第二章操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境2.1處理機(jī)2.2存儲(chǔ)系統(tǒng)2.3多道程序環(huán)境2.4中斷技術(shù)2.5程序的運(yùn)行2.1處理機(jī)CPU從內(nèi)存中取出指令，對(duì)指令解碼，執(zhí)行指令，直至程序執(zhí)行完畢。每個(gè)CPU基本周期由兩個(gè)步驟組成：（1）讀入下一條指令，下一條要執(zhí)行的指令的地址保存在程序計(jì)數(shù)器（PC）中；（2）執(zhí)行當(dāng)前指令，即從主存儲(chǔ)器中取出指令到指令寄存器（IR）并執(zhí)行指令，PC將自動(dòng)地增長(zhǎng)或改變?yōu)檗D(zhuǎn)移地址以指明下一條執(zhí)行的指令。指令的執(zhí)行周期2.1處理機(jī)---寄存器由于指令的執(zhí)行速度比訪問內(nèi)存的速度要快得多，CPU中設(shè)置了一組寄存器，用來保存關(guān)鍵變量和臨時(shí)數(shù)據(jù)。這組寄存器所存儲(chǔ)的信息與程序的執(zhí)行有很大的關(guān)系，構(gòu)成了處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)暫停一個(gè)正在運(yùn)行的程序，并啟動(dòng)另一個(gè)程序時(shí)，操作系統(tǒng)必須保存所有的寄存器信息即保存處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng)信息，以便稍后繼續(xù)運(yùn)行該程序時(shí)，可以把這些寄存器信息重新裝入寄存器，即恢復(fù)CPU現(xiàn)場(chǎng)。寄存器的類型：1、通用寄存器：可由程序設(shè)計(jì)者指定許多功能，如存放操作數(shù)或用作尋址寄存器。2、數(shù)據(jù)寄存器：用以存放操作數(shù)。它們作為內(nèi)存數(shù)據(jù)的高速緩存，可以被系統(tǒng)程序和用戶程序直接使用并進(jìn)行計(jì)算。3、地址寄存器：用于指明內(nèi)存地址。如索引寄存器、段寄存器（基址/限長(zhǎng)）、堆棧指針寄存器等等。4、I/O地址寄存器（I/OAR）：用于指定I/O設(shè)備。5、I/O緩沖寄存器（I/OBR）：用于處理機(jī)和I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)。6、控制寄存器：用于存放處理機(jī)的控制和狀態(tài)信息。它至少應(yīng)該包括程序計(jì)數(shù)器(PC，ProgramCounter）和指令寄存器(IR，InstructionRegister），中斷寄存器以及用于存儲(chǔ)器和I/O模塊控制的寄存器。7、存儲(chǔ)器地址寄存器（MAR）、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器(MBR）2.1處理機(jī)---指令系統(tǒng)每個(gè)CPU都有一套可執(zhí)行的專門指令集，稱為指令系統(tǒng)，大致可以分為五類：指令類型指令描述數(shù)據(jù)處理類指令用于執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算轉(zhuǎn)移類指令如無條件轉(zhuǎn)移、條件轉(zhuǎn)移、計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)移等用于改變指令執(zhí)行序列數(shù)據(jù)傳送類指令用于在處理機(jī)的寄存器和寄存器、寄存器和存儲(chǔ)器單元、存儲(chǔ)器單元和存儲(chǔ)器單元之間交換數(shù)據(jù)移位與字符串指令移位分算術(shù)、邏輯和循環(huán)移位；字符串處理有字符串的傳送、比較、查詢和轉(zhuǎn)換。I/O類指令用于啟動(dòng)外圍設(shè)備，讓主存和外圍設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境中，從資源管理和控制程序執(zhí)行的角度出發(fā)，必須把指令系統(tǒng)中的指令分作兩類：特權(quán)指令。那些只能提供給操作系統(tǒng)的核心程序使用的指令，如啟動(dòng)輸入輸出設(shè)備、設(shè)置時(shí)鐘、控制中斷屏蔽位、清內(nèi)存、建立存儲(chǔ)鍵，加載PSW等。非特權(quán)指令。操作系統(tǒng)----執(zhí)行所有指令用戶----執(zhí)行非特權(quán)指令2.1處理機(jī)----處理機(jī)工作狀態(tài)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)資源和機(jī)器指令的使用權(quán)限,把處理機(jī)執(zhí)行時(shí)的工作狀態(tài)分為核心態(tài)用戶態(tài)有的操作系統(tǒng)還將系統(tǒng)程序執(zhí)行時(shí)的機(jī)器的狀態(tài)又分為核態(tài)和管態(tài)。