操作系统课程（二）—— 操作系统的硬件环境与系统调用

课程：北京大学软件与微电子学院《操作系统》讲师：陈向群学期：2008-2009 第一学期对应教材章节：第二章操作系统的硬件环境 + 第三章用户接口与作业管理（前半）关联笔记：操作系统课程（一）—— 绪论与操作系统概述

一、本章定位

操作系统是硬件功能的第一层软件延伸，OS 设计者必须深刻理解计算机基本结构。硬件环境以分散的形式同各种 OS 管理功能相结合。

本章讨论六个核心硬件机制：

中央处理器（CPU） —— 特权级、状态切换
存储系统 —— 层次结构、保护、地址转换
中断机制 —— OS 的”驱动齿轮”，事件驱动的基础
I/O 系统 —— 程序控制 / 中断驱动 / DMA / 通道
时钟与时钟队列 —— 多道系统的”心跳”
缓冲技术 —— 解决速度不匹配

二、中央处理器（CPU）

2.1 CPU 构成

运算器：算术逻辑运算，计算的核心
控制器：取指令、维护 CPU 状态、CPU 与内存交互
寄存器 + 高速缓存

2.2 两类寄存器

类型	用户可见	典型寄存器	作用
用户可见寄存器	✅ 机器语言直接引用	数据寄存器（通用）、地址寄存器（index/segment/stack pointer）、条件码寄存器	编译器分配，减少访存次数
控制和状态寄存器	⚠️ 大部分不可见，特权模式访问	PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）、PSW（程序状态字）	控制处理器操作，由 OS 特权代码使用

2.3 特权指令与非特权指令

特权指令：只能由 OS 使用的指令（如 I/O 指令、关中断、设置时钟、加载 MMU 等）
为什么要区分？ 多道程序设计必须隔离 OS 和用户程序，实现保护和控制
特权指令一般引起处理器状态切换

2.4 CPU 的两种状态（管态 vs 目态）

维度	管态（内核态 / 特权态）	目态（用户态）
权限	可执行全部指令，访问所有资源	只能执行非特权指令
程序	操作系统内核	用户程序

Pentium 的 PSW 关键标志位：

CF / ZF / SF / OF —— 标准条件位（进位/零/符号/溢出）
TF —— 陷阱标志（单步调试）
IF —— 中断允许标志
IOPL —— I/O 特权级别
VIF / VIP —— 虚拟中断相关

2.5 CPU 状态转换

目态 ────中断（广义）────→ 管态
管态 ────设置 PSW ────→ 目态

目态→管态的唯一途径：中断（包括系统调用的访管指令 INT / TRAP / SYSCALL）
管态→目态的途径：设置程序状态字（一条特殊指令）

访管指令：供用户调用操作系统功能的特殊指令（INT、TRAP、SYSCALL）。

三、存储系统

3.1 存储器层次结构

三个核心问题：容量、速度、成本 —— 三者互相制约。

寄存器   ← 最快，最小，最贵
高速缓存
主存（内存）
辅存（外存） ← 最慢，最大，最便宜

存储访问局部性原理 —— 存储器层次结构能工作的根本原因：

时间局部性：循环、子程序调用 → 重复存取相同指令集合
空间局部性：数据存取在短时间内稳定在局部区域
处理器主要和存储器的局部打交道

3.2 存储分块

最小单位：二进位（bit）
最小编址单位：字节（byte）
为简化分配管理，存储器分成物理页（Page）
块大小：512B / 1KB / 4KB / 8KB / … / 4MB / 16MB

3.3 存储保护设施

多道系统中，必须保护各进程的内存区域不被互相侵犯。

两种硬件支持机制：

（1）界地址寄存器（界限寄存器）

设置一对下限/上限寄存器（或基址+限长寄存器），存放作业地址范围
每次访存时硬件自动比较，越界则产生越界中断
实现简单，但只支持连续分配

（2）存储键

每个存储块有一个保护键（若干位）
OS 给每个作业分配唯一键号，对应块的存储键也置成该号
PSW 中有”钥匙”域，每次访存比较块键与钥匙
匹配 → 允许访问；不匹配 → 拒绝并报警

