操作系统硬件基础
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• 闪存（flash memory）
存储器的层次结构
存储系统设计三个问题： 容量、速度和成本 • 容量：需求无止境 • 速度：能匹配处理器的速度 • 成本问题：成本和其他部件相比应在合适范围之内
容量、速度和成本 • 三个目标不可能同时达到最优，要作权衡 • 存取速度快，每比特价格高 • 容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢 解决方案：采用层次化的存储体系结构 • 当沿着层次下降时 • 每比特的价格将下降，容量将增大 • 速度将变慢，处理器的访问频率也将下降
1.2、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 • 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）
• 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
1.3、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
微处理器M68000的程序状态字
1 5 T 1 4 1 3 S 1 2 1 1 1 0 I2 9 I1 8 I0 7 6 5 4 X 3 N 2 Z 1 V 0 C
条件位： C： 进位标志位 Z： 结果为零标志位
V： 溢出标志位 N： 结果为负标志位
I0 – I2：三位中断屏蔽位 S：CPU状态标志位，为1处于管态，为0处于目态 T：陷阱（Trap）中断指示位为1， 在下一条指令执行后引起自陷中断
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
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
• 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特 权级别（特权环：R0、R1、R2和R3） • 从R0到R3特权能力依次降低 • R0相当于双状态系统的管态 • R3相当于目态 • R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令 集合具有包含关系：
I R0 I R1 I R 2 I R3
CPU1
CPU2
CPU3
16KB 一级高速缓存
256KB 二级高速缓存
32KB 一级高速缓存
512KB 二级高速缓存
Pentium Pro结构
Pentium Pro结构
AMD 双核 vs Intel 双核
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
程序状态字PSW (Program Status Word )
在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令 的权限而设置CPU状态 • CPU 的工作状态码 —— 指明管态还是目态，用来 说明当前在 CPU 上执行的是操作系统还是一般用 户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其 他的特殊权力 • 条件码——反映指令执行后的结果特征 • 中断屏蔽码——指出是否允许中断
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
计算机系统的组成
Pentium IV Chipset
Proc Caches Busses adapters Memory Controllers I/O Devices: Disks Displays Keyboards
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）
第二讲 计算机系统硬件基础
内容目录
• 概述 • 中央处理器（CPU） • 存储系统 • 中断机制 • I/O系统 • 系统调用
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 • • • • • 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
存储器的类型
半导体存储器
• • • •
实现
内存
存储器芯片的内部组织结构 静态存储器（SRAM） 异步动态随机存储器（DRAM） 同步动态随机存储器（SDRAM） 双倍数据速率SDRAM（DDR SDRAM）（开放标准） Rambus公司的SDRAM
存储器的类型
只读型存储器 • ROM（ Read-Only Memory） ：只能从其中读取数据，但 不能随意用普通方法写入数据（写入数据只能用特殊方法） –在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在 ROM中，如:PC BIOS和CBASIC解释程序被固化于ROM 中 • PROM：可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入数据 • EPROM：电可擦写可编程只读存储器，用特殊的紫外线光照 射此芯片，以“擦去”信息，恢复原来状态，再使用特殊 EPROM写入器写入数据
内容目录
• 概述 • 中央处理器（CPU） • 存储系统 • 中断机制 • I/O系统 • 系统调用
课程导论
Intel CPU的结构框图
CPU 算术 协处理器 CPU1 CPU2 8KB 一级高速缓存 算术 协处理器
80486DX结构
算术 协处理器
16KB 一级高速缓存
Pentium结构