處理機(jī)狀態(tài)的權(quán)限次序是：核態(tài)>管態(tài)>用戶態(tài)。處理機(jī)狀態(tài)：1）核態(tài)：CPU執(zhí)行操作系統(tǒng)程序時(shí)所處的狀態(tài)。在此狀態(tài)下允許CPU使用全部資源和全部指令，其中包括一組特權(quán)指令（如涉及外設(shè)的I/O、改變處理機(jī)狀態(tài)、修改存儲(chǔ)保護(hù)的指令），實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源的分配與管理，為用戶提供使用外部設(shè)備的服務(wù)。2）管態(tài):管態(tài)比核態(tài)的權(quán)限低，在此狀態(tài)下允許使用一些用戶態(tài)下不能使用的資源，但不能使用修改CPU狀態(tài)的指令。無核態(tài)時(shí)，管態(tài)執(zhí)行核態(tài)的全部功能。3）用戶態(tài)：用戶程序執(zhí)行時(shí)CPU所處的狀態(tài)。在此狀態(tài)下禁止使用特權(quán)指令，不能直接使用系統(tǒng)資源與改變CPU狀態(tài)，并且只能訪問用戶程序所在的存儲(chǔ)空間。下面兩類情況會(huì)導(dǎo)致CPU從用戶狀態(tài)向管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換，（1）程序請(qǐng)求操作系統(tǒng)服務(wù)，執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用；（2）程序運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)中斷事件，運(yùn)行程序被中斷，讓中斷處理程序工作。2.1CPU----程序狀態(tài)字（PSW）計(jì)算機(jī)如何知道當(dāng)前處于何種工作狀態(tài)？這時(shí)能否執(zhí)行特權(quán)指令？通常操作系統(tǒng)都引入程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）來區(qū)別不同的處理機(jī)工作狀態(tài)。程序狀態(tài)字用來控制指令的執(zhí)行順序并且保留和指示與程序有關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)程序狀態(tài)的保護(hù)和恢復(fù)。每個(gè)正在執(zhí)行的程序都有一個(gè)與其執(zhí)行相關(guān)的PSW，而每個(gè)處理機(jī)都設(shè)置一個(gè)程序狀態(tài)字寄存器。一個(gè)程序占有處理機(jī)執(zhí)行，它的PSW將占有程序狀態(tài)字寄存器。PSW寄存器的主要內(nèi)容：1）程序基本狀態(tài)。包括：(1)程序計(jì)數(shù)器：指明下一條執(zhí)行的指令地址；(2)條件碼：表示指令執(zhí)行的結(jié)果狀態(tài)；(3)處理機(jī)狀態(tài)位：指明當(dāng)前的處理機(jī)狀態(tài)。2）中斷碼。保存程序執(zhí)行時(shí)當(dāng)前發(fā)生的中斷事件。3）中斷屏蔽位。指明程序執(zhí)行中發(fā)生中斷事件時(shí)，是否響應(yīng)出現(xiàn)的中斷事件。2.2存儲(chǔ)系統(tǒng)理想的存儲(chǔ)器應(yīng)滿足以下三個(gè)條件：（1）存儲(chǔ)器訪問的速度應(yīng)該極為迅速，至少和CPU執(zhí)行一條指令的速度相當(dāng)；（2）存儲(chǔ)空間充分大，這樣可以同時(shí)執(zhí)行的程序的數(shù)量和大小將不受限制；（3）低成本。而目前的技術(shù)無法同時(shí)滿足以上三個(gè)目標(biāo)，于是存儲(chǔ)系統(tǒng)采用分層的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：分層的存儲(chǔ)系統(tǒng)2.3多道程序環(huán)境在多道程序環(huán)境中，操作系統(tǒng)具有四個(gè)基本特征。（１）并發(fā)性。并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。（２）共享性。所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)的程序共同使用。共享的兩種方式：１）互斥共享２）同時(shí)訪問。（３）異步性。由于資源等因素的限制，使程序的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運(yùn)行。程序以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，即異步性。（４）虛擬(Virtual)性 所謂“虛擬”，是指通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬技術(shù)的兩種方式：（１）時(shí)分復(fù)用技術(shù)。