3.4 地址转换机制

虚拟地址（逻辑地址） ──MMU──→ 物理地址

虚拟地址：处理器生成的指令/数据地址
MMU（内存管理单元）：专用硬件，完成地址转换
转换由软硬件结合完成

分页机制是地址转换的典型实现（x86 有 PDE/PTE 两级页表）。

四、中断技术

中断对于操作系统的重要性，就像机器中的驱动齿轮一样。 —— 操作系统是由”中断驱动”的

作用：

及时处理设备中断请求
捕获用户程序的系统功能调用
防止用户程序的破坏性活动
……

4.1 中断的概念

CPU 对系统中某个事件作出的反应：

暂停正在执行的程序
保留现场
自动转去执行相应事件的处理程序
处理完成后返回断点，继续执行

三大特点：

随机发生
可恢复
自动处理

4.2 中断的分类

按中断源划分：

类型	引发者	典型例子
I/O 中断	设备控制器	磁盘读写完成、键盘输入
时钟中断	定时器	时间片到、定时任务
硬件故障中断	硬件异常	电源掉电、内存校验错
程序性中断（异常）	指令执行出错	除零、越界、非法指令、页故障
系统服务请求（访管中断）	访管指令	系统调用（int $0x80, syscall）

4.3 中断向量与中断向量表

中断向量：存放中断处理程序入口地址（段地址+偏移）的一组数据
中断向量表：一张表，每个表项对应一个中断号，包含中断向量
中断响应：CPU 收到中断请求 → 查中断向量表 → 跳转处理程序

4.4 中断优先级与中断屏蔽

每个中断源有一个优先级
高级中断可以打断低级中断处理程序 → 中断嵌套
中断屏蔽：PSW 中的中断允许位可以关闭某些中断
- 可屏蔽中断 vs 不可屏蔽中断（NMI，如电源故障）

4.5 中断处理的一般过程（8 步）

硬件阶段:                          软件阶段:
(1) 中断源发中断请求          (5) 查中断向量表，跳转处理程序
(2) 处理器判优、响应            (6) 中断处理程序工作
(3) 关中断、保存断点             (7) 中断返回指令
(4) 保存上下文、切换到管态      (8) 恢复上下文、恢复 PSW

硬件完成： 1~~5（中断请求到跳转入口） 软件完成： 6~~8（处理程序主体到返回）

4.6 五类典型中断处理

（1）I/O 中断

正常结束 → 唤醒等待进程，继续下一步操作
I/O 异常 → 重试，超过上限判定硬件故障

（2）时钟中断——系统的”心跳”

维护软件时钟（定时任务、时间配额）
处理器调度（时间片到 → 调度新进程）
控制系统定时任务（死锁监测、记账、审计）
实时处理

（3）硬件故障中断

保存现场、告警、诊断
高可靠系统尝试恢复
蓝屏、内存转储（故障快照）

（4）程序性中断

系统扩展功能处理（如页故障 → 虚存换入）
用户程序自行处理（如算术错误，OS 提供”绿色通道”）
调试断点/单步跟踪

（5）系统服务请求（访管中断）

由处理器专用指令激发（INT / SYSCALL）
现代 OS 通过 API 封装，不直接暴露系统调用指令

4.7 IA32 (x86) 的中断机制

基本概念辨析

中断：硬件信号引发，可屏蔽/不可屏蔽
异常：指令执行引发（如除零），约 20 种，部分带硬件出错码
系统调用：异常的一种（int $0x80），用户态→内核态唯一入口

