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1.1.1 计算机系统的硬件资源管理
13-05-18    奋斗的小年轻
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本书从操作系统原理的角度,详细解析了Windows如何实现现代操作系统的各个关键部件,包括进程、线程、物理内存和虚拟内存的管理,Windows中的同步和并发性支持,以及Windows的I/O模型。在介绍这些关键部件时,本...立即去当当网订购

操作系统管理哪些硬件资源,分别又是怎么管理的呢?最主要的资源是计算资源和存储资源。计算资源即 CPU (Central Processing Unit,中央处理单元),现在主流的计算机通常有一个或多个CPU ,或者一个 CPU 中有多个核(即多核 CPU )。从操作系统的角度来看,有多个 CPU 或一个多核CPU 意味着可以同时执行多个任务。所以,操作系统必须合理地安排和调度任务,使得多个CPU 或多核尽可能地利用起来,避免出现竞争或闲置的情形。在支持多任务并发的操作系统中,这一职责称为任务调度。在现代操作系统中,由于任务是由进程或线程来完成的,操作系统的这部分功能也称为进程调度或线程调度。因为任务的数量可能超过CPU 或核的数量,所以,多个任务可能共用同一个CPU 或核,这就需要有一种硬件机制能够让操作系统在不同的任务之间实现切换,这是任务调度的硬件基础。通常,计算机提供的时钟中断可以让操作系统很方便地做到这一点,也就是说,每隔一定的时间,硬件系统会触发一个中断;操作系统截获此中断,按照某种算法暂停当前正在执行的任务,并选择一个新的任务,从而实现任务的切换;到下一个时钟中断到来时,再继续这样的切换过程。因此,多个任务可以在一个CPU 或核中被轮流执行。操作系统可以设定时钟中断间隔的长度,也可以选择不同的算法来安排这些任务被先后执行,这样就形成了各种不同的调度算法。本书将在第3 章讨论Windows 的线程调度方案。

存储资源通常包括内存(RAM,随机访问存储器)和外存(也称为辅助存储器)。由于外存是通过标准的I/O(输入/ 输出)来管理的,而内存是CPU 直接通过系统总线来访问的,所以,我们将在讨论输入/ 输出的时候再介绍外存,现在仅考虑内存资源的管理。内存是CPU 执行一个任务的物质基础,CPU 内部的寄存器具备计算的能力,但计算的数据从哪里来呢?除了寄存器(其本身也是一种存储资源)以外,数据的来源是系统内存。在现代操作系统中,每个任务都有其独立的内存空间,从而避免任务之间产生不必要的干扰,所以操作系统有责任为每个任务提供相对独立的内存空间。把连续编址的物理内存划分成独立的内存空间,典型的做法是段式内存寻址和页式虚拟内存管理。不同的硬件体系结构可能支持不同的方案。Intel x86 体系结构同时支持段式寻址和页式虚拟内存映射,但是,可在Intel x86 上运行的操作系统几乎都选择了虚拟内存映射作为内存管理的硬件基础。Windows 和Linux 便是典型的例子。

在支持多任务的系统中,若所有任务的内存需求加起来的总量超过了当前系统的物理内存总量,那么,系统要么停掉一些任务,要么把一些任务转移到外存(如磁盘)中,以后当内存空闲时再把这些任务转换回来。或者系统有选择地把部分不常用的内存转换到外存,并且根据适当的规则将来再慢慢地转换回来。虚拟内存的映射以及物理内存不足时的换出和换入操作,这都是操作系统管理内存资源的重要任务。前者依赖于硬件提供的机制,而后者则更多地由操作系统自己来控制。

除了计算资源和内存资源的管理以外,操作系统对其他资源都通过I/O 来管理。例如,上面提到的外存资源,像磁盘,在现代计算机中是不可或缺的部件;另外,键盘和鼠标通常是标准的输入设备,而显示器和打印机往往是标准的输出设备。操作系统为了跟I/O 设备打交道,需要三方面的技术保障:CPU 通过特定的指令来控制I/O 设备,I/O 设备通知CPU 发生了特定的事情,以及在系统主内存和设备之间传输数据。

