【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(yùn)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(biāo)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(chǔ)能力 ?速度比主存快得多 ?造價(jià)高，容量一般都很小 兩類寄存器： ?用戶可見寄存器，高級(jí)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(quán)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(jī)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(shù)邏輯指令和訪存指令 ?地址寄存器 （ address register） 用于存儲(chǔ)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(jié)果的各種標(biāo)記位 如算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生的溢出 、 符號(hào)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(duì)于用戶是不可見的 ?一部分可以在某種特權(quán)模式 （ OS使用 ） 下訪問 常見的控制和狀態(tài)寄存器 : ?程序計(jì)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(yùn)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(chǔ)器中每次讀取一條指令 ?然后執(zhí)行這條指令 一個(gè)單條指令處理過程稱為一個(gè) 指令周期 。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 16 實(shí)例： x86系列處理器 ?38 48 Pentium系列都支持 4個(gè)處理器特權(quán)級(jí)別（特權(quán)環(huán)： R0、 R R2和 R3） ?從 R0到 R3特權(quán)能力依次降低 ?R0相當(dāng)于雙狀態(tài)系統(tǒng)的管態(tài) ?R3相當(dāng)于目態(tài) ?R1和 R2則介于兩者之間，它們能夠運(yùn)行的指令集合具有包含關(guān)系： 3210 RRRR IIII ???操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 17 各個(gè)級(jí)別有保護(hù)性檢查（地址校驗(yàn)、 I/O限制） 特權(quán)級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換方式不盡相同 四個(gè)級(jí)別運(yùn)行不同類別的程序： ?R0運(yùn)行操作系統(tǒng)核心代碼 ?R1運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和 I/O處理例程 ?R2運(yùn)行其他受保護(hù)共享代碼，如語言系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境 ?R3運(yùn)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(gè)特權(quán)級(jí)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(shí)： ?全部指令（包括特權(quán)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(shí)： ?只有非特權(quán)指令能執(zhí)行 ?特權(quán)級(jí)別不同，可運(yùn)行指令集合也不同 ?特權(quán)級(jí)別越高，可以運(yùn)行指令集合越大 ?高特權(quán)級(jí)別對(duì)應(yīng)的可運(yùn)行指令集合包含低特權(quán)級(jí)的 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 19 在 PSW中專門設(shè)置一位，根據(jù)運(yùn)行程序使用指令的權(quán)限而設(shè)置 CPU狀態(tài)。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 24 存儲(chǔ)器的類型 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 ?存儲(chǔ)器芯片的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu) ?靜態(tài)存儲(chǔ)器 （ SRAM） ?異步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 （ DRAM） ?同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（ SDRAM） ?雙倍數(shù)據(jù)速率 SDRAM（ DDR SDRAM） （開放標(biāo)準(zhǔn)） ?Rambus公司的 SDRAM 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 25 只讀型存儲(chǔ)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(jī)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(chǔ)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(chǔ)器，用特殊的紫外線光照射此芯片，以 “ 擦去 ” 信息，恢復(fù)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(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)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(yīng)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(gè)目標(biāo)不可能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，要作權(quán)衡 ?存取速度快，每比特價(jià)格高 ?容量大，每比特價(jià)格越低，同時(shí)存取速度也越慢 解決方案：采用層次化的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu) ?當(dāng)沿著層次下降時(shí) ?每比特的價(jià)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(chǔ)訪問局部性原理 提高存儲(chǔ)系統(tǒng) 效能關(guān)鍵點(diǎn) ：程序存儲(chǔ)訪問局部性原理 ?程序執(zhí)行時(shí)，有很多的循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進(jìn)入這樣的程序段，就會(huì)重復(fù)存取相同的指令集合； ?對(duì)數(shù)據(jù)存取也有局部性，在較短的時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定地保持在一個(gè)存儲(chǔ)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(shí)鐘中斷 系統(tǒng)調(diào)用 缺頁異常 斷點(diǎn)指令 其他程序性異常 (如算術(shù)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(guān)，可以屏蔽 異常 : 與正執(zhí)行指令有關(guān)，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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心機(jī)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(shí)現(xiàn) —— 由軟件置處理機(jī)優(yōu)先級(jí)，硬件按系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的約定，屏蔽那些低優(yōu)先級(jí)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(gè)新的指令周期，控制轉(zhuǎn)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(guān)的狀態(tài)信息，操縱 I/O設(shè)備或者在設(shè)備和主存之間傳送數(shù)據(jù)等等 （ 7）中斷處理結(jié)束時(shí)，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(fù) 處理器狀態(tài)恢復(fù)成原來的狀態(tài)。 ?指令格式通常是指令名加請(qǐng)求服務(wù)識(shí)別號(hào)（中斷號(hào)） ? OS利用處理器提供的這種接口建立系統(tǒng)服務(wù)體系 ?處理器一般不負(fù)責(zé)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