CPU1 CPU2 CPU3 算术 协处理器
Networks
计算机的系统结构图
课程导论
主板中的北桥/南桥芯片 • 北桥芯片 – 主板芯片组的核心芯片，也称为主桥 – 主要负责与CPU的联系，控制内存、AGP等数据传输 – 计算量大、数据传输量大，因此放置在与CPU相近的 位置以保证传输速度和能源低耗 • 南桥芯片 – 负责各类低速I/O总线以及I/O设备的管理 – 负责控制时钟、BIOS、电源、键盘、网卡等各类低 速设备 – 相比北桥芯片，南桥芯片工作量较小、散热量小 • 北桥与南桥连接 – 南桥芯片不与CPU直接通信，通过特定的连接方式与 北桥芯片连通 – 例如Intel的Hub Architecture、SIS的 MultiThreaded
硬件可提供如下功能：
• 界地址寄存器（界限寄存器） • 存储键
• 地址转换机制
界地址寄存器（界限寄存器） • 界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术 • 机制比较简单，易于实现 实现方法： • 在CPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器 存放用户作业在主存中的下限和上限地址 • 也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为限 长寄存器（指示存储区长度） • 每当CPU要访问主存，硬件自动将被访问的主存地址与 界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界 • 如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中 断——越界中断（存储保护中断）
地址转换机制
同时有多个程序在内存 程序在内存的位置不是固定的而是随机的
用户程序A
用户程序B
内存
虚拟地址 CPU
存储保护设施
对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统及其 他程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一 多用户，多任务操作系统： OS给每个运行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程分配一个存储区域 问题： • 多个程序同时在同一台机器上运行，怎样才能互不 侵犯？ • 如何处理重定位？
保护的硬件支持
解决方案
依赖于
配有特殊硬件的CPU
实例：x86系列处理器（2）
各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制） 特权级别之间的转换方式不尽相同 四个级别运行不同类别的程序： • R0-运行操作系统核心代码 • R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程 • R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境 • R3-运行各种用户程序 现有基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及 Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别
• 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
内容目录
• 概述 • 中央处理器（CPU） • 存储系统 • 中断机制 • I/O系统 • 系统调用
存储系统
支持OS运行硬件环境的一个重要方面：
• 作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行 • 多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入内存 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受 到破坏 • 操作系统本身也要存放在内存中并运行
界地址寄存器 存储保护技术
存储键
• 每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键 • 一用户作业被允许进入主存， OS分给它一个唯 一的存储键号 • 并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样 键号 • 当 OS挑选该作业运行时， OS将它的存储键号放 入程序状态字PSW存储键（“钥匙”）域中 • 每当 CPU 访问主存时，都将该主存块的存储键 与PSW中的“钥匙”进行比较 • 如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警
微处理器Pentium的程序状态字
CF： 进位标志位 ZF： 结果为零标志位 SF： 符号标志位 OF： 溢出标志位
标准条件位： TF：陷阱标志位 IF：中断允许（中断屏蔽）标志位 VIF：虚拟中断标志位 VIP：虚拟中断待决标志位 IOPL：IO特权级别
CPU状态的转换
目态→管态 唯一途径 是 中断 管态→目态 设置PSW(修改程序状态字) 可实现
存储分块
• 存储最小单位:“二进位”，包含信息为0或1 • 最小编址单位:字节，一个字节包含八个二进位 主流个人电脑 –主存:128MB～512MB之间 –辅助存储器:在20GB～70GB 工作站、服务器 –主存:512MB ～ 4GB之间 –硬盘容量:数百GB 为简化分配和管理，存储器分成块,称一个物理页（Page） • 块的大小：512B、1K、4K、8K
