操作系统教学中与硬件相关的几个疑难问题探讨

操作系统教学中与硬件相关的几个疑难问题探讨

苗健

苗健

黑龙江机械制造高级技工学校黑龙江省鸡西市

摘要：操作系统教学中有很多重点以及难点问题，既有硬件方面，也有软件方面，笔者重点对硬件方面的重点与难点问题进行讲解。操作系统中与硬件相关的疑难问题有中断与异常的差别、原语与P.V.操作实现等。这些问题的存在影响了操作系统的操作，所以相关人员应该加以。本文主要从三方面介绍了操作系统教学中与硬件相关的疑难问题，希望有所帮助。

关键词：操作系统；硬件；疑难问题

无论是教师，还是学生可以对操作系统中与硬件相关的某些问题都存在着误区，这使得操作系统教学质量大大折扣，同时也影响了学生的后期操作，而笔者对此进行讨论，主要是为了能够让教师与学生从误区中走出来，对操作系统硬件方面有一个系统的认识。有些误区，可能教师非常清楚，但是在课堂上却没有向学生进行灌输，这就导致学生一直对操作系统中与硬件方面相关的问题一知半解，笔者对此番讨论，也可以为教师提供教学参考。

一、中断与异常的差别

1、中断与异常

操作系统教学中会遇到很多的疑难问题，而其中大部分都与硬件相关，因此在操作系统教学中，很多人都将重点的放在硬件相关的疑难问题上。中断与异常就是其中一个比较难以解决问题，因为两者十分相似，经验不丰富的人员很有可能会出现误判断。

所谓中断，也可以称之为外中断，其主要是指指令并不是来自于中央处理器，比较常见的有I/O结束中断，这种中断主要标准I/O已经将所有的任务处理完成，处理机应该向其他设备发出I/O请求，与此同时让已经完成中断操作的设备能够不间断运行。除此之外，还有时钟中断，此种中断表示工作人员设定的固定时间已经到，处理机应该对此进行计时，同时再启动相应的运行任务等，时钟中断与现行运行的程序并没有多大关系。中断类型的不同，其优先级也有差异，也就是说其事件的紧急程度也有很大的差异性，如果有高级中断需要处理，低级中断可以暂时被忽略。

异常，也可以被称之为内中断、陷入等，其与中断最大的区别就是在于其是中央处理器所执行的指令发生的事件。比较常见的有地址越界、算术溢出等。异常与中断的另一个差别就是不能中断，如果出现了异常，要马上处理，在处理异常期间，中断会随之响应。

2、PC和PSW切换

如果硬件上出现了中断或者异常，任何一种情况下，都需要切换PC，与此同时还需要切换PSW，这样控制就会有所转移。新的PC以及PSW值都在中断表中。相关人员通常都会选择使用硬件切换的方式，因为这种方式可以保证处理程序始终在核态上，以此保证合适的处理机运行能够达到优先级。相关人员需要注意的是系统调用时，其所对应的处理机优先级应该是0，所以在系统调用时，中断可以被响应。如果属于外部中断，则其优先级应该与对应中断优先级相同。

二、原语与P.V.操作实现

原语也可以被称之为原子操作，其是一种操作序列，其在逻辑不能分割与中断。原语也可以用解决临界段问题的元方法实现逻辑上不被分割、不被中断执行的特性。原语之所以不能被中断执行，是因为原语对变量的操作过程如果被打断，可能会去运行另一个对同一变量的操作过程，从而出现临界段问题。如果能够找到一种解决临界段问题的元方法，就可以实现对共享变量操作的原子性。还有一种说法，原语通过系统调用实现，但系统调用也必须通过解决界段问题的元方法或P.V.操作实现操作原子性。

解决临界段问题的元方法，屏蔽中断方法。这种方法只能用于单处理机情形。在进入临界段之前屏蔽中断，在出临界段时开放中断。在单机情形下，屏蔽中断使得临界段程序不可能被打断执行，从而实现了临界段操作的原子性；利用“Testand-Set”和“Swap”硬指令解决临界段问题。这可以解决多处理机情形下的临界段问题。

三、虚存地址变换过程

理论上，页式虚存系统对页表项的内容进行了扩充，首先因为虚空间以辅存为基础，故必须增加一个栏目以存放对应页驻留在辅存空间的块号。增加一个合法位用于标志对应页是否在主存。若在主存，则合法位为，并称该页合法，同时，页表项中指出该页所在的主存页帧号，否则合法位为0，称该页不合法，页表项此时应指出该页所在的辅存块号。下面介绍一种页表项结构、硬件动态地址转换过程。通过这些可了解一条访存指令由硬件及操作系统的处理过程。

1、页表顶结构

修改位是为了在将页面所占用的主存页帧释放回系统时，指明该页是否要回写到辅存块中。如果修改位已被置上，则表示该页面自上次从辅存调入主存以来，页面中的数据已经被修改过，若没有置位，则说明该页自上次从辅存调入主存以来，未被对其进行写操作。因此，在该页帧回收到系统时，也不必将页面回写到辅存中。修改位置上的页一旦回写到辅存后，即可以释放页帧，并将修改位、页帧号和合法位都清零。一般来说。程序文件中包含了程序的二进制目标码。以及程序所要处理数据的初始值和初值为、的工作区说明。程序在进程的运行过程中。数据的初始值页面被调入主存使用。而且存放初始值的主存单元可能被修改，这时。系统不能够将修改过的页面回写到执行程序文件中去。因为执行程序文件中的初始值不能被改变，为此引入了专用的交换区用于存放那些可读写的进程页面，只读的进程页面所在辅存的块号。在进程生存周期内是不改变的。都指向执行程序文件所在的辅存空间。但上述的可读写的进程页面。初始值从执行程序文件中获得。一旦修改。

2、硬件动态地址转换

硬件执行访存指令的大致过程如下，当CPU执行访存操作时。首先从快表查找要访问地址的逻辑页号对应的物理页帧号，注意。快表中的项都是合法页的页表项。在进程被调度运行时由操作系统置入，若能够在快表中获得要访问页的页帧号。则合成物理地址并进行访问，若要查页表。须先检查该页页表项的合法性，若合法位已被置上。则从页表项中获得页帧号。合成物理地址并进行访问，若合法位未被置上。则马上产生一个页故障、或称为缺页异常，进入操作系统核心。操作系统要马上进行页面调入处理，操作系统处理完成后。返回刚产生页故障的指令运行现场。重新执行访存指令，这时。访存指令可以合成物理地址并进行访存，由此可见。页故障的开销会非常大。

四、结语

综上所述，可知对操作系统教学中与硬件相关的几个疑难问题进行探讨十分重要。操作系统中与硬件相关的教学难点实际上就是这些误区，学生掌握了这些误区，不仅对操作系统有了更为深入的了解，对操作系统的操作也会更加的熟练。实际上，操作系统教学中有关硬件方面的疑难问题还有很多，有待其他学者进行进一步的研究，以便使我国的操作系统能够与时俱进。

参考文献：

[1]徐晓.关于高职计算机操作系统教学的探讨[J].职业教育研究.2006（04）

[2]杨恒伏，孙光，田祖伟.类比教学模式在操作系统教学中的应用[J].计算机教育.2008（24）

[3]熊卫民.计算机学科操作系统教学与学习探讨[J].科技信息.2009（34）

[4]刘莹，赵海涛.操作系统教学之实验内容探索[J].科技信息.2010（17）

[5]杨慧珍.电子信息工程专业的操作系统教学探索[J].价值工程.2010（17）