2-MOOC-操作系统运行环境与运行机制-发布版.pdf

北京大学计算机科学技术系 陈向群 Department of computer science and Technology Peking University 2015 春季  程序的执行 启动程序、执行程序以及程序结束的工作  完成与体系结构相关的工作  完成应用程序所需的共性任务 提供各种基本服务  性能、安全、健壮等问题 应用程序 虚拟机器界面 操作系统 物理机器界面 硬件  操作系统运行环境  操作系统运行机制  CPU状态  系统调用  中断/异常机制  处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器 以及高速缓存构成  两类寄存器：  用户可见寄存器：高级语言编译器通过优化算 法分配并使用之，以减少程序访问内存次数  控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作 通常由操作系统代码使用  用于控制处理器的操作  在某种特权级别下可以访问、修改  常见的控制和状态寄存器  程序计数器（PC：Program Counter），记录将要取 出的指令的地址  指令寄存器（IR：Instruction Register），记录最近 取出的指令  程序状态字（PSW：Program Status Word），记录 处理器的运行状态如条件码、模式、控制位等信息  从操作系统的特征考虑 并发、共享  提出要求 → 实现保护与控制 需要硬件提供基本运行机制：  处理器具有特权级别，能在不同的特权级 运行的不同指令集合  硬件机制可将OS与用户程序隔离  现代处理器通常将CPU状态设计划分为两种、三 种或四种  在程序状态字寄存器PSW中专门设置一位，根据 运行程序对资源和指令的使用权限而设置不同的 CPU状态 例:X86架构中的EFLAGS寄存器 描述符中也设置了权限级别  操作系统需要两种CPU状态  内核态(Kernel Mode) ：运行操作系统程序  用户态(User Mode) ：运行用户程序  特权(privilege)指令：只能由操作系统使用、用 户程序不能使用的指令  非特权指令：用户程序可以使用的指令 • 下列哪些是特权指令？哪些是非特权指令？ – 启动I/O 控制转移 内存清零 修改程序状态字 设置时钟 算术运算 允许/ 禁止中断 访管指令 取数指令 停机  X86支持4个处理器特权级别 特权环：R0、R1、R2和R3  从R0到R3，特权能力由高到低  R0相当于内核态；R3相当于用户态；R1和R2则 介于两者之间  不同级别能够运行的指令集合不同  目前大多数基于x86处理器的操作系统 只用了R0和R3两个特权级别  用户态 → 内核态 唯一途径 → 中断/异常/ 陷入机制  内核态 → 用户态 因为内核态也被称 设置程序状态字PSW 为supervisor mode 一条特殊的指令：陷入指令（又称访管指令） 提供给用户程序的接口，用于调用操作系统的 功能 （服务） 例如：int ，trap ，syscall ，sysenter/sysexit 操作系统的驱动力……  中断/异常 对于操作系统的重要性 就好比：汽车的发动机、飞机的引擎 →→ 可