操作系统运行环境

操作系统运行环境

通用操作系统使用时间片轮转调度算法，必须从起始地址开始执行

输入输出指令需要中断操作，中断必须在核心态下运行

• I/O通道实际上是一种特殊的处理器，它具有执行 I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作。

  • 是一种硬件技术

• 中断相关操作中，由操作系统完成的有

  • 初始化中断向量表
  • 执行中断服务程序，终端服务程序属于OS内核
    • 保存中断屏蔽字
    • 保存各通用寄存器的值
    • 提供与中断信号对应的中断服务

• 中断是操作系统必须提供的功能

  • 计算机的各种错误都需要中断处理，核心态与用户态切换也需要中断处理。

• 内核可以执行处理器能执行的任何指令，即特权指令只能由内核即操作系统使用。

• 执行系统调用的过程如下

  • 正在运行的进程先传递系统调用参数
  • 然后由陷入（trap）指令负责将用户态转换为内核态，并将返回地址压入堆栈以备后用
  • 接下来 CPU 执行相应的内核态服务程序
  • 最后返回用户态。

• 操作系统管理内存时，管理的是内存中的数据放在哪里、哪里可以放数据、哪里不可以放数据（内存保护）、哪里空闲等问题

  • 内存中的数据是什么、怎么读和写，都不是核心态关心的。

• 用户程序只能执行除特权指令外的指令。

• 中断处理流程的前三个步骤是由硬件直接实现（隐指令）的。

  • 地址映射中需要基地址（或页表）寄存器和地址加法器的支持。
  • 在时钟管理中，需要硬件计数器保持时钟的运行。
  • 进程调度由调度算法决定 CPU使用权，由操作系统实现。不需要硬件的支持。

• 中断程序本身可能是用户程序，但是进入中断的处理程序一定是 OS程序。

• 当中断或异常发生时，通过硬件实现将运行在用户态的 CPU立即转入核心态。中断发生时，若被中断的是用户程序，则系统将从目态转入管态，在管态下进行中断的处理;若被中断的是低级中断，则仍然保持在管态，而用户程序只能在目态下运行，因此进入中断处理的程序只能是OS程序。中断程序本身可能是用户程序，但是进入中断的处理程序一定是OS程序。

• 计算机通过硬件完成操作系统由用户态到核心态的转换，这是通过中断机制来实现的。发生

  • 中断事件时（有可能是用户程序发出的系统调用），触发中断，硬件中断机制将计算机状态置为核心态。

• 大多数计算机操作系统的内核包括四个方面的内容，即时钟管理、中断机制、原语和系统控制的数据结构及处理

  • 其中第4部分实际上是系统调用类的指令（广义指令）

  • 广义指令即系统调用命令，它必然工作在核心态

    • 要注意区分”调用”和”执行”
    • 广义指令的调用可能发生在用户态，调用广义指令的那条指令不一定是特权指令，
    • 广义指令存在于核心态中，所以执行一定在核心态。

• 在核心态下，CPU可以执行指令系统除了访管指令外的全部指令

• 关于内部异常的处理后

  • 返回点因异常类型不同而不同
    • 如除数为零和自行中断（INT）都会跳过中断指令
    • 所以他们不会返回到发生异常的指令继续执行

• 在操作系统中，关中断指令是权限非常大的指令，因为中断是现代操作系统正常运行的核心保障之一，能把它关掉，说明执行这条指令的一定是权限非常大的机构（管态）

  • 发生中断时，在关中断之前系统由用户态转为内核态，而关中断是由硬件实现的，所以CPU由用户态变为内核态是由硬件实现的
    • 检测到中断后，CPU负责保存断点PC和程序状态字PSW，然后变为内核态

• 子程序调用只需保存程序断点，即该指令的下一条指令的地址

• 中断处理不仅要保存断点（PC 的内容），还要保存程序状态字寄存器（PSW）的内容。

  • 在中断处理中，最重要的两个寄存器是 PC和 PSWR。
  • 外部中断处理过程，PC 值由中断隐指令自动保存，而通用寄存器内容由操作系统保存。

• 中断是指来自 CPU 执行指令以外事件的发生

  • 如设备发出的 I/O结束中断，表示设备输入/ 输出处理已经完成。希望处理机能够向设备发出下—个输入/输出请求，同时让完成输入/输出后的程序继续运行。
  • 时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。
  • 这一类中断通常是与当前程序运行无关的事件，即它们与当前处理机运行的程序无关。

• 异常也称内中断，指源自 CPU 执行指令内部的事件

  • 如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、 虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。