中断描述符表 IDT（三种门描述符）

门类型	特点
任务门	任务切换用（Linux 未使用）
中断门	进入后自动关中断（IF=0）
陷阱门	进入后不关中断（系统调用用）

硬件处理过程（7 步）

确定中断/异常向量 i
读 IDTR → 取第 i 个中断描述符
读 GDTR → 取段描述符（得处理程序基址）
特权级检查（CPL ≤ 段描述符 DPL，CPL ≤ 门描述符 DPL）
特权级变化 → 切换栈（TSS）
硬件压栈保存上下文（含出错码）
通过段基址 + 段内偏移 → 跳转处理程序入口

五、I/O 技术

四种控制方式，CPU 介入程度递减：

方式	机制	CPU 参与度	适用场景
程序控制 I/O（轮询）	CPU 不断查询 I/O 状态寄存器	极高（忙等）	简单低速设备
中断驱动 I/O	I/O 准备好后发中断通知 CPU	中（每次中断）	中速字符设备
DMA（直接存储器访问）	DMA 控制器自动成块传送，完成后才中断	极低（只在开始和结束）	块设备大量数据
通道（Channel）	专用 I/O 处理器执行通道程序	几乎为零	大型机、高端系统

5.1 程序控制 I/O

三类指令：控制指令、状态指令、数据传送指令
致命缺陷：CPU 必须轮询，耗费大量时间，严重降低性能

5.2 中断驱动 I/O

I/O 设备准备好时通过中断通知 CPU
让 CPU 从轮询中解放，I/O 和计算并行
但每次数据传送仍需 CPU 介入，大量数据时中断开销大

5.3 DMA（直接存储器访问）

DMA 控制器独立控制成块数据在内存和 I/O 间传输
CPU 只在开始时设置 DMA 参数，结束时被中断
传输过程中 CPU 可以做其他计算
解决”中断仍要 CPU 介入数据传送”的问题

5.4 通道

更彻底的 offloading：专用的 I/O 处理器
执行通道程序，控制多台设备
常见于大型机（IBM 大型机传统）

六、时钟与时钟队列

6.1 时钟的作用

维护系统时间（日时钟）
进程调度（时间片轮转）
定时任务唤醒
统计和计费
实时系统的 Deadline 管理

6.2 三种定时器硬件

定时器	特点
TSC（时间戳计数器）	Pentium+ 64-bit，每个时钟周期+1，rdtsc 读取，ns 级精度
PIT（可编程间隔定时器）	固定频率周期中断（IRQ0），系统”心跳”。Linux 约 10ms/节拍（Tick）
本地 APIC 定时器	SMP 系统中，每个 CPU 自己的局部定时器，32-bit

七、缓冲技术

7.1 缓冲的本质

解决部件之间速度不匹配的问题。

三种用途：

处理器 ↔ 内存（高速缓存 Cache）
处理器 ↔ 外部设备（硬件缓冲区）
设备 ↔ 设备（内存中缓冲）

7.2 单缓冲 vs 多缓冲

单缓冲：设备输入装满后必须等 CPU 取完才能继续，设备利用率低
多缓冲（Cache）：多级缓存（L1/L2 Cache → 内存），CPU 先在最近的 Cache 找，没有再往下找

本质上，整个存储器层次结构就是一套多级缓冲系统。

八、用户接口与系统调用

8.1 用户与 OS 的两类接口

接口级别	面向	形式
作业级接口	用户（人）	联机（交互式命令）/ 脱机（JCL）
程序级接口	程序（代码）	系统调用（一组 OS 子功能）

8.2 系统调用的本质

系统调用是用户程序调用 OS 子功能的手段，是编程人员能使用的 OS 唯一接口。

特点：

特殊的过程调用，由访管指令实现
执行时系统状态从目态转入管态
低级过程，只能由汇编直接访问（高级语言通过库函数封装）
用于动态请求/释放资源、完成硬件相关工作、控制程序执行
每个 OS 提供几百个系统调用

