操作系統(tǒng)教學(xué)中與硬件相關(guān)的幾個(gè)疑難問題探討

摘要：操作系統(tǒng)教學(xué)中有很多重點(diǎn)以及難點(diǎn)問題，既有硬件方面，也有軟件方面，筆者重點(diǎn)對(duì)硬件方面的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題進(jìn)行講解。操作系統(tǒng)中與硬件相關(guān)的疑難問題有中斷與異常的差別、原語與P.V.操作實(shí)現(xiàn)等。這些問題的存在影響了操作系統(tǒng)的操作，所以相關(guān)人員應(yīng)該加以。本文主要從三方面介紹了操作系統(tǒng)教學(xué)中與硬件相關(guān)的疑難問題，希望有所幫助。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；硬件；疑難問題

無論是教師，還是學(xué)生可以對(duì)操作系統(tǒng)中與硬件相關(guān)的某些問題都存在著誤區(qū)，這使得操作系統(tǒng)教學(xué)質(zhì)量大大折扣，同時(shí)也影響了學(xué)生的后期操作，而筆者對(duì)此進(jìn)行討論，主要是為了能夠讓教師與學(xué)生從誤區(qū)中走出來，對(duì)操作系統(tǒng)硬件方面有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。有些誤區(qū)，可能教師非常清楚，但是在課堂上卻沒有向?qū)W生進(jìn)行灌輸，這就導(dǎo)致學(xué)生一直對(duì)操作系統(tǒng)中與硬件方面相關(guān)的問題一知半解，筆者對(duì)此番討論，也可以為教師提供教學(xué)參考。

一、中斷與異常的差別

1、中斷與異常

操作系統(tǒng)教學(xué)中會(huì)遇到很多的疑難問題，而其中大部分都與硬件相關(guān)，因此在操作系統(tǒng)教學(xué)中，很多人都將重點(diǎn)的放在硬件相關(guān)的疑難問題上。中斷與異常就是其中一個(gè)比較難以解決問題，因?yàn)閮烧呤窒嗨?，?jīng)驗(yàn)不豐富的人員很有可能會(huì)出現(xiàn)誤判斷。

所謂中斷，也可以稱之為外中斷，其主要是指指令并不是來自于中央處理器，比較常見的有I/O結(jié)束中斷，這種中斷主要標(biāo)準(zhǔn)I/O已經(jīng)將所有的任務(wù)處理完成，處理機(jī)應(yīng)該向其他設(shè)備發(fā)出I/O請(qǐng)求，與此同時(shí)讓已經(jīng)完成中斷操作的設(shè)備能夠不間斷運(yùn)行。除此之外，還有時(shí)鐘中斷，此種中斷表示工作人員設(shè)定的固定時(shí)間已經(jīng)到，處理機(jī)應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)再啟動(dòng)相應(yīng)的運(yùn)行任務(wù)等，時(shí)鐘中斷與現(xiàn)行運(yùn)行的程序并沒有多大關(guān)系。中斷類型的不同，其優(yōu)先級(jí)也有差異，也就是說其事件的緊急程度也有很大的差異性，如果有高級(jí)中斷需要處理，低級(jí)中斷可以暫時(shí)被忽略。

異常，也可以被稱之為內(nèi)中斷、陷入等，其與中斷最大的區(qū)別就是在于其是中央處理器所執(zhí)行的指令發(fā)生的事件。比較常見的有地址越界、算術(shù)溢出等。異常與中斷的另一個(gè)差別就是不能中斷，如果出現(xiàn)了異常，要馬上處理，在處理異常期間，中斷會(huì)隨之響應(yīng)。

2、PC和PSW切換

如果硬件上出現(xiàn)了中斷或者異常，任何一種情況下，都需要切換PC，與此同時(shí)還需要切換PSW，這樣控制就會(huì)有所轉(zhuǎn)移。新的PC以及PSW值都在中斷表中。相關(guān)人員通常都會(huì)選擇使用硬件切換的方式，因?yàn)檫@種方式可以保證處理程序始終在核態(tài)上，以此保證合適的處理機(jī)運(yùn)行能夠達(dá)到優(yōu)先級(jí)。相關(guān)人員需要注意的是系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的處理機(jī)優(yōu)先級(jí)應(yīng)該是0，所以在系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，中斷可以被響應(yīng)。如果屬于外部中斷，則其優(yōu)先級(jí)應(yīng)該與對(duì)應(yīng)中斷優(yōu)先級(jí)相同。

二、原語與P.V.操作實(shí)現(xiàn)

原語也可以被稱之為原子操作，其是一種操作序列，其在邏輯不能分割與中斷。原語也可以用解決臨界段問題的元方法實(shí)現(xiàn)邏輯上不被分割、不被中斷執(zhí)行的特性。原語之所以不能被中斷執(zhí)行，是因?yàn)樵Z對(duì)變量的操作過程如果被打斷，可能會(huì)去運(yùn)行另一個(gè)對(duì)同一變量的操作過程，從而出現(xiàn)臨界段問題。如果能夠找到一種解決臨界段問題的元方法，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共享變量操作的原子性。還有一種說法，原語通過系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)調(diào)用也必須通過解決界段問題的元方法或P.V.操作實(shí)現(xiàn)操作原子性。

