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03/04/10,1,第二章操作系统的逻辑结构,(一)操作系统虚拟机(二)操作系统逻辑结构(三)处理机的状态(四)中断技术,03/04/10,2,(一)操作系统虚拟机,操作系统的核心 在裸机上运行，用户程序在扩充 后的机器上运行。硬件指令+操作命令,1.什么是操作系统虚拟机 在裸机上配置了操作系统程序后就构了操作系统虚拟机。,03/04/10,3,2.操作系统虚拟机的指令系统 操作系统虚拟机的指令系统，又称为操作命令语言。(1)操作命令(又称命令接口)作业控制语言 键盘命令 图形化用户界面(2)系统功能调用(又称程序接口)操作系统虚拟机的 功能是通过它提供的命令体现的。,03/04/10,4,(二)操作系统逻辑结构,03/04/10,5,(三)处理机的状态,1.设置处理机状态的目的 为操作系统建立一个保护环境，采用的办法是区分处理机的工作状态。系统中有两类程序：管理程序 用户程序 管理系统资源 使用资源，提出申请 控制程序运行 被控制,03/04/10,6,2.什么是处理机的态 中央处理机的工作状态，当前它正在执行哪类程序，决定处理机的态。3.处理机态的类别(1)核态(Kernel mode)操作系统的管理程序执行时机器所处的状态。使用全部指令(包括一组特权指令)；使用全部系统资源(包括整个存储区域)，实现对资源的分配与管理并为用户使用外设进行服务。,03/04/10,7,核态和管态：有的系统提供管态：管态比核态的权限低，在此状态下允许使用一些用户态下不能使用的资源，但不能使用修改CPU状态的指令。无核态时，管态执行核态的全部功能。权限次序：核态、管态、用户态。,03/04/10,8,(2)用户态(User mode)用户程序执行时机器所处的状态。在此状态下禁止使用特权指令，不能直接取用资源与改 机器状态，并且只允许用户程序访问自己的存储区域。管态 用户态 操作系统的程序执行 用户程序执行 使用全部指令 禁止使用特权指令(包括一组特权指令)使用全部系统资源 只允许用户程序访(包括整个存储区域)问自己的存储区域。,03/04/10,9,4.特权指令集 改变机器状态的指令允许和禁止中断进程切换停机指令 修改特殊寄存器的指令存取用于主存保护的寄存器 涉及外部设备的输入/输出指令执行I/O操作,03/04/10,10,用户态到管态：,管理程序调用中断用户进程产生错误（内部中断）用户程序企图执行特权指令,管态到用户态：,从核态转回用户态用一条指令实现，这条指令也是特权指令。一般情况下是中断返回指令。,03/04/10,11,(3)实例操作系统如何区分处理机的状态 DOS系统 不分态 Windows系统 现分为两态 3环 用户态 0环 系统态 还有1、2环预留 Unix系统（Linux）系统 分为三态 00 核态 01 管态 11 用户态,03/04/10,12,(四)中断技术,一.中断概念,中断对于操作系统的重要性 就像机器中的驱动齿轮一样所以有人把操作系统称为是由“中断驱动”或者“（中断）事件驱动”,03/04/10,13,中断的定义 某个事件发生，CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序,03/04/10,14,03/04/10,15,二.中断类型 1.按中断功能分类(1)输入输出中断：I/O传输结束或出错中断。(2)外中断：非通道式中断，包括时钟中断、操作员控制台中断、多CPU之间通信中断等。(3)机器故障中断：电源故障、主存取指令错、长线传输时的奇偶校验错等。(4)程序性中断：定点溢出、用户态下用核态指令、越界、非法操作等。(5)访管中断：对操作系统提出某种需求时所发出的中断称为访管中断。,03/04/10,16,2.按中断方式分类(1)强迫性中断 这类中断事件不是正在运行的程序所期待的，而是由某种事故或外部请求信号所引起的。,如：输入输出中断、外中断、机器故障中断、程序性中断,(2)自愿中断 它是运行程序所期待的事件，这种事件是由于正在运行的程序对操作系统有某种需求，一旦机器执行到一条访管指令时，便自愿停止现行程序的执行而转入访管中断处理程序处理。如：访管中断,03/04/10,17,03/04/10,18,3.按中断来源分类(1)中断 由处理机外部事件引起的中断称为外中断。包括输入输出中断、外中断。(2)俘获-高优先级中断 由处理机内部事件引起的中断称为内中断，又称为俘获。包括访管中断、程序性中断、机器故障中断。俘获的优先级高于中断的优先级。,03/04/10,19,(3)中断与俘获的例 PDP 11系列机中断与俘获的分类。,03/04/10,20,三.中断系统,中断系统的概念中断由软硬件协同处理中断装置：指发现中断，响应中断的硬件中断处理程序：由软件来完成中断系统=中断装置+中断处理程序,03/04/10,21,1.保护现场和恢复现场(1)现场 是指在中断的那一时刻能确保程序继续运行的有关信息。主要包括 后继指令所在主存的单元号 程序运行所处的状态（目态？管态？）指令执行情况 以及程序执行的中间结果等,03/04/10,22,(2)保护现场 当中断发生时，必须立即把现场信息保存在主存中，这一工作称之为保护现场。现场保护是中断进管后的第一件工作，由硬件、软件共同完成。