操作系统的运行环境
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• 程 序 状 态 字 （ PSW ： Program Status Word），记录处理器的运行模式信息等 等
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
核态（Kernel Mode)：
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 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。
• 特权指令：只能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
操作系统的运行环境
Which of the following instructions should be privileged?
用户态(User Mode)：
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。
操作系统的运行环境
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； • 停止一个中央处理机的工作。
• 中断源：引起中断的事件称中断源，如打印完成中断，其中断源是打印 机。
• 断点：发生中断时正在运行的程序被暂时停止，程序的暂停点称为断点 。例如，某程序正在执行0200地址的指令被中断，那么，0200地址就是 断点， 在中断返回时就执行0200的下一条指令。 中断响应： 是处理机发现有中断请求时，中止现运行程序的执行 并自动引出中断处理程序的过程。 中断处理程序： 对中断事件进行处理的程序叫中断处理程序。如时钟中断处理、打印 机完成中断处理、打印机缺纸中断处理等等。它是操作系统中与硬件最 接近的一部分，是操作系统与硬件的接口。
越慢
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
读写型的存储器 • 可把数据存入其中任一地址单元，并可
在以后的任何时候把数据读出，或者重 新存入新的数据的一种存储器 • 常 被 称 为 随 机 访 问 存 储 器 （ RAM ： Random Access Memory） • RAM主要用作存放随机存取的程序的数 据
操作系统的运行环境
操作系统的运行环境
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
• 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：
操作系统的运行环境
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-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环
• 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
操作系统的运行环境
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
• 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
操作系统的运行环境
设计多级存储的体系结构
假设两级存储器：
• 第I级包含1KB，存取时间为0.1μs • 第II级包含1MB，存取时间为1μs
存取I级中的内容，直接存取 存取II级，首先被转移到I级，然后再存取 假设确定内容所在位置时间可以忽略 若在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，则平均
信息，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器 写入数据
操作系统的运行环境
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：成本和其它部件相比应在合
适范围之内
操作系统的运行环境
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
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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（data register）又称通用寄存器 • 地址寄存器（address register）用于存储数据及指
令的物理地址。如index register、segment pointer、 stack pointer
a. Set value of timer. b. Read the clock. c. Clear memory. d. Issue a trap instruction. e. Turn off interrupts. f. Modify entries in device-status table. g. Switch from user to kernel mode. h. Access I/O device.
访问时间为：
结果非常接近I级存储的存取时间
操作系统的运行环境
缓冲技术
引入缓冲目的：缓和CPU与设备速度不匹配的矛盾。
内存
CPU
Cache
字传送
块传送
Buffer
外部设备
缓冲包括：Cache和Buffer。
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1.7.3 中断技术
什么是中断? • 指CPU对系统中或系统外发生异步事件的响应 • 异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件
在下列情况下，由用户态转向核态：
• 用户程序要求操作系统的服务，系统调用； • 发生一次中断； • 在用户程序中产生了一个错误的状态； • 在用户程序中企图执行一条特权指令；
从核态转回用户态用一条指令实现，这条指令也是特权指令。 一般情况下是中断返回指令。
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Biblioteka Baidu
实例：x86系列处理器
• 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）
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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
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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
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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
• 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
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5类指令
• 访问存储器指令： 处理器和存储器间数据传送
只读型的存储器: • 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） • 称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory）
变型：PROM和EPROM • PROM：一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写
入器写入数据 • EPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去”
操作系统的运行环境
2020/11/20
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：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。
境 • R3-运行各种用户程序 现有基于x86处理器的操作系统，如UNIX、Linux以
及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别
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图：Intel 系列CPU的特权级别
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管态和用户态的差别
处理器处于管态时： • 全部指令（包括特权指令）可以执行 • 可使用所有资源 • 并具有改变处理器状态的能力
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强迫性中断 • 输入/输出(I/O)中断：主要来自外部设备通
处理器处于目态时： • 只有非特权指令能执行
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程序状态字PSW
PSW (Program Status Word ): • CPU的状态——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 用户程序，从而决定其是否可以使用特权指 令或拥有其它的特殊权力 • 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
到破坏 • 操作系统本身也要存放在主存储器中并运行
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一、存储器类型：
RAM 和 ROM
二、存储系统的层次结构：存储访问的局部性原理
速度
寄存器
高速缓存 256K、512K
内存
128M、2G
硬盘缓存 2M
硬盘
40G~80G
光盘、磁盘、优盘、磁带 650M、1.44M、64M、400G
容量
如外部设备完成数据传输、实时设备出现异常等
“中断”名称源于： • 当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行 • 而转去处理该异步事件 • 直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行
操作系统的运行环境
从用户角度看中断
操作系统的运行环境
几个概念
• 中断是指某个事件（例如，电源掉电、俘点运算溢出、外部设备传输完 成或出错等）发生时，系统中止现运行程序的执行，引出处理事件程序 对相应事件进行处理，处理完毕后返回断点继续执行。
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例1：微处理器M68000的程序状态字
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
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CPU状态的转换
目态--管态 其转换的唯一途径是通过中断
管态--目态 可用设置PSW(修改程序状态字)实现
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1.7.2 存储系统
• 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主存
储器 • 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受
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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。
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
核态（Kernel Mode)：
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 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。
• 特权指令：只能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
操作系统的运行环境
Which of the following instructions should be privileged?
