操作系统原理-操作系统的硬件基础.pptx

操作系统的硬件基础 操作系统的硬件基础教学内容计算机三总线硬件结构CPU结构CPU的态内存时钟中断系统基本输入输出系统操作系统启动过程计算机虚拟化和虚拟机操作系统的生成教学重点CPU的态中断系统基本输入输出系统操作系统启动过程操作系统的生成教学难点CPU的态中断系统操作系统启动过程 2.1 计算机三总线硬件结构 2.1 计算机三总线硬件结构计算机的硬件结构CPU、内存和外设。地址总线，数据总线，控制总线 2.2 CPU结构 2.2 CPU结构CPU在逻辑上可以划分成3个单元，分别是控制单元、运算单元和寄存器单元，这3部分由CPU内部总线连接起来。 2.3 CPU的态 2.3 CPU的态基本的态有3种：核态、用户态、管态。核态，即操作系统核心程序运行时所处的状态。核态具有最高的特权级别。用户态，即用户程序运行时的状态，它具有较低的特权级别，又称为目态。管态，是一个模棱两可的中间状态，其权限介于核态和用户态之间。 2.3 CPU的态Intel x86架构的CPU支持4个特权级分别称为Ring 0，Ring 1，Ring 2，Ring 3，其中，Ring 0级权限最高，Ring 3级权限最低。特权指令包括（1）改变CPU状态的指令；（2）修改特殊寄存器的指令；（3）涉及外部设备的输入输出指令。 2.3 CPU的态用户态切换到内核态主要有三种情形系统调用异常外部设备的中断 2.4 内存 2.4 内存内存也叫主存储器（Main Memory），简称主存。内存是计算机系统存放运行时指令与数据的半导体存储器单元，通常分为只读存储器（Read Only Memory，ROM）、随机存储器（Random Access Memory，RAM）和高速缓存存储器（Cache）等三种类型。 2.5 时钟 2.5 时钟计算机设置有一个硬件定时器，它能够定时向处理器发出时间信号。Intel 8253A芯片 2.5 时钟计数器的结构每个计数器通过3个引脚和外部联系：时钟输入端CLK，门控信号输入端GATE，输出端OUT。每个计数器支持多达6种工作方式，不同工作方式下OUT输出的波形、计数的启动方式、计数初值装入方式都有差异，以满足不同应用场合。 2.6 中断系统 2.6 中断系统中断是CPU对突发外部事件的一种反应机制CPU收到外部信号（中断信号）后，停止当前工作，自动转去调用事先准备好的中断服务程序处理外部事件，待处理完毕后再回到原来工作的中断处（断点）继续工作的过程或机制。 2.6 中断系统中断源和分类引起中断的原因，或者能够发出中断请求信号的来源统称为中断源。自愿中断和强迫中断强迫中断是指主程序没有预期的意外中断。例：外设产生的中断、程序运行的错误、硬件意外错误等。自愿中断是指主程序事先安排的中断。例：程序员在程序中调用访管指令访问系统服务或资源引发的中断。内部中断和外部中断内部中断是由CPU内部事件或执行访管指令产生的。外部中断也简称中断。外部中断由CPU外部的设备产生对CPU的请求而引发。 2.6 中断系统断点发生中断时程序被打断的暂停点称为断点。断点的本质就是中断发生时，主程序将要执行的下一条指令的地址，这个地址就是中断发生时CS和IP两个寄存器的值。广义上的断点包含CS、IP、FLAGS、SS和SP等5个寄存器，有时仅包含CS、IP和FLAGS等3个寄存器狭义上的断点仅包括CS和IP等2个寄存器。 2.6 中断系统现场现场是指中断发生时CPU中相关寄存器值的集合。广义上，现场可以包含断点信息、FLAGS、SS和SP等寄存器。狭义上，现场数据不包含断点信息，而仅包含其余寄存器中那些可能受中断服务程序影响的寄存器，例如AX，BX等寄存器。 2.6 中断系统中断服务程序处理中断源中断事件的程序称为中断服务程序。中断服务程序是事先已准备好的一个特殊函数，该函数的调用由系统自动完成。中断服务程序的一般结构（1）保护现场（2）开中断（3）中断服务主体（4）恢复现场（5）中断返回 2.6 中断系统中断响应过程中断响应过程是指从CPU的INT引脚收到外设中断请求（或内部中断产生）开始，到系统完成相应的中断服务并返回到原来主程序的全过程。（1）识别中断源（2）保护断点（3）保护现场（4）进入中断服务程序（5）恢复现场（6）中断返回 2.6 中断系统中断响应过程 2.6 中断系统中断嵌套高优先级中断打断低优先级中断服务的嵌套处理过程 2.7 基本输入输出系统 2.7 基本输入输出系统基本输入输出系统Basic Input Output System，BIOS是被固化到计算机中的一组程序，也是计算机加电启动后运行的第一个软件，为计算机提供最初级的、最直接的硬件操控。 2.7 基本输入输出系统1．加电自检及初始化加电自检（Power On Self Test，简称P