操作系统的运行环境

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1、1.7.1中央处理器CPU一、CPU的构成与基本工作方式：CPU包含：运算器、控制器、寄存器、高速缓存。PCIR数据寄存器处理器内存总线PSW地址寄存器控制和状态寄存器高速缓存Cache运算器控制器1.7操作系统的运行环境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：MemoryManagemen

2、tUnit）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，以控制其它程序的执行。用户可见寄存器机器语言（汇编语言）直接引用包括数据寄存器、地址寄存器等数据寄存器（dataregister）又称通用寄存器地址寄存器（addressregister）用于存储数据及指令的物理地址。如in

3、dexregister、segmentpointer、stackpointer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：ProgramCounter），记录将要取出的指令的地址指令寄存器（IR：InstructionRegister），包含最近取出的指令程序状态字（PSW：ProgramStatusWord），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

4、和执行的指令周期组成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取到的指令放在指令寄存器（IR）中处理器解释并执行所要求的动作指令执行的基本过程（2）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设备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特权指令和非特权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：只能

5、由操作系统使用的指令。如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清主存、设置中断向量，修改PSW等。非特权指令：一般用户使用的指令。如算术逻辑运算、访问内存、访管指令等•CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？依赖于处理器状态Whichofthefollowinginstructionsshouldbeprivileged?Setvalueoftimer.Readtheclock.c.Clearmemory.d.Issueatrapinstruction.e.Turnoffinterrupts.f.Modifyentriesindevice-statusta

6、ble.g.Switchfromusertokernelmode.h.AccessI/Odevice.处理器的状态为了保护操作系统，将处理器工作状态划分为管态和用户态：管态：操作系统管理程序执行时机器所处的状态，较高的特权级别，又称为特权态（特态）、系统态、核心态用户态：用户程序执行时机器所处的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、目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）三种核态（KernelMode)：CPU执行操作系统程序时所处的状态。在此状态下允许CPU使用全部资源和全部指令，其中包括一组特权指令（如涉及外设的I/O、改变处理机

7、状态、修改存储保护的指令），实现对系统资源的分配与管理，为用户提供使用外部设备的服务。管态比核态的权限低，在此状态下允许使用一些用户态下不能使用的资源，但不能使用修改CPU状态的指令。无核态时，管态执行核态的全部功能。用户态(UserMode)：用户程序执行时CPU所处的状态。在此状态下禁止使用特权指令，不能直接使用系统资源与改变CPU状态，并且只能访问用户程序所在的存储空间。在核态下操作系统可以使用所有指令，包括一组特权指令。允许和禁止中断；在进程之间切换处理机；存取用于内存保护的寄存器；执行输入和输出操作；停止一个中央处理