【正文】 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(wèn)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(wèn)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(wèn)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)要管理、保護(hù)程序和數(shù)據(jù)，使它們不至于受到破壞 。 程序狀態(tài)字 PSW 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 20 例 :微處理器 M68000的程序狀態(tài)字 1514131211109 8 7 6 5 4 3 2 1 0T S I 2 I 1 I 0 X N Z V C條件位： C： 進(jìn)位標(biāo)志位 V： 溢出標(biāo)志位 Z： 結(jié)果為零標(biāo)志位 N： 結(jié)果為負(fù)標(biāo)志位 I0 – I2：三位中斷屏蔽位 S： CPU狀態(tài)標(biāo)志位，為 1處于管態(tài)，為 0處于目態(tài) T： 陷阱 （ Trap） 中斷指示位為 1， 在下一條指令執(zhí)行后引起自陷中斷 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 21 例 :微處理器 Pentium的程序狀態(tài)字 CF： 進(jìn)位標(biāo)志位 ZF： 結(jié)果為零標(biāo)志位 SF： 符號(hào)標(biāo)志位 OF： 溢出標(biāo)志位 標(biāo)準(zhǔn)條件位： TF：陷阱標(biāo)志位 IF：中斷允許（中斷屏蔽）標(biāo)志位 VIF：虛擬中斷標(biāo)志位 VIP：虛擬中斷待決標(biāo)志位 IOPL： IO特權(quán)級(jí)別 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 22 CPU狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 目態(tài) → 管態(tài) 唯一途徑 是 中斷 管態(tài) → 目態(tài) 設(shè)置 PSW(修改程序狀態(tài)字 ) 可實(shí)現(xiàn) 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 23 存儲(chǔ)系統(tǒng) 支持 OS運(yùn)行硬件環(huán)境的一個(gè)重要方面： ?作業(yè)必須把它的程序和數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中才能運(yùn)行 。 ?條件碼 —— 反映指令執(zhí)行后的結(jié)果特征 。 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(yǔ)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(mén)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)。 ?管態(tài)： 操作系統(tǒng)管理程序運(yùn)行的狀態(tài) ， 較高的特權(quán)級(jí)別 ， 又稱為 特權(quán)態(tài) （ 特態(tài) ） 、 核心態(tài) 、 系統(tǒng)態(tài) ?目態(tài)： 用戶程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài) ， 較低的特權(quán)級(jí)別 ，又稱為 普通態(tài) （ 普態(tài) ） 、 用戶態(tài) 。 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 15 處理器的狀態(tài) ?根據(jù)運(yùn)行程序?qū)Y源和機(jī)器指令的使用權(quán)限將處理器設(shè)置為不同狀態(tài) 。 僅當(dāng)關(guān)機(jī) 、 出錯(cuò)或有停機(jī)相關(guān)指令時(shí) ， 程序才停止 . 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 12 ?每個(gè)指令周期開(kāi)始時(shí)，依據(jù)在程序計(jì)數(shù)器中的指令地址從存儲(chǔ)器中取一條指令 ?在取指完成后根據(jù)指令類別自動(dòng)將程序計(jì)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(dòng)作 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 13 5類指令 ?訪問(wèn)存儲(chǔ)器指令： 處理器和存儲(chǔ)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(shù)邏輯指令（數(shù)據(jù)處理指令）： 執(zhí)行數(shù)據(jù)算術(shù)和邏輯操作 ?控制轉(zhuǎn)移指令： 指定一個(gè)新的指令的執(zhí)行起點(diǎn) ?處理器控制指令： 修改處理器狀態(tài)，改變處理器工作方式 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 14 特權(quán)指令和非特權(quán)指令 特權(quán)指令：只能由操作系統(tǒng)使用的指令。 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(jiàn)的 ?一部分可以在某種特權(quán)模式 （ OS使用 ） 下訪問(wèn) 常見(jiàn)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(guò)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(guò)程稱為一個(gè) 指令周期 。 ?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 訪問(wèn)速度快于內(nèi)存，低于寄存器 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(wèn)得以匹配，從而提高 CPU的效率。第二章 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 2 操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境組成 討論操作系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行硬件環(huán)境的要求 討論 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者 考慮的硬件問(wèn)題 操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境組成 ?中央處理器 （ CPU） ?存儲(chǔ)系統(tǒng) ?中斷機(jī)制 ?I/O系統(tǒng) ?時(shí)鐘以及時(shí)鐘隊(duì)列 ?其他 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 3 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(jié)合 實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)時(shí)必須理解的 計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)管理的重要資源