用户态(User Mode)：
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。
操作系统的运行环境
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； • 停止一个中央处理机的工作。
• 中断源：引起中断的事件称中断源，如打印完成中断，其中断源是打印 机。
• 断点：发生中断时正在运行的程序被暂时停止，程序的暂停点称为断点 。例如，某程序正在执行0200地址的指令被中断，那么，0200地址就是 断点， 在中断返回时就执行0200的下一条指令。 中断响应： 是处理机发现有中断请求时，中止现运行程序的执行 并自动引出中断处理程序的过程。 中断处理程序： 对中断事件进行处理的程序叫中断处理程序。如时钟中断处理、打印 机完成中断处理、打印机缺纸中断处理等等。它是操作系统中与硬件最 接近的一部分，是操作系统与硬件的接口。
越慢
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
读写型的存储器 • 可把数据存入其中任一地址单元，并可
在以后的任何时候把数据读出，或者重 新存入新的数据的一种存储器 • 常 被 称 为 随 机 访 问 存 储 器 （ RAM ： Random Access Memory） • RAM主要用作存放随机存取的程序的数 据
操作系统的运行环境
操作系统的运行环境
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
• 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：
操作系统的运行环境
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-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环
• 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
操作系统的运行环境
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
• 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
操作系统的运行环境
设计多级存储的体系结构
假设两级存储器：
• 第I级包含1KB，存取时间为0.1μs • 第II级包含1MB，存取时间为1μs
存取I级中的内容，直接存取 存取II级，首先被转移到I级，然后再存取 假设确定内容所在位置时间可以忽略 若在I级存储器中发现存取对象的概率是95%，则平均
信息，恢复原来状态，然后使用特殊EPROM写入器 写入数据
操作系统的运行环境
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：成本和其它部件相比应在合
适范围之内
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
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（data register）又称通用寄存器 • 地址寄存器（address register）用于存储数据及指
令的物理地址。如index register、segment pointer、 stack pointer
a. Set value of timer. b. Read the clock. c. Clear memory. d. Issue a trap instruction. e. Turn off interrupts. f. Modify entries in device-status table. g. Switch from user to kernel mode. h. Access I/O device.
访问时间为：
结果非常接近I级存储的存取时间
操作系统的运行环境
缓冲技术
引入缓冲目的：缓和CPU与设备速度不匹配的矛盾。
内存
CPU
Cache
字传送
块传送
Buffer
外部设备
缓冲包括：Cache和Buffer。
操作系统的运行环境
1.7.3 中断技术
什么是中断? • 指CPU对系统中或系统外发生异步事件的响应 • 异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件
在下列情况下，由用户态转向核态：
• 用户程序要求操作系统的服务，系统调用； • 发生一次中断； • 在用户程序中产生了一个错误的状态； • 在用户程序中企图执行一条特权指令；
从核态转回用户态用一条指令实现，这条指令也是特权指令。 一般情况下是中断返回指令。
操作系统的运行环境
Biblioteka Baidu
实例：x86系列处理器
• 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）
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
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
操作系统的运行环境
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
• 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
操作系统的运行环境
5类指令
• 访问存储器指令： 处理器和存储器间数据传送
只读型的存储器: • 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） • 称为只读存储器（ROM：Read-Only Memory）
变型：PROM和EPROM • PROM：一种可编程只读存储器，使用特殊PROM写
入器写入数据 • EPROM：用特殊的紫外线光照射此芯片，以“擦去”
操作系统的运行环境
2020/11/20
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：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。
境 • R3-运行各种用户程序 现有基于x86处理器的操作系统，如UNIX、Linux以
及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别
操作系统的运行环境
图：Intel 系列CPU的特权级别
操作系统的运行环境
管态和用户态的差别
处理器处于管态时： • 全部指令（包括特权指令）可以执行 • 可使用所有资源 • 并具有改变处理器状态的能力
操作系统的运行环境
强迫性中断 • 输入/输出(I/O)中断：主要来自外部设备通
处理器处于目态时： • 只有非特权指令能执行
操作系统的运行环境
程序状态字PSW
PSW (Program Status Word ): • CPU的状态——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 用户程序，从而决定其是否可以使用特权指 令或拥有其它的特殊权力 • 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
到破坏 • 操作系统本身也要存放在主存储器中并运行
操作系统的运行环境
一、存储器类型：
RAM 和 ROM
二、存储系统的层次结构：存储访问的局部性原理
速度
寄存器
高速缓存 256K、512K
内存
128M、2G
硬盘缓存 2M
硬盘
40G~80G
光盘、磁盘、优盘、磁带 650M、1.44M、64M、400G
容量
如外部设备完成数据传输、实时设备出现异常等
“中断”名称源于： • 当异步事件发生后，打断了对当前程序的执行 • 而转去处理该异步事件 • 直到处理完了后，再转回原程序中断点继续执行
操作系统的运行环境
从用户角度看中断
操作系统的运行环境
几个概念
• 中断是指某个事件（例如，电源掉电、俘点运算溢出、外部设备传输完 成或出错等）发生时，系统中止现运行程序的执行，引出处理事件程序 对相应事件进行处理，处理完毕后返回断点继续执行。
操作系统的运行环境
例1：微处理器M68000的程序状态字
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
操作系统的运行环境
CPU状态的转换
目态--管态 其转换的唯一途径是通过中断
管态--目态 可用设置PSW(修改程序状态字)实现
操作系统的运行环境
1.7.2 存储系统
• 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主存
储器 • 操作系统要管理、保护程序和数据，使它们不至于受
操作系统的运行环境
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。