（二）操作系统-运行环境

硬件环境

处理器（CPU）

特权指令：

• 那些只能由操作系统使用、不允许一般用户使用的指令。
• 如：启动某设备指令、设置时钟指令、控制中断屏蔽的某些指令、清内存指令、建立存储保护指令等。

处理器的状态

1. 核心状态
2. 管理状态
   • 管态（管理态）——可以执行全部指令
3. 用户程序状态（目标状态）
   • 目态（问题态）——只能执行非特权指令

程序状态字（PSW）

一个专门用来指示处理器状态的寄存器

程序状态字的内容

• 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

存储保护

对主存中的信息严格保护，是操作系统和其他程序正确运行的基本条件之一

常用的存储器保护机制：

1. 界地址寄存器（界限寄存器） 在CPU中设置一对界限寄存器来存放该作业在主存中的下限和上限地址

2. 存储键 每个存储块有一个与其相关的由五位二进位组成的存储保护键 左边四位——存储保护键 最右边一位——取保护位

   ![1](https://i.loli.net/2021/04/20/e2udN5vXMVZR1WS.png)

缓冲技术

使用缓冲技术的原因：CPU处理数据速度与设备传输数据速度不相匹配，用缓冲区来缓解这种速度矛盾。

• 避免工作区被长期占用而使用户无法使用
• 为便于对缓冲区的管理，它往往与设备相联系，而不直接同用户相联系
• 减少输入输出次数，以减轻对通道和输入输出设备的压力

缓冲区信息可供多个用户共同使用和反复使用

中断技术

中断概念

• 中断：指CPU对系统中发生的异步事件的响应。
• 异步事件：是指无一定时间关系的随机发生的事件。
• 中断事件、中断源、中断处理程序

中断的作用

• 能充分发挥处理器的使用效率
• 提高系统的实时处理能力

中断类型

• 微型机中断类型
  1. 屏蔽中断（I/O中断）
  2. 不可屏蔽中断（机器内部故障、掉电中断）
  3. 程序错误中断（溢出、除法错中断）
  4. 软件中断：Trap指令或中断指令
• 大型机中断类型
  1. 机器故障中断
  2. 输入输出中断
  3. 外部中断
  4. 程序中断
  5. 访管中断（自陷中断）——自愿要求的18

中断响应

实质：交换指令执行地址和处理器状态，以达到如下目的：

1. 保留程序断点及有关信息
2. 自动转入相应的中断处理程序执行

CPU如何响应中断

何时响应：指令周期最后时刻接受中断请求

如何知道提出中断请求的设备或中断源

• 用软件指令去查询各设备接口
• 中断向量

大型机的中断优先级

• 机器故障中断
• 程序中断和访问管理程序中断
• 外部中断
• 输入输出中断

中断屏蔽

有时在CPU上运行的程序，由于种种原因，不希望其在执行过程中被别的事件所中断，称为中断屏蔽。

大型机中，在PSW中设置中断屏蔽码

微型机中，PSW中建立中断禁止位

中断处理

硬件和软件配合处理

• 硬件负责中断进入过程，即发现和响应中断请求，把中断的原因和断点记下来供软件处理时查用，同时负责引出中断处理程序；
• 中断分析、中断处理、恢复被中断程序的现场等工作则由软件的中断处理程序来完成。
  • 保护现场和传递参数
  • 执行相应的中断（自陷）服务例程恢复和退出中断24

IBM-PC的中断处理过程

1. 将处理器的程序状态字PSW压入堆栈
2. 将指令指针IP和程序代码段基地址寄存器CS的内容压入堆栈，以保存被中断程序的返回地址
3. 取来被接受的中断请求的中断向量地址，以便转入中断处理程序
4. 按中断向量地址把中断处理程序的程序状态字取来，放入处理器的程序状态字寄存器中

时钟分类

• 绝对时钟 记录当时的时间（年月日时分秒），以便打印统计报表和日记使用
• 间隔时钟 又称相对时钟
• 软时钟（虚拟时钟） 时钟数量终究是很少的 时钟队列

地址转换

相关概念：

• 绝对地址——存储控制部件能够识别的主存单元编号（或字节地址），也就是主存单元的实际地址；

• 相对地址——相对于某个基准量（通常为零）编址时所使用的地址（是使用于程序编写和编译中的地址系统）；

• 重定位——把程序中相对地址变换为绝对地址；

• 静态重定位——在程序装入主存时，由连接装入程序进行重定位；

• 动态重定位——在处理器每次访问主存时，由动态地址变换机构（硬件）自动进 行把相对地址转换为绝对地址。

  ![2](https://i.loli.net/2021/04/20/xqCmESFTapKrWy3.png)