通常,CPU 直接访问设备的寄存器来操作一个设备,在Intel x86 系统上,CPU 通过 in和out指令能够做到这一点。设备寄存器是另一个地址空间,CPU 通过 I/O 端口(I/O port)来访问它们。在现代计算机中,I/O 端口的分配跟软件和硬件都有关系。不同的硬件设备会使用不同的端口编号,现代的设备大都可以通过软件方式来设置其端口号,而过去一些老的设备可能需要通过硬件跳线来改变端口号的设置。对硬件设备进行恰当的设置,也是操作系统管理硬件设备的任务之一。另外,CPU 怎么知道或检测设备的工作状态呢?一种做法是,通过不停地查询设备的状态寄存器来获知其工作状态;但是,更有效的做法是,当设备的状态发生变化时,它能够主动地通知CPU ,从而操作系统可以采取相应的措施。这后者即是设备中断机制。比如说,当键盘设备接收到按键动作时,它产生一个中断,告诉CPU (和操作系统),当前哪个键被按下了。中断也有编号,中断的编号被视为系统全局资源,在早期计算机的中断控制器中,不同设备的中断号不能冲突,否则设备无法正常工作。现代计算机通常允许多个设备共享中断号,操作系统和设备驱动程序可以协商设备的中断号。

计算机的计算处理能力往往仅限于在CPU 内部寄存器和主内存之间进行,但是为了实现基本算术计算以外的其他各种能力,通常有必要让设备中的数据也参与到计算中来,所以,在设备与CPU 寄存器或主内存之间传输数据往往是必要的功能。例如,计算机通过磁盘设备可以实现永久存储,通过显示控制器实现彩色显示甚至三维模拟。实现数据传输的方法有多种,如果设备本身的数据量很小,则可以直接通过in 指令来读取设备中的数据,或通过 out 指令输出到设备中。或者也可以映射一段地址范围到设备中,这样,当CPU 访问这块地址范围时,实际上是在访问设备的内存,而不是系统的主内存。另外一种适合于大块数据传输的技术是DMA(Direct Memory Access,直接内存访问)。像硬盘控制器和网络控制器就通常采用DMA 方式来传输数据,CPU 只须设置好数据传输的方向、位置、数量等信息,就可以启动DMA传输了。DMA传输可以与CPU 计算同时进行,但是DMA使用的总线不能与CPU 使用的发生冲突,它可以趁 CPU 不用总线的时刻来传送数据,也可能会因此而阻塞CPU 指令的执行。DMA传输影响CPU 执行指令的程度取决于DMA控制器的传输策略。

从操作系统的角度来看,考虑到 I/O 设备的多样性和出现新设备的可能性,操作系统有必要定义一个框架来容纳各种各样的I/O 设备,并且允许操作系统发布之后还能够为新的设备提供支持。所以,除了专用操作系统以外,现代操作系统都会提供一个I/O 模型,允许设备厂商按照此模型编写设备驱动程序(Device Driver),并加载到操作系统中。I/O模型通常具有广泛的适用性,能够支持各种类型的设备,包括对硬件设备的控制能力,以及对数据传输的支持。可以这么来概括 I/O 模型,它对下提供了控制硬件设备的能力,对上为应用程序访问硬件提供了一个标准接口,同时I/O 模型也必须能够让操作系统有效地管理设备驱动程序。在Windows 系统中,第三方厂商可以使用Windows 的I/O 模型来编写设备驱动程序。Windows 本身在发行时,已经随带了大量主流设备的驱动程序,所以,Windows 系统在安装阶段可以自动将识别出来的设备的驱动程序安装到系统中。因此,用户并不需要手工下载或安装这些驱动程序。另一方面,由于驱动程序需要直接访问硬件设备,它执行的许多指令(包括 in 和out)是特权指令,所以,驱动程序对于系统的稳定性和安全性有至关重要的影响,操作系统有必要对其执行严格的筛查措施,以避免恶意代码趁机闯入系统中。

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