操作系統(tǒng)課件--02操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境(存儲版)
【正文】 容量、速度和成本 ? 容量：需求無止境 ? 速度：能匹配處理器的速度 ? 成本問題：成本和其它部件相比應(yīng)在合適范圍之內(nèi) 容量、速度和成本 ? 三個目標(biāo)不可能同時達(dá)到最優(yōu)，要作權(quán)衡 ? 存取速度快，每比特價格高 ? 容量大，每比特價格越低，同時存取速度也越慢 解決方案：采用層次化的存儲體系結(jié)構(gòu) ? 當(dāng)沿著層次下降時 ? 每比特的價格將下降，容量將增大 ? 速度將變慢，處理器的訪問頻率也將下降 層次化的存儲體系結(jié)構(gòu) 存儲訪問局部性原理 提高存儲系統(tǒng)效能關(guān)鍵點：程序存儲訪問局部性原理 ? 程序執(zhí)行時，有很多的循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進(jìn)入這樣的程序段，就會重復(fù)存取相同的指令集合 ? 對數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短的時間內(nèi)，穩(wěn)定地保持在一個存儲器的局部區(qū)域 處理器主要和存儲器的局部打交道 在經(jīng)過一段時間以后，使用的代碼和數(shù)據(jù)集合會改變 設(shè)計多級存儲的體系結(jié)構(gòu) 原則：級別較低存儲器比率小于級別較高存儲器比率 假設(shè)兩級存儲器： ? 第 I級包含 1KB， 存取時間為 ? 第 II級包含 1MB， 存取時間為 1μs 存取 I級中的內(nèi)容 ， 直接存取 存取 II級 ， 首先被轉(zhuǎn)移到 I級 ， 然后再存取 假設(shè)確定內(nèi)容所在位置時間可以忽略 若在 I級存儲器中發(fā)現(xiàn)存取對象的概率是 95%， 則平均訪問時間為： 結(jié)果非常接近 I級存儲的存取時間 ? ?? ? ? ?? ? ssss ???? ???T1： I級存儲器的存取時間 T2： II級存儲器的存取時間 一個簡單二級存儲系統(tǒng)的性能 存儲分塊 ? 存儲最小單位 :―二進(jìn)位 ” ， 包含信息為 0或 1 ? 最小編址單位 :字節(jié) ， 一個字節(jié)包含八個二進(jìn)位 主流個人電腦 ? 主存 :128MB～ 512MB之間 ? 輔助存儲器 :在 20GB～ 70GB 工作站 、 服務(wù)器 ? 主存 :512MB ～ 4GB之間 ? 硬盤容量 :數(shù)百 GB 為簡化分配和管理 ， 存儲器分成塊 ,稱一個物理頁 （ Page） ? 塊的大?。?512B、 1K、 4K、 8K 存儲保護設(shè)施 對主存中的信息加以嚴(yán)格的保護，使操作系統(tǒng)及其它程序不被破壞，是其正確運行的基本條件之一 多用戶 ,多任務(wù)操作系統(tǒng)： OS給每個運行進(jìn)程分配一個存儲區(qū)域 問題： 多個程序同時在同一臺機器上運行 怎樣才能互不侵犯？ 保護的硬件支持 為了保證軟件程序只影響程序的內(nèi)部 硬件可提供如下功能： ? 界地址寄存器（界限寄存器） ? 存儲鍵 ? 地址轉(zhuǎn)換 界地址寄存器（界限寄存器） ? 界地址寄存器被廣泛使用的一種存儲保護技術(shù) ? 機制比較簡單，易于實現(xiàn) 實現(xiàn)方法： ? 在 CPU中設(shè)置一對下限寄存器和上限寄存器 存放用戶作業(yè)在主存中的下限和上限地址 ? 也可將一個寄存器作為基址寄存器，另一寄存器作為限長寄存器（指示存儲區(qū)長度） ? 每當(dāng) CPU要訪問主存，硬件自動將被訪問的主存地址與界限寄存器的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷是否越界 ? 如果未越界，則按此地址訪問主存，否則將產(chǎn)生程序中斷 ——越界中斷（存儲保護中斷） 界地址寄存器 存儲保護技術(shù) 存儲鍵 ? 