(3)恢复现场 程序重新运行之前，把保留的该程序现场信息从主存中送至相应的指令计数器、通用寄存器或一些特殊的寄存器中。完成这些工作称为恢复现场。,03/04/10,23,2.程序状态字(psw)(1)什么是程序状态字 程序状态字是反映程序执行时机器所处的现行状态的代码。主要内容包括 程序现在应该执行哪条指令 当前指令执行情况 机器处于何种程序状态 程序在执行时应该屏蔽哪些中断 寻址方法、编址、保护键 响应中断的内容。,03/04/10,24,(2)程序状态字的例 IBM 370 机 程序状态字内容 PSW寄存器（双字）IBM PC 机 程序状态字内容 CS IP 指令地址 flag 标志寄存器 PDP 11系列机 程序状态字内容 PC 指令计数器 PS 处理器状态寄存器,03/04/10,25,CPU如何响应中断,两个问题：CPU何时响应中断？通常在CPU执行了一条指令以后，更确切地，在指令周期最后时刻接受中断请求，或此时扫描中断寄存器如何知道提出中断请求的设备或中断源？因为只有知道中断源或中断设备，才能调用相应的中断处理程序,03/04/10,26,如何接受和响应中断源的中断请求，因机器而异如，在PC中:有可屏蔽的中断请求INTR:主要是输入输出设备的I/O中断,通过建立在PSW中的中断屏蔽位加以屏蔽，即使再有I/O中断，处理器也不响应不可屏蔽的中断请求:属于机器故障中断，包括内存奇偶校验错以及掉电等中断源程序中的问题所引起的中断（如溢出、除法错都可以引起中断）和软件中断等由于可能有很多中断源请求同时发生由中断逻辑按中断优先级加以判定响应哪个中断请求,03/04/10,27,处理器如何发现中断信号？处理器的控制部件中设一个能检测中断的机构 称为中断扫描机构在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，询问是否有中断信号若无中断信号，继续执行下一条指令若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入PSW的相应位，称为中断码,03/04/10,28,03/04/10,29,如何知道提出中断请求的设备或中断源？两种解决方法：用软件指令去查询各设备接口 这种方法比较费时多数微型机对此问题的解决方法：使用一种“向量中断”的硬件设施“向量中断”：当CPU接受某中断请求时，该设备接口给处理器发送具有唯一性的“中断向量”，以标识该设备“中断向量”在各计算机上实现方法差别比较大,03/04/10,30,在有的机器中：将主存最低位128个字保留作为中断向量表，每个中断向量占两个字中断请求的设备接口为了标识自己，向处理器发送一个该设备在中断向量表中表目的地址指针,03/04/10,31,四.软件的中断处理过程,03/04/10,32,四.软件的中断处理过程 当硬件完成了中断进入过程后，由相应的中断处理程序得到控制权，进入了软件的中断处理过程。,03/04/10,33,五.向量中断 1.什么是向量中断 当中断发生时，由中断源自己引导处理机进入中断服务程序的中断过程称为向量中断。2.中断向量 中断向量是存储某类型中断的中断服务例行程序的入口地址和处理器状态字的存储单元。3.中断向量表 主存中用于存放中断向量服务地址的一组存储单元组成的表。,03/04/10,34,表2.1 中断向量地址及中断向量单元中断类型 中断向量 PC及PS值 终端输入060 终端输入处理程序入口地址 062 0200终端输出064 终端输出处理程序入口地 066 0200 纸带输入070 纸带输入处理程序入口地址 072 0200纸带输入074 纸带输出处理程序入口地址 076 0200 电源时钟100 电源时钟处理程序入口地址 102 0300 程序时钟 104 程序时钟处理程序入口地址 106 0300行式打印机200 行式打印机处理程序入口地址 202 0200 RK磁盘 220 RK磁盘处理程序入口地址 222 0240,03/04/10,35,俘获向量地址及俘获向量单元,所有俘获对应的新PC相同（P37）所有新PS的优先级都是7级新PS 的低5位区分不同种类的俘获,03/04/10,36,4.向量中断处理过程当某个设备I/O完成时，它将一个中断请求放到总线上：1）当优先级满足时，处理器让出总线控制权2）该设备作为主设备取得总线控制权，向处理器发出中断命令和设备的中断向量地址。3）当前处理器状态字PS和指令计数器PC自动进入系统堆栈。4）从中断向量地址中得到新的PC、PS内容，分别送PC、PS寄存器。5）中断服务例程被执行。6）完成中断处理，通过中断返回指令返回到被中断的程序。1)4）：中断进入 5）：ISR 6）：返回,03/04/10,37,自陷处理过程,教材P39的图2.7 给出了PDP11计算机上的trap的示意图，归纳起来有以下四个动作：(SP)PS(SP)PCPC(34)PS(36),03/04/10,38,向量中断和探询中断,探询中断机制是将系统中的所有中断分为几大类，每一大类包含若干个中断类型。中断响应转入的是某一大类中断处理的入口程序。中断处理程序再分析中断源，转入具体的设备中断例程。,03/04/10,39,第二章 小结 1.操作系统虚拟机概念。2.处理机的态，管态、用户态，二者的区别。3.中断概念：定义、类型。4.中断响应的定义、实质。5.中断处理过程。6.向量中断概念。,
