全国计算机四级-操作系统-第二章---操作系统运行机制.pdf

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 == ### 操作系统运行机制知识点详解 #### 一、操作系统运行环境概述 操作系统的运行环境主要由计算机系统的硬件环境和由其他系统软件构成的软件环境组成。本章节将着重讨论硬件环境，具体涉及中央处理器（CPU）、存储体系、中断与异常机制、系统调用及输入输出（I/O）技术等内容。 #### 二、中央处理器（CPU） 中央处理器是计算机系统的大脑，负责执行程序指令。其主要组成部分包括： - **运算器**：负责实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算能力的核心。 - **控制器**：负责控制程序的执行流程，如指令的取址、译码等。 - **寄存器**：用于临时存储数据或指令，以便快速访问。 - **高速缓存**：位于CPU与物理内存之间，由内存管理单元管理，用于提高数据访问速度。 ##### 处理器中的寄存器 - **可见寄存器**：包括数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器等，用于存储操作所需的数据或地址。 - **控制和状态寄存器**：主要用于控制处理器的操作，通常只允许操作系统访问以控制其他程序的执行。 ##### 指令执行的基本过程 指令执行遵循一定的周期，首先从存储器中读取一条指令，然后执行这条指令，这一过程被称为“指令周期”。 #### 三、特权指令与非特权指令 在多用户或多任务的多道程序设计环境中，指令系统中的指令需要分为特权指令和非特权指令： - **特权指令**：仅操作系统可以使用的指令，不允许一般用户直接使用，用于确保系统的安全性和稳定性。 - **非特权指令**：用户程序可以使用的指令，这类指令不会对系统资源造成威胁。 #### 四、处理器状态 处理器的状态通常分为两种： - **管态**：操作系统运行时的状态，具有较高的权限级别，也称为特权态或系统态。 - **目态**：用户程序运行时的状态，权限级别较低，也称为普通态或用户态。 #### 五、CPU状态转换 - **目态到管态**：通过中断或异常实现状态转换。 - **管态到目态**：通过修改程序状态字（PSW），设置适当的权限级别。 #### 六、存储体系 存储体系的设计主要考虑容量、速度和成本。计算机存储系统通常包括： - **高速缓存**：位于CPU与主存之间，用于提高数据访问速度。 - **主存**：计算机的主要存储区域，用于存放当前运行的程序和数据。 - **辅助存储**：如硬盘驱动器等，提供更大的存储空间但访问速度较慢。 #### 七、存储保护 为了防止程序之间的非法访问，通常采用以下几种存储保护机制： - **界地址寄存器**：用于存放用户作业在主存中的下限和上限地址。 - **存储键**：为每个存储块分配一个存储保护键，用于限制访问权限。 #### 八、中断与异常机制 中断与异常机制是操作系统管理输入输出设备和处理外部事件的重要手段。 - **中断**：CPU对外部异步事件的响应，如定时器中断、I/O中断等。 - **异常**：由正在执行的指令引发的内部事件，如除零错误、非法指令等。 ##### 中断处理过程 1. **中断请求接受**：通过硬件逻辑线路检测中断信号，并将信号寄存。 2. **中断响应**：在每个指令周期的最后阶段扫描中断寄存器，判断是否有中断信号。 3. **中断处理**：根据中断类型调用相应的中断处理程序。 操作系统运行机制涵盖了计算机硬件环境的关键方面，包括中央处理器的工作原理、存储体系的设计以及中断与异常机制的应用。这些知识点对于深入理解操作系统如何管理和控制计算机资源至关重要。