非零基础自学计算机操作系统

第1章 操作系统概述

1.5 操作系统的硬件环境

构建一个高效、可靠的操作系统，硬件需要提供哪些支持？

1.5.1 定时装置

为实现系统的管理和维护，硬件必须提供定时装置，也就是实时时钟。硬件时钟通常有两种，即绝对时钟和间隔时钟。

【1】绝对时钟

绝对时钟类似于电子表，其时间表示形式为年：月：日：时：分：秒。绝对时钟的值保存于硬件寄存器中，开机时可由电源供电计时，关机时可由机内电池供电计时，其值可由程序设定和修改，但是一般通过特权指令完成。当然，程序也可以读取绝对时钟的值。

绝对时钟是必要的，操作系统需要根据绝对时钟的值记录作业进入系统和处理的时间、文件的修改和存取时间、资源占用时间、日志记录时间等。

【2】间隔时钟

间隔时钟也称为闹钟，它每隔固定的时间，如10ms，发生一次时钟中断。时钟中断发生后，操作系统获得系统的控制权，以便运行系统管理和实现程序并发。后面将会看到，中断是系统并发的必要条件，即只有通过中断才能实现多道程序设计。尽管除时钟外还有其他可能引起中断的事件，但是那些事件是否发生、何时发生都不确定，而只有时钟中断是最“忠实可靠”的，可见间隔时钟是现代操作系统的基础。

利用间隔时钟还可以实现逻辑时钟，例如，要实现一个50ms的逻辑时钟，可以设置一个初值为5的变量，每次时钟中断将变量值减1，当其值减至0时即达到50ms。

1.5.2 堆与栈

在计算机学科领域中，“堆”和“栈”是两种不同的数据结构，用途截然不同，尽管用户进程的“堆”和“栈”在物理上通常是相邻的。

每个运行程序都有一个堆和两个栈（一个用户栈，一个系统栈)。

堆属于用户空间，用于保存程序中的动态变量，例如树的结点，堆空间由操作系统分给运行程序，由于不同程序运行时对动态变量的使用情况不尽相同，因而堆空间大小需求不定。

为了既节省空间又能满足所有程序对堆空间的需求，操作系统一般为运行程序分配一个基本大小的堆，如8KB,如果程序运行时对堆空间的需求没有超过8KB,则不需要操作系统进一步的帮助，对堆空间的使用由应用软件管理；但如果用户程序运行时对堆的需求超过了8KB,则会发生中断，操作系统为其扩充堆空间，如再分配8KB,如此继续下去。

用户栈属于用户空间，用于保存用户函数调用时的返回点、参数、局部变量、返回值。

除此之外用户栈还有一个用途，即传送调用操作系统时传给操作系统的参数。用户程序调用操作系统时，有两个载体可以用来传递参数：寄存器和用户栈，对于比较小的数据，如一个字符、一个整数、一个浮点数，可以通过寄存器传递：但比较长的参数，如文件名（字符串），寄存器通常是放不下的，只能通过用户栈传递。

对每个系统调用，操作系统都规定了参数和返回值的存放位置，用户程序必须遵循相应的规定。

系统栈也称核心栈，系统栈在逻辑上属于操作系统空间，主要有两个用途：一是保存操作系统子程序间相互调用的返回点、参数、局部变量、返回值，当然长度较小的参数和返回值也可以通过通用寄存器传递，这个用途与用户栈相似：二是中断响应时保存中断现场，包括PSW和PC,以及中断处理过程中用到的寄存器值。

对于嵌套中断，被中断程序的现场信息依次压入系统栈，中断返回时逆序弹出。

程序切换的同时伴随着堆、用户栈和系统栈的切换，但硬件的栈指针是多个进程共享的。

1.5.3 寄存器

硬件系统提供一套寄存器，由运行进程使用。程序切换时，一般需要把寄存器的当前值保存起来，再次运行前再恢复。这些寄存器简介如下。

① 程序状态字(program status word,PSW):如图下所示，

IBM360/370程序状态字由16B组成，表示当前程序的运行环境，其中每个“X”表示1B(4b)。其中，前8位为系统屏蔽位，第0_{6位分别对应7个通道通道，第7位对应外中断：第12}15位为CMWP,第13位为开关中断位M,第15位为系统状态位P;第16_{31位为中断码，用于保存中断字（详细中断信息)：第36}38位为程序屏蔽位，分别对应定点溢出、十进溢出、阶下溢；第39位备用。

可以看出，有些中断是不可屏蔽的，如时钟、地址越界、缺页、非法指令。

② 指令计数器(PC),记载运行程序下一条指令的地址。

③ 栈指针SP,管态与目态各一个，分别保存系统栈和用户栈的栈顶位置。

④通用寄存器(rgs),若干个，用于存数和计算，还可用来保存系统调用时传给操作系统的参数，以及由操作系统传给用户的返回值。

⑤浮点寄存器(fgs),若干个，用于存数和计算，也可用来保存系统调用时传给操作系统的参数，以及由操作系统传给用户的返回值。

⑥ 地址映射寄存器，一般有一对，分别记录内存区域的起始地址和长度，分别称为基址寄存器(base)和限长寄存器(limit)。