【正文】 打斷的程序。 多用戶，多任務操作系統(tǒng)： OS給每個運行進程分配一個存儲區(qū)域。 處理器的構成 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 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 。 訪問速度快于內(nèi)存，低于寄存器。 在計算機的存儲系統(tǒng)中它具有最快的訪問速度。 ? 控制器 負責控制程序運行的流程，包括取指令、維護 CPU狀態(tài)、 CPU與內(nèi)存的交互等等。 CPU的構成與基本工作方式 處理器 由運算器、控制器、一系列的寄存器以及高速緩存 構成。第二講 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 討論操作系統(tǒng)對運行硬件環(huán)境的要求 討論 操作系統(tǒng)設計者 考慮的硬件問題 ? 中央處理器 （ CPU） ? 存儲系統(tǒng) ? 中斷機制 ? I/O系統(tǒng) ? 時鐘以及時鐘隊列 ? 緩沖 概述 任何系統(tǒng)軟件都是硬件功能的延伸 操作系統(tǒng)直接依賴于硬件條件 OS的硬件環(huán)境 以較分散的形式同各種管理相結合 實現(xiàn)操作系統(tǒng)時 必須理解 計算機基本結構 操作系統(tǒng)管理的重要資源 簡單的個人計算機中的部件 Bus Monitor 一、中央處理器（ CPU） 專門設計了一系列基本機制： 具有特權級別的處理器狀態(tài)，能在不同特權級運行的各種特權指令。 硬件機制使得 OS可以和普通程序隔離 實現(xiàn) 保護和控制。 ? 運算器 實現(xiàn)指令中的算術和邏輯運算，是計算機計算的核心。 ? 寄存器 是指令在 CPU內(nèi)部作處理的過程中暫存數(shù)據(jù)、地址以及指令信息的存儲設備。 ? 高速緩存 處于 CPU和物理內(nèi)存之間， 一般由控制器中的內(nèi)存管理單元（ MMU： Memory Management Unit）管理。 利用程序局部性原理使得高速指令處理和低速內(nèi)存訪問得以匹配，從而提高 CPU的效率。 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 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 （ 由 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 指令執(zhí)行的基本過程 （ 1） 兩個步驟： ? 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 程序的執(zhí)行是由不斷取指和執(zhí)行的指令周期組成 僅當關機 、 出錯或有停機相關指令時 ， 程序才停止 ? 每個指令周期開始時，依據(jù)在程序計數(shù)器中的指令地址從存儲器中取一條指令 ? 在取指完成后根據(jù)指令類別自動將程序計數(shù)器的值變成下條指令的地址，自增 1 ? 取到的指令放在指令寄存器中 ? 處理器解釋并執(zhí)行所要求的動作 指令執(zhí)行的基本過程 （ 2） 5類指令 ? 訪問存儲器指令： 處理器和存儲器間數(shù)據(jù)傳送 ? I/O指令： 處理器和 I/O模塊間數(shù)據(jù)傳送和命令發(fā)送 ? 算術邏輯指令（數(shù)據(jù)處理指令）： 執(zhí)行數(shù)據(jù)算術和邏輯操作 ? 控制轉(zhuǎn)移指令： 指定一個新的指令的執(zhí)行起點 ? 處理器控制指令： 修改處理器狀態(tài)，改變處理器工作方式 特權指令和非特權指令 特權指令： 只能由操作系統(tǒng)使用的指令 ? 使用多道程序設計技術的計算機指令系統(tǒng)必須要區(qū)分為特權指令和非特權指令 ? 特權指令一般引起處理器狀態(tài)的切換 ? 處理器通過特殊的機制將處理器狀態(tài)切換到操作系統(tǒng)運行的特權狀態(tài)（ 管態(tài) ） ? 然后將處理權移交給操作系統(tǒng)中的一段特殊代碼，這一個過程稱為 陷入 ? CPU如何知道當前運行的是操作系統(tǒng)還是一般應用軟件？ 有賴于處理器狀態(tài)的標識 處理器的狀態(tài) 根據(jù)運行程序?qū)Y源和機器指令的使用權限將處理器設置為不同狀態(tài) ——程序狀態(tài)字 PSW 多數(shù)系統(tǒng)將處理器工作狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài) 管態(tài)： 操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài) ， 較高的特權級別 ， 又稱為 特權態(tài) （ 特態(tài) ） 、 核心態(tài) 、 系統(tǒng)態(tài) 目態(tài)： 用戶程序運行時的狀態(tài) ， 較低的特權級別 ，又稱為 普通態(tài) （ 普態(tài) ） 、 用戶態(tài) 具體處理器將 CPU狀態(tài)劃分為兩種 、 三種或四種 實例： x86系列處理器（ 1/2） ? 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 ???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(zhuǎn)換方式相似 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(qū)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 實例： x86系列處理器（ 2/2） 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 程序狀態(tài)字 PSW (Program Status Word ) 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) ? CPU的工作狀態(tài)碼 ——指明管態(tài)還是目態(tài) ， 用來說明當前在 CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用戶 ， 從而決定其是否可以使用特權指令或擁有其他的特殊權力 ? 條件碼 ——反映指令執(zhí)行后的結果特征 ? 中斷屏蔽碼 ——指出是否允許中斷 例 :微處理器 M68000的程序狀態(tài)字 1514131211109 8 7 6 5 4 3