8.3 系统调用的处理过程

用户程序                    陷入机制                   系统子程序
   │                           │                           │
   │  (1) 系统调用指令          │                           │
   ├──────────────────────────►│                           │
   │                           │  (2) 保护现场              │
   │                           │                           │
   │                           │  取功能号 → 查入口地址表    │
   │                           │                           │
   │                           │  (3) 跳转子程序            │
   │                           ├──────────────────────────►│
   │                           │                           │
   │                           │  (4) 返回                  │
   │◄──────────────────────────┤◄──────────────────────────┤
   │                           │  恢复现场                  │

三步骤：

保护现场（保存在系统堆栈或特定区域）
取功能号 + 查入口地址表 + 跳转执行
返回 + 恢复现场

8.4 参数传递的三种方法

方法	原理	局限
陷入指令自带参数	指令中直接带参数	指令长度有限，只能带少量参数
通用寄存器传递	用寄存器传参	寄存器数量有限
内存专用堆栈传递	在堆栈区传参	最灵活，支持大量参数

8.5 系统调用分类

五大类：

进程控制类 —— 创建/终止/等待/调度
文件操作类 —— 打开/关闭/读写/定位
进程通信类 —— 消息/管道/共享内存
设备管理类 —— 申请/释放/读写
信息维护类 —— 时间/系统信息

8.6 Linux 的系统调用实现（x86）

入口指令：int $0x80（软件中断 128 号）
门类型：陷阱门（不影响硬件中断）
门描述符配置：
- 段选择符 = 内核代码段
- 偏移量 → system_call()
- 类型 = 15（陷阱门）
- DPL = 3（用户级，允许用户进程使用）
寄存器约定：
- EAX = 系统调用号
- EBX / ECX / EDX / ESI / EDI = 参数 1-5
特权级切换：用户栈 → 内核栈（从 TSS 取新栈指针），压入用户态 SS/ESP/CS/EIP/EFLAGS

8.7 Win32 API

Windows 提供的应用程序接口（以千计）
无法区分哪些是系统调用（内核执行）、哪些是用户空间库调用
不同 Windows 版本间可能变化
图形子系统如果在内核中运行，也算系统调用

九、关键概念速查表

概念	一句话理解
管态 / 目态	CPU 的两种运行级别，隔离 OS 和用户程序
PSW	程序状态字，记录 CPU 运行模式和标志
访管指令	用户调用 OS 功能的特殊指令，触发从目态到管态的切换
存储局部性	程序只访问内存的一小部分局部区域，是缓存体系的基础
界地址寄存器	最简单的存储保护硬件，上下限+比较
存储键	每个存储块有”锁”，PSW 有”钥匙”，匹配才允许访问
MMU	内存管理单元，虚拟地址→物理地址的硬件
中断向量	中断处理程序的入口地址（段+偏移）
中断向量表	中断号 → 中断处理程序的映射表
中断门 / 陷阱门	进入中断门自动关中断，陷阱门不关
时钟节拍（Tick）	PIT 两次中断的间隔（Linux ~10ms）
系统调用	OS 提供给程序的功能接口，通过访管指令实现
int $0x80	Linux x86 的 32 位系统调用指令

十、与其他知识的关联

本章的中断机制是后续操作系统课程（一）—— 绪论与操作系统概述中”五大功能”的底层支撑
存储保护 + 地址转换 → 后续内存管理章节（分页、分段、虚拟内存）的硬件基础
CPU 特权级 + 状态切换 → 进程管理的基本机制
系统调用 → 用户程序与 OS 交互的唯一途径，贯穿文件系统、进程管理、设备管理所有章节
时钟中断 → 进程调度（时间片轮转）的硬件动力
DMA 和通道 → I/O 系统章节的核心概念

十一、作业题（思考）

为了在程序一级提供操作系统服务，系统（软硬件）必须提供哪些支持？
系统调用的作用是什么？阐述系统调用的工作原理和实现过程。
画出中断处理的一般过程，标出哪些由硬件完成，哪些由软件完成。
操作系统是如何利用中断机制的？

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