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
层次化的存储体系结构
存储访问局部性原理
提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性原理
• 程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入 这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合
• 对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保 持在一个存储器的局部区域 处理器主要和存储器的局部打交道 在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变
存储器的层次结构
存储系统设计三个问题： 容量、速度和成本 • 容量：需求无止境 • 速度：能匹配处理器的速度 • 成本问题：成本和其他部件相比应在合适范围之内
容量、速度和成本 • 三个目标不可能同时达到最优，要作权衡 • 存取速度快，每比特价格高 • 容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢 解决方案：采用层次化的存储体系结构 • 当沿着层次下降时 • 每比特的价格将下降，容量将增大 • 速度将变慢，处理器的访问频率也将下降
1.2、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 • 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）
• 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
1.3、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
微处理器M68000的程序状态字
1 5 T 1 4 1 3 S 1 2 1 1 1 0 I2 9 I1 8 I0 7 6 5 4 X 3 N 2 Z 1 V 0 C
条件位： C： 进位标志位 Z： 结果为零标志位
V： 溢出标志位 N： 结果为负标志位
I0 – I2：三位中断屏蔽位 S：CPU状态标志位，为1处于管态，为0处于目态 T：陷阱（Trap）中断指示位为1， 在下一条指令执行后引起自陷中断
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
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
• 386、486、Pentium系列都支持4个处理器特 权级别（特权环：R0、R1、R2和R3） • 从R0到R3特权能力依次降低 • R0相当于双状态系统的管态 • R3相当于目态 • R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令 集合具有包含关系：
I R0 I R1 I R 2 I R3
CPU1
CPU2
CPU3
16KB 一级高速缓存
256KB 二级高速缓存
32KB 一级高速缓存
512KB 二级高速缓存
Pentium Pro结构
Pentium Pro结构
AMD 双核 vs Intel 双核
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
程序状态字PSW (Program Status Word )
在PSW中专门设置一位，根据运行程序使用指令 的权限而设置CPU状态 • CPU 的工作状态码 —— 指明管态还是目态，用来 说明当前在 CPU 上执行的是操作系统还是一般用 户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其 他的特殊权力 • 条件码——反映指令执行后的结果特征 • 中断屏蔽码——指出是否允许中断
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
计算机系统的组成
Pentium IV Chipset
Proc Caches Busses adapters Memory Controllers I/O Devices: Disks Displays Keyboards
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）
第二讲 计算机系统硬件基础
内容目录
• 概述 • 中央处理器（CPU） • 存储系统 • 中断机制 • I/O系统 • 系统调用
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 • • • • • 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
存储器的类型
半导体存储器
• • • •
实现
内存
存储器芯片的内部组织结构 静态存储器（SRAM） 异步动态随机存储器（DRAM） 同步动态随机存储器（SDRAM） 双倍数据速率SDRAM（DDR SDRAM）（开放标准） Rambus公司的SDRAM
存储器的类型
只读型存储器 • ROM（ Read-Only Memory） ：只能从其中读取数据，但 不能随意用普通方法写入数据（写入数据只能用特殊方法） –在微机中，一些常驻内存的模块以微程序形式固化在 ROM中，如:PC BIOS和CBASIC解释程序被固化于ROM 中 • PROM：可编程只读存储器，使用特殊PROM写入器写入数据 • EPROM：电可擦写可编程只读存储器，用特殊的紫外线光照 射此芯片，以“擦去”信息，恢复原来状态，再使用特殊 EPROM写入器写入数据