每個存儲塊有一個由二進(jìn)位組成的存儲保護鍵 ? 一用戶作業(yè)被允許進(jìn)入主存 ， OS分給它一個唯一的存儲鍵號 ? 并將分配給該作業(yè)各存儲塊存儲鍵也置成同樣鍵號 ? 當(dāng) OS挑選該作業(yè)運行時 ， OS將它的存儲鍵號放入程序狀態(tài)字 PSW存儲鍵 （ “ 鑰匙 ” ） 域中 ? 每當(dāng) CPU訪問主存時 ， 都將該主存塊的存儲鍵與 PSW中的 “ 鑰匙 ” 進(jìn)行比較 ? 如果相匹配 ， 則允許訪問 ， 否則 ， 拒絕并報警 地址轉(zhuǎn)換 同時有多個程序在內(nèi)存 程序在內(nèi)存的位置不是固定的而是隨機的 CPU Translation Box (MMU) 虛擬地址 物理地址 物理空間 數(shù)據(jù)讀或?qū)? （不需轉(zhuǎn)換） 現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)中的地址轉(zhuǎn)換 code data heap stack 程序 2 虛地址空間 data2 stack1 code1 heap1 code2 stack2 data1 heap2 OS code OS data OS heap amp。 （ 8） PSW和 PC被恢復(fù)成中斷前的值，處理器開始一個新的指令周期，中斷處理結(jié)束 中斷處理（ 2） 簡單的中斷處理過程 多個中斷的處理（ 1） 若中斷處理過程中又發(fā)生中斷，引起多中斷處理問題 兩種策略方法： ? 第一種： 處理一個中斷時禁止中斷，對任何新中斷置之不理，在這期間發(fā)生的中斷將保持掛起狀態(tài) 當(dāng)再次允許中斷時，新中斷信號被處理器檢測到 ? 軟件實現(xiàn)方法： 在任何中斷處理前使用禁止中斷指令 在處理結(jié)束后開放中斷指令 所有中斷嚴(yán)格按照發(fā)生順序處理 不考慮中斷緊急程度，無法達(dá)到較嚴(yán)格時間要求 多中斷處理第一種策略方法 ? 第二種： 中斷按照優(yōu)先度分級 允許優(yōu)先級高中斷打斷優(yōu)先級低的中斷處理過程 這樣中斷優(yōu)先級技術(shù)將引起中斷處理的嵌套 只要合適地定義中斷的優(yōu)先級別 方法一的弊端大都可以克服 多個中斷的處理（ 2） 用戶程序 低級中斷高級中斷多中斷處理第二種策略方法 典型的中斷處理（ 1）： I/O中斷 由 I/O設(shè)備的控制器或者通道發(fā)出 兩類 I/O中斷： ? I/O操作正常結(jié)束 如果要繼續(xù) I/O操作 ， 需要在準(zhǔn)備好以后重新啟動 I/O，若請求 I/O程序正處于等待 I/O狀態(tài) ， 則應(yīng)將其喚醒 ? I/O異常 需要重新執(zhí)行失敗的 I/O操作 重試次數(shù)有上限 ， 次數(shù)過大 ， 系統(tǒng)將判定硬件故障 系統(tǒng)多道能力的重要推動力量 ， 時鐘中斷處理程序通常做與系統(tǒng)運轉(zhuǎn) 、 管理和維護相關(guān)的工作 ， 包括： ? 維護軟件時鐘：系統(tǒng)有若干個軟件時鐘 ， 控制定時任務(wù)以及進(jìn)程的處理器時間配額 ， 時鐘中斷需要維護 、定時更新這些軟件時鐘 ? 處理器時間調(diào)度：維護當(dāng)前進(jìn)程時間片軟件時鐘 ， 并在當(dāng)前進(jìn)程時間片到時以后運行調(diào)度程序選擇下一個被調(diào)度的進(jìn)程 ? 控制系統(tǒng)定時任務(wù)：通過軟件時鐘和調(diào)度程序定時激活一些系統(tǒng)任務(wù) ， 如監(jiān)測死鎖 、 系統(tǒng)記帳 、 系統(tǒng)審計等 ? 實時處理 典型的中斷處理 （ 2） ： 時鐘中斷 典型的中斷處理（ 3） ： 硬件故障中斷 硬件故障中斷處理程序一般需要做的工作： ? 保存現(xiàn)場
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