操作系統(tǒng)課件-chapter-2-操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境-資料下載頁
2025-08-04 17:06本頁面
【正文】 道 ” ； 系統(tǒng)調(diào)試中斷 （ 斷點中斷 、 單步跟蹤 ） 也可被用戶程序處理 ，用以支持各種程序調(diào)試 。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 74 典型的中斷處理 (5)：系統(tǒng)服務(wù)請求（自愿性中斷） 系統(tǒng)服務(wù)請求由處理器專用指令（訪管指令）激發(fā) ?如 x86處理器提供 int指令，用來激發(fā)軟件中斷 ?其他不少處理器則提供系統(tǒng)調(diào)用指令 syscall 執(zhí)行專用指令的結(jié)果是系統(tǒng)被切換到管態(tài)，并且轉(zhuǎn)移到一段專門 OS程序處開始執(zhí)行。 ?指令格式通常是指令名加請求服務(wù)識別號（中斷號） ? OS利用處理器提供的這種接口建立系統(tǒng)服務(wù)體系 ?處理器一般不負責(zé)定義系統(tǒng)調(diào)用所傳遞的參數(shù)格式 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 75 典型的中斷處理 (6)： 系統(tǒng)服務(wù)請求實例 ? DOS： 21h號中斷的系統(tǒng)服務(wù)功能以及參數(shù)列表 現(xiàn)代操作系統(tǒng)一般不提供直接使用系統(tǒng)調(diào)用指令的接口 ， 通常做法：提供一套方便 、 實用的應(yīng)用程序函數(shù)庫 （ 應(yīng)用程序設(shè)計接口 API） ? 從應(yīng)用層面重新封裝系統(tǒng)調(diào)用 ? 屏蔽復(fù)雜的系統(tǒng)調(diào)用傳參問題 ? 高級語言接口 ， 有助于快速開發(fā) 有的系統(tǒng)在更高層面提供系統(tǒng)程序設(shè)計模板庫和類庫 如 Windows 2022/XP提供封裝系統(tǒng)用 Win32 API和高層編程機制 MFC以及 ATL Linux提供封裝系統(tǒng)調(diào)用 、 符合 POSIX標準 API和 C運行庫 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 76 設(shè)備控制器或其他系統(tǒng)硬件發(fā)出中斷 處理器完成當前指令的執(zhí)行 處理器接受中斷 處理器將 PSW和PC推入系統(tǒng)堆棧 處理器根據(jù)中斷類型讀入新的 PC值 中斷系統(tǒng)硬件完成的工作 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 77 保存進程狀態(tài)的其余信息 進程中斷 恢復(fù)進程狀態(tài)信息 從系統(tǒng)堆棧恢復(fù)原PSW和 PC 中斷系統(tǒng)軟件完成的工作 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 78 強迫性中斷事件 自愿性中斷事件 保存現(xiàn)場信息 保存現(xiàn)場信息 取出中斷碼 取出訪管號 分析中斷原因 分析何種系統(tǒng)調(diào)用 轉(zhuǎn)相應(yīng)處理程序 是否中斷嵌套 由系統(tǒng)恢復(fù)現(xiàn)場 由系統(tǒng)恢復(fù)現(xiàn)場 轉(zhuǎn)低級調(diào)度程序 返回上層中斷 返回目態(tài)程序 需要切換進程 T F F T 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 79 I/O技術(shù) I/O控制使用下面幾種技術(shù)： ?程序控制 ?中斷驅(qū)動 ?直接存儲器存取 （ DMA） ?通道 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 80 程序控制 I/O技術(shù) 由處理器提供 I/O相關(guān)指令來實現(xiàn) ? I/O處理單元處理請求并設(shè)置 I/O狀態(tài)寄存器相關(guān)位 ?不中斷處理器 ， 也不給處理器警告信息 ?處理器定期輪詢 I/O單元的狀態(tài) ， 直到處理完畢 I/O軟件包含直接操縱 I/O的指令 ?控制指令 : 用于激活外設(shè) ， 并告訴它做什么 ?狀態(tài)指令 : 用于測試 I/O控制中的各種狀態(tài)和條件 ?數(shù)據(jù)傳送指令 : 用于在設(shè)備和主存之間來回傳送數(shù)據(jù) 主要缺陷：處理器必須關(guān)注 I/O處理單元的狀態(tài) ， 因而耗費大量時間輪詢信息 ， 嚴重地降低了系統(tǒng)性能 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 81 中斷驅(qū)動 I/O技術(shù) 為了解決程序控制 I/O方法的主要問題 應(yīng)該讓處理器從輪詢?nèi)蝿?wù)中解放出來 使 I/O操作和指令執(zhí)行并行起來 具體作法： 當 I/O處理單元準備好與設(shè)備交互的時候 通過物理信號通知處理器 ， 即中斷處理器 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 82 DMA技術(shù)（ 1） 中斷的引入大大地提高了處理器處理 I/O的 效率 當處理器和 I/O間 傳送數(shù)據(jù)時，效率仍舊不高。 