计算机组成原理第八章 计算机系统服务

计算机组成原理第八章：计算机系统服务笔记

一、 计算机系统服务概述

计算机系统服务，也称为系统软件或系统服务程序，是运行在计算机硬件之上、应用程序之下的一层软件。它是用户与计算机硬件之间的桥梁，负责管理和优化硬件资源，为上层应用程序提供统一、高效的运行环境。本章主要探讨这些服务的基本原理、功能及其在计算机系统中的核心作用。

二、 系统服务的核心功能

1. 资源管理：系统服务的核心任务。它包括：

• 处理器管理：通过进程调度算法（如先来先服务、时间片轮转、优先级调度等）分配CPU时间，实现多道程序并发执行，提高CPU利用率。

• 存储管理：负责内存的分配与回收，提供虚拟内存技术，利用硬盘空间扩展逻辑内存，使程序可以运行在比物理内存更大的空间上。

• 设备管理：管理所有I/O设备，通过设备驱动程序屏蔽硬件差异，提供统一的接口，并处理设备的并发请求与中断。

• 文件管理：提供对存储设备上文件的组织、存取、共享和保护机制，使用户和程序能够方便地操作文件，而无需关心其物理存储细节。

1. 用户接口：为用户提供使用计算机的方式。

• 命令接口：如命令行（CLI），用户通过输入特定命令来操作计算机。

• 图形用户接口（GUI）：通过窗口、图标、菜单等可视化元素与用户交互，是目前主流的用户接口形式。

• 程序接口（API）：为应用程序提供的一组系统调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一途径。

1. 系统保护与安全：确保系统的稳定运行和数据安全。

• 内存保护：防止用户程序非法访问操作系统或其他用户程序的内存空间。

• 权限管理：通过用户身份验证和访问控制列表（ACL）等机制，控制对系统资源和数据的访问。

• 异常与中断处理：处理硬件故障、非法指令、除零错误等异常事件，以及来自外设的中断请求，保证系统能够从错误中恢复或正常响应外部事件。

三、 系统调用的实现机制

系统调用是应用程序主动请求内核服务的接口，是用户态切换到内核态的唯一入口。其典型执行过程如下：

1. 应用程序通过调用库函数（如read, write）发起请求。
2. 库函数将系统调用号和相关参数存入特定寄存器或栈中。
3. 执行一条特殊的指令（如int 0x80（x86）、svc（ARM））触发一个软中断或陷入（Trap）。
4. CPU响应中断，硬件自动将程序状态（如PC、PSW）保存到内核栈，并切换到内核态，跳转到预设的中断服务程序入口。
5. 内核的中断处理程序根据系统调用号，查询系统调用表，找到对应的服务例程并执行。
6. 服务例程执行完毕后，将结果返回给用户程序，并通过中断返回指令恢复用户程序的现场，切换回用户态。

这个过程体现了计算机体系结构对操作系统的支持，如特权指令、处理器状态位（用户态/内核态）、中断/异常机制等。

四、 中断与异常处理

这是硬件与系统服务软件协同工作的典型范例。

• 中断（Interrupt）：来自CPU外部（I/O设备、定时器等）的异步事件。硬件中断控制器（如8259A）负责接收和优先级仲裁。
• 异常（Exception）：由CPU内部正在执行的指令引发的同步事件，如缺页、除零、非法指令等。

处理流程：
1. 中断请求（IRQ）：设备发出中断信号。
2. 中断响应：CPU在每条指令执行结束后检查是否有中断请求。若有且未被屏蔽，则响应。
3. 现场保护：硬件自动将程序计数器（PC）和程序状态字（PSW）压入系统栈（通常是内核栈）。
4. 关中断与向量获取：可能先关闭中断以防止嵌套，然后根据中断类型号获取中断向量（即中断服务程序ISR的入口地址）。
5. 执行ISR：跳转到ISR执行。ISR由操作系统编写，负责处理具体的中断事务（如从键盘缓冲区读取数据）。
6. 恢复与返回：ISR执行完毕，执行中断返回指令（如iret），硬件自动从栈中恢复PC和PSW，CPU继续执行被中断的程序。

五、 存储服务的核心：虚拟内存

虚拟内存是系统服务中存储管理的关键技术。它使得程序可以使用比物理内存更大的地址空间。

• 基本原理：每个进程拥有独立的虚拟地址空间。内存管理单元（MMU）负责将虚拟地址通过页表转换为物理地址。
• 关键机制：
• 分页：将虚拟空间和物理空间划分为固定大小的页（如4KB）。

• 页表：存储虚拟页到物理页帧的映射关系。引入多级页表以节省空间。

• 缺页中断：当程序访问的页不在物理内存中时，MMU触发缺页异常。操作系统介入，从磁盘（交换区）将所需页调入内存，更新页表，然后重新执行引发异常的指令。

• 页面置换算法：当物理内存已满时，需要选择一页换出到磁盘，如最佳置换（OPT）、先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）算法等。

六、

计算机系统服务是计算机组成原理中软硬件结合最紧密的部分。它建立在CPU的中断、特权态、MMU等硬件机制之上，通过系统调用、中断处理、虚拟内存等核心技术，实现了对处理器、存储器、I/O设备等硬件资源高效、安全、抽象的管理。理解系统服务的工作原理，对于从整体上把握计算机系统的工作流程至关重要，也是理解现代操作系统内核设计的基础。