【正文】 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 4 簡單的個(gè)人計(jì)算機(jī)中的部件 Monitor 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 5 中央處理器（ CPU） 專門設(shè)計(jì)了一系列基本機(jī)制： 具有特權(quán)級別的處理器狀態(tài)，能在不同特權(quán)級運(yùn)行的各種 特權(quán)指令 硬件機(jī)制 使得 OS可以和普通程序隔離 實(shí)現(xiàn)保護(hù)和控制 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 6 CPU的構(gòu)成與基本工作方式 ?處理器由運(yùn)算器、控制器、一系列的寄存器以及高速緩存構(gòu)成 ?運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)指令中的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，是計(jì)算機(jī)計(jì)算的核心 ?控制器負(fù)責(zé)控制程序運(yùn)行的流程，包括取指令、維護(hù) CPU狀態(tài)、 CPU與內(nèi)存的交互等等 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 7 ?寄存器 是指令在 CPU內(nèi)部作處理的過程中暫存數(shù)據(jù)、地址以及指令信息的存儲設(shè)備。 在計(jì)算機(jī)的存儲系統(tǒng)中它具有最快的訪問速度。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 8 處理器中的寄存器 ?寄存器提供了一定的存儲能力 ?速度比主存快得多 ?造價(jià)高，容量一般都很小 兩類寄存器： ?用戶可見寄存器，高級語言編譯器通過算法分配并使用之，以減少程序訪問主存次數(shù) ?控制和狀態(tài)寄存器，用于控制處理器的操作 由 OS的 特權(quán)代碼使用 , 以控制其他程序的執(zhí)行 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 9 用戶可見寄存器 ?機(jī)器語言直接引用 ?包括數(shù)據(jù)寄存器 、 地址寄存器以及條件碼寄存器 ?數(shù)據(jù)寄存器 （ data register） 又稱通用寄存器 主要用于各種算術(shù)邏輯指令和訪存指令 ?地址寄存器 （ address register） 用于存儲數(shù)據(jù)及指令的物理地址 、 線性地址或者有效地址 ， 用于某種特定方式的尋址 。 程序的執(zhí)行是由不斷取指和執(zhí)行的指令周期組成 。 ?使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)必須要區(qū)分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令 ?特權(quán)指令一般引起處理器狀態(tài)的切換 ?處理器通過特殊的機(jī)制將處理器狀態(tài)切換到操作系統(tǒng)運(yùn)行的特權(quán)狀態(tài)（ 管態(tài) ） ?然后將處理權(quán)移交給操作系統(tǒng)中的一段特殊代碼，這一個(gè)過程稱為 陷入 ? CPU如何知道當(dāng)前運(yùn)行的是操作系統(tǒng)還是一般應(yīng)用軟件？有賴于處理器狀態(tài)的標(biāo)識。 ?多數(shù)系統(tǒng)將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài) 。 ?有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分核心狀態(tài) 、 管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài) （ 目標(biāo)狀態(tài) ） 三種 。 ?CPU的工作狀態(tài)碼 —— 指明管態(tài)還是目態(tài) ，用來說明當(dāng)前在 CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用戶 ， 從而決定其是否可以使用特權(quán)指令或擁有其他的特殊權(quán)力 。 ?中斷屏蔽碼 —— 指出是否允許中斷 。 ?多道程系統(tǒng)中，若干個(gè)程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)要放入內(nèi)存 。 ?操作系統(tǒng)本身也要存放在內(nèi)存中并運(yùn)行。 處理器主要和存儲器的局部打交道 在經(jīng)過一段時(shí)間以后，使用的代碼和數(shù)據(jù)集合會改變 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 30 設(shè)計(jì)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(shí)間為 ? 第 II級包含 1MB， 存取時(shí)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(shí)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(shí)間為： 結(jié)果非常接近 I級存儲的存取時(shí)間 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 31 一個(gè)簡單二級存儲系統(tǒng)的性能 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 32 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(gè)字節(jié)包含八個(gè)二進(jìn)位 主流個(gè)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(gè)物理頁（ Page） ?塊的大?。?512B、 1K、 4K、 8K 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 33 存儲保護(hù)設(shè)施 對主存中的信息加以嚴(yán)格的保護(hù)，使操作系統(tǒng)及其他程序不被破壞，是其正確運(yùn)行的基本條件之一。 問題： ?多個(gè)程序同時(shí)在同一臺機(jī)器上運(yùn)行，怎樣才能互不侵犯？ ?如何處理重定位？ 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 34 保護(hù)的硬件支持 解決方案 依賴于 配有特殊硬件的 CPU 硬件可提供如下功能： ?界地址寄存器（界限寄存器） ?存儲鍵 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 35 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(hù)技術(shù) ?機(jī)制比較簡單，易于實(shí)現(xiàn) 實(shí)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(gè)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(dòng)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(hù)中斷） 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 36 界地址寄存器 存儲保護(hù)技術(shù) 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 37 存儲鍵 ?每個(gè)存儲塊有一個(gè)由二進(jìn)位組成的存儲保護(hù)鍵 ?一用戶作業(yè)被允許進(jìn)入主存 ， OS分給它一個(gè)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(yùn)行時(shí) ， 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(shí) ， 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(bào)警 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 38 緩沖技術(shù) 緩沖區(qū)是硬件設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí) ， 用來暫存數(shù)據(jù)的一個(gè)存儲區(qū)域 緩沖技術(shù)三種用途 : ?處理器與主存儲器之間 ?處理器和其他外部設(shè)備之間 ?設(shè)備與設(shè)備之間的通信 目的：解決部件之間速度不匹配的問題 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 39 多緩沖區(qū)（ Cache）技術(shù) 單緩沖區(qū)： ?設(shè)備向緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)直到裝滿后 必須等待 CPU將其取完 ， 才能繼續(xù)向其中輸入數(shù)據(jù) ?為了提高設(shè)備利用率 ， 單緩沖區(qū)不夠 多緩沖區(qū) （ Cache） 技術(shù)： ?Cache：離 CPU最近 ， 使 CPU快速訪問常使用的數(shù)據(jù) ?CPU首先到一級 Cache中找 ?如果沒有 ， CPU到二級 Cache中找 ?如果沒有 ， CPU到系統(tǒng)內(nèi)存中找 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 40 一級 Cache， CPU先訪問，性能對系統(tǒng)性能作用很大 Cache與主存儲器 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 41 中斷技術(shù) 中斷對于操作系統(tǒng)的重要性 就像機(jī)器中的驅(qū)動(dòng)齒輪一樣 所以有人把操作系統(tǒng)稱為是由 “中斷驅(qū)動(dòng)”或者 “（中斷）事件驅(qū)動(dòng)” ?它使得 OS可