解決臨界段問題的元方法，屏蔽中斷方法。這種方法只能用于單處理機(jī)情形。在進(jìn)入臨界段之前屏蔽中斷，在出臨界段時(shí)開放中斷。在單機(jī)情形下，屏蔽中斷使得臨界段程序不可能被打斷執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)了臨界段操作的原子性；利用“Test and-Set”和“Swap”硬指令解決臨界段問題。這可以解決多處理機(jī)情形下的臨界段問題。

三、虛存地址變換過程

理論上，頁式虛存系統(tǒng)對(duì)頁表項(xiàng)的內(nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)充，首先因?yàn)樘摽臻g以輔存為基礎(chǔ)，故必須增加一個(gè)欄目以存放對(duì)應(yīng)頁駐留在輔存空間的塊號(hào)。增加一個(gè)合法位用于標(biāo)志對(duì)應(yīng)頁是否在主存。若在主存，則合法位為，并稱該頁合法，同時(shí)，頁表項(xiàng)中指出該頁所在的主存頁幀號(hào)，否則合法位為0，稱該頁不合法，頁表項(xiàng)此時(shí)應(yīng)指出該頁所在的輔存塊號(hào)。下面介紹一種頁表項(xiàng)結(jié)構(gòu)、硬件動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換過程。通過這些可了解一條訪存指令由硬件及操作系統(tǒng)的處理過程。

1、頁表頂結(jié)構(gòu)

修改位是為了在將頁面所占用的主存頁幀釋放回系統(tǒng)時(shí)，指明該頁是否要回寫到輔存塊中。如果修改位已被置上，則表示該頁面自上次從輔存調(diào)入主存以來，頁面中的數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改過，若沒有置位，則說明該頁自上次從輔存調(diào)入主存以來，未被對(duì)其進(jìn)行寫操作。因此，在該頁幀回收到系統(tǒng)時(shí)，也不必將頁面回寫到輔存中。修改位置上的頁一旦回寫到輔存后，即可以釋放頁幀，并將修改位、頁幀號(hào)和合法位都清零。一般來說。程序文件中包含了程序的二進(jìn)制目標(biāo)碼。以及程序所要處理數(shù)據(jù)的初始值和初值為、的工作區(qū)說明。程序在進(jìn)程的運(yùn)行過程中。數(shù)據(jù)的初始值頁面被調(diào)入主存使用。而且存放初始值的主存單元可能被修改，這時(shí)。系統(tǒng)不能夠?qū)⑿薷倪^的頁面回寫到執(zhí)行程序文件中去。因?yàn)閳?zhí)行程序文件中的初始值不能被改變，為此引入了專用的交換區(qū)用于存放那些可讀寫的進(jìn)程頁面，只讀的進(jìn)程頁面所在輔存的塊號(hào)。在進(jìn)程生存周期內(nèi)是不改變的。都指向執(zhí)行程序文件所在的輔存空間。但上述的可讀寫的進(jìn)程頁面。初始值從執(zhí)行程序文件中獲得。一旦修改。

2、硬件動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換

硬件執(zhí)行訪存指令的大致過程如下，當(dāng)CPU執(zhí)行訪存操作時(shí)。首先從快表查找要訪問地址的邏輯頁號(hào)對(duì)應(yīng)的物理頁幀號(hào)，注意?？毂碇械捻?xiàng)都是合法頁的頁表項(xiàng)。在進(jìn)程被調(diào)度運(yùn)行時(shí)由操作系統(tǒng)置入，若能夠在快表中獲得要訪問頁的頁幀號(hào)。則合成物理地址并進(jìn)行訪問，若要查頁表。須先檢查該頁頁表項(xiàng)的合法性，若合法位已被置上。則從頁表項(xiàng)中獲得頁幀號(hào)。合成物理地址并進(jìn)行訪問，若合法位未被置上。則馬上產(chǎn)生一個(gè)頁故障、或稱為缺頁異常，進(jìn)入操作系統(tǒng)核心。操作系統(tǒng)要馬上進(jìn)行頁面調(diào)入處理，操作系統(tǒng)處理完成后。返回剛產(chǎn)生頁故障的指令運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。重新執(zhí)行訪存指令，這時(shí)。訪存指令可以合成物理地址并進(jìn)行訪存，由此可見。頁故障的開銷會(huì)非常大。

四、結(jié)語

綜上所述，可知對(duì)操作系統(tǒng)教學(xué)中與硬件相關(guān)的幾個(gè)疑難問題進(jìn)行探討十分重要。操作系統(tǒng)中與硬件相關(guān)的教學(xué)難點(diǎn)實(shí)際上就是這些誤區(qū)，學(xué)生掌握了這些誤區(qū)，不僅對(duì)操作系統(tǒng)有了更為深入的了解，對(duì)操作系統(tǒng)的操作也會(huì)更加的熟練。實(shí)際上，操作系統(tǒng)教學(xué)中有關(guān)硬件方面的疑難問題還有很多，有待其他學(xué)者進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以便使我國(guó)的操作系統(tǒng)能夠與時(shí)俱進(jìn)。

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