第2章+操作系统的硬件环境

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1、第二章操作系统的硬件环境概述¢讨论操作系统对运行硬件环境的要求，了¢任何系统软件都是硬件功能的延伸解OS设计者所面对的硬件¢操作系统直接依赖于硬件条件¢操作系统运行的硬件环境¢OS的硬件环境以较分散的形式同各种管理相结¾中央处理器（CPU）合¾存储系统¢实现操作系统时必须理解¾中断机制V计算机基本结构¾I/O系统V操作系统管理的重要资源¾时钟¾缓冲技术¾总线简单的个人计算机中的部件一、中央处理器（CPU）Monitor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

2、得OS可以和普通程序隔离，实现保护和控制Bus1.CPU的构成与基本工作方式¢寄存器是指令在CPU内部作处理的过程中暂存数处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以据、地址以及指令信息的存储设备及高速缓存构成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¢运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计一般由控制器中的内存管理单元（MMU：Memory算机计算的核心ManagementUnit）管理访问速度快于内存，低于寄存器¢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

3、交互等等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。1处理器中的寄存器用户可见寄存器¢寄存器提供了一定的存储能力¢可由机器语言直接引用¢速度比主存快得多¢包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器¢造价高，容量一般都很小¢数据寄存器（dataregister）又称通用寄存器主要用于各种算术逻辑指令和访存指令两类寄存器：¢地址寄存器（addressregister）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¾用户可见寄存器，高级语言编译器通过算法分某种特定方式的寻址。

4、如indexregister、segment配并使用之，以减少程序访问主存次数pointer、stackpointer¾控制和状态寄存器，用于控制处理器的操作，¢条件码寄存器保存CPU操作结果的各种标记位由OS的特权代码使用，以控制其它程序的执行如算术运算产生的溢出、符号等控制和状态寄存器指令执行的基本过程（1）两个步骤：¢用于控制处理器的操作¢大部分对于用户是不可见的¢先从存储器中每次读取一条指令¢一部分可以在某种特权模式（由OS使用）下访问¢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常见的控制和状态寄

5、存器:程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成¾程序计数器（PC：ProgramCounter），记录将要取出的仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止指令的地址¾指令寄存器（IR：InstructionRegister），包含最近取出的指令¾程序状态字（PSW：ProgramStatusWord），记录处理器的运行模式信息等指令执行的基本过程（2）五类指令¢访问存储器指令：处理器和存储器间数据传送¢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¢I/O指令：¢在取指完成后根据指令类别自

6、动将程序计数器处理器和I/O模块间数据传送和命令发送的值变成下条指令的地址¢算术逻辑指令（数据处理指令）：¢取到的指令放在指令寄存器中执行数据算术和逻辑操作¢处理器解释并执行所要求的动作¢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22.特权指令和非特权指令3.处理器的状态特权指令：只能由操作系统使用的指令¢根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将¢使用多道程序设计技术的计算机指令系统必须要区处理器设置为不同状态分为特权指令和非特权指令¢多数系统将处理器工作状态划分为

7、管态和目态¢特权指令一般引起处理器状态的切换¾管态：操作系统管理程序运行的状态，具有较高的¾处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统特权级别，又称为特权态（特态）、系统态运行的特权状态（管态）¾目态：用户程序运行时的状态，具有较低的特权级¾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别，又称为普通态（普态）、用户态¢CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软¢有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状件？有赖于处理器状态的标识态和用户程序状态（目标状态）三种4.程序状态字PSW例：微处理

8、器M68000的程序状态字1111119876543210在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令543210的权限而设置，PSW(ProgramStatusWord)：TSI2I1I0XNZVC条件位：¢CPU的工作状态码——指明是管态还是目态，用C：进位标志位V：溢出标志位来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般Z：结果为零标志位N：结果为负标志