内容目录
• 概述 • 中央处理器（CPU） • 存储系统 • 中断机制 • I/O系统 • 系统调用
课程导论
Intel CPU的结构框图
CPU 算术 协处理器 CPU1 CPU2 8KB 一级高速缓存 算术 协处理器
80486DX结构
算术 协处理器
16KB 一级高速缓存
Pentium结构
CPU1 CPU2 CPU3 算术 协处理器
Networks
计算机的系统结构图
课程导论
主板中的北桥/南桥芯片 • 北桥芯片 – 主板芯片组的核心芯片，也称为主桥 – 主要负责与CPU的联系，控制内存、AGP等数据传输 – 计算量大、数据传输量大，因此放置在与CPU相近的 位置以保证传输速度和能源低耗 • 南桥芯片 – 负责各类低速I/O总线以及I/O设备的管理 – 负责控制时钟、BIOS、电源、键盘、网卡等各类低 速设备 – 相比北桥芯片，南桥芯片工作量较小、散热量小 • 北桥与南桥连接 – 南桥芯片不与CPU直接通信，通过特定的连接方式与 北桥芯片连通 – 例如Intel的Hub Architecture、SIS的 MultiThreaded
硬件可提供如下功能：
• 界地址寄存器（界限寄存器） • 存储键
• 地址转换机制
界地址寄存器（界限寄存器） • 界地址寄存器被广泛使用的一种存储保护技术 • 机制比较简单，易于实现 实现方法： • 在CPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器 存放用户作业在主存中的下限和上限地址 • 也可将一个寄存器作为基址寄存器，另一寄存器作为限 长寄存器（指示存储区长度） • 每当CPU要访问主存，硬件自动将被访问的主存地址与 界限寄存器的内容进行比较，以判断是否越界 • 如果未越界，则按此地址访问主存，否则将产生程序中 断——越界中断（存储保护中断）
地址转换机制
同时有多个程序在内存 程序在内存的位置不是固定的而是随机的
用户程序A
用户程序B
内存
虚拟地址 CPU
存储保护设施
对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统及其 他程序不被破坏，是其正确运行的基本条件之一 多用户，多任务操作系统： OS给每个运行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程分配一个存储区域 问题： • 多个程序同时在同一台机器上运行，怎样才能互不 侵犯？ • 如何处理重定位？
保护的硬件支持
解决方案
依赖于
配有特殊硬件的CPU
实例：x86系列处理器（2）
各个级别有保护性检查（地址校验、I/O限制） 特权级别之间的转换方式不尽相同 四个级别运行不同类别的程序： • R0-运行操作系统核心代码 • R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程 • R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境 • R3-运行各种用户程序 现有基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及 Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别
• 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
内容目录
• 概述 • 中央处理器（CPU） • 存储系统 • 中断机制 • I/O系统 • 系统调用
存储系统
支持OS运行硬件环境的一个重要方面：
• 作业必须把它的程序和数据存放在内存中才能运行 • 多道程系统中，若干个程序和相关的数据要放入内存 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受 到破坏 • 操作系统本身也要存放在内存中并运行
界地址寄存器 存储保护技术
存储键
• 每个存储块有一个由二进位组成的存储保护键 • 一用户作业被允许进入主存， OS分给它一个唯 一的存储键号 • 并将分配给该作业各存储块存储键也置成同样 键号 • 当 OS挑选该作业运行时， OS将它的存储键号放 入程序状态字PSW存储键（“钥匙”）域中 • 每当 CPU 访问主存时，都将该主存块的存储键 与PSW中的“钥匙”进行比较 • 如果相匹配，则允许访问，否则，拒绝并报警
微处理器Pentium的程序状态字
CF： 进位标志位 ZF： 结果为零标志位 SF： 符号标志位 OF： 溢出标志位
标准条件位： TF：陷阱标志位 IF：中断允许（中断屏蔽）标志位 VIF：虚拟中断标志位 VIP：虚拟中断待决标志位 IOPL：IO特权级别
CPU状态的转换
目态→管态 唯一途径 是 中断 管态→目态 设置PSW(修改程序状态字) 可实现
存储分块
• 存储最小单位:“二进位”，包含信息为0或1 • 最小编址单位:字节，一个字节包含八个二进位 主流个人电脑 –主存:128MB～512MB之间 –辅助存储器:在20GB～70GB 工作站、服务器 –主存:512MB ～ 4GB之间 –硬盘容量:数百GB 为简化分配和管理，存储器分成块,称一个物理页（Page） • 块的大小：512B、1K、4K、8K
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
层次化的存储体系结构
存储访问局部性原理
提高存储系统效能关键点：程序存储访问局部性原理
• 程序执行时，有很多的循环和子程序调用，一旦进入 这样的程序段，就会重复存取相同的指令集合
• 对数据存取也有局部性，在较短的时间内，稳定地保 持在一个存储器的局部区域 处理器主要和存储器的局部打交道 在经过一段时间以后，使用的代码和数据集合会改变