【正文】 的差別愈發(fā)明顯，才有了以后的中斷和異常。 ?操作系統(tǒng)本身也要存放在內(nèi)存中并運行。 ?有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分核心狀態(tài) 、 管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài) （ 目標狀態(tài) ） 三種 。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 8 處理器中的寄存器 ?寄存器提供了一定的存儲能力 ?速度比主存快得多 ?造價高，容量一般都很小 兩類寄存器： ?用戶可見寄存器，高級語言編譯器通過算法分配并使用之，以減少程序訪問主存次數(shù) ?控制和狀態(tài)寄存器，用于控制處理器的操作 由 OS的 特權代碼使用 , 以控制其他程序的執(zhí)行 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 9 用戶可見寄存器 ?機器語言直接引用 ?包括數(shù)據(jù)寄存器 、 地址寄存器以及條件碼寄存器 ?數(shù)據(jù)寄存器 （ data register） 又稱通用寄存器 主要用于各種算術邏輯指令和訪存指令 ?地址寄存器 （ address register） 用于存儲數(shù)據(jù)及指令的物理地址 、 線性地址或者有效地址 ， 用于某種特定方式的尋址 。 如 index register、 segment pointer、stack pointer ?條件碼寄存器保存 CPU操作結果的各種標記位 如算術運算產(chǎn)生的溢出 、 符號等等 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 10 控制和狀態(tài)寄存器 ?用于控制處理器的操作 ?大部分對于用戶是不可見的 ?一部分可以在某種特權模式 （ OS使用 ） 下訪問 常見的控制和狀態(tài)寄存器 : ?程序計數(shù)器 （ PC： Program Counter） ， 記錄將要取出的指令的地址 ?指令寄存器 （ IR： Instruction Register） ， 包含最近取出的指令 ?程序狀態(tài)字 （ PSW： Program Status Word） ， 記錄處理器的運行模式信息等等 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 11 指令執(zhí)行的基本過程 ?先從存儲器中每次讀取一條指令 ?然后執(zhí)行這條指令 一個單條指令處理過程稱為一個 指令周期 。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 16 實例： x86系列處理器 ?38 48 Pentium系列都支持 4個處理器特權級別（特權環(huán)： R0、 R R2和 R3） ?從 R0到 R3特權能力依次降低 ?R0相當于雙狀態(tài)系統(tǒng)的管態(tài) ?R3相當于目態(tài) ?R1和 R2則介于兩者之間，它們能夠運行的指令集合具有包含關系： 3210 RRRR IIII ???操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 17 各個級別有保護性檢查（地址校驗、 I/O限制） 特權級別之間的轉換方式不盡相同 四個級別運行不同類別的程序： ?R0運行操作系統(tǒng)核心代碼 ?R1運行關鍵設備驅動程序和 I/O處理例程 ?R2運行其他受保護共享代碼，如語言系統(tǒng)運行環(huán)境 ?R3運行各種用戶程序 現(xiàn)有基于 x86處理器的操作系統(tǒng)，多數(shù) UNIX、Linux以及 Windows系列大都只用了 R0和 R3兩個特權級別 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 18 管態(tài)和目態(tài)的差別 處理器處于 管態(tài) 時： ?全部指令（包括特權指令）可以執(zhí)行 ?可使用所有資源 ?并具有改變處理器狀態(tài)的能力 處理器處于 目態(tài) 時： ?只有非特權指令能執(zhí)行 ?特權級別不同，可運行指令集合也不同 ?特權級別越高，可以運行指令集合越大 ?高特權級別對應的可運行指令集合包含低特權級的 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 19 在 PSW中專門設置一位，根據(jù)運行程序使用指令的權限而設置 CPU狀態(tài)。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 24 存儲器的類型 半導體存儲器 ?存儲器芯片的內(nèi)部組織結構 ?靜態(tài)存儲器 （ SRAM） ?異步動態(tài)隨機存儲器 （ DRAM） ?同步動態(tài)隨機存儲器（ SDRAM） ?雙倍數(shù)據(jù)速率 SDRAM（ DDR SDRAM） （開放標準） ?Rambus公司的 SDRAM 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 25 只讀型存儲器 ?ROM（ ReadOnly Memory） ： 只能從其中讀取數(shù)據(jù)，但不能隨意用普通方法寫入數(shù)據(jù)（寫入數(shù)據(jù)只能用特殊方法） ? 在微機中，一些常駐內(nèi)存的模塊以微程序形式固化在 ROM中，如 :PC BIOS和 CBASIC解釋程序被固化于 ROM中 ?PROM： 可編程只讀存儲器，使用特殊 PROM寫入器寫入數(shù)據(jù) ?EPROM：電可擦寫 可編程只讀存儲器，用特殊的紫外線光照射此芯片，以 “ 擦去 ” 信息，恢復原來狀態(tài)，再使用特殊 EPROM寫入器寫入數(shù)據(jù) ?閃存（ flash memory） 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 26 存儲器的層次結構 存儲系統(tǒng)設計三個問題： 容量、速度和成本 ?容量：需求無止境 ?速度：能匹配處理器的速度 ?成本問題：成本和其他部件相比應在合適范圍之內(nèi) 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 27 容量、速度和成本 ?三個目標不可能同時達到最優(yōu)，要作權衡 ?存取速度快，每比特價格高 ?容量大，每比特價格越低，同時存取速度也越慢 解決方案：采用層次化的存儲體系結構 ?當沿著層次下降時 ?每比特的價格將下降，容量將增大 ?速度將變慢，處理器的訪問頻率也將下降 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 28 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 29 存儲訪問局部性原理 提高存儲系統(tǒng) 效能關鍵點 ：程序存儲訪問局部性原理 ?程序執(zhí)行時，有很多的循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進入這樣的程序段，就會重復存取相同的指令集合； ?對數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短的時間內(nèi)，穩(wěn)定地保持在一個存儲器的局部區(qū)域。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 45 中斷 (外中斷 ) 異常 (內(nèi)中斷 ) 例外 I/O中斷 時鐘中斷 系統(tǒng)調(diào)用 缺頁異常 斷點指令 其他程序性異常 (如算術溢出等 ) 中斷 (狹義 )與異常的區(qū)別 : 中斷 : 與正執(zhí)行指令無關，可以屏蔽 異常 : 與正執(zhí)行指令有關，不可屏蔽 廣義中斷 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 46 中斷系統(tǒng) ?中斷系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的核心機制之一 。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 50 中斷屏蔽有兩種方法 ： ? 硬件實現(xiàn) —— 由軟件置處理機優(yōu)先級，硬件按系統(tǒng)設計時的約定，屏蔽那些低優(yōu)先級中斷。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 64 （ 5）處理器根據(jù)中斷源查詢中斷向量表，獲得與該中斷相聯(lián)系的處理程序入口地址，并將 PC置成該地址，處理器開始一個新的指令周期，控制轉移到中斷處理程序 （ 6）中斷處理程序開始工作，包括檢查 I/O相關的狀態(tài)信息，操縱 I/O設備或者在設備和主存之間傳送數(shù)據(jù)等等 （ 7）中斷處理結束時，處理器檢測到中斷返回指令，被中斷程序的上下文環(huán)境從系統(tǒng)堆棧中被恢復 處理器狀態(tài)恢復成原來的狀態(tài)。 ?指令格式通常是指令名加請求服務識別號（中斷號） ? OS利用處理器提供的這種接口建立系統(tǒng)服務體系 ?處理器一般不負責定義系統(tǒng)調(diào)用所傳遞的參數(shù)格式 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 7