解決方法： 直接存儲器訪問 （ DMA： Direct Memory Access） ?通過系統(tǒng)總線中一獨立控制單元 ——DMA控制器 ?自動控制成塊數(shù)據(jù)在內(nèi)存和 I/O單元間的傳送 ?大大提高處理 I/O的效能 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 83 DMA技術(shù) （ 2） 當處理器需要讀寫一整塊數(shù)據(jù)時，給 DMA控制單元發(fā)送一條命令。 包含：是否請求一次讀或?qū)懀?I/O設(shè)備的編址，開始讀或?qū)懙闹鞔婢幹罚枰獋魉偷臄?shù)據(jù)長度等信息。 ?處理器發(fā)送完命令后就可處理其他事情 ?DMA控制器將自動管理數(shù)據(jù)的傳送 ?當這個過程完成后，它會給處理器發(fā)一個中斷 處理器只在開始傳送和傳送結(jié)束時關(guān)注一下就可。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 84 ?處理器和 DMA傳送不完全并行 ?有時會有總線競爭的情況發(fā)生 處理器用總線時可能稍作等待 不會引起中斷 不引起程序上下文的保存 ?通常過程只有一個總線周期 ?在 DMA傳送 時，處理器訪問總線速度會變慢 ?對于大量數(shù)據(jù) I/O傳送， DMA技術(shù)是很有價值 DMA技術(shù) （ 3） 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 85 通道 獨立于中央處理器，專門負責(zé)數(shù)據(jù) I/O傳輸 的 處理機 它對外設(shè)實現(xiàn)統(tǒng)一管理 代替 CPU對 I/O操作進行控制 使 CPU和 外設(shè)可以并行工作 通道又稱為 I/O處理機 引入通道的目的 : ?為了使 CPU從 I/O事務(wù)中解脫出來 ?同時為了提高 CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行度 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 86 時鐘 時鐘為計算機完成以下必不可少的工作： ?在多道程序運行環(huán)境中 ， 為系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)陷入死循環(huán) （ 編程錯誤 ） 的作業(yè) ， 防止機時的浪費 ?在分時系統(tǒng)中 ， 間隔時鐘實現(xiàn)作業(yè)間按時間片輪轉(zhuǎn) ?在實時系統(tǒng)中 ， 按要求的間隔輸出正確時間信號給實時的控制設(shè)備 （ 如 A／ D、 D/A轉(zhuǎn)換設(shè)備 ） ?定時喚醒要求延遲執(zhí)行的各外部事件 （ 如定時為各進程計算優(yōu)先數(shù) ， 銀行中定時運行某類結(jié)賬程序等 ） ?記錄用戶使用設(shè)備時間和記錄某外部事件發(fā)生時間 ?記錄用戶和系統(tǒng)所需要的絕對時間 ， 即年 、 月 、 日 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 87 ?時鐘是操作系統(tǒng)運行的必不可少的硬件設(shè)施 ?時鐘 ， 實際上都是硬件時鐘寄存器 ， 按時鐘電路所產(chǎn)生的脈沖數(shù)對時鐘寄存器進行加 1或減 1的工作 ?絕對時鐘 ：記錄當時時間 （ 年 、 月 、 日 、 時 、 分 、秒 ） 一般來說 ， 絕對時鐘準確 ， 當停機時 ， 絕對時鐘值仍然自動修改 ?間隔時鐘 (相對時鐘 )：通過時鐘寄存器實現(xiàn) 置上時間間隔初值 ， 每經(jīng)過一個單位時間 ， 時鐘值減 1， 直到該值為負時 ， 則觸發(fā)時鐘中斷 ， 并進行相應(yīng)中斷處理 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 88 晶體震蕩每個脈沖使計數(shù)器減 1 用來裝入計數(shù)器初值 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 89 硬件時鐘： 某個寄存器來模擬 (根據(jù)脈沖頻率定時加 1，減 1) 軟件時鐘： 用作相對時鐘，用內(nèi)存單元來模擬時鐘 ?CPU保護：防止進程得到 CPU后不放棄控制權(quán) ?解決：分配給每個進程一段時間（時間片） 時間片到，發(fā)時鐘中斷，控制權(quán)交給操作系統(tǒng)
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