18操作系统的运行环境
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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
• 程 序 状 态 字 （ PSW ： Program Status Word），记录处理器的运行模式信息等 等
• 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
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
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
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
• 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
• 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
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
思考题
• 什么是管态，什么是目态，为什么要区分二态？ 你认为用什么方法可以区分二态？
• 在什么情况下处理机的状态会从目态转换到管 态？如何实现这种转换？
1.8.2 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
集合具有包含关系：
I R0 I R1 I R2 I R3
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
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
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
• 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
处理器的状态
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）、系统态 、核心态
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
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
到破坏 • 操作系统本身也要存放在主存储器中并运行
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
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
例1：微处理器M68000的程序状态字
1 1 1 1 1 1 987654 321 0
543210
T
S
I2 I1 I0
XNLeabharlann BaiduVC
1.8 操作系统的运行环境
1.8.1 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。
处理器
数据寄存器 地址寄存器 控制和状态寄存器
PC IR PSW
高速缓存Cache
运算器
控制器
总线
内存
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。
及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别
图：Intel 系列CPU的特权级别
管态和目态的差别
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
处理器处于目态时： • 只有非特权指令能执行
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
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
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
• 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
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
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
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
• 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
• 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
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
思考题
• 什么是管态，什么是目态，为什么要区分二态？ 你认为用什么方法可以区分二态？
• 在什么情况下处理机的状态会从目态转换到管 态？如何实现这种转换？
1.8.2 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
集合具有包含关系：
I R0 I R1 I R2 I R3
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
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
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
• 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
处理器的状态
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）、系统态 、核心态
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
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
到破坏 • 操作系统本身也要存放在主存储器中并运行
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
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
例1：微处理器M68000的程序状态字
1 1 1 1 1 1 987654 321 0
543210
T
S
I2 I1 I0
XNLeabharlann BaiduVC
1.8 操作系统的运行环境
1.8.1 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。
处理器
数据寄存器 地址寄存器 控制和状态寄存器
PC IR PSW
高速缓存Cache
运算器
控制器
总线
内存
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。
及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别
图：Intel 系列CPU的特权级别
管态和目态的差别
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
处理器处于目态时： • 只有非特权指令能执行
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
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