处理和低速内存访问相匹配，提高CPU效率（CPU首先在高速缓存中读取数据，如果没有则在内存中读取数据）
（2）CPU中的寄存器
寄存器提供了一定的存储能力，速度比主存快，造价高，容量小
分类：
用户可见寄存器：高级语言编译器通过算法分配给用户使用、减少程序访问主存的次数，包含数据寄存器（算术逻辑指令和访存指令）、地址寄存器（存放地址）、条件码寄存器（保存CPU操作结果的各种标记位）
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、由OS的特权代码使用，以控制其他程序的执行

常见的控制和状态寄存器：
1、程序计数器PC：记录将要取出的指令地址
2、指令寄存器IR：取出指令存放地址
3、程序状态字PSW：记录处理器的运行模式

2、指令的执行
（3）指令执行的基本过程
先从存储器中读取一条指令、然后执行，这个过程称为一个指令周期（地址线、数据线、控制线）
特权指令：只能由操作系统执行的指令，一般引起处理器的状态转换
非特权指令：只能由普通用户进行执行的指令
由非特权状态切换到特权状态需要进行访管指令
3、处理器的状态
（1）管态、目态（根据运行程序对资源和机器指令的使用权限）
（2）管态和目态差异：管态可以调用全部指令，目态只能调用部分指令
（3）管态和目态之间的转换

目态——管态：通过中断
管态——目态：修改PSW（程序状态字）

（4）PSW程序状态字组成

条件码
中断屏蔽码
CPU工作状态码

存储系统

作业必须把它的程序和数据放到内存中才能够运行的
1、存储器的层次结构
（1）容量、速度、成本（寄存器——高速缓存——内存——外存）（速度由快到慢,容量由小到大）
2、存储保护
对主存中的信息加以严格的保护、使操作系统及其他程序不被破坏，保护方式
（1）界地址寄存器：
设置一对上限和下限寄存器，访问地址须在这个范围之内，越界会出现程序中断-越界中断
或者设置一个基地址寄存器
（2）存储键：分配一个唯一一个存储键

中断与异常机制

1、中断和异常
（1）定义：CPU对突发事件的处理、OS可以捕获用户程序发出的系统功能调用及时处理设备的中断请求，中断系统由硬件中断装置和软件中断处理程序组成
（2）特点

（1）中断是随机的
（2）中断是可恢复的
（3）中断是自动处理的

（3）
中断的引入：为了开发CPU和通道之间的并行操作，由外部设备或者一些突发性的事件引起的；与正在执行的指令无关、可以屏蔽
异常的引入：正在运行的程序出现了一些错误、转到相应的错误处理程序和异常处理程序，与正在执行的指令有关、不可屏蔽
（4）中断的分类
中断：I/O中断、时钟中断、硬件故障引起的中断、
异常：系统调用、缺页一查昂、断点指令、算数溢出4
（5）中断寄存器:存储中断信号、由若干个中断位组成
（6）中断处理过程
设置一个能检测中断的机构为中断扫描机构，在每条指令执行完毕之后会扫描中断寄存器、看是否有中断信号、来判断是否中断，如果没有的话就继续执行、然后重复上述步骤，若有中断、则产生中断码，根据中断码的位置找到中断处理程序、然后根据中断处理程序处理中断，处理完毕之后执行下一条指令
2、典型的中断
（1）I/O中断
I/O操作正常结束
I/O异常:硬件设备发生故障或者特殊情况
（2）时钟中断
处理器时间调度
维护软件时钟
（3）硬件故障中断
保存现场、使用一定的机制恢复中断
（4）程序中断
指令越权、指令越界、就是目态用户执行管态权限
（5）系统调用中断

系统调用

系统调用：用户程序获得OS服务的唯一接口，提供了用户程序和操作系统之间的指令
1、系统调用与一般调用的特点
（1）运行在不同的系统状态
一般过程调用运行在目态；系统调用运行在管态
（2）状态的转化

目态——管态：通过中断
管态——目态：修改PSW（程序状态字）

（3）返回问题
抢占式调用系统中，被调用的过程执行完毕之后、系统将要对所有的运行进行优先级分析，如果该进程优先级高、继续执行、否则会进行重新调度
（4）嵌套调用
在调用的过程执行期间可以调用其他的步骤
2、系统调用的过程
将处理机状态由用户态转化为系统态，由硬件和软件进行一般处理（保护现场），调用完成之后返回现场继续调用，与中断的处理机制很相同

I/O技术

主要I/O控制方式
1、通道技术
独立于CPU，负责数据I/O传输的处理机制，对外设实现统一管理，提高CPU与设备，设备与设备之间的并行性，传输少量的数据
2、DMA技术
解决中断效率不高的问题、通过系统总线中独立控制单元-DMA控制器自动控制成块的数据在内存和I/O单元之间传输，大大提高可I/O的效能，传输大量的数据
3、缓冲技术
硬件设备之间进行数据传输时；用来暂存数据的一个存储区域
用途：处理器与主存储器之间；处理器与外部设备之间、设备与设备之间，
目的：解决部件之间速度不匹配的问题（主要是CPU和主存速度不匹配的问题）
（1）单缓冲区：设备向缓冲区输入数据直到装满后，必须等待CPU将其取完之后才能继续向其输入数据
（2）多缓冲技术cache
cache：离CPU最近、首先在以及cache中找、如果没有、在二级里面去找、还是没有在系统内存中找

时钟

（1）定义：操作系统的时钟是微机上所有软件获取时间的来源，其位置至关重要、操作系统时钟的时间是由硬件组成
（2）时钟的作用
在多道程序运行环境中：主要作用就是发现系统中的死循环并处理
在分时系统中：间隔时钟实现作业间按时间轮流
在实时系统中：按要求的间隔输出正确的时间信号去控制系统
（3）时钟的分类
硬件时钟
软件时钟
按照时钟的用途分为绝对时钟和相对时钟
绝对时钟不受外界的干扰，独立运行
相对时钟：定时关机操作