2019最新第二讲操作系统的硬件环境化学
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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
例:微处理器M68000的程序状态字
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
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
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）
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%，则平均访 问时间为：
0.950.1s 0.050.1s 1s 0.15s
结果非常接近I级存储的存取时间
T1：I级存储器的存取时间 T2：II级存储器的存取时间
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
简单的个人计算机中的部件
Monitor
Bus
一、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
1、CPU的构成与基本工作方式
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 R2 I R3
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
特权级别不同，可运行指令集合也不同 特权级别越高，可以运行指令集合越大 高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的
4、程序状态字PSW (Program Status Word )
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）
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
• 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
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
第二讲 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
操作系统运行的硬件环境组成 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 其他
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
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
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
一个简单二级存储系统的性能
3、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
1 1 1 1 1 1 987654 321 0
543210
T
S
I2 I1 I0
XNZVC
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
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
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 特权指令一般引起处理器状态的切换
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
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
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
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
例: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：Fra Baidu bibliotek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
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
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
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 仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止
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
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
管态→目态 设置PSW(修改程序状态字) 可实现
二、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
1、存储器的类型
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
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，自增1
取到的指令放在指令寄存器中 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模块间数据传送和命令发送
4、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给每个运行进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
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）
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
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
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
闪存（flash memory）
2、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
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
设计多级存储的体系结构
原则：级别较低存储器比率小于级别较高存储器比率
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
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
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
例:微处理器M68000的程序状态字
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
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
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）
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%，则平均访 问时间为：
0.950.1s 0.050.1s 1s 0.15s
结果非常接近I级存储的存取时间
T1：I级存储器的存取时间 T2：II级存储器的存取时间
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
简单的个人计算机中的部件
Monitor
Bus
一、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
1、CPU的构成与基本工作方式
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 R2 I R3
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
特权级别不同，可运行指令集合也不同 特权级别越高，可以运行指令集合越大 高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的
4、程序状态字PSW (Program Status Word )
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）
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
• 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
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
第二讲 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
操作系统运行的硬件环境组成 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 其他
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
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
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
一个简单二级存储系统的性能
3、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
1 1 1 1 1 1 987654 321 0
543210
T
S
I2 I1 I0
XNZVC
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
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
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 特权指令一般引起处理器状态的切换
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
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
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
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
例: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：Fra Baidu bibliotek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
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
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
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 仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止
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
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
管态→目态 设置PSW(修改程序状态字) 可实现
二、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
1、存储器的类型
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
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，自增1
取到的指令放在指令寄存器中 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模块间数据传送和命令发送
4、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给每个运行进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
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）
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
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
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
闪存（flash memory）
2、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
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
设计多级存储的体系结构
原则：级别较低存储器比率小于级别较高存储器比率
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
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