時(shí)分復(fù)用，即分時(shí)使用方式。虛擬處理機(jī)技術(shù)、虛擬設(shè)備技術(shù)都采用這種分時(shí)的方式。在虛擬處理機(jī)技術(shù)中，利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，把一臺(tái)物理上的處理機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯上的處理機(jī)，在每臺(tái)邏輯處理機(jī)上運(yùn)行一道程序，使用戶感覺到有多臺(tái)處理機(jī)，我們把用戶感覺到的處理機(jī)成為虛擬處理機(jī)。（２）空分復(fù)用技術(shù)?？辗謴?fù)用，對(duì)空間進(jìn)行劃分，提高空間的利用率。虛擬磁盤技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)采用的是空分復(fù)用的方式。利用虛擬磁盤技術(shù)可以將一個(gè)硬盤虛擬為多個(gè)虛擬磁盤，使得磁盤的使用方便又安全。采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)可以從邏輯上擴(kuò)大內(nèi)存的容量。2.4中斷技術(shù)中斷需求：（1）請(qǐng)求操作系統(tǒng)服務(wù)（2）實(shí)現(xiàn)CPU和I/O設(shè)備交換信息使CPU與I/O設(shè)備并行工作（3）處理突發(fā)事件（4）滿足實(shí)時(shí)要求中斷是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或非預(yù)期的急需處理時(shí)間，使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的程序執(zhí)行的過程。與中斷相關(guān)的幾個(gè)概念中斷源：引起中斷發(fā)生的事件。中斷請(qǐng)求：中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中斷處理信號(hào)中斷響應(yīng)：CPU收到中斷請(qǐng)求后轉(zhuǎn)相應(yīng)的事件處理程序中斷是現(xiàn)代操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并發(fā)性的基礎(chǔ)之一。中斷的分類1。按照中斷事件的性質(zhì)，可以分成（1）強(qiáng)迫性中斷事件（2）自愿性中斷事件。強(qiáng)迫性中斷事件強(qiáng)迫性中斷事件不是正在運(yùn)行的程序所期待的，而是由于某種事故或外部請(qǐng)求信息所引起的。這類中斷事件大致有以下幾種：機(jī)器故障中斷事件。例如，電源故障，主存儲(chǔ)器出錯(cuò)等。程序性中斷事件。例如，定點(diǎn)溢出，除數(shù)為0，地址越界等。外部中斷事件。例如，時(shí)鐘的定時(shí)中斷，控制臺(tái)發(fā)控制信息等。輸入輸出中斷事件。例如，設(shè)備出錯(cuò)，傳輸結(jié)束等。自愿性中斷事件自愿性中斷事件是正在運(yùn)行的程序所期待的事件。這種事件是由于執(zhí)行了一條訪管指令而引起的，它表示正在運(yùn)行的程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)有某種需求，一旦機(jī)器執(zhí)行到一條訪管指令時(shí)，便自愿停止現(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)入訪管中斷處理程序處理。例如，要求操作系統(tǒng)協(xié)助啟動(dòng)外圍設(shè)備工作。兩類中斷事件的響應(yīng)過程中斷的分類2.按照中斷信號(hào)的來源，把中斷分為外中斷和內(nèi)中斷.外中斷，一般又稱中斷，是指來自處理器和主存儲(chǔ)器之外的中斷，包括：電源故障中斷、時(shí)鐘中斷、控制臺(tái)中斷、它機(jī)中斷和I/O中斷等。內(nèi)中斷，是指來自處理器和主存內(nèi)部的中斷，一般又稱陷入或異常，包括：通路校驗(yàn)錯(cuò)、主存奇偶錯(cuò)、非法操作碼、地址越界、頁(yè)面失效、調(diào)試指令、訪管中斷、算術(shù)操作溢出等各種程序性中斷等。其中訪管中斷是由機(jī)器指令提供的特殊指令，該指令執(zhí)行時(shí)將會(huì)引起中斷。中斷和陷入（外中斷和內(nèi)中斷）的區(qū)別(1)中斷是由與現(xiàn)行指令無關(guān)的中斷信號(hào)觸發(fā)的，而陷入則是由處理器正在執(zhí)行現(xiàn)行指令而引起的(2)中斷處理程序提供的服務(wù)不是為當(dāng)前程序所需，而陷入處理程序提供的服務(wù)是為當(dāng)前程序所用(3)CPU在兩條機(jī)器指令之間才可以響應(yīng)中斷，而在一條指令執(zhí)行中可以響應(yīng)陷入。

