系统原理课件03.ppt

第二讲 操作系统的硬件环境 讨论操作系统对运行硬件环境的要求 讨论操作系统设计者考虑的硬件问题 操作系统运行的硬件环境组成 中央处理器（CPU） 存储系统 中断机制 I/O系统 时钟以及时钟队列 其他 概述 任何系统软件都是硬件功能的延伸 操作系统直接依赖于硬件条件 OS的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结合 实现操作系统时必须理解的 计算机基本结构 操作系统管理的重要资源 简单的个人计算机中的部件 一、中央处理器（CPU） 专门设计了一系列基本机制： - 具有特权级别的处理器状态，能在不同特权级运行的各种特权指令 - 硬件机制使得OS可以和普通程序隔离 实现保护和控制 1、CPU的构成与基本工作方式 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 运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心 控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等等 寄存器是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数据、地址以及指令信息的存储设备 在计算机的存储系统中它具有最快的访问速度 高速缓存处于CPU和物理内存之间 一般由控制器中的内存管理单元（MMU：Memory Management Unit）管理 访问速度快于内存，低于寄存器 利用程序局部性原理使得高速指令处理和低速内存访问得以匹配，从而提高CPU的效率 处理器中的寄存器 寄存器提供了一定的存储能力 速度比主存快得多 造价高，容量一般都很小 两类寄存器： 用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分配并使用之，以减少程序访问主存次数 控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作 由OS的特权代码使用, 以控制其他程序的执行 用户可见寄存器 机器语言直接引用 包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器 数据寄存器（data register）又称通用寄存器 主要用于各种算术逻辑指令和访存指令 地址寄存器（address register）用于存储数据及指令的物理地址、线性地址或者有效地址，用于某种特定方式的寻址。如index register、segment pointer、stack pointer 条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位 如算术运算产生的溢出、符号等等 控制和状态寄存器 用于控制处理器的操作 大部分对于用户是不可见的 一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问 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），包含最近取出的指令 程序状态字（PSW：Program Status Word），记录处理器的运行模式信息等等 指令执行的基本过程（1） 两个步骤： 先从存储器中每次读取一条指令 然后执行这条指令 一个单条指令处理过程称为一个指令周期 程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成 仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止 指令执行的基本过程（2） 每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的指令地址从存储器中取一条指令 在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的值变成下条指令的地址，自增1 取到的指令放在指令寄存器中 处理器解释并执行所要求的动作 5类指令 访问存储器指令： 处理器和存储器间数据传送 I/O指令： 处理器和I/O模块间数据传送和命令发送 算术逻辑指令（数据处理指令）： 执行数据算术和逻辑操作 控制转移指令： 指定一个新的指令的执行起点 处理器控制指令： 修改处理器状态，改变处理器工作方式 2、特权指令和非特权指令 特权指令：只能由操作系统使用的指令 使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区分为特权指令和非特权指令 特权指令一般引起处理器状态的切换 处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状态（管态） 然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为陷入 ? CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？有赖于处理器状态的标识 3、处理器的状态 根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态 多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态 管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态 目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态 有些系统将处理器状态划分核心状态、管理状态和用户程序状态（目标状态）三种 实例：x86系列处理器（1） 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别（特权环：R0、R1