第二章 操作系统运行机制
操作系统的运行环境主要包括计算机系统的硬件环境和由其他的系统软件形成的软件环境。

本章讨论硬件环境。

CPU-存储体系-中断与异常机制-系统调用-IO 技术
中央处理器（CPU ）
一般的处理器构成与基本工作方式
运算器：实现任何指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心。

控制器：负责控制程序运行的流程
寄存器：存放相关数据的存储设备
高速缓存：出于CPU 与物理内存之间，有控制器的内存管理单元管理。

====处理器中的寄存器
可见寄存器：数据、地址、条件码寄存器
控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作，一般由具有特权的操作系统代码使用以控制其他程序的执行。

====指令执行的基本过程：先从存储器中每次读取一条指令，然后执行这条指令。

（指令周期） ====特权指令和非特权指令
如果某微型计算机是用于多用户或多任务的多道程序设计环境中，则他的指令系统中的指令必须分为：特权指令和非特权指令。

特权指令：指令系统的那些只能由操作系统使用的指令，而不允许一般用户使用的。

非特权指令：用户只能使用非特权指令，因为只有操作系统才能使用所有的指令。

处理器的状态
====管态： 操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，称为特权态和系统态。

目态： 用户程序运行的状态，具有较低的特权级别，称为普通态和用户态。

====CPU 状态的转换：管态和目态是可以转变的
==目态到管态：转换的唯一途径是通过中断或异常
==管态到目态：通过设置PSW 指令，修改程序状态字。

当计算机处于目态时，不允许执行特权指令。

====限制用户程序执行特权指令：用户程序中不允许使用特权指令。

当用户程序需要占用CPU 时，应该让CPU 处于目态。

程序状态字PSW （解决当前工作状态的问题）
用一个专门的寄存器来指示处理器状态，称为程序状态字（PSW ）。

用程序计数器（PC ）这个专门地寄存器来指示下一条要执行的指令。

处理器的程序状态字通常包括以下状态代码：
CPU 的工作状态代码：指明管态还是目态，用来说明当前在CPU 上执行的是操作系统还是一般用户，以 决定它是 否可以使用特权指令或拥有其他的特权。

条件码：反映指令执行后的结果特征 中断屏蔽码：指出是否允许中断
注意：不同机器的程序状态字的格式及其包含的信息都不同。

存储体系：（主存储系统以及与存储系统有关的机构是支持操作系统运行的硬件环境的一个重要方面） 存储器的层次结构
计算机存储系统的设计主要考虑：容量、速度、成本
存储保护：存储保护机构是操作系统运行环境中的一个重要的部分，常见的存储保护机构 界地址寄存器（界限寄存器）：方法是在CPU 中设置一对界限寄存器来存放该用户作业在主存中的下限和上限地 址，分别称为下限寄存器和上限寄存器。

存储键（存储保护键）：每一个存储块都有一个与其相关的由二进位组成的存储保护键。

当操作系统挑选该作业 上CPU 运行时，操作系统同时将该作业的存储键号存放到程序状态字PSW 的存 储键域中。

中断与异常机制———（操作系统在管理输入输出设备时，在处理外部的各种事件时，都需要通过中断与异常机制进行处理）（中断的实现是硬件中断装置和相应的中断处理软件共同完成的） 中断与异常的概念
====中断：指CPU 对系统中或系统外发生的异步事件的响应。

异步事件是指无一定时序关系的随机发生的事件。

专门设计了中断向量表：表中的每一项称为中断向量，主要由程序状态字PSW 和指令计数器PC 值组成。

====异常：中断是由外部事件引发的，异常是由正在执行的指令引发的。

====中断与异常的分类：
典型的中断
典型的异常
时钟中断、I\O 中断、控制台中断、硬件故障中断、
程序性中断、访管指令异常
中断系统：（由中断系统的硬件中断装置、软件中断处理程序）
====中断请求的接受：通过在计算机硬件的中断逻辑线路和中断寄存器实现的。

中断逻辑线路用于接受中断信号，并把该信号寄存在线路中的硬件触发器（中断位）中。

在中断逻辑线路中有若干个专门接受中断信号的触发器，每个触发器称为触发位。

1表示该触发器接收到中断信号，0表示无中断信号。

这些中断触发器的全体称为中断寄存器。

即中断寄存器是由若干个中断位组成的。

====中断响应：处理器的控制部件中设有中断信号扫描结构，它在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器。

查看是否有中断信号到来，若无中断信号，处理器就继续执行下一条指令，若有中断到来，处理器接受由中断装置发来的中断向量代号。

====中断处理
====典型的中断处理
I\O 中断 时钟中断 系统服务中断 系统服务请求 程序性中断 硬件故障中断 中断优先级与中断屏蔽 多级中断与中断优先级
在多级中断系统中，硬件决定了各个中断系统的优先级别。

多级中断的作用：划分等级、做出选择 同级情况：固定优先数、轮转法
中断屏蔽：在整个系统中可以允许或禁止中断系统对某些类别中断的响应。

（PSW 中有中断屏蔽位）
系统调用：为了从系统中获得服务
系统调用简介：就是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，这种特殊的过程调用，是通过特殊的机械指令实现的。

除了实现调用，还将系统转入特权方式。

系统调用与一般过程调用的区别
系统调用的本质是应用程序请求操作系统核心完成一特定功能的一种过程调用，是一种特殊的过程调用。

系统调用 一般调用 运行在不同的系统状态 调用程序：用户态 被调用程序：系统态 核心态和或用户态 状态的装换 通过中断机制先有用户态转换为核心态，在操作系统分析之后，转向响应的系统调用处理子程序
不涉及，直接由调用过程装换为被调用过程
返回问题 优先级分析 回到调用过程继续执行 嵌套调用 允许 允许 系统调用的分类
过程控制类、文件操作类、进程通信类、设备管理类、信息维护类 系统调用
系统调用的处理过程
一般操作系统都不允许用户程序访问操作系统的系统程序和数据。

因而，需要一个类似于硬件中断处理的中断处理结构。

I\O 技术：介绍计算机系统中的I\O 结构、通道、直接存储（DWA ）技术、缓冲技术、 I\O 结构：
通道：独立于中央处理器，专门负责数据I/O 传输工作的处理单元。

直接存储器访问技术（DMA ）：通过系统总线中的一个独立控制单元（DMA 控制器），自动控制成块的数据在内 存和I/O 单元之间进行传输。

缓冲技术：利用存储器件在外部设备中设置了数据的一个存储区域（缓冲区）。

该技术一种用于外部设备与外部
设备之间的通信，一种用于外部设备与处理器之间的通信。

时钟
时钟一般分为硬件时钟和软件时钟。

两者的同步工作通过操作系统维护。

时钟的用途分为绝对时钟和相对时钟（又称间隔时钟）。

绝对时钟是系统中不受外界干扰的一种时钟。

相对时钟是从某一时间初值开始的一段间隔时间。