硬中斷與軟中斷上述的內(nèi)中斷與外中斷(中斷和陷入)要通過硬件來產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，可以看作硬中斷。軟中斷是不必由硬件發(fā)信號(hào)而能引發(fā)的一種中斷，它通常是通信進(jìn)程之間用來模擬硬中斷的一種信號(hào)通信方式。中斷優(yōu)先級(jí)當(dāng)有多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，中斷裝置根據(jù)預(yù)先設(shè)置的中斷優(yōu)先級(jí)響應(yīng)中斷。一種可能的中斷優(yōu)先級(jí)由高到低的順序是：機(jī)器校驗(yàn)中斷；自愿性中斷；程序性中斷；外部中斷；輸入輸出中斷；重啟動(dòng)中斷。x86體系結(jié)構(gòu)Windows的中斷請(qǐng)求級(jí)中斷的屏蔽主機(jī)可以允許或禁止某類中斷的響應(yīng)主機(jī)是否允許某類中斷，由當(dāng)前程序狀態(tài)字PSW中的某些中斷屏蔽位來決定。中斷的處理過程2.5程序的運(yùn)行用戶程序的處理步驟單道程序環(huán)境中的絕對(duì)裝入方式產(chǎn)生的目標(biāo)代碼中直接使用絕對(duì)地址，絕對(duì)裝入程序按照裝入模塊中的地址，將程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存，無需對(duì)模塊中的地址部分進(jìn)行修改，這種裝入方式稱為絕對(duì)裝入方式。目標(biāo)代碼中的絕對(duì)地址，有兩種方法給出一種是再編譯或匯編時(shí)給出，一種是由程序員在寫程序時(shí)直接給出。重定位在裝入時(shí)，為了使程序正確運(yùn)行，必須把裝入模塊中指令和數(shù)據(jù)的邏輯地址轉(zhuǎn)換成實(shí)際裝入內(nèi)存的物理地址，這種地址轉(zhuǎn)換過程，稱為重定位。根據(jù)重定位的時(shí)機(jī)，重定位可以分為靜態(tài)重定位動(dòng)態(tài)重定位。靜態(tài)重定位靜態(tài)重定位：重定位是在裝入時(shí)由重定位程序一次性完成的。動(dòng)態(tài)重定位裝入模塊裝入內(nèi)存后，并不立即進(jìn)行地址重定位，而是把地址重定位推遲到程序真正要執(zhí)行時(shí)才進(jìn)行，這種重定位稱做動(dòng)態(tài)重定位。

程序的鏈接鏈接是將編譯后得到的各個(gè)目標(biāo)模塊以及所需的庫(kù)函數(shù)連接在一起，形成一個(gè)完整的裝入模塊。鏈接程序要將各個(gè)目標(biāo)模塊中的相對(duì)地址和外部調(diào)用符號(hào)轉(zhuǎn)換成裝入模塊中的統(tǒng)一的相對(duì)地址。程序鏈接示例程序鏈接時(shí)需要解決以下兩個(gè)問題：1）對(duì)相對(duì)地址進(jìn)行修改。2）變換外部調(diào)用符號(hào)。

根據(jù)鏈接的時(shí)間的不同，程序的鏈接可以分為以下三種方式：

1）靜態(tài)鏈接方式：程序運(yùn)行之前鏈接。2）裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接方式：在裝入內(nèi)存時(shí)邊裝入邊鏈接的。3）運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接是指把對(duì)某些模塊的鏈接推遲到程序執(zhí)行時(shí)才進(jìn)行鏈接。9、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節(jié)，愿你生活像春天一樣陽光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。2月-252月-25Friday,February21,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。16:57:1416:57:1416:572/21/20254:57:14PM11、夫?qū)W須志也，才須學(xué)也，非學(xué)無以廣才，非志無以成學(xué)。2月-2516:57:1416:57Feb-2521-Feb-2512、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯(cuò)兒。16:57:1416:57:1416:57Friday,February21,202513、志不立，天下無可成之事。2月-252月-2516:57:1416:57:14February21,202514、ThankyouverymuchfortakingmewithyouonthatsplendidoutingtoLondon.ItwasthefirsttimethatIhadseentheToweroranyoftheotherfamoussights.IfI'dgonealone,Icouldn'thaveseennearlyasmuch,becauseIwouldn'thaveknown